DE4207362A1 - Schaltungsanordnung zur notbremsung von gleichstromantrieben - Google Patents

Description

Technologische Anlagen, die durch Gleichstrommotoren angetrieben werden, z. B. Haspeln und/oder Hauptantriebe von Kaltwalzwerken, müssen im Havariefall schnell stillgesetzt werden, um den sonst eventuell entstehenden Schaden am Endprodukt zu begrenzen. Die Gleichstrommotoren sind deshalb so schnell wie möglich bis zum Stillstand abzubremsen.

Ist die Ursache der Havarie ein Speisenetzausfall oder fällt das Netz während der Havarie aus, so bereitet das Bremsen der Gleich­ strommotoren wegen der fehlenden Rückspeisemöglichkeit und wegen des Ausfalls der Feldspeisung erhebliche Schwierigkeiten.

Man verwendet deshalb zum Notbremsen Bremswiderstände, die bei Spannungsausfall mit Hilfe eines Negativschützes, dessen Kontakte also im stromlosen Zustand geschlossen sind, parallel zum Anker geschaltet werden und die die kinetische Energie des Antriebes in Wärme umsetzen. Der Erregerstrom muß einer unabhängigen Quelle, z. B. einem Akkumulator, entnommen werden.

Mit absinkender Drehzahl sinken Ankerspannung, Feldstrom, Brems­ strom und damit das Bremsmoment, so daß der Bremsvorgang verzö­ gert wird. In groben Stufen lassen sich durch weitere Schaltge­ räte, die durch eine unabhängige Steuerspannung versorgt werden, Feldstrom und Bremswiderstand an die aktuelle Drehzahl anpassen, ohne jedoch das Optimum eines bis zum Stillstand konstanten Bremsmomentes zu erreichen.

Um bei einer derartigen Schaltung auf mechanische Schaltgeräte und unabhängige Erregerstromquellen verzichten zu können, wird in DE-B 28 55 093 vorgeschlagen, die Schalter durch Thyristoren zu ersetzen und die Erregerwicklung über Vorwiderstände und Thy­ ristoren an die Ankerspannung anzuschließen. Der Anker- und der Erregerstrom werden in mehreren Stufen an die sinkende Drehzahl und Ankerspannung angepaßt.

Eine weiterer Vorschlag - DE-C 35 39 841 - befaßt sich vorwiegend mit der Bremsung von Reihenschlußkommutatormotoren für Elektro­ werkzeuge. Er sieht einen stetig stellbaren Bremswiderstand vor, der aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes mit einem Transistor besteht. Diese Lösung kann jedoch nur bei kleiner Leistung angewendet werden.

Für ähnliche Zwecke und ebenfalls für kleine Leistungen wird eine Schaltung in DE-A 39 24 429 vorgeschlagen, die der Lösung nach DE-C 35 39 841 weitgehend ähnlich ist.

Große Leistungen und hohe Spannungen lassen sich nur mit einer Lösung nach oben erwähnten DE-B 28 55 093 realisieren, die jedoch folgende Nachteile besitzt:

• - Eine Bremsung ist nur bis zu einer Ankerspannung möglich, die gleich der Nennerregerspannung ist. Darunter fallen Erreger­ strom und Ankerspannung sehr schnell (wechselseitig bedingt) auf Null ab. Die Abfallgeschwindigkeit hängt von der Erreger­ zeitkonstante ab.
• - Es ist nur eine stufenweise Anpassung an die drehzahlabhängige Ankerspannung möglich. Damit wird die Bremszeit verlängert.
• - Der Aufwand für Widerstandsstufen und Steuereinrichtungen so­ wie Schaltthyristoren und zusätzliche Energiespeichereinrich­ tungen ist vergleichsweise hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgeführten Nach­ teile bekannter Lösungen zu vermeiden, insbesondere Maßnahmen zur Notbremsung von Gleichstromantrieben im Leistungsbereich bis hin zu großen Leistungen zu schaffen, die im gesamten Drehzahlbe­ reich, also bis fast zum Stillstand, ein volles Bremsmoment ge­ währleisten, dabei von Hilfsspannungsquellen möglichst unabhängig sind und einen vergleichsweise geringen Aufwand besitzen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Erreger­ strom des Gleichstrommotors im Notbremsbetrieb von einem Puls­ steller geliefert wird, der von der Ankerspannung des Motors gespeist wird und der den Erregerstrom im gesamten Drehzahlbe­ reich so einstellt, daß im Magnetkreis des Motors der maximal zulässige Magnetfluß erreich, wird.

Zusätzlich kann ein Steller für den Bremsstrom vorgesehen sein, der im Ankerstellbereich den Ankerstrom konstant zu halten ver­ mag.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprü­ chen entnommen werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine bevorzugte Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens.

