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Stabil gesteuerter und geregelter Asynchron-Stromrichter-Motor
Der wirtschaftlichste Antriebsmotor ist ein Asynchronmotor. Die Drehzahl ist bekannterweise mit einem bestimmten Aufwand, vornehmlich im Läuferkreis über Ohm'sche Widerstände vor den Schleif- ringen bzw. über Anlasswiderstände in einem Bereich Begrenzt bis etwa 10-15% abwärts steuerbar. Wird der Kipp-Punkt erreicht, sei es durch apparativen Aufwand entsprechend den vorher genannten Möglichkeiten bzw. durch Erhöhung des abverlangten Drehmomentes, so tritt Labilität ein. Man versteht darunter ein Durchlaufen des instabilen Astes der Kennlinie zwischen niedrigster stabiler Drehzahl'md dem Still- stand.
Die Erfindung erzielt mit kontaktlosen schaltungstechnischen Eingriffe, vergleichbar einer EIN-
AUS-Regelung, eine stabile Drehzahl in allen Bereichen unterhalb des Kipp-Punktes. Damit ist es mög- lich, einen Asynchronmotor bis zum Stillstand stetig zu steuern und zu regeln. Selbstredend bei einem Drehmoment, das geringer ist als sein fallweiser Wert zwischen Anzugsmoment und Maximalmoment des unbeeinflussten Asynchronmotors.
Zu diesem Verfahren ist bekannt geworden, dass ein ständerseitig am. Netz liegender Asynchronmotor durch ein abwechselnd getaktetes Kurzschliessen und Öffnen des Stromkreises mittels mechanischer Kon- takte an den Schleifringen, in'der Drehzahl beeinflusst werden kann, wie es an folgenden Stellen veröf- fentlicht wurde :
Werkstatt und Betrieb, Jg. 1955, S. 572, Pkt. 6, W. Schmid."Versuche und Messergebnisse an schnellsteuerbaren elektromagnetischen Kupplungen und SIR-Motoren".
Werkstatt und Betrieb, Jg. 1956, S. 507, W. Schmid."Versuche und Messergebnisse an schnellsteuerbaren SIR-Motoren und der SIR-Kopier-Automatik".
Dieses Verfahren, mechanische Kontakte u verwenden, findet mit den bekannten Schwierigkeiten des Kontaktproblems bei gesteigerter Leistung und mit der Funkenbildung seine Grenze. In diesem Zusammenhang sei auf die österr. Patentschrift Nr. 17 6266 (Dipl. Ing. R. Doll) und die franz. Patentschrift Nr. 995. 658 (Marcel Pruny) hingewiesen, denen gegenüber die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise mechanische Kontakte vermeidet.
Um die Regelfähigkeit einer Geschwindigkeit zu sichern, insbesondere wenn eine höhere Drehzahl auf eine niedrigere gebracht werden soll, wurde zum Zwecke einer raschen Abbremsung und im zweiten Fall zur Umkehrung der Drehrichtung, in zwei Phasen der ständerseitige Drehstromanschlüsse des Asynchronmotors, stromrichtende Lichtbogenstrecken in Antiparallelschaltung eingeschaltet, um einerseits gleichrichtend das Ständerdrehfeld zu einem Stehfeld zwecks rascher Abbremsung zu machen und für den zweiten Fall auf diese Art durch Umkehrung zweier Drehstroman- schlüsse auf elektronischem Wege eine Drehrichtungswendung zu erzielen, wie dies vornehmlich in der USA-Patentschrift Nr. 2, 703,860 erwähnt wird.
Der Zweck der Erfindung ist es, die Schwierigkeiten, die durch das Kontaktproblem entstehen, zu beheben und die Leistungsgrenze wesentlich zu steigern. Bekanntlichliegt die H6chstgrenze drehzahlsteuerbarer Antriebsleistung. derzeit gegeben durch den Kollektor an Gleichstrommaschinen bei etwa 6000kW Dauerleistung. Auch diese Grenze soll durch die Erfindung überschritten werden bis zu jenem Höchstmasse, in dem es möglich ist, Asynchronmotoren zu bauen.
