DE976915C - Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines Drehstrom-Asynchronmotors mit Hilfe von Magnetverstaerkern - Google Patents

Description

Asynchronmotoren arbeiten bekanntlich mit fast konstanter Drehzahl. Ihr Verhalten ähnelt daher dem der Gleichstromnebenschlußmotoren. Für viele Antriebe werden jedoch veränderbare Drehzahlen gebraucht, und da Asynchronmotoren in anderer Hinsicht große Vorteile bieten, fehlt es nicht an Versuchen, Asynchronmotoren in der Drehzahl veränderbar zu machen. Die Schwierigkeit dabei liegt darin, dies mit geringem Aufwand und möglichst verlustlos durchzuführen.

Es ist eine Einrichtung zum Umsteuern von Drehstrommotoren durch Phasenumkehrung der Spannungen zwischen zwei Motorklemmen bekanntgeworden, mittels zweier Gruppen von stromsteuernden Magnetverstärkern, die nach Art einer Brückenschaltung zwischen die beiden Motorklemmen und zwei Leiter eines Drehstromnetzes geschaltet sind und von denen je nach der Drehrichtung die eine oder die andere Gruppe durch Vormagnetisierung wirkungslos gemacht ist, so daß der Motor wahlweise in der einen oder anderen Richtung laufen kann.

Des weiteren ist eine dieser Einrichtung ähnelnde Regeleinrichtung vorgeschlagen worden, die von spannungssteuernden Magnetverstärkern Gebrauch macht und dazu dient, den zu regelnden Motor bei gleicher Drehzahl einmal ein antreibendes und das andere Mal ein bremsendes Moment entrichten zu lassen. Die beiden Magnetverstärkergruppen befinden sich dabei im ganzen Regelbereich, mit Ausnahme der beiden Endpunkte des Regelbereiches, in einem Zustand zwischen voller Öffnung und Sper-

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rung. Da zwei Netzleiter jeweils über zwei Magnetverstärker verbunden sind, von denen keiner vollkommen gesperrt ist, müssen bei dieser Anordnung erhebliche Kurzschluß ströme über die Magnetverstärker in Kauf, genommen werden, die nicht über die im Brückendiagonalzweig liegende Motorphasenwicklung fließen und demzufolge auch nichts zur Motorregelung beitragen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung ίο zur Regelung der Drehzahl eines Drehstrom-Asynchronmotors mit Hilfe von in Abhängigkeit von der Regelabweichung gesteuerten spannungssteuernden, selbstsättigenden Magnetverstärkern, wobei zwei Primärklemmen des Motors mittels eines Magnetverstärkerpaares direkt sowie mittels eines weiteren Magnetverstärkerpaares über Kreuz mit zwei Netzleitern und die dritte Primärklemme des Motors mit dem dritten Netzleiter unmittelbar verbunden sind und die Magnetverstärker einen gemeinsamen Steuerstromkreis besitzen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetverstärker in Abhängigkeit von der Abweichung der Istdrehzahl und Istdrehrichtung von der Solldrehzahl und Solldrehrichtung so gesteuert werden, daß jeweils das eine Magnetverstärkerpaar gesperrt und das andere mindestens teilweise geöffnet ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Anordnung nach der Erfindung dargestellt. Mit 1 ist ein Asynchronmotor mit Kurzschlußläufer bezeichnet in einer Anordnung zum Umkehren und zum Bremsen bei beliebigen Drehzahlen zwischen einer positiven und einer negativen Höchstdrehzahl. Die Anordnung gestattet, auch bei Drehzahl Null ein bestimmtes Drehmoment auszuüben. Zwei Phasenanschlüsse V und W des Asynchronmotors 1 liegen über ein Magnetverstärkerpaar S_x, T₁ direkt und über ein Magnetverstärkerpaar S₂, T₂ über Kreuz gleichzeitig an zwei Netzleitern 6" und T. Zwei Phasenanschlüsse des Motors sind also über je zwei Magnetverstärker an die zugeordneten Netzphasen angeschlossen. Die Magnetverstärker werden so gesteuert, daß immer ein Paar, z. B. S₁, T₁, gesperrt ist und das andere Paar je nach der gewünschten Drehrichtung und Drehzahl ganz oder teilweise geöffnet ist. Die verschiedene Wirkung des gleichen Vormagnetisierungsstromes in den beiden Magnetverstärkerpaaren kommt durch den gegensinnigen Anschluß ihrer Vormagnetisierungswicklungen zustande. Die verwendeten Magnetverstärker arbeiten also derart, daß sie bei einem Steuerstrom, der der von den Halbwellen des zu steuernden Wechselstromes erzeugten Magnetisierung entgegenwirkt, sowie beim Steuerstrom Null eine große Impedanz, bei einer Mitmagnetisierung dagegen eine kleine Impedanz haben. Die Steuerung erfolgt durch die Gleichstromtachometerdynamo 2, die so ausgebildet ist, daß sich ihre Spannung bei Drehrichtungsumkehr mitumkehrt. Die Tachometerdynamo 2 ist einerseits an den Mittelabgriff 5 und andererseits über die in Reihe geschalteten Vormagnetisierungswicklungen der Magnetverstärker an den verstellbaren Abgriff 7 des Potentiometers 4 angeschlossen. Bei Steuerstrom Null, d. h.