Die Schaltungsanordnung zeigt einen Gleichstrommotor 1, der über einen gesteuerten Gleichrichter 6 aus einem dreiphasigen Netz gespeist wird. Die Erregerwicklung 2 ist über einen eigenen Erre­ gergleichrichter 5 mit zwei Phasen desselben oder eines separaten Netzes verbunden.

Im Havariefall wird die Ankerspannung ua des Gleichstrommotors 1 an eine Bremsschaltung 4 angeschlossen. Das geschieht im vorlie­ genden Ausführungsbeispiel über die Kontakte eines Negativschüt­ zes 4.1. Die Verbindung kann aber auch über Thyristoren reali­ siert werden. Die Erregerwicklung 2 des Gleichstrommotors 1 wird ebenfalls über Kontakte des Negativschützes 4.1 oder direkt an die Bremsschaltung 4 angeschlossen und zwar an den erfindungsge­ mäß vorgesehenen Pulssteller, hier in Form einer Parallelschal­ tung zu einem Speicherkondensator 4.8, der Bestandteil dieses Pulsstellers ist.

Der die Erregerwicklung 2 des Gleichstrommotors 1 im Normalbe­ trieb speisende Erregerstromrichter 5 kann im Havariefall ange­ schlossen bleiben.

Den Eingang der Bremsschaltung 4 bildet eine Grätzbrücke 4.2. Diese kann entfallen, wenn sich die Polarität der Ankerspannung ua während des Betriebes nicht ändert.

An den Gleichspannungsausgang der Grätzbrücke 4.2 ist in dieser bevorzugten Variante die Reihenschaltung von zwei Teilwiderstän­ den 4.3 und 4.4 des erforderlichen Bremswiderstandes angeschlos­ sen, der Teilwiderstand 4.4 kann dabei durch einen abschaltbaren (GTO-)Thyristor 4.5 überbrückt sein, wodurch ein Bremsstromstel­ ler realisiert wird. Der Bremswiderstand setzt die kinetische Energie des Antriebs bei einer erforderlichen Bremsung in Wärme um. Die Summe der Teilwiderstände (4.4 + 4.3) ist so bemessen, daß bei Anlegen der Ankernennspannung der Ankernennstrom fließt. Außerdem ist der Teilwiderstand 4.3 sehr viel kleiner als der Teilwiderstand 4.4, im Einzelfall kann der Teilwiderstand 4.3 auch Null, d. h. weggelassen werden.

Die Erregerwicklung 2 des Gleichstrommotors 1 wird durch einen nichtlinearen Schutzwiderstand 3 gegen Überspannung geschützt.

Der Erregerstromsteller besteht aus einer Speicherdrosselspule 4.7, einem Speicherkondensator 4.8, einem abschaltbaren (GTO-) Thyristor 4.6 und einer Sperrdiode 4.9. Der Brems- und der Erre­ gerstromsteller werden durch eine Informationselektronik 4.10 gesteuert, deren Stromversorgung zweckmäßig aus der Bremsschal­ tung 4 selbst erfolgt und die die Ankerspannung ua über einen Spannungsteiler mit den Widerständen 4.11 und 4.12, den Anker­ strom ia (gleich Bremsstrom) über eine Anzapfung des Teilwider­ standes 4.4 und den Erregerstrom ie über den Meßwandler 4.13 erfaßt und verarbeitet.

Die Informationselektronik 4.10 wird z. B. von einer Anzapfung des Teilwiderstandes 4.4 des Bremswiderstandes aus versorgt, der auch, wie oben bereits gesagt, gleichzeitig der Istwert des Ankerstromes ia entnommen werden kann.

Anstelle des Teilwiderstandes 4.3 oder zusätzlich zu diesem kann auch eine Drosselspule eingesetzt werden, wenn eine zu kleine Ankerinduktivität zu hohe Pulsfrequenzen des Ankerstromstellers ergibt.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung erläu­ tert:

Es wird dabei angenommen, daß der Antrieb aus einer Drehzahl heraus gebremst wird, die größer als die Grunddrehzahl bei Anker­ nennspannung und maximalem Erregerstrom ist, d. h. daß der Antrieb in diesem Betriebszustand im Feldschwächbereich arbeitet.

