DE1931161A1

DE1931161A1 - Einrichtung zur Begrenzung der Leistungsaufnahme von Gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE1931161A1
Application number: DE19691931161
Authority: DE
Inventors: Peterson Robert Scott
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1968-06-19
Filing date: 1969-06-19
Publication date: 1970-01-15
Also published as: GB1255382A; BE734772A; FR2011222A1; US3508132A

Description

WESTIIiGHOITSE ' . ,

Electric Corporation Erlangen, den I"· Juni 1969

Pittsburgh, Pa., USA Werner-von-Siemens-Str.50

Unser Zeicheni PIA 68/8302 Hk/Κζ

Einrichtung zur Begrenzung der leistungsaufnähme von Gleichstrommotoren

Die Priorität der entsprechenden Patentanmeldung in den USA, Serial No. 758*297, vom 19·6.1968 wird in Anspruch genommen.

Ein vorübergehender Leistungsanstieg in einem Motor verursacht in manchen Fällen einen erheblichen Spannungseinbruch in dem den Motor speisenden Netz. Wenn beispielsweise ein Netz, das den Motor einer an entlegenem Aufstellungsort betriebenen fördermaschine speist, unterbemessen ist, so können vom Motor verlangte Leistungsspitzen zyklische Spannungseinbrüche im Wechselstromnetz hervorrufen. Zur Vermeidung solcher Spannungseinbrüche müssen die positiven Leistungsspitzen ohne Beeinträchtigung des Pördermaschinenbetriebes reduziert werden.

Bisher wurde dieses Problem durch Verwendung eines mit einem Schwungrad ausgestatteten Motor-Generatorsatzes gelöst, der durch einen an das Verteilernetz angeschlossenen.Wechselstrommotor angetrieben wurde. Die Trägheit des Schwungrades diente dabei zur Aufnahme der Leistungsspitzen. Diese nur näherungsweise wirksame Lösung ist jedoch aufwendig und für thyristorgespeiste Gleichstromantriebe nicht anwendbar. In anderen Systemen sind rotierende Eegeleinrichtungen verwendet worden} diese sind jedoch ziemlich langsam und erzielen keine optimale Geschwindigkeitsregelung.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Begrenzung der Leistungsaufnahme■■ von aus einem Drehstromnetz gespeisten Gleichstrommotoren, mit einem Stromregler und einem diesem überlagerten Drehzahlregler und mit einem die Istdrehzahl erfassenden Tachogenerator.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, im speisenden Netz durch betriebsmäßig- auftretende Leistungsspitzen hervorgerufene SpannungsSchwankungen ohne Beeinträchtigung der Bremswirkung des Motors zu vermeiden. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine die Spannung des Tachogenerator mit einer konstanten Spannung vergleichende Schaltungsanordnung vorgesehen ist, deren Ausgangsspannung bei einer die konstante Spannung übersteigenden Spannung des Tachogenerators die Ausgangsgröße des Drehzahlreglers begrenzt. Wird anstelle eines Drehzahlreglers ein Spannungsregler für den Motor verwendet, so wird die Ausgangsgröße des Spannungsreglers in Abhängigkeit von der Motorklemmenspannung begrenzt.

^ Anhand der Zeichnungen wird im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Regeleinrichtung, Pig. 2 einen schematisch dargestellten Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, Pig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung in ihren Einzelheiten,

Pig.4 und 5 Ersatzschaltbilder der Schaltiingsanordming und Pig.6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Strombegrenzungswirkung, der Schaltungsanordnung.

^ In Pig. 1 ist ein durch einen Drehstrommotor 12 angetriebener " Leonardsatz dargestellt, der aus einem Gleichstromgenerator 10 und einem Gleichstrommotor 18 besteht. Die Feldwicklung 14 des Generators 10 wird von einem Ihyristorsteuergerät 16 gespeist. Der Gleichstrommotor 18 ist durch eine Kupplung 20 beispielsweise mit einer Fördermaschine 22 verbunden.

