Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Verbindungsschaltvorrichtung, die eine Dreiecks (nachfolgend als Δ
bezeichnet) - Stern (nachfolgend bezeichnet als Y)
Verbindungsschaltung für einen Dreiphasen-Induktionsmotor
ermöglicht, der in einer Werkzeugmaschine, z. B. einer
Drehbank, einem Bohrer, einem Maschinengewindebohrer und
dgl. verwendet wird.
Stand der Technik
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Neuere Einbaumotoren sind derart ausgebildet, daß eine
Achse des Motors mit einem Werkstück oder einem Werkzeug
nicht über ein Schaltgetriebe, sondern direkt verbunden
ist, so daß das Werkstück und das Werkzeug direkt gedreht
werden können, wenn es in einer Werkzeugmaschine, wie
z.B. einer Drehbank, einem Bohrer, einem
Maschinengewindebohrer und dgl. verwendet wird. Der Motor wird durch
eine Inverter-(bzw. Wandler-)Schaltung angetrieben, die
so ausgebildet ist, daß eine PWM- (Pulsweitenmodulations-)
Technik unter Verwendung einer variablen Frequenz benutzt
wird, und seine Drehzahl wird durch Variation der
Ausgangsfrequenz der Inverterschaltung verändert.
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Fig. 1 stellt eine Drehzahl-Steuerschaltung für einen
Dreiphasen-Induktionsmotor dar, welche die
PWM-Invertertechnik verwendet. Fig. 2 stellt lediglich eine Phase
des Pseudo-Dreiphasenwechselstroms dar, der von dem in
Fig. 1 dargestellten PWM-Inverter erzeugt wird, wobei (A)
eine Pseudo-Sinuswelle und (B) eine Sinuswelle darstellt,
deren Verlauf von der Pseudo-Sinuswelle angenommen wird.
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In Fig. 1 dargestellt wird ein Gleichstrom, der von einer
Gleichstromquelle 10 geliefert wird, durch sechs
Leistungstransistoren 11 bis 16 ein- und ausgeschaltet, so
daß die Wellenform einer jeden Phase den in Fig. 2 (A)
dargestellten Verlauf annimmt mit einer
120º-Phasendifferenz in bezug auf die anderen Phasen zur Erzeugung
eines Pseudo-Dreiphasen-Wechselstroms. Die Frequenz und
der Effektivstrom dieses Dreiphasen-Wechselstroms kann
durch Variation der Schaltzeit verändert werden.
Dementsprechend kann die Drehgeschwindigkeit des Dreiphasen-
Induktionsmotors auf irgendeinen Wert durch Einstellen
der Schaltzeit geregelt werden, basierend auf einer
Einstellung der Drehzahl an einem Drehzahleinstellmittel
17 und einer wirklichen Drehzahl, die aus einem Puls, der
in einem Pulsgenerator 19 erzeugt wird, berechnet wird,
der sich koaxial mit einem Motor 18 dreht, um die
Frequenz und die Effektivleistung des Pseudo-Dreiphasen-
Wechselstroms einzustellen.
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Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Drehzahl und der
Effektivleistung. "A" stellt den Fall dar, bei dem die
Wicklung des Motors eine Δ-Verbindung bildet. Wie in Fig.
3 dargestellt, wird die Effektivleistung konstant und
unabhängig von der Drehgeschwindigkeit, wenn die
Drehgeschwindigkeit eine Geschwindigkeit N&sub0; überschreitet, da,
nachdem die Pulsweite ihre obere Grenze erreicht, auch
die obere Grenze der Leistung, welche zugeführt werden
kann, erreicht wird. Wenn die Drehgeschwindigkeit
niedriger als die Geschwindigkeit N&sub0; wird, nimmt der
durch die Windungen fließende Strom ab, so daß die
Effektivleistung proportional zu der Drehgeschwindigkeit
abnimmt.