Die Erfindung bezweckt die Ausführung einer Zweipunktregelung durch elektronische oder transduktorische bzw. kombinierte Verfahren so zu lösen, dass das galvanische Kontaktproblem keine Rolle mehr spielt, gegebenenfalls auch Schleifringe entbehrlich sind und eine gesicherte und stetige Drehzahleinstellung erzielt wird.
Auf Grund theoretischer Untersuchungen über die Drehzahlsteuerung durch Zweipunktregelung ist es möglich, durch Abstufung der EIN-AUS-Schaltzeiten jede Drehzahl eines schwungmassebehafteten asyn-
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chronen Antriebes entsprechend Fig. 1 stetig zu verändern bzw. stabil zu gestalten.
Dies erfolgt nach der Gesetzmässigkeit :
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: (eA+i) (eE-iM Drehmoment, W Arbeitsmoment, t Zeit,
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Zeitkonstantee Trägheitsmoment der zu beschleunigenden Massen, Wo. Winkelgeschwindigkeit bei Leerlauf.
Mst Stillstandsmoment oder Anzugsmoment,
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durch beherrschtes taktmässiges Kurzschliessen und Öffnen an den Schleifringen auf Grund vorhandener Schwungmassen am Antriebsmotor, eine mittlere einstellbare Drehzahl erzielt.
Die Steuerung mit mechanischen Kontakten ist, wie theoretisch nachgewiesen und bei Supportantrieben im Gebiet der Werkzeugmaschinen verwendet, durch die Bemessung der Einschaltzeiten tE und Ausschaltzeiten tA gegeben. Erfolgt die Ablösung der Betriebszeiten tE und tA in einem vorgegebenen Rhythmus, so ist mit dieser Taktgabe, wie auch berechenbar, der Sollwert der Drehzahl festgelegt. Der Istwert ist an der Motorwelle durch die Spannung einer Tachodynamo zu gewinnen. Die Differenz zwischen Sollwert und Istwert dient zur Regulierung, die in Form einer Proportionalregelung, einer Integralregelung oder einer Differentialregelung bzw. kombiniert nach bekannten Gesichtspunkten ausführbar ist.
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vom Motor entwickelte Antriebsmoment (M) auf, das der jeweiligen Drehzahl (n) durch die Kennlinie des Asynchronmotors zugeordnet ist.
Als Störgrösse ist das Arbeitsmoment (W bzw. das Beschleunigungsmoment (B) anzusehen. Nach dieser Festlegung stehen alle möglichen Arten gegenseitig abhängiger Beeinflussung nach den Gesetzen der Regelungstechnik zur Verfügung. Es ist nur eine Frage des wirtschaftlichsten Standes der Technik, zu welchen Mitteln gegriffen wird. Diese können sein : mechanische Gestängeführung, pneumatische oder hydraulische Übertragung bzw. galvanische, induktive oder elektronische Führung im Regelkreis bzw. deren Kombinationen.
Gegenüber bisher bekannten Stromrichtermotoren, wie solche synchroner Bauart, in denen die Netzfrequenz vor Eintritt in den Motorständer auf die Wellenfrequenz umgerichtet wird bzw. Stromrichtermotoren asynchroner Bauart, in denen eine Umrichtung hinter den Schleifringen erfolgt, alles Ausfuh- rungen, die mit stetiger Regelung vorgeschlagen wurden, liegt hier im Gegensatz dazu eine unstetige Regelung bzw. eine Zweipunktregelung vor. Der damit erzielte Fortschritt liegt im wesentlich erweiter ten Drehzahlbereich bis zum Stillstand, besonders bei asynchronen Schwerstantrieben, sowie in einer erzielten Steigerung der Typenleistung drehzahlbeherrschter Antriebstechnik,- die als erheblicher technischer Fortschritt die Erfindungshöhe kennzeichnet.
Der vorgeschlagene Asynchron-Stromrichter-Motor ist dort mit grossem Vorteil anwendbar, wo
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schwere-und Schwerstantriebe, die bisher nur mit dem Leonard-Verfahren bewerkstelligt werden konnten, Anwendung finden bzw. wo die drehzahlgeregelte Antriebsleistung über die dzt. Grenze bei etwa 6000 kW Dauerbetrieb hinausgehen soll. Einerseits ist zu vermerken, dass Leonard-Generator und Leonard-Motoi überflüssig werden, was die erfindungsgemässe Anlage auf angenähert die Hälfte bzw. ein Drittel der Kosten gegenüber einer dzt. üblichen Leonard-Anlage bzw. Stromrichterumformer-Gleichstrommotor- anlage reduziert, anderseits kann die mit dem Kollektor gegebene Grenze wesentlich überschritten werden.