Die Fördermaschine enthält zwei Seiltrommeln 24, 26, auf die die Seile 28, 30 aufgewickelt werden. An &en Seilen hängt je ein Förderkorb 32 bzw. 34. Die Seile werden derart auf die Trommeln aufgewickelt, daß jeweils ein Förderkorb gehoben und der andere eingefahren wird.

Das Drehmoment.des Motors 38 hängt von den relativen. Gewichten der Förderkörbe ab. Wenn beispielsweise der Förderkorb 32 ge-

. _ _;,90 9883/1246 « 3 _.

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hoben wird und schwereres Material enthält als der Förderkorb 34, wirkt ein positives Drehmoment auf die Welle 36 des Motors 18. Wenn das Material im Förderkorb 34 schwerer als das im Förderkorb 32 ist, bremst der Motor im generatorisehen Betrieb.

Anstelle eines Leonard-Satzes kann natürlich auch ein unmittelbar über Thyristoren aus dem Netz gespeister Motor verwendet werden.

Das Steuergerät 16 ist an den Ausgang eines Stromreglers 60 angeschlossen, dem ein Drehzahlregler 42 überlagert ist. Der Stromregler orhttlt seinen Iotwert von einem Stromwandler 64, dor parallel zu einem zwischen dem Generator 10 und dem Motor 18 angeordneten Widerstand 66 geschaltet ist. Dem Drehzahlregler v/ird ein Sollwert über einen Impulsformer 40 und der Drehzahlistwert aus einem Tachogenerator 50 zugeführt, der über ein Getriebe 52 an den Motor 18 gekuppelt ist. Zwei weitere Eingänge des Drehzahlreglers sind mit den Ausgängen eines Strombegrenzers 54 verbunden, der über einen Leistungsspitzenbegrenzer 56 an den Tachogenerator 50 angeschlossen ist. Die Ausgangsgrößen des Strombegrenzers ändern die Sättigungsgrenzen der unter dem Bezugszeichen 44 schematisch dargestellten Verstärkungskennlinie des Drehzahlreglers. Wenn der Verstärkungsgrad des Drehzahlreglers die Sättigungsgrenze erreicht hat, ist sein Ausgangssignal und dementsprechend auch der geregelte Strom konstant.

In Fig. 2 ist das Drehmoment des' Motors 18 in Abhängigkeit von der Drehzahl schematisch dargestellt. Es sei angenommen, daß sich der Motor im Quadrant I im Uhrzeigersinn dreht. Dann ist das Drehmoment des Motors positiv und der Motor arbeitet im motorischen Betrieb. Wenn die Motordrehzahl den mit S- bezeichneten Punkt überschreitet, wird das Drehmoment allmählich vermindert, so daß die unerwünschten Leistungsspitzen ausgeschaltet werden. Im Quadrant II dreht sich der Motor noch im Uhrzeigersinn, jedoch ist das Drehmoment negativ, so daß der Motor im generatorischen Betrieb arbeitet. Zur Erzielung einer maximalen Bremswirkung wird im zweiten Quadranten die Strombegrenzung nicht geändert.

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In den Quadranten III und IV ist die Drehrichtung des Motors umgekehrt. Im dritten Quadranten arbeitet der Motor im motorischen Betrieb und die Strombegrenzung wird in Abhängigkeit von der Motordrehzahl verändert. Im vierten Quadranten arbeitet der Motor wieder im generatorischen Betrieb, in dem eine Strombegrenzungsänderung nicht angewendet wird. Im zweiten und vierten Quadranten der Pig. 2 hat die Strombegrenzung einen konstanten Wert. '

Der Leistungsspitzen- und der Strombegrenzer sind in Pig. 3 in ihren Einzelheiten dargestellt. Der Tachogenerator 50 ist über einen Widerstand R mit dem Eingang eines über einen Widerstand Rp rückgekoppelten Verstärkers 62 verbunden. Der Verstärkeraus-) gang ist über je eine Diode 64_t66 und je ein Potentiometer P^» P. an eine Spannungsquelle von +24 V bzw. -24 V angeschlossen. Der Abgriff des Potentiometers P« ist über einen veränderbaren Widerstand P₁ und eine Diode 68 an den Verbindungspunkt zwischen zwei einen Spannungsteiler bildenden Widerständen R_a, R^ angeschlossen. Das eine Ende des Widerstandes R„ ist an Masse gelegt, während das eine Ende des Widerstandes R^ mit einer Spannungsquelle von +24 V verbunden ist.

