-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Asynchronmaschine, deren Ständerwicklungen aus einem Drehstromnetz über einen Drehstromsteller gespeist werden, dessen Thyristoren von einem Steuersatz in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Stromreglers mit Zündimpulsen gesteuert werden, dem ein weiterer Regler überlagert ist, von dessen Ausgangssignal die Führungsgröße für den Stromregler abgeleitet ist. Als überlagerter Regler kann ein Drehzahlregler, ein Drehmomentregler, ein Leistungsregler oder ein Schubkraftregler vorgesehen sein. Die Erfindung bezieht sich sowohl auf rotierende Asynchronmaschinen als auch auf asynchrone Linearmotoren.
-
Aus der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 nächstkommenden DE-OS 22 39 897 ist bekannt, den speisenden Drehstromsteller einer Asynchronmaschine mit dem Ausgangssignal eines Wirkstromreglers zu steuern, dem wahlweise ein Drehzahlregler zur Einhaltung eines Drehzahl-Sollwertes oder ein Hochlaufgeber zur Vorgabe eines Drehmomenten- Sollwertes überlagert ist.
-
Asynchronmaschinen mit Drehstromsteller werden im untersynchronen Bereich üblicherweise mit einem Gegendrehfeld gebremst. Dabei wird die gesamte aufgenommene elektrische Leistung in Läuferverluste umgesetzt. Die Asynchronmaschine entwickelt eine Bremskraft, die in bestimmten Anwendungsfällen als ungenügend angesehen wird.
-
Aus der DE-OS 14 63 575 ist aber bereits bekannt, daß durch entsprechende Ansteuerung mehrerer Thyristoren des Drehstromstellers eine Gleichstrombremsung vorgenommen werden kann.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Bremsbetrieb für eine Asynchronmaschine zu schaffen.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst:
- a) Es ist ein Gleichstrombremsbetrieb der Asynchronmaschine vorgesehen, bei dem die Ständerwicklungen dadurch mit Gleichstrom gespeist werden, daß mehrere Thyristoren des Drehstromstellers von einem weiteren Steuersatz in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Stromreglers gesteuert werden,
- b) im Gleichstrombremsbetrieb wird der überlagerte Regler herausgeschaltet und die Führungsgröße für den Stromregler wird statt dessen vom Ausgangssignal eines Gleichstrombremsreglers abgeleitet,
- c) die Führungsgröße für den Gleichstrombremsregler wird vorgegeben,
- d) als Regelgröße für den Gleichstrombremsregler wird die Bremskraft der als Wirbelstrombremse betriebenen Asynchronmaschine verwendet.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Ausgangssignal des Gleichstrombremsreglers über einen Funktionsbildner zur Nachbildung einer Wurzelkennlinie geführt wird und daß das Ausgangssignal des Gleichstrombremsreglers mit einem geschwindigkeitsabhängigen bzw. drehzahlabhängigen Faktor multipliziert wird.
-
Bei gleicher Bremskraft beträgt im Gleichstrombremsbetrieb die aufgenommene elektrische Leitung der Asynchronmaschine nur einen Bruchteil der beim Bremsen mit Gegendrehfeld aufgenommenen elektrischen Leistung.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Gleichstrombremsbetrieb bei einem asynchronen Linearmotor dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
-
Der asynchrone Linearmotor 1 besteht aus einer dreiphasigen, in Stern geschalteten Ständerwicklung 1 a und einem Translator 1 b, der als Kurzschlußläufer mit erhöhtem elektrischen Widerstand ausgebildet ist. Die Ständerwicklung 1 a wird über einen Drehstromsteller 2 mit Stromregelung aus einem Drehstromnetz mit den Phasen L 1, L 2, L 3 gespeist. Um einen Zweiquadrantenbetrieb zu ermöglichen, ist der Drehstromsteller 2 als Umkehrdrehstromsteller ausgebildet und enthält fünf Stränge mit jeweils zwei antiparallel geschalteten Thyristoren V 1, V 2 und V 3, V 4 und V 5, V 6 und V 7, V 8 und V 9, V 10 in der dargestellten Schaltung. Die Beschaltung der Thyristoren ist nicht im einzelnen ausgeführt. Die Thyristoren V 1 bis V 10 des Drehstromstellers 2 werden je nach der gewählten Betriebsart von einem der Steuersätze 3 oder 4 oder 5 a, 5 b mit Zündimpulsen gesteuert. Ein Stromregler 6 liefert die Steuerspannung für die Steuersätze 3, 4, 5 a, 5 b.
