SPEED REGULATED MOTOR DRIVE

Abstract: 1. A Speed-regulated motor drive comprising an electrical induction motor (1) and a phase cut regulator (4) provided with thyristors or, as the case may be, triac(s), with which the speed of the shaft of the induction motor can be controlled and/or regulated by means of phase cut over a wide range of speeds, wherein the induction motor is a pole-changing electrical motor provided with several windings with which pole changing can be carried out in dependence on the required speed, characterised in that changeover switching between the various poles takes place in dependence on the attainment of fixed limit values of the measured motor speed in such a way that an array of contactors (2) for effecting pole changing are controlled by a control circuit (3) having several similar branches in parallel, the control circuit comprising a voltage divider (R1-R3) serving to set specified voltage values, individual Schmitt trigger circuits (10, 11), amplifier circuits (T3, T3') coupled to the output, and relays (Rel. 1, Rel. 2) which are actuated by the amplifier circuits to control the individual contactors of the contactor array (2).

Description: Drehzahlgeregelter Maschinenantrieb Die Erfindung betrifft einen drehzahlgeregelten Maschinenantrieb gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Als drehzahlgeregelt Maschinenantriebe werden vielfach phasenanschnittgeregelte Asynchronmotoren verwendet, welche beispielsweise im Fall eines vierpoligen Drehstormmotors eine Grunddrehzahl von 1400 U/min aufweisen. Derartige drehzahlgeregelte Maschinenantriebe habe jedoch den Nachteil, dass bei einem gewünschten Regelbereich von 1:50 unter Aufrechterhaltung eines geforderten Nenndrehmomentes die von dem jeweiligen Asynchronmotor abgegebene Ausgangsleistung bei niedrigen Drehzahlen sehr stark abfällt, während gleichzeitig die innerhalb des Asynchronmotors auftretenden Energieverluste sehr stark ansteigen, was bei niedrigen Drehzahlen zu einem sehr schlechten Wirkungsgrad führt. Als noch nachteiliger erweist sich jedoch die Tatsache, dass die hohen Energieverluste bei niedrigen Drehzahlen zu einer starken Erwärmung des betreffenden Asynchronmotors führen, so dass insbesondere im Fall eines Dauerbetriebs bei niedrigen Drehzahlen aus thermischen Gründen der betreffende Asynchronmotor sehr stark überdimensioniert werden muss. Neben den dadurch stich ergebenden zusätzlichen Kosten führt jedoch das grössere Gewicht und Volumen eines derart überdimensionierten Antriebsmotors vielfach zu erheblichen Schwierigkeiten beim Anbzw. Einbau in bereits bestehende anzutreibende Maschinen. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen drehzahlgeregelten Maschinenantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem der vorgesehene Induktionsmotor über einen sehr weiten Drehzahlbereich hinweg unter Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Nenndrehmoments mit relativ niedrigen Energieverlusten betrieben werden kann, so dass einerseits ein relativ hoher Wirkungsgrad über den gesamten Drehzahlbereich hinweg erzielbar ist, während andererseits die durch thermische Erwärmung des jeweiligen Induktionsmotors sich ergebenden Schwierigkeiten in Grenzen gehalten werden können. Erfindungsgemäss wird dies durch Vorsehen der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale erreicht. Aufgrund der Tatsache, dass-im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Induktionsmotor ein polumschaltbarer Elektromotor verwendet wird, kann bei gewünschten niedrigen Drehzahlen eine entsprechende Reduzierung der jeweiligen Nenndrehzahl des Elektromotors erreicht werden, was dazu führt, dass der polumschaltbare Elektromotor auch bei niedrigen Drehzahlen in der Nähe seiner Nenndrehzahl arbeitet und somit geringe Energienverluste aufweist. Dies wiederum führt zu der gewünschten Erhöhung des Umsetzungswirkungsgrades bei niedrigen Drehzahlen sowie der Verringerung der durch thermische Erwärmung sich ergebenden Schwierigkeiten. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche 2 bis 6. Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemässen drehzahlgeregelten Maschinenantriebs, Fig. 2 ein Schaltdiagramm einer im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbaren Steuerschaltung, und Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Erfindung. Gemäss Fig. 1 besteht der erfindungsgemässe Maschinenantrieb im wesentlichen aus einem dreiphasigen Asynchronmotor 1, welcher mit Hilfe von Polumschaltung wahlweise in eine 4-, 6- oder 12-polige Konfiguration gebracht werden kann, wodurch Nenndrehzahlen von 1450, 950 und 450 U/min erzielbar sind. Die Polumschaltung dieses Asynchronmotors 1 erfolgt mit Hilfe einer entsprechenden Schützanordnung 2, deren einzelne die Polumschaltung durchführenden Schütze von einer Steuerschaltung 3 her gesteuert werden. Diese Steuerschaltung 3 ist dabei Teil eines Phasenschnittreglers 4, welcher mit Hilfe von vorgesehenen Thyristoren bzw. Triac die Drehzahl des Asynchronmotors 1 in der gewünschten Weise beeinflusst. Dieser von einem dreiphasigen Netz gespeiste Phasenschnittregler 4 empfängt dabei von einem schematisch angedeuteten Geber einen vorgegebenen Sollwert, während der dem Phasenschnittregler 4 zur Verfügung gestellte Istwert von einem Tachogenerator 5 abgeleitet ist, der von dem Asynchronmotor 1 unmittelbar angetrieben wird, was beispielsweise durch mechanische Verbindung der Wellen der beiden Einheiten 1 und 5 erfolgen kann. Der Phasenschnittregler 4 arbeitet in an sich bekannter Weise derart, dass durch entsprechende zeitliche Ansteuerung der innerhalb desselben vorhandenen Thyristoren bzw. Triacs ein entsprechend reduzierter Durchschnittsstrom dem Asynchronmotor 1 zugeführt wird, so dass die von dem Asynchronmotor 1 abgegebene Drehzahl entsprechend dem von dem Tachogenerator 5 abgegebenen Istwert auf einen durch den Geber vorgegebenen Sollwert eingestellt wird. Die Teil des Phasenschnittreglers 4 bildende Steuerschaltung 3 ist hingegen derart aufgebaut, dass entsprechend dem von dem Tachogenerator 5 jeweils abgegebenen Istwert die innerhalb der Schützanordnung 2 vorgesehenen Schütze derart angesteuert werden, dass der Asynchronmotor 1 mit der jeweils günstigsten Polzahl betrieben wird, so dass in gewünschter Weise eine entsprechende Reduzierung der innerhalb des Asynchronmotors 1 auftretenden Energieverluste damit eine entsprechende Erhöhung des Umsetzungswirkungsgrades zustandekommt. Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform einer Steuerschaltung, so wie sie in Verbindung mit dem erfin dungsgemässen Maschinenantrieb gemäss Fig. 1 verwendbar ist. Diese Steuerschaltung besitzt dabei eine über Speisekem- men 6 und 7 gespeiste Stromversorgung, welche aus einem Transformator Tr, einem Vollweg-Brückengleichrichter G, einem Glättungskondensator C3 und einem aus den Elementen R8, Di und T4 bestehenden Stabilisierungskreis aufgebaut ist. Das Ausgangssignal des Tachogenerators 5 wird hingegen Eingangsklemmen 8 und 9 zugeführt, welche zur Ableitung von Hochfrequenzkomponenten über einen Kondensator C1 miteinander verbunden sind. Der als Gleichspannungsgenerator ausgebildete Tachogenerator 5 ist dabei derart ausgebildet, dass die von ihm abgegebene Ausgangsspannung linear mit der Drehzahl zunimmt und bei Erreichung der Nenndrehzahl von 1450 U/min beispielsweise einen Spannungswert von 145 V abgibt. Mit Hilfe eines aus den Widerständen R1, R2 und R3 bestehenden Spannrngsteilers werden dann zwei verschiedene Stromwerte gebilÄet, welche über einstellbare Widerstände R4 bzw. R4' gel-itet werden. Diese Widerstände R4 bzw. R4' dienen dazu, eine Schalthysteresis zu erreichen, um auf diese WtiLse ein ungewünschtes Flattern der Schütze der Schütanordnung 2 zu vermeiden. Ausgangsseitig von den beide.i einstellbaren Widerständen R4 bzw. R4' sind jeweils Rfldensatoren C2 bzw. C2' vorgesehen, welche eine weitere Hochfrequenzsperre ergeben. Die auf diese Weise gebildeten Ströme werden den Basen von Eingangstransistoren T1 bzw. T1' von zwei Schmitt Trigger-Schaltungen 10 und 11 zugeführt, welche aus Transistoren T1, T2 bzw. T1', T2' sowie Widerständen R5, R6, R7 bzw. R5', R6' und R7' aufgebaut sind. Diese Schmitt-Trigger Schaltungen 10 bzw. 11 sind dabei derart aufgebaut, dass sie bei Zufuhr eines Eingangsstroms 1B von 10 ssA zum Ansprechen gelangen, was aufgrund der Einstellung der Widerstände R2 und R3 des Spannungsteilers R1 - R3 dann der Fall ist, wenn an den Klemmen 8 und 9 eine vom Tachogenerator 5 abgegebene Spannung von 45,9 bzw. 96,9 V anliegt. Ausgangsseitig von den beiden Schmitt-Trigger-Schaltungen 10 und 11 sind jeweils eine Verstärker- und Relaisschaltung 12 bzw. 13 vorgesehen, welche aus jeweils einem Transistor T3 bzw. T3' und einem von demselben gesteuerten