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Verfahren zum Steuern des Bremsstromes bei einer elek-
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trischen Bremseinrichtung für Drehstrom-Motoren und Bremseinrichtung
für die Anordnung dieses Verfahrens
Beschreibung: Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern des Bremsstromes bei einer nach dem Prinzip
der Gleichstrombremsung arbeitenden Bremseinrichtung für Drehstrom-Motoren sowie
eine Bremseinrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens, die mit einer eine Gleichrichterschaltung
umfassenden Bremsstromquelle, welche über eine Auslöserschaltung bei Betätigung
des Motorschalters auf "AUS" an wenigstens eine Motorwicklung anlegbar ist, um diese
mit Gleichstrom (Bremsstrom) zu versorgen, und mit einer Steuerschaltung für die
Festlegung der zeitlichen Einwirkungsdauer des Bremsstroms versehen ist.
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Bei Bearbeitungsmaschinen mit umlaufenden Werkzeugen, die nicht verkleidet
sind oder bei denen die Verkleidung nicht bis zum Werkzeugstillstand verriegit ist,
besteht die Forderung nach Bremseinrichtungen, welche mit dem Ausschalten der Antriebsmotoren
wirksam werden und den Stillstand umlaufender Werkzeuge innerhalb vorbestimmter
Zeiten nach dem Ausschalten gewährleisten. Besondere Bedeutung kommt dem Einsatz
solcher Bremseinrichtungen bei Holzbearbeitungsmaschinen zu.
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Mechanische Bremseinrichtungen, mit denen das Abbremsen der umlaufenden
Werkzeuge in gewünschter Weise durchführbar ist, haben sich wegen des unvermeidbaren
Verschleißes nicht bewährt. Eine gewisse Verbreitung haben hingegen verschleißfreie
elektrische Bremseinrichtungen gefunden, die nach dem Prinzip der sogenannten 1?Gleichstrombremsung??
arbeiten und ein weitgehend präzises Einstellen des benötigten Bremsmomentes und
der geforderten Bremszeit ermöglichen.
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Neben der "Gleichstrombremsung" ist auch noch die sogenannte Gegenstrombremsung
bekannt, die sich jedoch für den hier anstehenden Verwendungszweck als weniger geeignet
erwiesen hat.
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Bei einer bekannten Bremseinrichtung, die.nach dem Prinzip der Gleichstrombremsung
arbeitet, wird an den Stator der abzubremsenden Drehstrommaschine Gleichspannung
angelegt, die in den Statorwicklungen ein Feld aufbaut, welches im Läufer der Maschine
eine die Läuferdrehung hemmende Wechselspannung indiziert. Logischerweise steigt
der erzielbare Bremseffekt mit der Stärke des magnetischen Feldes in den Statorwicklungen.
Der als Bremsstrom eingesetzte Gleichstrom ist ein pulsierender Gleichsfrom, der
mittels einer Phasenanschnittsteuerung unter Einsatz eines Tgristors erzeugt und
geregelt wird.
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Unbefriedigend bei dieser vorbekannten Bremseinrichtung ist die Regelung
der zeitlichen Einwirkungsdauer des Bremsstroms, wofür eine spezielle Zeitgeberschaltung
erforderlich ist, die den Bremsstrom innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer nach
dem Stillstand des Motors abschaltet, um so eine unnötige thermische Belastung der
Motorwicklungen zu vermeiden. Naturgemäß muß diese Zeitgeberschaltungauf ein bestimmtes
Schwungmoment ausgelegt sein, so daß bei Maschinen, die mit unterschiedlich schweren
Werkzeugen ausrüstbar sind, jedenfalls immer dann die Bremsstromabschaltung nicht
innerhalb der erwünschten Zeitdauer gewährleistet ist, wenn sich ein Werkzeug mit
kleinerem Schwungmoment als das Bezugswerkzeug im Einsatz befindet. Andererseits
kann bei Verwendung von Werkzeugen, die schwerer als das Bezugswerkzeug sind, auf
dessen Schwungmoment die Zeitgeberschaltung eingestellt ist, der Fall eintreten,
daß eine Abschaltung des Bremsstromes erfolgt, bevor der Motorläufer mit dem schweren
Werkzeug zum Stillstand gekommen ist. Auch wenn das Abbremsen des Motors eingeleitet
wird, bevor dieser seine Nenndrehzahl erreicht hat, kommt der Motorläufer verhältnismäßig
schnell zum Stillstand und die vorbestimmte Einwirkungsdauer des Bremsstromes führt
nach dem Erreichen des Motorstillstandes zu einer unerwünschten thermischen Belastung
der Motorwicklungen.