bei Stillstand des Asynchronmotors i, ist durch entsprechende Bemessung der Magnetverstärker dafür gesorgt, daß beide Paare derselben sperren. Die Einstellung des Abgriffes 7 des Potentiometers 4 bestimmt sowohl die Drehzahl als auch die Drehrichtung des Asynchronmotors 1. Drehzahl Null bei gleichzeitiger Ausübung eines bestimmten Drehmomentes wird ebenfalls durch Einstellung des Abgriffes 7 erreicht. Das durch ihn eingestellte Motordrehmoment hält dann dem Lastmoment des Motors die Waage. Die Gleichrichteranordnung 3 liefert über den Transformator 6 die Vergleichsspannung für die Regelung der Motor drehzahl.

Es kann vorteilhaft sein, als Magnetverstärkeranordnung eine solche mit einer Kippcharakteristik vorzusehen, so daß sich schon bei einer verhältnismäßig geringen Änderung der Vormagnetisierung eine unverhältige, große Einwirkung auf den Ausgangskreis der Magnetverstärkeranordnung ergibt. Wird bei einer bestimmten Motorbelastung ein kritischer Wert für die Vormagnetisierung der Magnetverstärkeranordnung überschritten, so wird die Motorspannung plötzlich sprunghaft erhöht. Damit steigt das Motordrehmoment steil an, so daß der Motor schneller zu laufen beginnt. Die vorher eingestellte Drehzahl wird so verhältnismäßig schnell wieder erreicht. Gleichzeitig geht aber die Vormagnetisierung schnell wieder zurück, und es tritt eine plötzliche sprunghafte Verminderung des Motordrehmomentes ein. Je nach Größe des den Kippvorgang auslösenden kritischen Wertes und der Form der Magnetverstärkerkennlinie erfolgen die plötzlichen Änderungen verschieden schnell. Die Anordnung nach der Erfindung kann somit ähnlich wie ein Tirril-Regler arbeiten, bei dem "durch mechanische Kontakte in rascher Folge plötzliche Stromänderungen erzeugt werden. Die neue Anordnung hat jedoch den großen Vorteil, daß sie keine Kontakte enthält, wodurch keine Abnutzung auftreten kann, und daß Rundfunkstörungen unmöglich gemacht sind. Es kann bei der Anordnung nach der Erfindung so sein, daß der Einsatzpunkt für die unverhältige Änderung für jede beliebige Motordrehzahl und Motorbelastung einstellbar ist.

