DE680279C

DE680279C - Automatic control device for driving AC commutator machines

Info

Publication number: DE680279C
Application number: DEA77619D
Authority: DE
Original assignee: VORMALS SKODAWERKE AG
Current assignee: VORMALS SKODAWERKE AG
Priority date: 1935-05-09
Filing date: 1935-11-12
Publication date: 1939-08-25

Description

Der Antrieb von Schleudern und ähnlichen Vorrichtungen erfordert abwechselnd den Anlauf und 'die Bremsung großer sich drehender Massen. Für den Wechselstrom benutzte man bisher asynchrone Motoren mit einem Schleifring- oder einem Käfiganker. Diese Motoren haben jedoch ,gewisse Nachteile. Der Anlauf und die Bremsung geschieht zweckmäßig mit einem konstanten, maximal zulässigen Moment. Der asynchrone Motor mit einem Schleifringanker entspricht dieser Forderung, wenn er 'mittels eines Regelwiderstandes im Läuferkreis angelassen wird. Dabei wird, wie bekannt, beim Anlauf .die Hälfte der zugeführten Energie im Widerstände vernichtet und nur die halbe Energie nützlich, verbraucht. Eine Bremsung ist entweder mittels einer mechanischen Bremse oder elektrisch mit Gegenstrom möglich. In beiden Fällen wird die ganze Energie der sich drehenden Massen vernichtet. Die Rücklieferung der Energie erfordert dagegen verwickelte und kostspielige Vorrichtungen.
Bei einem Motor mit Käfiganker sind die Verhältnisse lähnlich. Die Energie wird im Widerstände des Rotorkäfigs vernichtet. Er hat überdies noch den Nachteil, daß sein Drehmoment beim Anlauf nicht konstant ist und daß das Eingriffsmoment sehr heftig erfolgt, so daß eine Reibungskupplung notwendig ist, welche die Übertragung, eines größeren unzulässigen Momentes verhindert. In der Reibungskupplung sind jedoch weitere Energieverluste vorhanden. Eine bessere Wirtschaftlichkeit wird durch Polumschaltung oder durch. Frequenzänderung des zugeführten Stromes erreicht. Diese Mittel sind jedoch nicht ganz einfach und kostspielig.The drive of slingshots and similar devices requires alternating starting and braking of large rotating masses. Up to now, asynchronous motors with a slip ring or a squirrel cage armature have been used for alternating current. However, these engines have certain disadvantages. The start-up and the braking are expediently carried out with a constant, maximum permissible torque. The asynchronous motor with a slip ring armature meets this requirement if it is started by means of a variable resistor in the rotor circuit. As is known, half of the energy supplied is destroyed in the resistor during start-up and only half of the energy is used usefully. Braking is possible either by means of a mechanical brake or electrically with countercurrent. In both cases all the energy of the rotating masses is destroyed. The return of the energy, on the other hand, requires intricate and expensive equipment.
The situation is similar for a motor with a squirrel cage armature. The energy is destroyed in the resistance of the rotor cage. It also has the disadvantage that its torque is not constant when starting and that the engagement torque is very violent, so that a friction clutch is necessary which prevents the transmission of a larger impermissible torque. However, there are further energy losses in the friction clutch. A better economy is achieved by pole switching or by. Frequency change of the supplied current reached. However, these means are not entirely simple and costly.

Ein weiterer Nachteil der Schleuderantriebe u. dgl. mittels asynchroner Drehstrommotoren ist die Beschränkung und Unabänderlichkeit der höchsten Drehzahl, welche durch Polzahl und Netzfrequenz gegeben ist. Wird eine Höchstdrehzahl aus bestimmten Gründen für notwendig gehalten, welche bei gegebener Netzfrequenz nicht erreichbar ist, so muß man. zu mechanischen Übersetzungsgetrieben oder zur Periodenumformung greifen, was die Anlage bedeutend verteuert. Die Änderung der Drehzahl durch Regelanlasser ist beim Schleifringmotor nur mit Vergrößerung .der Energieverluste zu erreichen, wenn nicht die teuere Frequenzregelung angewendet wird.Another disadvantage of centrifugal drives and the like using asynchronous three-phase motors is the limitation and immutability of the highest speed, which is determined by the number of poles and mains frequency is given. Will have a maximum speed for certain reasons held necessary, which cannot be reached at a given network frequency, so one must. resort to mechanical transmission gears or period conversion, whatever the system significantly more expensive. The change of the speed by means of a variable speed starter is only possible with a magnification of the slip ring motor To achieve energy losses if the expensive frequency control is not used.