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In all diesen Fällen ist bei der vorbekannten Bremseinrichtung die
Bremsstromabschaltung im Zeitpunkt des Maschinenstillstandes oder innerhalb einer
genau definierten Zeit nach dem Maschinenstillstand nicht verwirklichbar.
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Es sind zwar auch schon Bremseinrichtungen bekannt geworden, bei denen
die Bremsstromabschaltung über einen besonderen Bremswächter oder einen Stillstandswächter
erfolgt, aber derartige Wächter sind als Zusatzelemente einerseits kostenaufwendig
und andererseits nicht bei allen Motoren und/oder Anwendungsfällen einsetzbar.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung
einer verbesserten Gleichstrombremsung und einer entsprechenden Bremseinrichtung
dahingehend, die zeitliche Einwirkungsdauer des Bremsstroms auf die Bremszeit bis
zum Stillstand des Motors zu begrenzen, und zwar mit der Nebenbedingung, daß Änderungen
an der Schaltung des Motors und der zugeordneten Schalteinrichtung tunlichst vermieden
werden sollen.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch die Schaffung eines Verfahrens zum
Steuern des Bremsstroms bei einer nach dem Prinzip der Gleichstrombremsung arbeitenden
elektrischen
Bremseinrichtung für Drehstrom-Motoren, bei dem die
Beaufschlagung der Motorwicklungen mit Bremsstrom und dessen zeitliche Einwirkungsdauer
durch eine während des - gebremsten - Auslaufens des Motors von den Motorwicklungen
als Steuerspannung abgegriffene Generator spannung gesteuert und beim Ausbleiben
der Generatorspannung nach erzieltem Motorstillstand unverzüglich unterbrochen wird.
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Die Erfindung geht aus von der Überlegung, daß jeder Motor bei Fremdantrieb
seines Rotors auch als Generator betrieben werden kann und dann eine bestimmte Spannung
abgibt. Im Palle des Abbremsens steht als Fremdantrieb die aufzuzehrende Rotationsenergie
des Motorläufers und eines damit verbundenen Werkzeugs zur Verfügung, so daß während
des - abgebremsten - Auslaufens des Motors eine Generatorspannung induziert wird,
die allerdings bei Drehstrommaschinen gering ist und mit abfallender Drehzahl des
Motors abklingt. Diese beim Auslaufen des Motors abklingende Generator spannung
wird erfindungsgemäß von der Steuerschaltung erfaßt und als Steuer spannung in der
Weise herangezogen, daß beim Auftreten dieser Steuer spannung wenigstens eine Motorwicklung
an der Bremsstromquelle liegt. Naturgemäß wird bei Motorstillstand keine Generatorspannung
im Motor induziert, so daß angesichts des Wegfalls dieser Steuerspannung in dem
Zeitpunkt,
in dem der Motor zum Stillstand kommt, die Versorgung
des Motors mit Bremsstrom unterbrochen wird. Folglich ist durch die Erfindung die
zeitliche Einwirkungsdauer des Bremsstroms auf die reine Bremszeit begrenzt und
eine unnötige thermische Belastung der während der Bremszeit vom Bremsstrom durchflossenen
Motorwicklungen ist vermieden.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind
in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben.
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Zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt die Erfindung
bei einer Bremseinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 die Ausrüstung
der Steuerschaltung mit einem integrierten Schaltkreis vor, der als Verstärker geschaltet
und in Abhängigkeit vom Ausschalten des Motors an wenigstens eine Statorwicklung
anlegbar ist und seinerseits ein Schaltelement, über dessen Schaltkontakte der Bremsstromfluß
gesteuert wird, ansteuert, welches dann, wenn der Motor zum Stillstand gekommen
ist und somit dem integrierten Schaltkreis von der an diesem anliegenden Motorwicklung
keine Generatorspannung mehr zugeführt wird, weil angesichts der durch die Bremsstrombeaufschlagung
bewirkten Abbremsung des Motors bis zum Stillstand keine Generatorspannung mehr
in der an dem integrierten Schaltkreis anliegenden
Motorwicklung
induziert wird, infolge dieser Ansteuerung abfällt und dadurch den Bremsstrom unterbricht.
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Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Bremseinrichtun sind
in den Unteransprüchen 5 bis 8 angegeben.