Diese Vorteile sind besonders anwendbar : bei Schiffsantrieben, Windkanälen, Bewetterungsanlagen, Förderantrieben und Walzenzugsmaschinen.
Fig. 2 zeigt die grundsätzliche Schaltung der erfindungsgemässen Anordnung, hier gelöst durch elektronische Mittel. Zwischen normalem Mittelpunkt des Läufers und seines eventuell auch zur Erzielung optimalster Umkehrzeit eingeführten Phasenanlasswiderstandes (AW) ist die Schaltung zur beherrschten beliebigen Unterbrechung jeder Phase durch eine paarweise Anordnung von Stromrichtergefässen Röl, Rö2 usw. in Antiparallelschaltung angegeben.
Die je Phase flutende Scheinleistung, insbesondere der Anteil der Blindleistung, benötigt eine Stromführung zum Nullpunkt und vom Nullpunkt. Dies wird durch die angedeutete Antiparallelschaltung von Thyratrons bzw. Stromtore ermöglicht. Neben den angedeutetenExcitrons können auch Ignitrons Verwendung finden, um dem jeweiligen Wechselstrom einen beherrschten Weg zu bieten. An der Fig. 2 er-
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der hier jeweils je Phase links gezeichneten Stromrichtergefässe (Röl), (Rö3) und (Rö5) besitzt einen Anschluss, der über einen Gitterableitwiderstand (GW) zu dem entsprechenden Relaiskontakt (R) führt, welches von aussen getaktet, die negative Gittervorspannung kurzschliesst und damit den Stromfluss freigibt.
In umgekehrter Richtung gilt dasselbe Prinzip. Man erkennt in Fig. 2 die je Phase rechts angeordneten Stromrichtergefässe (Rö2), (Rö4) bzw. (Rö6), deren Gitterwiderstände (GW) aus Gründen der Potentialvertei-
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(RgativeG1ttervDrspannung vorzugsweise erzeugt durch ein Netzgerät, angedeutet mit (N) über den Relaiskontakt (R) kurz geschlossen werden kann. Dasselbe gilt bei der Phase v für den Relaiskontakt (RJ, sowie bei der Phase w für den Relaiskontakt (R4).
Es sei erwähnt, dass die gekuppelten Relaiskontakte (R) bis (R,) praktisch trägheitslos durch geringfügige EIN-AUS-Schaltimpulse gesteuert werden können. Dabei sei vermerkt, dass gemäss der angegebenen Regelfunktion nm = f (E, A, usw.) die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit die Mittel sind, um die stabil gesteuerte Drehzahl eines belasteten oder unbelasteten Asynchronmotors bis zum Stillstand stabil herabzusteuern.
Erfindungsgemäss wird ein weiterer Weg angegeben, die Stromflutung je Phase von und zum Mittelpunkt (mp) des Läufers beherrschbar zu gestalten bzw. freizugeben oder zu sperren.
Wie Fig. 3 erkennen lässt, werden je Phase Induktivitäten L, L usw. angeordnet, die durch eine über (R) getaktete Gleichstromerregung gesättigt oder entsättigt werden. Mit diesem iransduktorischen Unzip kann erreicht werden, dass jeweils Wechselstrom in beiden Richtungen zum Mittelpunkt (mp) der Läuferwicklung gelangt bzw. bei Nichtsättigung der Induktivitäten und bei Entstehung einer induktiven GegenEMK der Wechselstromfluss aufgehoben wird.
Es sei erwähnt, dass die hier angegebene schematische Wirkungsweise von Stromrichtergefässen im Hauptstromkreis durch Halbleiterelemente erreicht werden kann, wobei es auch grundsätzlich möglich ist, den taktvermittelnden Relaiskontakt, also eine galvanische Lösung, durch eine induktive, eine elektronische oder photozellenelektrische Lösung zu ersetzen. Dasselbe gilt für die transduktorische Anwendung, wie sie die Fig. 3 schematisch darstellt, wo statt Relaiskontakten induktive, elektronische oder photoelektrische Mittel eingesetzt werden können.
