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Asynchronmas chine
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Asynchronmaschine, deren Ständerwicklungen
aus einem Dreh stromnetz über einen Drehstromsteller gespeist werden, dessen Thyristoren
von einem Steuersatz in Abhängigkeit vom Ausgangs signal eines Stromreglers mit
Zündimpulsen gesteuert werden, dem ein weiterer Regler überlagert ist, von dessen
Ausgangssignal die Führungsgröße für den Stromregler abgeleitet ist. Als überlagerter
Regler kann ein Drehzahlregler, ein Drehmomentregler, ein Leistungsregler oder ein
Schubkraftregler vorgesehen sein. Die Erfindung bezieht sich sowohl auf rotierende
Asynchronmaschinen, als auch auf asynchrone Linearmotoren.
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Asynchronmaschinen mit Drehstromsteller werden im untersynchronen
Bereich üblicherweise mit einem Gegendrehfeld gebremst. Dabei wird die gesamte aufgenommene
elektrische Leistung in Läuferverluste umgesetzt. Die Asynchronmaschine entwickelt
eine Bremskraft, die in bestimmten Anwendungsfällen als ungenügend angesehen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Bremsbetrieb
für eine Asynchronmaschine zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst:
a) Es ist ein Gleichstrombremsbetrieb der Asynchronmaschine vorgesehen, bei dem
die Ständerwicklungen dadurch mit Gleichstrom gespeist werden, daß mehrere Thyristoren
des Drehstromstellers von einem weiteren Steuersatz in Abhängigkeit vom Ausgangs
signal des Stromreglers gesteuert werden,
b) im Gleichstrombremsbetrieb
wird der überlagerte Regler herausgeschaltet und die Führungsgröße für den Stromregler
wird stattdessen vom Ausgangs signal eines Gleichstrombremsreglers abgeleitet, c)
die Führungsgröße für den Gleichstrombremsregler wird vorgegeben, d) als Regelgröße
für den Gleichstrombremsregler wird die Bremskraft der als Wirbelstrombremse betriebenen
Asynchronmaschine verwendet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Ausgangs
signal des Gleichstrombremsreglers über einen Funktionsbildner zur Nachbildung einer
Wurzelkennlinie geführt wird und daß das Ausgangssignal des Gleichstrombremsreglers
mit einem geschwindigkeitsabhängigen bzw. drehzahlabhängigen Faktor multipliziert
wird.
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Bei gleicher Bremskraft beträgt im Gleichstrombremsbetrieb die aufgenommene
elektrische Leitung der Asynchronmaschine nur einen Bruchteil der beim Bremsen mit
Gegendrehfeld aufgenommenen elektrischen Leistung.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen
Gleichstrombremsbetrieb bei einem asynchronen Linearmotor dargestellt und wird im
folgenden näher beschrieben: Der asynchrone Linearmotor 1 besteht aus einer dreiphasigen,
in Stern geschalteten Ständerwicklung 1a und einem Translator 1b, der als Kurzschluß
läufer mit erhöhtem elektrischen Widerstand ausgebildet ist. Die Ständerwicklung
1a wird über einen Drehstromsteller 2 mit Stromregelung aus einem Drehstromnetz
mit den Phasen L1, L2, L3 gespeist.
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Um einen Zweiquadrantenbetrieb zu ermögliccn, ist der l)rel1-stromsteller
2 als Umkehrdrehstromsteller ausgebildet und enthälft fünf Stränge mit jeweils zwei
antiparallel geschalteten Thyristoren V1, V2 und V3, V4 und V5, V6 und
V7,
V8 und V9, V10 in der dargestellten Schaltung. Die Beschaltung der Thyristoren ist
nicht im einzelnen ausgeführt. Die Thyristoren V1 bis V10 des Drehstromstellers
2 werden je nach der gewählten Betriebsart von einem der Steuersätze 3 oder 4 oder
5a, 5b mit Zündimpulsen gesteuert. Ein Stromregler 6 liefert die Steuerspannung
für die Steuersätze 3, 4, 5a, 5b.
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Unter der Betriebsart "Fahren" wird das Beschleunigen in Fahrtrichtung
I oder in der entgegengesetzten Fahrtrichtung n verstanden. In der Betriebsart "Fahren
in Fahrtrichtung I" ist der sechspuisige Steuersatz 3 in Betrieb und steuert die
Ventile V5 bis V10 des Drehstromstellers 2. In der Betriebsart "Fahren in Fahrtrichtung
II" ist der sechspulsige Steuersatz 4 in Betrieb und steuert die'Ventile V1 bis
V4 und V7, V8.
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Die Betriebsart "Bremsen" bedeutet Verzögern mit einem Gegendrehfeld
in Fahrtrichtung I oder in Fahrtrichtung II.