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In Fig. 3 stellt "B" den Fall dar, bei dem die Wicklungen
des Motors eine Y-Verbindung bilden. In diesem Fall ist
die Drehzahl N&sub1;, bei der die Effektivleistung konstant
wird, niedriger als die Drehzahl N&sub0; im Falle der Δ-
Verbindung. Der Grund hierfür ist, daß, obwohl die
Impedanz der Wicklung in jeder Phase in der Y-Verbindung
größer ist als diejenige in der Δ-Verbindung, der Strom
in jeder Phase so gesteuert wird, daß der Effektivstrom
einen vorgegebenen Wert durch Aufweitung der Pulsweite
annimmt. Dann ist bei der in Fig. 3 gezeigten Drehzahl N
z. B. die zugeführte Effektivleistung P&sub0; im Falle der Δ-
Verbindung, während sie P&sub1; mit einem größeren Wert als
dem von P&sub0; im Falle der Y-Verbindung wird.
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Da eine Beziehung P = kTN (k ist eine
Proportionalitätskonstante) zwischen dem Drehmoment T, das ein Motor
erzeugt, und der Effektivleistung P, wenn die Drehzahl N
ist, existiert, verhält sich die Beziehung zwischen der
Drehzahl und dem Drehmoment wie in Fig. 4 dargestellt.
Daher kann klar erkannt werden, daß das im Falle der Y-
Verbindung erhaltene Drehmoment bei "B" größer ist als
dasjenige der Δ-Verbindung bei "A" in dem Bereich, in dem
die Drehzahl verhältnismäßig niedrig ist.
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Gewöhnlich werden diese Δ-Y-Verbindungsschaltungen
vermittels eines magnetischen Leiters ausgeführt, der eine
beträchtliche Umstellungszeit erfordert. Der Grund, warum
eine so große Zeit bei einer Δ-Y-Verbindungsschaltung
erforderlich ist, liegt hauptsächlich darin, daß Probleme
beim Schalten des magnetischen Leiters vermieden werden
müssen. Solche Probleme können verbunden sein mit einem
Kontakt, der einem momentanen Kurzschluß der
Versorgüngsspannung zuzuschreiben ist, welcher auf eine große
Schaltgeschwindigkeits-Differenz und ein Prellen der
Kontakte beim Schalten der Vielzahl von magnetischen
Leitern zurückzuführen ist.
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Aus diesem Grunde entsteht ein erstes Problem dadurch,
daß eine beträchtliche Schaltzeit nötig ist, da alle
Kontakte für eine beträchtliche Zeitdauer offengehalten
werden müssen.
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Darüber hinaus entsteht ein zweites Problem dadurch, daß
die Gesamtgröße und das Gewicht anwachsen, was auf ein
großes Ausmaß und Gewicht der magnetischen Leiter selbst
zurückzuführen ist.
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Ein Beispiel einer Stern/Dreieckssteuerung, welche TRIACS
verwendet, ist in dem Artikel "Solid-State Star/Delta
Controller Using TRIACS", von G.J. Tobisch, Seite 105 in
Philips Application, Note 148, Oktober 1971, Eindhoven,
Niederlande, veröffentlicht.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Verbindungsschaltvorrichtung zu vermitteln, die eine
minimale Schaltzeit für eine Δ-Y-Verbindungsschaltung
erfordert und die in ihren Ausmaßen klein und von
geringem Gewicht ist.