Alle diese Nachteile .der asynchronen Drehstrommotoren beim Antrieb von Schleudern u. dgl. können durch Verwendung von Korn-All these disadvantages of asynchronous three-phase motors when driving centrifuges and the like, the use of grain

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mutatormotoren, namentlich von Nebenschlußmotoren, behoben werden. Besonders dafür geeignet ist der läufergespeiste Drehstromnebenschlußmo'tor wegen der einfachen Drehzahlregelung durch Bürstenverschiebung·. Auch die Reihenschlußmotoren sind gut verwendbar, welche allerdings Transformatoren und bekannte zusätzliche Einrichtungen zur Begrenzung und Einstellung der Drehzahl benötigen. mutator motors, namely shunt motors, be resolved. The rotor-fed three-phase bypass motor is particularly suitable for this because of the simple speed control through brush displacement ·. The series motors can also be used well, but these are transformers and require known additional devices for limiting and adjusting the speed.

Der Drehstromnebenschlußmotor in der normalen Ausführung hat aber einige für derartige Antriebe ungünstige Eigenschaften. Erst durch die selbsttätige Regelung nach der Erfindung erhält dieser Motor alle notwendigen Eigenschaften, wobei neben der einfachen Bedienung die höchste Wirtschaftlichkeit durch Wegfall überflüssiger Energieverluste erreicht wird.The three-phase shunt motor in the normal version has some for such drives have unfavorable properties. Only through the automatic regulation after the invention, this engine receives all the necessary properties, in addition to the simple operation, the highest economic efficiency by eliminating superfluous energy losses is achieved.

ao Die Drehzahl des läufergespeisten Drehstromnebenschlußmotors ist bekanntlich an-ao The speed of the rotor-fed three-phase shunt motor is known to

genähert der Funktion 1 — K sin — proportional, wo K eine Konstante und β der einstellbare elektrische Winkel zwischen den gegeneinander verschiebbaren Bürsten einer Phase ist. Ferner ändert sich bekanntlich das Drehmoment des Motors bei konstantem β im praktischen Bereiche annähernd proportional mit der Drehzahl. Daraus folgt, daß bei konstanter Geschwindigkeit der Bür-'stenverSchiebung das erzeugte Drehmomentapproximates the function 1 - K sin - proportional, where K is a constant and β is the adjustable electrical angle between the mutually displaceable brushes of a phase. Furthermore, as is known, the torque of the motor at constant β changes in the practical range approximately proportionally with the speed. It follows that at a constant speed of the brush displacement, the torque generated

sich ungefähr wie sin -ψ-.— t ändert, wo T eine Konstante (Anlaufzeit), t die laufende Zeit ist. Ein solcher Verlauf des Momentes ist in Abb. ι dargestellt, wo ι bzw, 2 den Verlauf des Winkels β bzw- des Momentes M in Abhängigkeit von der Zeit veranschaulicht Der Winkel β ändert sich v.on Plus bis Minus mit konstanter Geschwindigkeit, so daß die Kurve des Winkels β in Abhängigkeit von der Zeit durch eine Gerade dargestellt ist. Die Anlaufzeit ist mit dem Buchstaben T bezeichnet. Ein solcher Verlauf des Drehmomentes ist ungünstig, weil für eine gegebene Anlaufzeit ein größeres Höchstmoment entwickelt werden muß, um das notwendige mittlere Drehmoment zu erhalten. Infolgedessen müssen gewisse Teile der Anlage entsprechend stärker bemessen werden als beim gleich kurzen Anlauf mit konstantem Drehmoment. Auch die Kupferverluste sind beim sinusförmigen Motnentverlauf größer.itself roughly like sin -ψ-. - t changes, where T is a constant (start-up time), t is the running time. Such a course of the moment is shown in Fig. Ι where ι or 2 the course of the angle β bzw- of the moment M as a function of time illustrating the angle β varies v.on Plus to minus a constant speed, so that the curve of the angle β as a function of time is represented by a straight line. The start-up time is marked with the letter T. Such a curve of the torque is unfavorable because a larger maximum torque must be developed for a given starting time in order to obtain the necessary mean torque. As a result, certain parts of the system must be dimensioned correspondingly larger than with the same short start-up with constant torque. The copper losses are also greater with the sinusoidal motor curve.