-
Unter der Betriebsart "Fahren" wird das Beschleunigen in Fahrtrichtung I oder in der entgegengesetzten Fahrtrichtung II verstanden. In der Betriebsart "Fahren in Fahrtrichtung I" ist der sechspulsige Steuersatz 3 in Betrieb und steuert die Ventile V 5 bis V 10 des Drehstromstellers 2. In der Betriebsart "Fahren in Fahrtrichtung II" ist der sechspulsige Steuersatz 4 in Betrieb und steuert die Ventile V 1 bis V 4 und V 7, V 8.
-
Die Betriebsart "Bremsen" bedeutet Verzögern mit einem Gegendrehfeld in Fahrtrichtung I oder in Fahrtrichtung II. Der Bremsbetrieb mit Gegendrehfeld ist der inverse Betrieb zum Fahrbetrieb. Die Betriebsart "Bremsen in Fahrtrichtung I" entspricht daher steuerungsmäßig der Betriebsart "Fahren in Fahrtrichtung II". Die Betriebsart "Bremsen in Fahrtrichtung II" entspricht steuerungsmäßig der Betriebsart "Fahren in Fahrtrichtung I". Entsprechend erfolgt die Ansteuerung der Ventile des Drehstromstellers 2 über einen der Steuersätze 3 oder 4.
-
Im Bremsbetrieb mit Gegendrehfeld entwickelt der asynchrone Linearmotor eine ungenügende Bremskraft. Die aufgenommene elektrische Leistung wird zusätzlich zur Bewegungsenergie in Wärmeverluste umgewandelt. Der Bremsbetrieb mit Gegendrehfeld ist daher nur bei kleinen Geschwindigkeiten sinnvoll.
-
Erfindungsgemäß ist daher ein Gleichstrombremsbetrieb vorgesehen, bei dem der Linearmotor mit Gleichstrom erregt und nach dem Prinzip der Wirbelstrombremse betrieben wird. Beim Gleichstrombremsbetrieb beträgt die Bremsleistung ein Mehrfaches der aufgenommenen elektrischen Leistung. Im Gleichstrombremsbetrieb steuern die beiden zweipulsigen Steuersätze 5 a, 5 b die Thyristoren V 2, V 4, V 8, V 9 derart, daß eine zweipulsige Brückenschaltung entsteht und zwei Phasen der Ständerwicklung 1 a des asynchronen Linearmotors 1 von Gleichstrom durchflossen werden. Die Gleichstrombremse wird vorzugsweise in einem Geschwindigkeitsbereich eingesetzt, der von der vollen Synchrongeschwindigkeit bis herunter zu etwa 10% der Synchrongeschwindigkeit reicht. Bei noch kleineren Geschwindigkeiten wird der Bremsbetrieb mit Gegendrehfeld gewählt.
-
Die Steuerung der einzelnen Regler und Steuersätze in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsart erfolgt durch eine Kommandostufe 30. Von den komplexen Funktionen der Kommandostufe 30 werden im folgenden nur diejenigen Funktionen betrachtet, die für das Verständnis der Erfindung von Bedeutung sind. Der Aufbau der Kommandostufe 30 ist nicht im einzelnen dargestellt.
-
Ebenso sind zur Wahrung der Übersichtlichkeit der zeichnerischen Darstellung nur die Verbindungsleitungen der in der Betriebsart "Gleichstrombremse" wirksamen Steuersätze 5 a, 5 b mit den Thyristoren V 1, V 4 und V 8, V 9 des Drehstromstellers dargestellt. Die Kontakte der Umschalteinrichtungen 8 a, 8 b sind in der Lage gezeichnet, die sie in der Betriebsart "Gleichstrombremse" einnehmen.
-
Die Funktion der Regelung des asynchronen Linearmotors in den Betriebsarten "Fahren" und "Bremsen" wird nachstehend kurz erläutert, um den Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gleichstrombremsbetrieb aufzuzeigen. In den Betriebsarten "Fahren" und "Bremsen" befinden sich die Kontakte der von der Kommandostufe 30 gesteuerten Umschalteinrichtungen 8 a, 8 b in der nicht dargestellten Lage. Die Kommandostufe 30 bestimmt auch, welcher der beiden Steuersätze 3 oder 4 in Betrieb ist. Die übrigen Steuersätze sind gesperrt.