Beschreibung der Erfindung
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Gemäß vorliegender Erfindung ist eine Antriebsvorrichtung
für einen Dreiphasen-Induktionsmotor vorgesehen, die eine
Inverter- bzw. Wandlerschaltung zum Umwandeln eines
Gleichstroms in einen Dreiphasen-Wechselstrom zum Speisen
des Dreiphasen- Induktionsmotors, eine
Drehzahleinstelleinrichtung zum Einstellen der Drehzahl des Dreiphasen-
Induktionsmotors und einen Verbindungsschalterkreis mit
einer ersten Schaltergruppe (1, 2) und einer zweiten
Schaltergruppe (3, 4, 5), welcher für den Dreiphasen-
Induktionsmotor durch Abschalten der ersten
Schaltergruppe (1, 2) und durch Einschalten der zweiten
Schaltergruppe (3, 4, 5) dann, wenn die an der
Drehzahleinstelleinrichtung eingestellte Drehzahl größer ist als die
vorgegebene Drehzahl, eine Dreiecksschaltung bildet und
für den Dreiphasen-Induktionsmotor durch Einschalten der
ersten Schaltergruppe (1, 2) und durch Ausschalten der
zweiten Schaltergruppe (3, 4, 5) eine Sternschaltung
bildet, wenn die an der Drehzahleinstelleinrichtung
eingestellte Drehzahl kleiner ist als die vorgegebene
Drehzahl, wobei die erste und die zweite Schaltergruppe
(1, 2, 3, 4, 5) aus Halbleiterschaltern bestehen und die
Drehzahl des Dreiphasen-Induktionsmotors durch Einstellen
der zeitlichen Steuerung des Schaltens dem Inverters auf
der Basis der an der Drehzahl-Einstelleinrichtung
eingestellten Drehzahl regelbar ist.
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Zwei Thyristoren, die parallel und mit entgegengesetzter
Polarität in bezug aufeinander geschaltet sind, oder ein
TRIAC kann für jeden dieser Halbleiterschalter verwendet
werden.
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Da ein Halbleiterschalter, der im wesentlichen aus
Thyristoren besteht, beim Schalten nicht prellt, wird die
erforderliche Schaltzeit auf ein Minimum reduziert.
Darüber hinaus weist ein Halbleiterschalter die
Charakteristik auf, daß er nicht ausgeschaltet wird, bis der
Stromfluß durch seine Elemente Null wird und
entgegengesetzte Vorspannung an ihn angelegt wird. Daher kann nur
dann geschaltet werden, wenn der Stromfluß durch die
Windungen Null wird, nämlich wenn die magnetische
Energie, die innerhalb der Windungen zurückbleibt, im
wesentlichen Null wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Steuerungsschaltung
für einen Dreiphasen-Induktionsmotor, welche
einen konventionellen PWM-Inverter verwendet;
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Fig. 2 ist ein Diagramm, das eine Pseudo-Sinuswelle
in einem PWM-Inverter darstellt;
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Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen
einer Drehzahl und einer Effektivleistung in
einer Δ-Verbindung und in einer Y-Verbindung
darstellt;
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Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen
einer Drehzahl und einem Drehmoment in einer
Δ-Verbindung und in einer Y-Verbindung zeigt;
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Fig. 5 ist ein Diagramm, das einen Grundaufbau eines
Δ/Y-Schalterkreises darstellt;
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Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine erste
Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, das einen
Δ-Y-Verbindungsschalterkreis zeigt;
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Fig. 8 ist ein Teil des in Fig. 6 gezeigten
Steuerschaltkreises 20, in dem der in Fig. 7
gezeigte Prozeß ausgeführt wird; und
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Fig. 9 ist ein Diagramm, das einen anderen
Δ/Y-Schalterkreis zeigt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Fig. 5 ist ein Diagramm eines prinzipiellen
Verbindungsschalterkreises. In dieser Figur beziehen sich die
Bezugszeichen 1 bis 5 auf Halbleiterschalter, wobei 1 und
2 in einer Δ-Schaltung ausgeschaltet sind, während 3, 4
und 5 eingeschaltet sind, und 1 und 2 in einer
Y-Schaltung eingeschaltet sind, während 3, 4 und 5 ausgeschaltet
sind.
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Fig. 6 ist ein Diagramm, das die erste Ausführungsform
vorliegender Erfindung darstellt. In dieser
Ausführungsform wird ein Dreiphasen-Wechselstrom, der von einer
Dreiphasen-Wechselstromquelle 30 geliefert wird, durch
Dioden 31 bis 36 gleichgerichtet und durch eine
Induktivität 37 und eine Kapazität 38 zur Erzeugung eines
Gleichstroms geglättet. Die Betriebsweise der
Leistungstransistoren 11 bis 16 ist ähnlich der in Fig. 1
dargestellten, und jeder erzeugt eine Pseudosinuswelle, die
eine Phasendifferenz von 120º bezüglich jeder anderen
aufweist, wie in Fig. 2(A) dargestellt.