Der Erregerstromsteller hat dabei folgende Funktion:

Der Erregerstrom ie fließt im Freilaufkreis Erregerwicklung 2, Speicherdrosselspule 4.7, Sperrdiode 4.9. Der exponentiell ab­ klingende Erregerstrom ie und die sinkende Drehzahl lassen die Ankerspannung ua kleiner werden. Bei Erreichen einer eingestell­ ten unteren Toleranzgrenze für die Ankerspannung ua zündet die Steuerung der Informationselektronik 4.10 den Thyristor 4.6. Der Strom in der Speicherdrosselspule 4.7 steigt im Kreis Gleich­ strommotor 1, Grätzbrücke 4.2, Speicherdrosselspule 4.7, Thy­ ristor 4.6, Grätzbrücke 4.2 an. Nach einer einstellbaren Zeit wird der Thyristor 4.6 wieder gelöscht und die in der Speicher­ drosselspule 4.7 gespeicherte Energie fließt in die Parallel­ schaltung aus Erregerwicklung 2 und Speicherkondensator 4.8. Erregerstrom ie und Kondensatorspannung steigen an. Diese Pulsung wird solange wiederholt, bis die Ankerspannung ua die vorbe­ stimmte obere Toleranzgrenze erreicht. Der Thyristor 4.6 bleibt dann abgeschaltet, bis die untere Toleranzgrenze der Ankerspan­ nung ua wieder erreicht und damit eine neue Pulsperiode eingelei­ tet wird.

Mithin wird der Erregerstrom ie im Feldschwächbereich durch den Erregerstromsteller so eingestellt, daß sich die Ankerspannung ua unabhängig von der Drehzahl nur innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes, das im Bereich der Ankernennspannung liegt, bewe­ gen kann. Der Mittelwert des Erregerstromes ie steigt dabei mit fallender Drehzahl bis auf seinen Nennwert bei Grunddrehzahl an.

Unterschreitet die Drehzahl die Grunddrehzahl, so sinkt auch die Ankerspannung ua bei vollem Feld drehzahlproportional ab. Um den Erregerstrom ie in diesem Bereich auf dem Nennwert zu halten, wird der Erregerstromsteller abhängig vom Erregerstrom ie gesteu­ ert. Der Erregerstrom ie wird somit innerhalb eines Toleranzban­ des gehalten, so daß sein Mittelwert dem Nennwert entspricht.

Unterschreitet der Erregerstrom ie oder der Strom ils in der Speicherdrosselspule 4.7, der mit dem Meßwandler 4.14 erfaßt wird, die untere Grenze dieses Toleranzbandes, so wird der Thy­ ristor 4.6 gezündet und nach der eingestellten Zeit wieder ge­ löscht. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Nennerregerstrom wieder erreicht ist.

Die dem Feldkreis aus dem Ankerkreis zugeführte Energie wird dabei zunächst unabhängig von der Größe der Ankerspannung ua in der Speicherdrosselspule 4.7 gespeichert, dann an den Speicher­ kondensator 4.8 abgegeben und an die Erregerwicklung 2 weiterge­ leitet. Dadurch kann der Erregerstrom ie auch bei sinkender An­ kerspannung ua auf seinem Nennwert gehalten werden.

Im Feldschwächebereich sind die Ankerspannung ua und damit der Ankerstrom ia ohne Zünden des Thyristors 4.5 konstant. Das Brems­ moment steigt mit dem Erregerstrom ie an, der Antrieb wird mit konstanter Leistung gebremst.

Unterhalb der Grunddrehzahl sinkt die Ankerspannung ua drehzahl­ proportional und damit auch der Ankerstrom ia.

Unterschreitet der Ankerstrom ia eine vorbestimmte untere Tole­ ranzgrenze, so wird der Thyristor 4.5 gezündet und dadurch der Teilwiderstand 4.4 kurzgeschlossen. Begrenzt durch den Teilwider­ stand 4.3, den Ankerwiderstand und die Ankerinduktivität steigt der Ankerstrom ia im Kreis Gleichstrommotor 1, Grätzbrücke 4.2, Teilwiderstand 4.3, Thyristor 4.5 an. Bei Erreichen der oberen vorbestimmten Toleranzgrenze wird der Thyristor 4.5 wieder ge­ löscht, der Ankerstrom ia fällt wieder ab. Durch Wiederholung dieses Vorgangs können der Ankerstrom ia und damit das Bremsmo­ ment bis nahe dem Stillstand der Maschine konstant gehalten wer­ den. Die Bremsleistung fällt in diesem Bereich drehzahlproportio­ nal ab.

Nach einer weiteren bevorzugten Variante ist es auch möglich, nur den Erregerkreis über eine Diodenbrücke zu speisen und den Brems­ widerstand direkt an den Anker anzuschließen. Bei wechselnder Polarität sind dann zwei antiparallel geschaltete Thyristoren (GTO′s) erforderlich.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen erfin­ dungsgemäßen Anordnung läßt sich die kürzestmögliche Bremszeit erreichen, da während des ganzen Vorganges das maximal zulässige Bremsmoment erreicht wird.