Die Anwendung einer Magnetverstärkeranordnung mit Kippcharakteristik erscheint besonders bei niedrigen Motordrehzahlen vorteilhaft, wenn bei stark herabgesetzter Spannung das Kippmoment des Motors schon bei sehr kleinen Belastungen erreicht wird. Tritt dieser Fall ein, so erfährt der Motor gleich darauf eine große plötzliche Spannungserhöhung, und infolge der quadratischen Abhängigkeit des Motorkippmomentes von der Motorspannung wirkt sich die Spannungserhöhung in drehmomenterhöhendem Sinne sehr stark aus.

Für die insbesondere bei großem Motorschlupf auftretende Verlustwärme können bei Verwendung von Schleifringläufermotoren kühlbare Widerstände an die Motorschleifringe angeschlossen sein, die außerdem im Sinne der einzustellenden Motordrehzahl mitveränderbar sein können.

Bei Kurzschlußläufermotoren kann die Ankerwicklung zumindest teilweise mit erhöhtem Widerstand im Vergleich zu normalen Motoren ausgeführt werden. Eine Abführung der Verlustwärme kann dabei durch eine Motorinnenlüftung erzielt werden. Zweckmäßig werden die einen erhöhten Widerstand aufweisenden Teile der Ankerwicklung so ausgeführt, daß sie eine große Oberfläche aufweisen und so besonders wirksam kühlbar sind. ίο Man kann z. B. einen Stirnkurzschlußring des Motors aus Widerstandsmaterial herstellen und ihn gleichzeitig, z. B. durch kleine Flügel, so ausbilden, daß er besonders stark gekühlt wird. Hierbei erscheint eine Anordnung vorteilhaft, bei der einem derartigen Kurzschlußring ein besonderer, vom gleichen Motorständerfeld — jedoch unabhängig von der Läuferdrehzahl — mitangetriebener Hilfsläufer zugeordnet ist, der als Lüfter ausgebildet ist oder einen solchen antreibt. Der Hilfsläufer kann dabei relativ schmal ausgebildet werden, so daß der Motorständer nur unwesentlich langer ausgeführt zu werden braucht als der eigentliche Antriebsläufer. Der Hilfsläufer dreht sich, da er außer durch Reibung kein Drehmoment zu überwinden hat, auch bei sehr kleinen Motorspannungen noch sehr schnell und fast mit der synchronen Drehzahl. Es ergibt sich so auch bei niedrigen Drehzahlen und im Stillstand des Antriebsläufers eine gute Kühlung, deren Wirksamkeit mit abnehmender Motordrehzahl und größerer Motorbelastung zunimmt.

Ein besonderer Hilfsläufer zur Kühlung kann auch bei Schleifringläufermotoren vorgesehen werden. Zur noch wirksameren Kühlung kann auch an beiden Stirnseiten eines Motorläufers je ein Hilfsläufer vorgesehen sein. Außerdem ist mit den Hilfsläufern die Kühlung anderer Motorteile möglich. Ferner kann ein solcher Kühlläufer auch als Synchronläufer ausgebildet sein, der durch Luft- oder Lagerreibung aus dem Stillstand mitgenommen wird und darauf alsbald in Synchronismus springt.

Die drehzahlverhältige Vormagnetisierung der Magnetverstärker bei der Anordnung nach der Erfindung kann auch auf andere Weise als an Hand der Zeichnung beschrieben, erreicht sein. An Stelle einer Vormagnetisierung mit Gleichstrom ist auch eine solche, wie anderweitig bereits vorgeschlagen wurde, mittels Wechselstrom erzielbar. Es ist ferner möglich, ohne eine besondere Tachometerdynamo auszukommen, wenn die zur drehzahlverhältigen Vormagnetisierung erforderliche Spannung bzw. der erforderliche Strom durch direkte Abnahme vom Motoranker erzeugt wird. Auch eine Abnahme von einer besonderen, hierzu vorgesehenen Ankerwicklung ist denkbar. Bei einer Abnahme vom Motoranker kann es vorteilhaft sein, für die drehzahlverhältige Einwirkung auf die Magnetverstärkeranordnung die Motorschlupffrequenz mit wirksam zu machen.