-
Dem asynchronen Linearmotor ist eine Schubkraftregelung mit unterlagerter Stromregelung und Strombegrenzung zugeordnet. Die Schubkraftregelung beruht auf einem festen Zusammenhang zwischen Luftspaltleistung und Schubkraft und bewirkt eine Regelung der Luftspaltleistung. Die Regelstrecke ist der unterlagerte Stromregelkreis. Eine derartige Regelung ist beispielsweise bekannt aus der DE-OS 22 39 897.
-
An einer Einstellvorrichtung 7 wird die Führungsgröße F* für die gewünschte Schubkraft vorgegeben und über den Kontakt der Umschalteinrichtung 8 a dem Differenzverstärker 9 zugeführt. Dem Differenzverstärker 9 wird ferner die Regelgröße F für die Schubkraft zugeführt, die in einer Recheneinrichtung 10 aus Meßwerten für die Strangströme von einer Strommeßwandleranordnung 16 und aus Meßwerten für die Phasenspannungen aus einer Spannungsmeßwandleranordnung 17 gewonnen werden. Der Berechnung der Schubkraft F als Regelgröße liegt die Überlegung zugrunde, daß die aufgenommene Leistung des Linearmotors und die Schubkraft zueinander proportional sind, wenn die Ständerverluste berücksichtigt werden. Die aufgenommene Leistung ist eine Wirkleistung und kann durch eine dreiphasige Messung von Strömen und Spannungen ermittelt werden, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Die aufgenommene Leistung kann auch nach der Zweiwattmetermethode aus Strömen und Spannungen zweier Phasen ermittelt werden. Die Ständerkupferverluste sind vom Ständerstrom und vom Ständerwiderstand abhängig und können aus dem Ständerstrom ermittelt werden. Die Ständereisenverluste sind spannungsabhängig und können aus der Motorspannung ermittelt werden. Weitere Verluste, wie Oberschwingungsverluste, Stromverdrängungsverluste, Randfeldverluste und Erwärmungsverluste spielen demgegenüber eine untergeordnete Rolle und können pauschal berücksichtigt werden. Es ist auch möglich, die Schubkraft F als Regelgröße unmittelbar zu messen, beispielsweise durch eine Kraftmeßdose, wie dies in der DE-OS 27 36 829 beschrieben ist.
-
Die im Differenzverstärker 9 aus der Regelgröße F und der Führungsgröße F* der Schubkraft gebildete Regeldifferenz wird einem Schubkraftregler 11 mit integralem Verhalten zugeführt. Das Ausgangssignal des Schubkraftreglers 11 ist eine vorzeichenbehaftete wirkleistungsproportionale Größe und kann daher nicht unmittelbar als Führungsgröße für den unterlagerten Stromregler 6 verwendet werden, da dessen Regelgröße i eine scheinstromproportionale Größe ist. Das Ausgangssignal des Schubkraftreglers 11 wird daher in einem Betragsbildner 12 gleichgerichtet und über einen Funktionsbildner 13 zur Nachbildung einer Wurzelkennlinie geführt. Das Ausgangssignal des Funktionsbildners 13 wird in einem Multiplizierer 14 mit einer geschwindigkeitsabhängigen Größe A multipliziert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 14 stellt die Führungsgröße i für den Stromregler dar. Die Führungsgröße i* wird in einem Differenzverstärker 15 mit der Regelgröße i verglichen. Der Stromregler 6 bildet die Steuerspannung für die Steuersätze 3 oder 4, je nach der gewählten Betriebsart. Als Stromregler 6 ist vorzugsweise ein adaptiver I-Regler vorgesehen.
-
Bei der Umschaltung auf die Betriebsart " Gleichstrombremse" werden die Kontakte der Schalteinrichtungen 8 a und 8 b in die dargestellte Lage gebracht und somit die Schubkraftregelung herausgeschaltet. Die Steuersätze 3 und 4 werden gesperrt. Die Steuersätze 5 a, 5 b werden freigegeben. Die Führungsgröße F* für die Schubkraft wird als Führungsgröße für die Gleichstrombremsregelung verwendet und einem Differenzverstärker 18 zugeführt. Als Regelgröße F b wird die errechnete Bremskraft des wirbelstromgebremsten Linearmotors verwendet. Die Bremskraft einer Wirbelstrombremse ist der Geschwindigkeit und dem Quadrat des resultierenden Luftspaltflusses proportional. Der Luftspaltfluß wird mit einer Flußmeßeinrichtung 19 erfaßt. Als Flußmeßeinrichtung können beispielsweise einige Windungen dünnen Drahtes um jeden Pol des Linearmotors vorgesehen sein, die jede Flußänderung als Spannung erfassen. Die der Flußänderung proportionale Spannung wird einem Integrator zugeführt, der aus einem Operationsverstärker 20 mit einem Kondensator 21 in der Rückführung besteht. Dem Kondensator 21 ist ein elektronischer Schalter 22 parallel geschaltet. Der Integrator 20, 21 wird in den Betriebsarten "Fahren" und "Bremsen" durch entsprechende Ansteuerung des elektronischen Schalters 22 von der Kommandostufe gesperrt und in der Betriebsart " Gleichstrombremse" freigegeben. Damit sind die Anfangsbedingungen für die Flußmessung definiert.