Claims (17)

1. Verfahren zur Notbremsung von Gleichstromantrieben, bei dem beim Bremsvorgang ein oder mehrerer Bremswiderstände in den Ankerkreis des Gleichstrommotors geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom (ie) für den Gleichstrommotor (1) während des Notbremsbetriebes von einem von der Ankerspannung (ua) des Gleichstrommotors (1) gespeisten Pulssteller geliefert wird, mit dem der Erregerstrom (ie) im gesamten Drehzahlbereich so geregelt wird, daß sich im Magnetkreis des Gleichstrommotors (1) der maxi­ mal zulässige Magnetfluß einstellt.

2. Verfahren zur Notbremsung von Gleichstromantrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Steller für den Bremsstrom vorgesehen ist, der den Ankerstrom im Ankerstellbe­ reich konstant zu halten vermag.

3. Verfahren zur Notbremsung von Gleichstromantrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstromsteller den Erre­ gerstrom (ie) derartig regelt, daß im Feldschwächbetrieb die Ankerspannung (ua) und im Ankerstellbereich der Erregerstrom (ie) selbst konstant gehalten werden.

4. Verfahren zur Notbremsung von Gleichstromantrieben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerstrom durch periodisches Kurzschließen eines Bremswiderstandes oder eines Teils des Bremswiderstandes konstant gehalten wird.

5. Verfahren zur Notbremsung von Gleichstromantrieben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Pulsbetrieb nötige Kreisinduktivität durch die Induktivität des Ankers des Gleichstrommotors (1) realisiert wird.

6. Verfahren zur Notbremsung von Gleichstromantrieben nach Anspruch 2 bzw. Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Puls­ betrieb nötige Kreisinduktivität durch eine zusätzliche Drossel­ spule realisiert wird.

7. Schaltungsanordnung zur Notbremsung von Gleichstromantrieben, bei dem beim Bremsvorgang ein oder mehrere Bremswiderstände in den Ankerkreis des Gleichstrommotors geschaltet werden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Pulssteller ein Transistorpulssteller ist.

8. Schaltungsanordnung zur Notbremsung von Gleichstromantrieben, bei dem beim Bremsvorgang ein oder mehrere Bremswiderstände in den Ankerkreis des Gleichstrommotors geschaltet werden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Pulssteller ein Thyristorpulssteller ist.

9. Schaltungsanordnung zur Notbremsung von Gleichstromantrieben, bei dem beim Bremsvorgang ein oder mehrere Bremswiderstände in den Ankerkreis des Gleichstrommotors geschaltet werden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bremsstromsteller aus einem mit einem Thyristor (4.5) periodisch kurzzuschließenden Bremswiderstand (4.4), ggf. in Reihe mit einem weiteren Teilwiderstand (4.3), besteht.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstromsteller aus einer Speicherdrosselspule (4.7), einem zu dieser über eine Sperrdiode (4.9) parallel angeordneten Speicherkondensator (4.8) und einem in Reihe angeordneten Thy­ ristor (4.6) besteht, wobei die Erregerwicklung (2) des Gleich­ strommotors (1) parallel zum Speicherkondensator (4.8) geschaltet ist.

11. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor eine über das Gate abschaltba­ rer (GTO-)Thyristor ist.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationselektronik (4.10) für die Steuerung des Bremsstromstellers und des Erregerstromstellers aus der Ankerspannung (ua) des Gleichstrommotors (1) gespeist ist.

13. Schaltungsanordnung zur Notbremsung von Gleichstromantrieben, bei dem beim Bremsvorgang ein oder mehrere Bremswiderstände in den Ankerkreis des Gleichstrommotors geschaltet werden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstromsteller und/oder der Bremsstromsteller über eine Grätzbrücke (4.2) mit der Ankerspannung verbunden sind.

14. Schaltungsanordnung zur Notbremsung von Gleichstromantrieben, bei dem beim Bremsvorgang ein oder mehrere Bremswiderstände in den Ankerkreis des Gleichstrommotors geschaltet werden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstromsteller und/oder der Bremsstromsteller über die Kontakte eines Negativschützes (4.1) mit der Ankerspannung verbunden sind.

15. Schaltungsanordnung zur Notbremsung von Gleichstromantrieben, bei dem beim Bremsvorgang ein oder mehrere Bremswiderstände in den Ankerkreis des Gleichstrommotors geschaltet werden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstromsteller und/oder der Bremsstromsteller über Thyristoren mit der Ankerspannung verbun­ den sind.

16. Schaltungsanordnung zur Notbremsung von Gleichstromantrieben, bei dem beim Bremsvorgang ein oder mehrere Bremswiderstände in den Ankerkreis des Gleichstrommotors geschaltet werden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Bremswiderstände über antiparallel geschaltete Thyristoren direkt mit der Ankerspannung verbunden sind.

17. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren über das Gate abschaltba­ rer (GTO-)Thyristoren sind.