In gleicher Weise ist der Abgriff des Potentiometers P. über einen einstellbaren Widerstand P, und eine Diode 70 mit dem Anschlußpunkt zweier einen Spannungsteiler bildenden Widerstän-

»den R_rtund R, im Strombegrenzer 54 verbunden. Das eine Ende des C CL
Widerstandes R_ ist ebenfalls geerdet, während das eine Ende des Widerstandes R, mit einer Spannungsquelle von -24 V verbunden ist. Die Größe der Widerstände P₁, P, kann durch einen Abgriff 72 bzw. 74 eingestellt werden.

Unter der Voraussetzung, daß der Tachogenerator ein positives Signal liefert, wenn sich der Motor im Uhrzeigersinn dreht und im Quadrant I arbeitet, ist das Ausgangssignal des Verstärkers 62 negativ und über die Zenerdiode 64 fließt ein Strom in Richtung auf den positiven Pol der Spannungsquelle'. Infolgedessen wirkt die Zenerdiode als Konstantspannungsquelle in ähnlicher Weise wie eine Batterie. Wenn das Ausgangssignal des Tachogenerators negativ wird, wird das Ausgangseignal des Verstärkers

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positiv und die Zenerdiode 66 und das Potentiometer P. werden wirksam.

In Pig. 4 ist ein den Stromkreisen 54 und 56 äquivalenter Stromkreis dargestellt, in dem die Widerstände R₁, R₂ den G-esamtwiderstand de3 Potentiometers Pp darstellen. Die Spannung Y kennzeichnet die durch die Zenerdiode 64 gebildete Konstantspannungsquelle und die Spannung V_ ergibt sich aus den Werten der Widerstände R^, R und der Ausgangsspannung V des Tachogenerators zu

J-W gj

V- - Jl. j.

R · *»
^ΛΟ

Der Stromkreis nach Pig. 4 kann weiterhin auf den in Pig. 5 dargestellten Stromkreis reduziert werden, indem für den Leistungsspitzenbegrenzer 56 vom Punkt V aus betrachtet gilt:

(D R_g	«· ^R1-^R2
(2) V₂	^R1^+R2
	« V_Z«R
(3) V_A	R₂
(4) V₁₂	y^R^
R₂
_s 24 ' Rg

Punkt Pur den Strombegrenzer 54 ergibt sich vom'V · aus betrachtet:

' (5) R - 5Ü
(6) ^₀ -

Fig. 5 ist zu entnehmen, daß in dem Stromkreis kein Strom fliessen kann, solange nicht die Summe der Spannungen V_Q und V grösser als die Summe der Spannungen V„_ und V₁₃ ist. Solange die Summen aus den Spannungen gleich groß sind fließt kein Strom und die Leistungsspitsenbegrensung ist nicht wirksam. Wenn jedoch

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die Drehzahl des Motors bis zu dem Punkt anwächst, in dem ein

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Strom I.fließt, wird die Spannung T 'durch den Spannungsabfall am Widerstand R niedriger. Dann ist:

(9)

cL

(8) V

oL

cL

V-R

- vj

^Pl ^{+ R}g

^R \ Γ

do) v

_CI

Bei einer vorgegebenen Einstellung der Potentiometer ändert sich V als einzige Größe in der Gleichung (10). Die am gemeinsamen Anschlußpunkt der Widerstände R^ und R_& in den Figuren 4 und 3 auftretende Spannung V ■»■» die die Strombegrenzung einstellt, ändert sich proportional der Spannung V_a am Ausgang des Verstär-

a o/

kers 62, wie in Mg. 6 dargestellt. Der abfallende Teil/der Kurve in Fig. 6 kann durch Einstellung des Widerstandes R und des' Potentiometers P^ geändert werdenj jedoch ist die Änderung des Potentiometers P- weniger wirksam. Wie ersichtlich, wird die Ausgangsspannung V des Taehogenerators mit einer vorgegebenen Spannung, die sich aus den Spannungen Υ_Ώ + V__ - ^ν _Λ zusammen- ' setzt, und äfäfl die maximale Ausgangsgröße des Drehzahlreglers vermindert K£22, wenn die Spannung des Tachogenerators die vorgegebene Spannung überschreitet. Die Drehzahl, bei der die Strombegrsnzungen eine Verminderung einleiten, ist durch Xnderung der Spannung V^ (Fig. 5) durch Einstellung des Potentiometers P₅ (Fig. 3) einstellbar.

Wie Fig. 3 ferner zeigt, enthält der Drehzahlregler 42, dem der Sollwert über die Leitung 46 zugeführt wird, einen Verstärker 76 ait einer aus einem Kondensator 78, einem Widerstand 79 und einem BegrenzungskaeeisrS^ bestehenden Rückkopplung. Wenn sich

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der Motor in einer Richtung dreht, wird die Spannung am gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände R₀ und R, dem Begrenzungskreis zur Begrenzung des dem Stromregler 60 zugeführten AuBgangssignals des Verstärkers 76 in Übereinstimmung mit der Drehzahl-Drehmomentkurve nach Fig. 2 zugeführt. Während eines generatorischen Betriebs, d.h. bei einem Betrieb des Motors in den Quadranten II und IV, wird die Spannung V- dem Begrenzungskreis weiterhin vom Begrenzer 54 zugeführt. Diese Spannung hat jedoch keinen Einfluß auf die Regelung des Motors, da der Motorstrom" im generatorischen Betrieb reversiert ist. Im generatorischen Betrieb stellt die Spannung am Widerstand R. (Fig.3) das Strombegrenzungssignal dar, das sich in Abhängigkeit von der Motordrehzahl nicht ändert, wenn sich der Motor im Uhrzeigersinn dreht, weil die Ausgangsspannung des Verstärkers 62 jetzt negativ ist und einen Strom durch die Diode 70 blockiert.

3 Patentanaprüche
6 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

M Λ Einrichtung zur Begrenzung der Leistungsaufnahme von aus einem Drehstromnetz gespeisten Gleichstrommotoren, mit einem Stromregler und einem diesem überlagerten Drehzahlregler und mit einem die Istdrehzahl erfassenden Tachogenerator, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Spannung des Tachogenerators (50) mit einer konstanten Spannung vergleichende Schaltungsanordnung (56, 54) vorgesehen ist, deren Ausgangsspannung bei einer die konstante Spannung übersteigenden Spannung des Tachogenerators die Ausgangsgröße des Drehzahlreglers (42) begrenzt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teil (56) der Schaltungsanordnung eingangsseitig einen Verstärker enthält, dessen Ausgang über zwei gegensinnig geschaltete Zenerdioden (64,66) und ein jeder Zenerdiode nachgeschaltetes Potentiometer (Pg, P*) mit dem positiven bzw. negativen Pol einer Spannungsquelle und zusätzlich über den Abgriff jedes der beiden Potentiometer mit einer Reihenschaltung aus einem einstellbaren Widerstand (P₁, P,) und einer Diode (68, 70) verbunden ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Teil (54) der Schaltungsanordnung zwei aus je

W zwei Widerständen (R_&, R^i R₀, R^) gebildete Spannungsteiler enthält, die einerseits an Masse und andererseits an den positiven bzw. negativen Pol einer Spannungsquelle angeschlossen und deren Teilerpunkte mit je einer der beiden Dioden (68 bzw. 70) und je einem zusätzlichen Eingang des Drehzahlreglers (42) verbunden sind.

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