Eine vorteilhafte Anwendung für den Antrieb nach der Erfindung ergibt sich für die Elektrodenabstandsregelung bei Lichtbogenofen. Derartige, besonders im Hüttenwesen verwendete öfen arbeiten mit Elektroden, die oft mehrere Meter lang sind und einen Durchmesser von mehreren Dezimetern haben. Demgemäß haben die Elektroden große Gewichte und benötigen zur genauen Abstandsregelung und zur Einhaltung bestimmter Ströme und Leistungen schnell wirksame und schnell regelbare Umkehrantriebe mit leistungsfähigen Motoren. Die bisher bekannten Antriebe zur Abstands- und Leistungsregelung von Elektroden in Lichtbogenofen arbeiten im allgemeinen mit Schützensteuerung, also mit mechanischen Kontakten. Die Einrichtung nach der Erfindung weist demgegenüber keine Kontakte auf und vermeidet die durch sie bedingten Nachteile, wie Abnutzung, Verschmutzung, Wartung u. a. m.

Die Vormagnetisierung der die Motorspannung ändernden und die Drehrichtung des Motors umkehrenden Magnetverstärkeranordnung kann vorzugsweise durch Spannungen oder Ströme bewirkt sein, die als Differenzwerte im Vergleich mit entsprechenden fremden, einstellbaren Werten erzeugt sind, derart, daß der Asynchronmotor beim Verschwinden des Differenzwertes kein Drehmoment, dagegen beim Auftreten eines Differenzwertes ein von dessen Vorzeichen drehrichtungsabhängiges Moment erfährt. Die Vormagnetisierung kann insbesondere von der Differenz zweier Größen, von denen die eine dem Strom und die andere der Spannung der zu regelnden Elektroden verhältig ist, derart beeinflußt werden, daß der Asynchronmotor beim Verschwinden des der Elektrodenspannung und dem Elektrodenstrom verhältigen Differenzwertes kein Drehmoment, dagegen beim Auftreten des Differenzwertes ein von dessen Vorzeichen drehrichtungsabhängiges Moment erfährt. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Antrieb kann es dabei so sein, daß die Elektrodenspannung auf das Magnetverstärkerpaar S₁, T₁ und der Elektrodenstrom auf das Magnetverstärkerpaar S₂, T₂ einwirkt. Bei einem Kurzschluß der Elektroden, also beim Zusammenbruch der Elektrodenspannung, wird dann das Magnetverstärkerpaar S₁, T₁ öffnen, beim Abreißen des Lichtbogens wird dagegen das Verstärkerpaar vS"₂, T₂ öffnen. Dies bedeutet, daß der Motor im Kurzschlußfall die Elektroden so antreibt, daß sich diese entfernen, und daß bei Abreißen des Lichtbogens und bei zu weiter Entfernung der Elektroden voneinander diese selbsttätig wieder genähert werden. Im Normalzustand des Lichtbogens sind beide Magnetverstärker gesperrt, so daß der Antrieb steht.

Der Antrieb nach der Erfindung kann mit Mitteln zur zusätzlichen Bremsung versehen sein, die insbesondere bei großen angetriebenen Massen zweckmäßig sind. Es kann dadurch verhindert werden, daß sich die kinetische Energie der angetriebenen Massen bei schnell erforderlichen Antriebsumsteuerungen schädlich auswirken kann. Mittel zur zusätzlichen Bremsung erscheinen vor allem auch dann vorteilhaft, wenn ein angetriebener Gegenstand in bestimmter Stellung entgegen einer Kraft oder entgegen einem Moment verharren soll.

Die Abbremsung kann ζ. Β. durch Speisung des Ständers und/oder des Läufers des Asynchronmotors mit Gleichstrom erfolgen.

Zur Regelung der Bremsung kann eine Magnetverstärkeranordnung vorgesehen sein, die in Abhängigkeit von der Abweichung der einzuregelnden Größe von deren Sollwert einwirkt. Beispielsweise kann beim Antrieb zur Elektrodenregelung von Lichtbogenofen die Bremsung in Abhängigkeit vom Elektrodenstrom und/oder von der Elektrodenspannung erfolgen, gegebenenfalls über dieselbe Magnetverstärkeranordnung, die den Abstand der Elektroden regelt.