55- Erfindungsgemäß werden die Bürsten mit einer ungleichmäßigen Geschwindigkeit verschoben, und zwar ami Anfang und am Ende der Anlauf periode rascher. Dieser Momentverlauf ist in Abb. 2 dargestellt, wo wieder-55- According to the invention, the brushes move at an uneven speed, faster at the beginning and at the end of the start-up period. This moment curve is shown in Fig. 2, where again-

6,0 um ι und 2 den Verlauf des Winkels β und des Momentes M in Abhängigkeit von der Zeit bedeuten. Hier ändert sich der Winkel β von Plus bis Minus mit ungleichmäßiger Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit der ■■- Bürstenverdrehung ist für jeden Augenblick duych die Tangente zu der Kurve 1 in dem .Betreffenden Punkte gegeben. Für dieselbe Anlaufzeit T, d. h. für dieselbe Anlauf arbeit, wird hier ein geringeres Moment benötigt. Damit das richtige Bewegungsgesetz der Bürsten unabhängig von der Bedienung eingehalten werden kann, wird ein kleiner Hilfsmotor verwendet, welcher in. an sich bekannter Weise über ein Vorgelege den Bürstenapparat, bewegt. Die Drehzahl dieses Hilfsmotors wird erfindungsgemäß während der Anlaufperiode so geändert, daß das Drehmoment des Hauptmotors konstant bleibt.6.0 um ι and 2 mean the course of the angle β and the moment M as a function of time. Here the angle β changes from plus to minus at an uneven speed. The speed of the brush rotation is given for each instant by the tangent to curve 1 in the relevant point. For the same start-up time T, ie for the same start-up work, a lower torque is required here. So that the correct law of motion of the brushes can be observed independently of the operation, a small auxiliary motor is used, which moves the brush apparatus in a manner known per se via an intermediate gear. According to the invention, the speed of this auxiliary motor is changed during the start-up period in such a way that the torque of the main motor remains constant.

Weil bekanntlich bei einem bestimmten Drehmoment jeder Drehzahl des Kommutatormotors ein · bestimmter Bürstenwinkel entspricht, ist es zur Erzielung eines konstanten Drehmomentes notwendig, jeder Bürstenlage eine bestimmte Drehzahl des Hilfsmotors beizulegen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Steuerung des Hilfsmotors selbsttätig durch den Bürstenapparat selbst bewerkstelligt wird, indem der Bürstenapparat durch seine Bewegung den Drehzahlregler des Hilfsmotors beeinflußt, z. B. kann der Bürstenapparat mit dem Drehzahlregler mechanisch gekuppelt sein, oder unmittelbar die notwendigen Widerstände ein- oder abschalten.Because, as is well known, every speed of the commutator motor at a certain torque corresponds to a certain brush angle, it is necessary to achieve a constant one Torque required, each brush position a certain speed of the auxiliary motor to be enclosed. According to the invention this is achieved in that the control of the auxiliary motor is done automatically by the brush apparatus itself by the brush apparatus influenced by its movement the speed controller of the auxiliary motor, z. B. the brush apparatus can be mechanically coupled to the speed controller, or directly switch the necessary resistors on or off.

Ebenso läßt sich bei der beschriebenen Einrichtung die' Dauer des Anlaufs nach Bedarf einstellen, selbstverständlich in den durch mechanische Festigkeit, Erwärmung und Kommutierung gegebenen Grenzen. Bei durchschnittlich rascherer Bürstenbewegung· erzielt man kürzere Anlaufzeit und umgekehrt. Dabei kann der gewünschte Verlauf des Drehmomentes beibehalten werden. The same can be said of the Set up the 'duration of the start-up as required, of course in the mechanical strength, heating and commutation are given limits. At average faster brush movement · a shorter start-up time is achieved and vice versa. Included the desired torque curve can be maintained.

Ein weiterer Vorteil des Kommutatormotors ist die einfache' Einstellung der Höchstdrehzahl, z. B. in bekannter Weise durch Endausschalter, wodurch beim Erreichen der gewünschten Endlage der Bürsten der Hilfsmotor abgeschaltet wird. Auch bei der Änderung der maximalen Geschwindigkeit ist es möglich, die Anlauf dauer und den Momentverlauf je nach Bedarf einzustellen.Another advantage of the commutator motor is the easy adjustment of the Maximum speed, e.g. B. in a known manner by limit switches, whereby when reaching The auxiliary motor is switched off at the desired end position of the brushes. Also at changing the maximum speed, it is possible to change the start-up duration and the Adjust the torque curve as required.

Die angeführten Erwägungen gelten auch für das Abbremsen. Dabei erfolgt der Bürstenantrieb im umgekehrten Sinn, die Maschine arbeitet als Generator und liefert die in den umlaufenden Massen aufgespeicherte Energie in das Netz zurück. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit des Betriebes bedeutend verbessert.The above considerations also apply to braking. The brush drive takes place here in the opposite sense, the machine works as a generator and delivers the energy stored in the circulating masses back into the network. This will the profitability of the company significantly improved.