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Der Bremsbetrieb mit Gegendrehfeld ist der inverse Betrieb zum Fahrbetrieb.
Die Betriebsart Bremsen in Fahrtrichtung 1" entspricht daher steuerungsmäßig der
Betriebsart "Fahren in Fahrtrichtung II". Die Betriebsart "Bremsen in Fahrtrichtung
II" entspricht steuerungsmäßig der Betriebsart "Fahren in Fahrtrichtung I". Entsprechend
erfolgt die Ansteuerung. der Ventile des Drehstromstellers 2 über einen der. Steuersätze
3 oder 4.
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Im Bremsbetrieb mit Gegendrehfeld entwickelt der asynchrone Linearmotor
eine ungenügende Bremskraft. Die aufgenommene elektrische Leistung wird zusätzlich
zur Bewegungsenergie in Wärmeverlusto umgewandelt. Der Bremsbetrieb mit Gegendrehfeld
ist daher nur bei kleinen Geschwindigkeiten sinnvoll.
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Erfindungsgemäß ist daher ein Gleichstrombremsbetrieb vorgesehen,
bei dem der Linearmotor mit Gleichstrom erregt und nach dem Prinzip der Wirbelstrombremse
betrieben wird. Beim Gleichstrombremsbetrieb beträgt die Bremsleistung ein Mehrfaches
der aufgenommenen elektrischen Leistung. Im Gleichstrombremsbetrieb steuern die
beiden zweipulsigen Steuersätze 5a, 5b die Thyristoren V2, V4, V8, V9 derart, daß
eine zweipulsige Brückenschaltung entsteht und zwei Phasen der Ständerwicklung la
des asynchronen Linearmotors 1 von Gleichstrom durchflossen werden. Die Gleichstrombremse
wird vorzugsweise in einem Geschwindigkeitsbereich eingesetzt, der von der vollen
Synchrongeschwindigkeit bis herunter zu etwa 10t der Synchrongeschwindigkeit reicht.
Bei noch kleineren Geschwindigkeiten wird der Bremsbetrieb mit Gegendrehfeld gewählt.
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Die Steuerung der einzelnen Regler und Steuersätze in Abhängigkeit
von der gewählten Betriebsart erfolgt durch eine Kommandostufe 30. Von den komplexen
Funktionen der Kommandostufe 30 werden im folgenden nur-diejenigen Funktionen betrachtet,
die für das Verständnis der Erfindung von Bedeutung sind. Der Aufbau der Kommandostufe
30 ist nicht im einzelnen dargestellt.
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Ebenso sind zur Wahrung der Übersichtlichkeit der zeichnerisch^n Darstellung
nur die Verbindungsleitungen der in der Betriebsart "Gleichstrombremse" wirksamen
Steuersätze 5a, 5b mit den Thyristoren V1, V4 und V8, V9 des Drehstromstellers dargestellt.
Die Kontakte der Umschalteinrichtungen 8a, 8b sind in der Lage gezeichnet, die sie
in der Betriebsart "Gleichstrombremse" einnehmen.
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Die Funktion der Regelung des asynchronen Linearmotors in den Betriebsarten
"Fahren" und Bremsen" wird nachstehend kurz erläutert, um den Zusammenhang mit dem
erfindungsgemäßen Gleichstrombremsbetrieb aufzuzeigen.
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In den Betriebsarten "Fahren" und "Bremsen" befinden sich die Kontakte
der von der Kommandostufe 30 gesteuerten Umschalteinrichtungen 8a, 8b in der nicht
dargestellten Lage. Die Kommandostufe 30 bestimmt auch, welcher der beiden Steuersätze
3 oder 4 in Betrieb ist.
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Die übrigen Steuersätze sind gesperrt.
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Dem asynchronen Linearmotor ist eine Schubkraftregelung mit unterlagerter
Stromregelung und Strombegrenzung zugeordnet. Die Schubkraftregelung beruht auf
einem festen Zusammenhang zwischen Luftspaltleistung und Schubkraft und bewirkt
eine Regelung der Luftspaltleistung. Die Regelstrecke ist der unterlagerte Stromregelkreis.
Eine derartige Regelung istbeispielsweise bekannt aus der DE-OS 22 39 897.
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An einer Einstellvorrichtung 7 wird die Führungsgröße. F* für die
gewünschte Schubkraft vorgegeben und über den Kontakt der Umschalteinrichtung 8a
dem Differenzverstärker 9 zugeführt. Dem Differenzverstärker 9 wird ferner die Regelgröße
F für die Schubkraft zugeführt, die in einer Recheneinrichtung 10 aus Meßwerten
für die Strangströme von einer Strommeßwandleranordnung 16 und aus Meßwerten für
die Phasenspannungen aus einer Spannungsmeßwandieranordnung 17 gewonnen werden.