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Eine Drehzahleinstelleinrichtung 17 ist zur Einstellung
der Drehzahl auf dieselbe Weise vorgesehen, wie in Fig.
1 gezeigt, und die Drehzahl eines Motors 18 wird in einem
Pulsgenerator 19 detektiert und an eine Steuerschaltung
20 übertragen. Das Verfahren zur Steuerung des Motors zur
Herbeiführung einer Übereinstimmung der Drehzahl des
Motors 18 mit einem Wert, der an der
Drehzahleinstelleinrichtung 17 eingestellt ist, ist das gleiche wie das
in Fig. 1 gezeigte.
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TRIACS 101 bis 105 werden von der Steuerschaltung 20
geschaltet, um die Δ-Y-Verbindungsschaltung zu
ermöglichen.
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Der Schaltprozeß wird nachfolgend unter Bezuguahme auf
das in Fig. 7 gezeigte Flußdiagramm beschrieben, welches
den Δ-Y-Verbindungsschältvorgang, der durch Schalten der
TRIACS 101 bis 105 ausgeführt wird, zeigt.
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Zuerst wird entschieden, ob die eingestellte Drehzahl
größer als 1000 ist oder nicht (Schritt "a") . Wenn die
Drehzahl größer als 1000 ist, werden die TRIACS 101 und
102 ausgeschaltet und die TRIACS 103 bis 105
eingeschaltet, um eine Dreiecksverbindung (Schritt "b") zu
bilden, und wenn die Geschwindigkeit kleiner als 1000
ist, werden die TRIACS 102 und 102 eingeschaltet und die
TRIACS 103 bis 105 ausgeschaltet, um eine Y-Verbindung zu
bilden (Schritt "c").
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Danach, wenn der eingestellte Wert sich ändert von einem
Wert kleiner als 1000 auf einen Wert größer als 1000
(Schritt "d" und "e"), werden die TRIACS 101 und 102
ausgeschaltet (Schritt "g"), und nach einem angemessenen
Zeitintervall (Schritt "h") werden die TRIACS 103 bis 105
eingeschaltet, um eine Änderung hin zu einer Δ-Verbindung
herbeizuführen.
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Umgekehrt, wenn der eingestellte Wert von einem Wert
größer als 1000 auf einen Wert kleiner als 1000 (Schritt
"d" und "f") wechselt, werden die TRIACS 103 bis 105
ausgeschaltet (Schritt "j") und nach einem angemessenen
Zeitintervall (Schritt "k") werden die TRIACS 101 und 102
eingeschaltet, um einen Wechsel zu einer Y-Verbindung
herbeizuführen.