-
Das Ausgangssignal des Integrators 20, 21, das dem Luftspaltfluß proportional ist, wird in einem Multiplizierer 24 quadriert und in einem weiteren Multiplizierer 25 mit der Geschwindigkeit v des Translators 1 b des Linearmotors 1 multipliziert. Die Geschwindigkeit v des Translators kann beispielsweise von einem Impulsgeber erfaßt werden. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 25 stellt die errechnete Bremskraft der Wirbelstrombremse als Regelgröße F b für die Gleichstrombremsregelung dar.
-
Die Regeldifferenz aus der Führungsgröße F* und der in der beschriebenen Weise ermittelten Regelgröße F b wird einem Gleichstrombremsregler 26 mit integralem Verhalten zugeführt. Dem Gleichstrombremsregler 26 ist ein Funktionsbildner 27 zur Nachbildung einer Wurzelkennlinie nachgeschaltet. Das Ausgangssignal des Funktionsbildners 27 wird in einem multiplizierenden Digital-Analog-Wandler 28 mit einem geschwindigkeitsabhängigen Faktor multipliziert. Der geschwindigkeitsabhängige Faktor wird nach Maßgabe einer Kennlinie ermittelt, die in einem Festwertspeicher 29 eingeschrieben ist. Der Festwertspeicher 29 wird von einem digitalisierten Geschwindigkeitsmeßwert v dig adressiert. Das Ausgangssignal des Festwertspeichers 29 ist der Wert einer Kennlinie am digitalisierten Geschwindigkeitsmeßwert. Das digitale Ausgangssignal des Festwertspeichers 29 wird dem multiplizierenden Digital- Analog-Wandler 28 zugeführt und in eine analoge Größe umgesetzt. Der Digital-Analog-Wandler 28 multipliziert das Ausgangssignal des Funktionsbildners 27 mit einer vom Festwertspeicher 29 vorgegebenen geschwindigkeitsabhängigen Verstärkung. Als multiplizierender Digital- Analog-Wandler 28 kann beispielsweise der Baustein AD 7530 und als Festwertspeicher 29 das PROM IM 5610 der Siemens AG verwendet werden.
-
Das Ausgangssignal des multiplizierenden Digital-Analog- Wandlers 28 stellt im Gleichstrombremsbetrieb die Führungsgröße i* für den Stromregler 6 dar und wird seinem vorgeschalteten Differenzverstärker 15 über den Kontakt der Umschalteinrichtung 8 b zugeführt. Der Stromregler 6 bildet die Steuerspannung für die beiden zweipulsigen Steuersätze 5 a und 5 b, die im Gleichstrombremsbetrieb freigegeben sind.
-
Die Multiplikatoren 14 und 25 können in ähnlicher Weise aus einem multiplizierenden Digital-Analog-Wandler und einem Festwertspeicher aufgebaut sein.
-
Der erfindungsgemäße Gleichstrombremsbetrieb kann nicht nur bei asynchronen Linearmotoren, sondern auch bei rotierenden Asynchronmaschinen durchgeführt werden. Der Gleichstrombremsbetrieb ist bei Asynchronmaschinen mit Schleifringläufer und bei Asynchronmaschinen mit Kurzschlußläufer anwendbar. Bei Asynchronmaschinen mit Kurzschlußläufer muß der elektrische Widerstand des Kurzschlußkäfigs zur Vergrößerung der Bremskraft höher als üblich bemessen sein. Der Aufbau der Schaltung wird bei einer Asynchronmaschine in gleicher Weise vorgenommen, jedoch wird anstelle der Geschwindigkeit die Drehzahl verwendet.