Der Berechnung der Schubkraft F als Regelgröße liegt die Überlegung zugrunde, daß
die aufgenommene Leistung des Linearmotors und die Schubkraft zueinander proportional
sind, wenn die Ständerverluste berücksichtigt werden. Die-aufgenommene
Leistung
ist eine Wirkleistung und kann durch eine dreiphasige Messung von Strömen und Spannungen
ermittelt werden, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Die aufgenommene Leistung
kann auch nach der Zweiwattmetermethode aus Strömen und Spannungen zweier Phasen
ermittelt werden. Die Ständerkupferverluste sind vom Ständerstrom-und vom Ständerwiderstand
abhängig und können aus dem Ständerstrom ermittelt werden. Die Ständereisenverluste
sind spannungsabhängig und können aus der Motorspannung ermittelt werden. Weitere
Verluste, wie Oberschwingungsverluste, Stromverdrängungsverluste, - Randfeldverluste
und Erwärmungsverluste spielen demgegenüber eine untergeordnete Rolle und können
pauschal berücksichtigt werden. Es ist auch möglich, die Schubkraft F als Regelgröße
unmittelbar zu messen, beispielsweise durch eine Kraftmeßdose, wie dies in der DE-OS
27 36 829 beschrieben ist.
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Die im Differenzverstärker 9 aus der Regelgröße F und der Führungsgröße
F* der Schubkraft gebildete Regeldifferenz wird einem Schubkraftregler 11 mit integralem
Verhalten zugeführt. Das Ausgangssignal des Schubkraftreglers 11 ist eine vorzeichenbehaftete
wirkleistungsproportionale Größe und kann daher nicht unmittelbar als Führungsgröße
für den unterlagerten Stromregler 6 verwendet werden, da dessen Regelgröße i eine
scheinstromproportionale Größe ist. Das Ausgangssignal des Schubkraftreglers 11
wird daher -in einem Betragsbildner 12 gleichgerichtet und über einen Funktionsbildner
13 zur Nachbildung einer Wurzelkennlinie geführt. Das Ausgangssignal des Funktionsbildners
13 wird in einem Multiplizierer 14 mit einer geschwindigkeitsabhängigen Größe A
multipliziert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 14 stellt die Führungsgröße
i* für den Stromregler dar. Die Führungsgröße i*
wird in einem
Differenzverstärker 15 mit der Regelgröße i verglichen. Der Stromregler 6 bildet
die Steuerspannung für die Steuersätze 3 oder 4, je nach der gewählten Betriebsart.
Als Stromregler 6 ist vorzugsweise ein adaptiver I-Regler vorgesehen.
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Bei der Umschaltung auf die Betriebsart "Gleichstrombremse werden
die Kontakte der Schalteinrichtungen 8a und 8b in die dargestellte Lage gebracht
und somit die Schubkraftregelung herausgeschaltet. Die Steuersätze 3 und 4 werden
gesperrt. Die Steuersätze 5aj 5b werden freigegeben. Die Führungsgröße F* für die
Schubkraft wird als Führungsgröße für die Gleichstrombremsregelung verwendet und
einem Differenzverstärker 18 zugeführt. Als Regelgröße Fb wird die errechnete Bremskraft
des wirbelstrongebremsten cmotors Lineat verwendet. Die Bremskraft einer Wirbelstrombremse
ist der Geschwindigkeit und dem Quadrat des resultierenden Luftspaltflusses proportional.
Der Luftspaltfluß wird mit einer Flußmeßeinrichtung 19 erfaßt. Als Flußmeßeinrichtung
können beispielsweise einige Windungen dünnen Drahtes um jeden Pol des Linearmotors
vorgesehen sein, die jede Flußänderung als Spannung erfassen. Die der Fluß änderung
proportionale Spannung wird einem Integrator zugeführt, der aus einem Operationsverstärker
20 mit einem Kondensator 21 in der Rückführung besteht. Dem Kondensator 21 ist ein
elektronischer Schalter 22 parallel geschaltet. Der Integrator 20, 21 wird in den
Betriebsarten "Fahren" und "Bremsen" durch entsprechende Ansteuerung des elektronischen
Schalters 22 von der Kommandostufe gesperrt und in der Betriebsart Gleichstrombremse"
freigegeben. Damit sind die Anfangsbedingungen für die Flußmessung definiert.
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Das Ausgangssignal des Integrators 20, 21, das dem Luftspaltfluß proportional
ist, wird in einem Multiplizierer 24 quadriert und in einem.weiteren Multiplizierer
25 mit der Geschwindigkeit v des Translators 1b des Linearmotors 1 multipliziert.
Die Geschwindigkeit v des Translators kann beispielsweise von einem Impulsgeber
erfaßt werden. Das Ausgangs signal des Multiplizierers 25 stellt die errechnete
Bremskraft der Wirbelstrombremse als Regelgröße Fb für die Gleichstrombremsregelung
dar.