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Fig. 8 zeigt einen Teil der in Fig. 6 dargestellten
Steuerschaltung und stellt ein Beispiel eines
Schaltkreises dar, in dem der in dem Flußdiagramm der Fig. 7
dargestellte Prozeß ausgeführt wird. Ein Komparator 50
weist einen mit "A" bezeichneten Eingang auf, der mit
einem Drehzahleinstellausgang verbunden ist, und in den
ein Digitalwert eingegeben wird, und einen anderen mit
"B" bezeichneten Eingang, der mit einem Digitalwert
"1000" verbunden ist. Der Komparator 50 gibt "H" an einem
Ausgang aus, der mit "A > B" bezeichnet ist, wenn die
eingestellte Drehzahl größer ist als 1000, er gibt "H" an
einem Ausgang aus, der mit "A ≤ B" bezeichnet ist, wenn
die eingestellte Drehzahl kleiner als 1000 ist. Die
Ausgänge "A > B" und "A ≤ B" sind jeweils mit den
Triggereingängen eines monostabilen Multivibrators 51 und
52 verbunden, der "L" während eines Zeitintervalls, das
mit den eingestellten Zeitkonstanten korrespondiert,
ausgibt, wenn die Ausgänge "A > B" und "A ≤ B" jeweils
auf "H" gewechselt werden. Ein Eingang eines jeden UND-
Gatters 53 und 54 ist jeweils mit einem Ausgang des
monostabilen Multivibrators 51 und 52 verbunden, und der
andere Eingang eines jeden UND-Gatters ist jeweils mit
den Ausgängen "A > B" und "A ≤ B" verbunden. Demgemäß
wird der Ausgang des UND-Gatters 53 "L", sobald die
eingestellte Drehzahl auf einen Wert kleiner als 1000
wechselt, während er "H" nach dem Zeitintervall wird, das
mit den eingestellten Zeitkonstanten übereinstimmt, wenn
die eingestellte Drehzahl auf einen Wert wechselt, der
größer als 1000 ist. Auf der anderen Seite wird der
Ausgang des UND-Gatters 54 "L", sobald die eingestellte
Drehzahl auf einen Wert wechselt größer als 1000, während
er "H" nach dem Zeitintervall, das mit den eingestellten
Zeitkonstanten übereinstimmt, wird, wenn die eingestellte
Drehzahl auf einen Wert kleiner als 1000 wechselt. Die
TRIAC-Treiberschaltung 55 gibt ein Signal zum Triggern
eines TRIACS an jedem ihrer Ausgänge O&sub0;&submin;&sub4; aus, während
ihre entsprechenden Eingänge I&sub0;&submin;&sub4; "H" sind. Alle Eingänge
I&sub0;&submin;&sub2; sind mit dem Ausgang des UND-Gatters 53 verbunden,
alle Eingänge I&sub3;&submin;&sub4; sind mit dem Ausgang des UND-Gatters 54
verbunden, und die Ausgänge O&sub0;&submin;&sub5; sind jeweils mit einem
Triggereingang jeweils eines TRIACS 103, 104, 105, 101
und 102 verbunden. Der Ablauf, der in dem in Fig. 7
dargestellten Flußdiagramm dargestellt ist, wird in dem
vorgenannten Schaltkreis ausgeführt.
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Fig. 9 zeigt einen Teil einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform werden
Paare von Thyristoren 111 und 121, 112 und 122, 113 und
123, 114 und 124, und 115 und 125 anstelle der in Fig. 6
gezeigten TRIACS 101 bis 105 verwendet, wobei die anderen
Elemente die gleichen sind wie der in Fig. 6
dargestellten Ausführungsform.
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In dieser Ausführungsform ist es von Vorteil, daß ein
größerer Strom gesteuert werden kann, obwohl die
Komplexität geringfügig erhöht ist, da doppelt soviele
Verbindungsleitungen, d.h. 10 Verbindungsleitungen zur
Steuerung der Halbleiterschalter, wie in der in Fig. 6
dargestellten Ausführungsform vorhanden sind.
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Wie oben erwähnt, kann gemäß vorliegender Erfindung eine
automatische Steuerung realisiert werden, bei der eine Y-
Verbindung, bei der ein großes Drehmoment erhalten wird,
bei einer niedrigen Drehzahl ausgewählt wird, während
eine Δ-Verbindung bei einer hohen Drehzahl ausgewählt
wird. Wenn zum Beispiel die Erfindung bei einer
Drehmaschine angewendet wird, wird eine grobe Schneidarbeit mit
einem großen Drehmoment bei einer niedrigen Drehzahl
ausgeführt, und die Drehzahl kann schnell auf eine hohe
Drehzahl gewechselt werden, um bei der hohen Drehzahl
eine Endbearbeitung vorzunehmen, einfach durch Änderungen
der Drehzahleinstellung.
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Darüber hinaus wird, da die Treiberschaltung der TRIACS
oder Thyristoren in eine gewöhnliche Steuerschaltung
integriert werden können, und da die TRIACS oder
Thyristoren für sich genommen, sehr klein und von geringem
Gewicht sind, die Größe oder das Gewicht der gesamten
Vorrichtung nicht wesentlich vergrößert.