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Im folgenden soll anhand der beigefügten Zeichnungen eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung in Verbindung mit Drehstrommotoren unterschiedlicher
Schaltung erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen: Fig. 1 das Schaltbild
eines von Stern auf Dreieck und umgekehrt schaltbaren Drehstrommotors mit der erfindungsgemäßen
Bremseinrichtung, jedoch ohne Steuerschaltung und ohne Bremsstromquelle mit Gleichrichterschaltung,
Fig. 2 ein Schaltbild wie in Fig. 1, jedoch mit einem auf Dreieck geschalteten Drehstrommotor,
Fig. 3 ein Schaltbild wie in den Fig. 1 und 2, jedoch mit einem auf Stern geschalteten
Drehstrommotor und Fig. 4 die Steuerschaltung der Bremseinrichtung mit dem das Abschalten
des Bremsstroms in Abhängigkeit vom Ausbleiben einer im Motor induzierten Generatorspannung
vermittelnden integrierten Schaltkreis für sich allein.
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Bei der Schaltung nach Fig. 1 sind zwischen den von Stern auf Dreieck
und umgekehrt schaltbaren Wicklungen 10, 11, 12 des Motors und einem Motor-Drehschalter
13 als Hauptschütze ausgebildete Relais 14, 15 eingeschaltet, welche die Verbindung
vom Schalter zum Motor und damit im eingeschalteten Zustand des Motors das Anlegen
der Motorwicklungen an ein Drehstromnetz RST vermitteln und zu einer insgesamt mit
49 bezeichneten Steuerschaltung gehören.
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Wenn infolge Betätigung des Motor-Drehschalters 13 die Motorwicklungen
an das Drehstromnetz angelegt werden, wird ein als Hilfsschütz ausgelegtes Relais
16 über einen diesem Relais zugeordneten Ruhekontakt 17 angezogen und gelangt über
den Schaltkontakt 18 eines weiteren Relais 19 durch Anlegen an einen Leiter des
Drehstromnetzes in Selbsthaltung.
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Durch das Anziehen des als Hilfsschütz ausgelegten Relais 16 wird
ein Trafo 20 an Spannung gelegt, der seinerseits ein Relais 21 beaufschlagt, welches
nunmehr anzieht und durch Schließen seines Schaltkontaktes 22 die als Haupt schütze
ausgebildeten Relais 14, 15 an einen Leiter des Drehstromnetzes legt, wodurch diese
Relais anziehen und über ihre Schaltkontakte 24, 25, 26 bzw. 27, 28, 29 die Verbindung
zwischen dem Drehschalter und den Wicklungen 10, 11, 12 des Drehstrom-Motors herstellen.
Damit läuft der Motor an.
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Mit dem Einschalten des Motors und dem Anziehen des Relais 16 wird
über dessen Schaltkontakte auch ein Steuertrafo 30 an Spannung gelegt.
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Gleichzeitig mit dem Anschalten des Motors wird ein Relais 32 angezogen,
dessen Schaltkontakte 33 im Ruhezustand das Relais 19 mit der elektronischen Steuerschaltung
50 (Fig. 4) verbinden. Bei dem Relais 32 handelt es sich um eine Sicherheitseinrichtung,
die beim Versagen der elektronischen Steuerschaltung 50 und in dem Falle wirksam
wird, daß der Motor während der Auslaufphase, in der die Motorwicklungen durch Bremsstrom
beaufschlagt sind, wieder angeschaltet werden sollte.
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Die Versorgung des Relais 21 vom Trafo 20 erfolgt über eine im einzelnen
hier nicht interessierende Gleichrichterschaltung 35. Parallel zum Relais 21 ist
ein Kondensator 36 geschaltet, dessen Aufgabe darin besteht, die als Hauptschütze
ausgebildeten Relais 14, 15 solange über das Relais 21 zu halten, bis die beim Ausschalten
auftretende Induktion abgeklungen ist. Der Kondensator 36 muß so ausreichend bemessen
sein, daß beim Umschalten von Stern auf Dreieck oder umgekehrt ein Abfallen der
Relais 14, 15 nicht eintritt.
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Wenn infolge entsprechender Betätigung des Motordrehschalters 13 der
Motor abgeschaltet wird, fallen die als Haupt.
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schütze ausgebildeten Relais 1h, 15 aO, und zwar entsprechend der
Kap>ität des Kondensators 36 über das Relais 21 verzögert. Durch das Abfallen
dieser Relais werden über Hilfskontakte 37, 38 des Relais 15 die Wicklungsenden
der Motorwicklung 12 bei 39, 40 an die elektronische Steuerschaltung 50 angelegt.