Rückblickend sei vermerkt, dass der erfindungsgemässe Erfolg der Läuferbeeinflussung, neben dem getakteten Schliessen und Öffnen im galvanischen Kreis, auch durch kontinuierliches Zündpunktverzögern, zwischen Läuferspannung und Läuferstrom-Zündeinsatz an den antiparallelgestellten Lichtbogenstrecken, zu erreichen ist, so dass die damit erzielte Flächengeometrie des Stromes über der Zeit den getakteten Impulssätzen der Erfindung entspricht.
Um Unterbrechungen im Läuferkreis entbehrlich zu machen und den erfindungsgemässen Antrieb ohne Schleifringe zu gestalten, können an den Rotor angebaut, die Transduktorinduktivitäten bzw. Halbleiter
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oder Ventile umlaufend angeordnet werden, wobei die notwendige EIN-AUS-Taktgabe induktiv übertragen werden kann wie in Fig. 4 angedeutet ist.
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den Gleichstrom J, zur Verfügung stellt. Dieser kann gegebenenfalls die Relaiskontakte (R,), (R.) usw. steuern, eine Gittervorspannung erzeugen oder Halbleiterventile zur Freigabe anregen.
Die in Fig. 4 angedeutete induktive Übertragung einer EIN- AUS Regelung kann selbstredend elektronisch oder auch photoelektrisch bzw. kombiniert erfolgen.
Die magnetische Verkettung zwischen Ständer und Läufer gestattet die Anwendung des Transformationsprinzipes. Bei physikalisch bestimmter Läuferleistung erfolgt mit hinaufgesetzter Läuferspannung eine Heruntersetzung des Läuferstromes. Dieser Umstand mindert die Strombeaufschlagung der elektronischen Schaltelemente im Läuferkreis und setzt damit die Anlagekosten herunter.
Eine durch Kondensatoren mögliche selbsttätige Blindleistungskompensation am Ständer oder auch an den Schleifringe" ist im Bereich niedrigster Drehzahlen angepasst und wirtschaftlich, da dort mit grö- sserem Schlupf und damit höherer Läuferfrequenz gerechnet werden kann. Bei mittleren und höheren Drehzahlbereichen bleibt es unbenommen, den Kapp'schen Vibrator oder irgend eine phasenverbessernde Hintermaschine einzusetzen.
Bei letzteren ist es angezeigt, die kompensierende Blindleistung im Takt der Zweipunkt-Regelung zn liefern bzw. auch möglichst anderweitig verlangte Kompensationsleistung zur Verfügung zu stellen, um die Spannung des angeschlossenen Wechselstromnetzes konstant zu halten.
Um die Dynamik der Drehzahlregelung zu verbessern, kann bei überhöhter Drehzahl eine Rückholung durch Wirbelstrombremsung erfolgen. z. B. mit Hilfe einer eingebauten oder über die Welle gekuppelten Bremsscheibe, deren Gleicherregung abhängig von der Abweichung des Drehzahlsollwertes vom Drehzahlistwert erfolgt, wobei auch hier mit induktiver Übertragung (s. Fig. 4) ohne Schleifringe gearbeitet werden kann. Um die Rückholung der Drehzahl zu verbessern, werden im Drehstromsystem mindestens vor zwei Ständerphasen Stromrichterelemente in Antiparallelschaltung angeordnet, um das Ständerdrehfeld durch eine gesteuerte Gleichrichterwirkung in einstehfeld umzuwandeln. Dieselbe Anordnung zusätzlich kreuzweise angebracht, bietet, entsprechend gesteuert, eine kontaktlose Drehrichtungsumkehr.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Regelung eines Asynchronmotors mit Schleifringen unter Verwendung von steuerbaren Schalteinrichtungen ohne bewegliche Teile, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor primärseitig direkt an der Netzspannung liegt und dass die Anschlüsse der Sekundärwicklung über Stromrichter, Transduktoren oder Halbleiter betriebsmässig periodisch kurzgeschlossen oder voneinander galvanisch getrennt sind, wobei das Verhältnis der Kurzschlusszeit zur Trennungszeit regelbar ist, so dass eine stetig veränderbare und in gewünschter Grösse fixierbare Drehzahlregelung erzielbar ist.
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