Die Bremszeit ist im allgemeinen von der Anlaufzeit verschieden. ErfindungsgemäßThe braking time is generally different from the starting time. According to the invention

wird die gegenseitige Unabhängigkeit beider dadurch erreicht, daß die Geschwindigkeit des Hilfsmotors beim Bremsen anders geregelt wird als beim Anlauf, z. B. so, daß der Bürstenapparat nach dem Umkehren der Bürstenbewegung in beschriebener Weise einen anderen Drehzahlregler des Hilfsmotors steuert, auf welchen dieser gleichzeitig mit der Drehrichtung umgeschaltet wird.the mutual independence of both is achieved by the fact that the speed the auxiliary motor is regulated differently when braking than when starting, z. B. so that the Brush apparatus after reversing the brush movement in the manner described other speed controller of the auxiliary motor controls on which this is at the same time the direction of rotation is switched.

ίο Damit die Verhältnisse beim Bremsen ebenso günstig wie beim Anlauf werden, wird erfindungsgemäß beim Bremsen die Neigung der magnetischen Achse 'der Kommuitatorvorrichtung zur magnetischen Achse der Statorwicklung durch plötzliche Verschiebung aller Bürsten um einen geeigneten Winkel verändert. Dies ist aus folgenden Gründen notwendig:ίο The same applies to the braking conditions As favorable as during start-up, according to the invention, the inclination becomes during braking the magnetic axis' of the commutator device to the magnetic axis of the stator winding by suddenly moving all the brushes through a suitable angle changes. This is necessary for the following reasons:

Der Drehstromnebenschlußmotor hat bekanntlich als Motor im übersynchronen Bereich einen besseren Leistungsfaktor und eine höhere Überlastbarkeit als im untersynchronen! Bereich. Umgekehrt, als. Generator (beim elektrischen Bremsen) ist der Leistungsfaktor und die Überlastbarkeit bei untersynchronen Drehzahlen besser. Um die Unterschiede im über- und untersynehronen Lauf auszugleichen, werden bekanntlich die Bürsten so eingestellt, daß die magnetischen Achsen der Ständer- und der Kommuitatorwicklung miteinander einen bestimmten geeigneten Winkel bilden. Weil aber diese Eigenschaft beim Motor und Generator gerade in entgegengesetztem Sinne sich äußert, muß der Achswinkel für beide Betriebsweisen verschieden sein. Deshalb wird erfindungsgemäß beim Übergang vom Lauf als Motor zum generatorischen Bremsen der Bürstenachswinkel plötzlich geändert. Nach dem Abbremsen wird der Bürstenachswinkel wieder auf den ursprünglichen Wert für den Anlauf eingestellt. Die Änderung der Lage der magnetischen Achse der Kommutatorwicklung kann sowohl mechanisch durch Einwirkung des Bedienungshebels u.dgl. beim Umschalten auf Bremsen oder elektrisch durch gleichzeitiges Einschalten eines Magneten, der auf den Bürstenapparat einwirkt, bewerkstelligt werden.The three-phase shunt motor is known to be a motor in the oversynchronous range a better power factor and a higher overload capacity than in the subsynchronous! Area. Conversely, when. Generator (for electric braking) is the power factor and the overload capacity at subsynchronous speeds is better. About the differences in the over and under synopsis To compensate for the run, the brushes are known to be adjusted so that the magnetic Axes of the stator winding and the commutator winding with each other a certain suitable Make angles. But because this property expresses itself in the opposite sense in the motor and generator, the axis angle must be different for both modes of operation. Therefore, according to the invention the brush axis angle during the transition from running as a motor to regenerative braking suddenly changed. After braking, the brush axis angle returns to the original value for the Start-up set. The change in the position of the magnetic axis of the commutator winding can both mechanically through the action of the operating lever and the like when switching to braking or electrically by simultaneously switching on a magnet that acts on the brush apparatus, be accomplished.

■ Die beschriebene Einrichtung kann grundsätzlich auch für Drehstrom- oder Wechselstromserienimotoren angewendet werden, wobei das Durchgehen dieser Motoren durch bekannte Mittel verhindert wird.■ The device described can in principle also be used for three-phase or AC series motors may be applied, the runaway of these engines being prevented by known means.

Claims

Patent claims:

1. Automatic control device for driving extractors with AC commutator motors, in which an auxiliary motor is provided for the automatic adjustment of the brush bridge, thereby characterized in that to generate a torque that is as constant as possible during start-up and braking, the speed of the adjusting motor for the brush displacement is made dependent on the respective position of the brushes, so that the brush apparatus of the main motor acts on the speed controller of the auxiliary motor.

2. Automatic control device according to claim 1, characterized in that at the beginning and at the end of braking the angle of the magnetic, axis of the Commutator winding is suddenly changed with respect to the magnetic axis of the drive winding.

1 sheet of drawings

BERUN. OEDttUCKT IN DEl*BERUN. OEDTUCT IN DEl *