Hilfskontakte 41, 42 des Relais 14 verbinden die Enden der Wicklungen 10 und 11
miteinander, deren Wicklungsanfänge an Hilfskontakten 43, 44 des Relais 16 anliegen,
über welche bei 45, 46 die Bremsstromeinspeisung von einer nur angedeuteten Bremsstromquelle
48 erfolgt, deren Aufbau hier nicht weiter interessiert. Die Bremsstromquelle 48
ist über einen Schaltkontakt 81 des Relais 19 an eine Phase des Drehst-romnetzes
anlegbar.
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Die beim Auslaufen des Motors in der Motorwicklung 12, deren Enden
bei 39, 40 an der elektronischen Steuerschaltung 50 anliegen, induzierte Generatorspannung
wird über einen als Übertrager eingesetzten Transformator 51 transformiert und einem
integrierten Schaltkreis 52 der elektronischen Steuerschaltung zugeführt. Dem integrierten
Schaltkreis 52 zugeordnete Potentiometer 53, 54 dienen der Empfindlichkeitseinstellung
An sich bedürfte es des Übertragertrafos 51 nicht, wenn der Eingang des integrierten
Schalt kreises 52 weniger hochohmig wäre. Angesichts der Empfindlichkeit des integrierten
Schaltkreises
52 würde jedoch ein am Anschluß 79 liegendes längeres Kabel als Antenne wirken und
die Schaltung unerwünschtermaßen aktivieren. Der integrierte Schaltkreis 52, der
als Verstärker geschaltet ist, reagiert bereits bei Spannungsdifferenzen von weniger
als 1 mV an seinen Eingangsanschlüssen.
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Infolge der dem integrierten Schaltkreis 52 über den Transfor mator
51 zugeführten Generatorspannung behält der Ausgang 55 des Schaltkreises 52 positives
Potential, was zum Durchbrechen einer über einen Widerstand 56 nachgeschalteten
Zenerdiode 57 führt und den Übergang eines Transistors 58 in den leitenden Zustand
zur Folge hat. Die Einschaltung der Zenerdiode 57 ist erforderlich, weil der Ausgang
55 des integrierten Schaltkreises 52 beim Ausbleiben eines Signals nicht vollständig
auf Null zurückgeht.
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Der Transistor 58 dient nur als Treibertransistor für einen weiteren
Transistor 59. Da der Treibertransistor 58 nur leitet, wenn sein Ausgang positives
Potential hat, welches im Rhytmus der Generatorspannung auftritt, muß während des
Sperrzustandes des Treibertransistors 58 der Transistor 59 über einen eingeschalteten
Kondensator 60 versorgt werden.
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Ein als astabiler Multivibrator geschalteter integrierter Schaltkreis
62 wird über den Transistor 59 angesteuert.
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Angesichts des Erfordernisses einer Begrenzung der Versorgungsspannung
am integrierten Schaltkreis 62 auf beispielsweise maximal 15 V sind diesem Schaltkreis
zugeordnete Zenerdioden 63 und 64 erforderlich. Eine Einstellung des integrierten
Schaltkreises 62 in der Weise, daß der Ausgang 65 dieses Schaltkreises nach einer
vorbestimmten Zeitdauer, beispielsweise von 1 bis 2 s, negativ wird, dienen ein
einstellbarer Widerstand 66 und ein Potentiometer 67.
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Durch das Negativwerden des Ausganges 65 des integrierten Schaltkreises
62 wird ein Transistor 68 über die Zenerdiode 64 angesteuert, wodurch ein Relais
70 (Fig. 1) anzieht. In Verbindung mit dem Kondensator 71 bestimmen die Einstellungen
des Widerstandes 66 und des Potentiometers 72, wann das über die Kontakte 73, 73'
an der Steuerelektronik 50 liegende Relais 70 spätestens wieder abfallen soll.
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Auch hierbei handelt es sich um eine Sicherheitsmaßnahme, damit die
Wirkungsdauer des Bremsstromes im Falle eines Defektes begrenzt ist.