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Die Regeldifferenz aus der Führungsgröße F* und der in der beschriebenen
Weise ermittelten Regelgröße Fb wird einem Gleichstrombremsregler 26 mit. integralem
Verhalten zugeführt. Dem Gleichstrombremsregler 26 ist ein Funktionsbildner 27 zur
Nachbildung einer Wurzelkennlinie nachgeschaltet. Das Ausgangssignal des Funktionsbildners
27 wird in einem multiplizierenden Digital-Analog-Wandler 28 mit einem geschwindigkeitsabhängigen
Faktor multipliziert.
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Der geschwindigkeitsabhängige Faktor wird nach Maßgabe einer Kennlinie
ermittelt, die in einem Festwertspeicher 29 eingeschrieben ist. Der Festwertspeicher
29 wird von einem digitalisierten Geschwindigkeitsmeßwert adressiert. Das Ausgangssignal
des Festwertspeichers 29 ist der Wert einer Kennlinie am digitalisierten Geschwindigkeitsmeßwert.
Das digitale Ausgangssignal des Festwertspeichers 29 wird dem multiplizierenden
Digital-Analog-Wandler 28 zugeführt und in eine analoge Größe umgesetzt. Der Digital-Analog-Wandler
28 multipliziert das Ausgangssignal des Funktionsbildners 27 mit einer vom Festwertspeicher
29 vorgegebenen geschwindigkeitsabhängigen Verstärkung. Als multiplizierender Digital-Analog-Wandler
28 kann beispielsweise
der Baustein AD 7530 und als Festwertspeicher
29 das PROM IM 5610 der Siemens AG verwendet werden.
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Das Ausgangssignal des multiplizierenden Digital-Analog-Wandlers 28
stellt im Gleichstrombremsbetrieb die Führungsgröße i* für den Stromregler 6 dar
und wird seinem vorgeschalteten Differenzverstärker 15 über den Kontakt der Umschalteinrichtung
8b zugeführt. Der Stromregler 6 bildet die Steuer spannung für die beiden zweipulsigen
Steuersätze 5a und 5b, die im Gleichstrombremsbetrieb freigegeben sind.
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Die Multiplikatoren 14 und 25 können in ähnlicher Weise aus einem
multiplizierenden Digital-Analog-Wandler und einem Festwertspeicher aufgebaut sein.
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Der -findungsgemäße Gleichstrombremsbetrieb kann nicht nur bei asynchronen
Linearmotoren, sondern auch bei rotierenden Asynchronmaschinen durchgeführt werden.
Der Gleichstrombremsbetrieb ist bei Asynchronmaschinen mit Schleifringläufer und
bei Asynchronmaschinen mit Kurzschlußläufer anwendbar. Bei Asynchronmaschinen mit
Kurzschluß läufer muß der elektrische Widerstand des Kurzschlußkäfigs zur Vergrößerung
der Bremskraft höher als üblich bemessen sein. Der Aufbau der Schaltungwird bei
einer Asynchronmaschine in gleicher Weise vorgenommen, jedoch wird anstelle der
Geschwindigkeit die Drehzahl verwendet.
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Zusammenfassung Asynchronmaschine Die Erfindung bezieht sich auf einen
Gleichstrombremsbetrieb für eine Asynchronmaschine (1). Die Ständerwicklungen (1a)
werden aus einem Drehstromnetz (L1, L2, L3) über einen Drehstromsteller(2) gespeist,
dem ein Steuersatz (3 bzw. 4) und ein Stromregler (6) zugeordnet sind.
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Dem Stromregler (6) ist ein weiterer Regler(11) überlagert, beispielsweise
ein Momentenregler, ein Leistungsregler oder ein Schubkraftregler. Im Gleichstrombremsbetrieb
werden die Ständerwicklungen (1a) der Asynchronmaschine (1) mit Gleichstrom gespeist,
wobei mehrere Thyristoren (V1, V4, V8, V9) des Drehstromstellers (2) von einem weiteren
Steuersatz (5a, 5b) in einer Gleichrichterschaltung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal
des Stromreglers (6) gesteuert werden. Im Gleichstrombremsbetrieb wird der überlagerte
Regler (11) herausgeschaltet und die Führungsgröße (i*) für den Stromregler (6)
wird stattdessen vom Ausgangssignal eines Gleichstrombremsreglers (26) abgeleitet.
Die Führungsgröße (F*) für den Gleichstrombremsregler (26) wird vorgegeben, während
die Regelgröße (Fb) aus der Bremskraft der als Wirbelstrombremse betriebenen Asynchronmaschine
ermittelt wird. Der erfindungsgemäße Gleichstrombremsbetrieb ist sowohl für rotierende
Asynchronmaschinen als auch für asynchrone Linearmotoren vorgesehen.
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(einzige FIG)