Claims (13)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines Drehstrom-Asynchronmotors mit Hilfe von in Abhängigkeit von der Regelabweichung gesteuerten spannungssteuernden, selbstsättigenden Magnetverstärker^ wobei zwei Primärklemmen des Motors mittels eines Magnetverstärkerpaares direkt sowie mittels eines weiteren Magnetverstärkerpaares über Kreuz mit zwei Netzleitern und die dritte Primärklemme des Motors mit dem dritten Netzleiter unmittelbar verbunden sind und die Magnetverstärker einen gemeinsamen Steuerstromkreis besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetverstärker in Abhängigkeit von der Abweichung der Istdrehzahl und Istdrehrichtung von der Solldrehzahl und Solldrehrichtung so gesteuert werden, daß jeweils das eine Magnetverstärkerpaar gesperrt und das andere mindestens teilweise geöffnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Magnetverstärkeranordnung mit Kippcharakteristik, so daß bereits eine kleine Änderung ihres Steuergleichstromes eine verhältnismäßig große Einwirkung auf den Ausgangskreis der Magnetverstärker hervorruft.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Istgröße eine Gleichstromtachometerdynamo vorgesehen ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollspannung von der Stellung einer von dem Motor angetriebenen Einrichtung abhängig ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche mit einem Schleifringläufer, dadurch gekennzeichnet, daß an die Schleifringe Schlupfleistung abführende, kühlbare Widerstände angeschlossen sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände im Sinne der einzustellenden Motordrehzahl mitveränderbar sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 4, mit einem Kurzschlußläufer, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Wicklung zumindest teilweise einen gegenüber einer normalen Ausführung erhöhten Widerstand aufweist, wobei die widerstandshöheren Teile im Sinne einer wirksamen Kühlmöglichkeit ausgebildet oder angeordnet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur wirksamen Kühlung bei niedrigen Drehzahlen im selben Motorständerfeld mindestens ein an sich bekannter Hilfsläufer vorgesehen ist, der einen Lüfter antreibt oder als solcher ausgebildet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im gemeinsamen Erregerkreis zur gegensinnigen Vormagnetisierung beider Magnetverstärkergruppen eine stetig veränderbare Umsteuereinrichtung für die Drehrichtung vorgesehen ist.

10. Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Mittel zur Abbremsung, insbesondere beim Verschwinden des Motordrehmomentes, vorgesehen sind.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbremsung durch Speisung des Motorständers und/oder des Motorläufers mit Gleichstrom erfolgt.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder ii, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsung über eine Magnetverstärkeranordnung bewirkt ist in Abhängigkeit von der Abweichung der einzuregelnden Größe von deren Sollwert.

13. Anordnung nach Anspruch 1 bis 12, bei Verwendung des Drehstrom-Asynchronmotors als Stellmotor für die Elektrodenabstandsregelung eines Lichtbogenofens unter Bildung des Drehzahlsollwertes in Abhängigkeit von elektrischen Betriebsgrößen des Lichtbogenofens, dadurch gekennzeichnet, daß der Asynchronmotor mittels Vormagnetisierung der Magnet-Verstärkeranordnung durch die Differenz von zwei Größen, von denen die eine der Elektrodenspannung und die andere dem Elektrodenstrom verhältig ist, so beeinflußt wird, daß der Asynchronmotor beim Verschwinden des Differenzwertes kein Drehmoment, dagegen beim Auftreten des Differenzwertes ein von dessen Vorzeichen in der Drehrichtung abhängiges Moment erfährt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 654777, 708777,

740533;

britische Patentschriften Nr. 571031, 594582,

64753s; USA.-Patentschrift Nr. 2 440 319;
»Elektrotechnik«, Bd. 3 (1949), S. 11 bis 15.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 972 366. iao

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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