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Das Relais 70 schließlich schaltet über den Schaltkontakt 33 des Relais
32 das Hauptrelais 19, dessen Schaltkontakte -81 den Bremsstrom steuern. Beim Anziehen
des Relais 19 wird auch die Stromversorgung des Relais 16 unterbrochen, so daß
dieses
Relais abfällt, und der Steuertrafo 30 wird über den Schaltkontakt 82 des Relais
19 an ebenfalls eine Phase des Drehstromnetzes gelegt. Der Transformator 30 versorgt
über die Anschlußklemmen 74, 75 und eine Gleichrichteranordnung 76 mit nachgeschaltetem
Siebkondensator 77 die elektronische Steuerschaltung 50 mit Strom, während das Relais
19 anzieht und das Relais 16 abfällt. Die Ruhekontakte 43, 44 des Relais 16 schließlich
verbinden die Bremsstromquelle 48 mit den Motorwicklungen 10 und 11. Angesichts
des Anliegens der genannten Motorwicklungen an die Bremsstromquelle fließt bis zum
Stillstand des Motorläufers Bremsstrom und während der - gebremsten - Auslaufphase
des Motors wird in der über den Transformator 51 an den integrierten Schaltkreis
52 angelegten und von Bremsstrom nicht durchflossenen Motorwicklung 10 eine Generatorspannung
erzeugt, die als Steuerspannung eingesetzt wird.
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Sobald der Motorläufer zum Stillstand gekommen ist, kann in der Motorwicklung
10 keine Generator spannung mehr induziert werden. Demgemäß sperrt der Transistor
59 über den integrierten Schaltkreis 52 und der integrierte Schaltkreis 62 erhält
keine negative Spannung mehr. Demgemäß fällt das Relais 70 ab. Je nach der Kapazität
des Kondensators 78 fällt mit geringer Verzögerung nunmehr auch das Relais 19 ab
und unterbricht den Bremsstrom, indem das Anliegen der
Bremsstromquelle
48 an einer Phase aes Drehstromnetzes durch den Schaltkontakt 81 unterbrochen wird.
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Da das Relais 70 infolge einer beim Abschalten des Bremsstroms auftretenden
Induktion, die praktisch wieder eine Generatorspannung liefert, sofort nach dem
Abschalten des Bremsstroms wieder anziehen würde, ist für ein sicheres Abschalten
die Kombination der Relais 19 und 70 erforderlich. Wenn das Relais 70 sicher abfällt,
benötigt es die am Potentiometer 67 in Verbindung mit der Kapazität des Kondensators
71 eingestellte Zeit zum Wiederanziehen, was jedoch nach dem Abschalten des Steuertrafos
30 nicht mehr gelingt.
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In den Fig. 2 und 3 sind für gleiche Teile wie in Fig. 1 die gleichen
Bezugszeichen verwendet.
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Die Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 unterscheiden sich von
der in Verbindung mit der Steuerschaltung 50 nach Fig. 4 obenbeschriebenen Ausführungsform
gemäß Fig. 1 dadurch, daß alle Motorwicklungen 10, 11, 12 an die Bremsstromquelle
48 anlegbar sind und daß die dem integrierten Schalt kreis 52 der Steuerschaltung
zuzuführende Generatorspannung von den vom Bremsstrom durchflossenen Motorwicklungen
abgenommen wird. Bei dieser Generator spannung handelt es sich um eine dem Bremsstrom
überlagerte Wchselspannung. Eine präzise Einstellung gelingt mittels des
Potentiometers
53. Ferner ist im Einspeisweg für diese Generator spannung vor dem Transformator
51 ein Abblockkondensator 80 vorgesehen, der nur die als Steuerspannung herangezogene,
dem Bremsstrom überlagerte Wechselspannung an den integrierten Schalt kreis 52 der
Steuerelektronik 50 gelangen läßt und eine Beaufschlagung der Steuerelektronik mit
Bremsstrom abblockt. Im übrigen bedarf es bei den Ausführungsformen nach den Fig.
2 und 3 mangels Umschaltbarkeit von Stern auf Dreieck und umgekehrt nur jeweils
eines als Hauptschütz ausgebildeten Relais 15, über dessen Hilfskontakte 37, 38
die in den Motorwicklungen erzeugte Generatorspannung dem integrierten Schaltkreis
52 der Steuerschaltung zugeführt wird.
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Neben der Begrenzung der Einwirkungsdauer des Bremsstroms auf die
Dauer des tatsächlichen Bremsvorganges ist durch die Erfindung auch eine Bremseinrichtung
geschaffen worden, die in einfacher Weise ohne Anderungen an den abzubremsenden
Motoren oder den zugeordneten Schalteinrichtungen eingesetzt werden kann.
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