Relais Rel 1 bzw. Rel. 2 bestehen. Diese Relais Rel. 1 bzw. Rel. 2 besitzen jeweils Umschaltkontakte, welche in Fig. 2 jeweils in ihrer Arbeitsstellung gezeigt sind. Mit Hilfe dieser Umschaltkontakte der Relais Rel. 1 bzw. Rel. 2 kann erreicht werden, dass die einer Eingangsklemme 14 zugeführte Netzspannung wahlweise einer von drei Ausgangsklemmen 15 bis 17 zugeführt wird, von welchen aus eine Ansteuerung der drei Schütze der Schützanordnung 2 erfolgt. Die Funktionsweise der in Fig. 2 gezeigten Anordnung ist wie folgt: Solange der Tachogenenrator 5 eine Spannung zwischen 0 und 45,9 V abgibt, werden den beiden Schmitt Trigger-Schaltungen 10 bzw. 11 Eingangsströme 1B von weniger als 10 A zugeführt, was zur Folge hat, dass die beiden Relais Rel. 1 und Rel. 2 zum Ansprechen gelangen, wobei die Umschaltkontakte dieser Relais Rel. 1 und Rel. 2 die in Fig. 2 dargestellten Arbeitspositionen einnehmen. Dies führt dazu, dass die der Eingangsklemme 14 zugeführte Netzspannung an die Ausgangsklemme 17 gelangt, was zur Folge hat, dass der einen 12-poligen Betrieb des Asynchronmotors 1 bewirkende Motorschütz der Schützanordnung 2 zum Ansprechen gelangt, so dass nunmehr der Asynchronmotor 1 in der 12poligen Konfiguration betrieben wird. Wenn in der Folge die von dem Tachogenerator 5 abgegebene Ausgangsspannung über den Wert von 45,9 V ansteigt, erhält die Schmitt-Trigger-Schaltung 11 einen Eingangsstrom 1B grösser als 10 A, was zur Folge hat, dass nunmehr das Relais Rel. 2 abschaltet, so dass der betreffende Umschaltkontakt in seine Ruhestellung gelangt, während das Relais Rel. 1 der Verstärker- und Relaisschaltung 12 weiterhin angezogen ist. Dies führt dann dazu, dass die der Eingangsklemme 14 zugeführte Netzspannung über die beiden Umschaltkontakte der Relais Rel. 1 und Rel. 2 der Ausgangsklemme 15 zugeführt wird, so dass nunmehr der Motorschütz für den 6-poligen Betrieb des Asynchronmotors 1 anspricht, während der mit der Ausgangsklemme 17 verbundene Motorschütz stromlos wird. Der Asynchronmotor 1 wird demzufolge nunmehr innerhalb eines Drehzahlbereiches zwischen 450 und 950 U/min in seiner sechspoligen Konfiguration betrieben. Wenn schliesslich dann die von dem Tachogenerator 5 abgegebene Ausgangsspannung den Wert von 96,9 V überschreitet, erhält die Schmitt-Trigger-Schaltung 10 ebenfalls einen Eingangsstrom 1B von mehr als 10 yA, was zur Folge hat, dass nunmehr auch diese Schmitt-Trigger-Schaltung 10 zum Ansprechen gelangt. Dies führt dann dazu, dass das Relais Rel. 1 ebenfalls stromlos wird und der betreffende Umschaltkontakt in mine Ruhestellung bewegt wird. Dies hat dann zur Folge, dass der mit der Ausgangsklemme 15 verbundene Motorschütz stromlos wird, während der mit der Ausgangsklemme 16 verbundene Motorschütz der Schützanordnung 2 zum Ansprechen gelangt. Auf diese Weise kann somit erreicht werden, dass der Asynchronmotor 1 innerhalb des Drehzahlbereiches zwischen 950 und 1400 U/min in seiner vierpoligen Konfiguration betrieben wird, was dem höchsten Drehzahlbereich entspricht. Das Herunterregeln der Drehzahl in Abhängigkeit des in Fig. 1 schematisch gezeigten Sollwertgebers erfolgt in analoger Weise, wobei jedoch wegen des Vorsehens der Widerstände R4 bzw. R4' eine geringfügige Hysteresis vorhanden ist, mit welcher erreicht wird, dass der Abschaltvorgang der Schmitt-Trigger-Schaltungen 10 bzw. 11 bei geringfügig anderen Eingangsstromwerten 1B stattfindet, um auf diese Weise ein ungewünschtes Flattern der Schütze der Schützanordnung 2 zu vermeiden. Die beiden Widerstände R4 bzw. R4' sind dabei zweckmässigerweise derart eingestellt, dass anstelle einer Spannung von 1,7 V für den Einschaltvorgang der Schmitt-Trigger-Kreise 10 bzw. 11 eine Spannung von 1,62 V für die Abschaltung dieser Schmitt Trigger-Schaltungen 10 bzw. 11 erforderlich ist, so dass die Schaltspannungen für den Ein- und Ausschaltvorgang sich um + 2% unterscheiden. Beim Herunterfahren der Drehzahl finden somit die Umschaltvorgänge jeweils dann statt, wenn der Tachogenerator 5 eine Ausgangsspannung von 93,-1 bzw. 44,1 V abgibt. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der im Rahmen der vorliegenden Erfindung sich ergebenden Energiebilanz. Bei einem vierpoligen Drehstrom-Asynchronmotor kleinerer Leistung kann bei Nenndrehzahl ein Umsetzungswirkungsgrad von etwa 80% angenommen werden. Dies bedeutet, dass ein derartiger Asynchronmotor bei einer Ausgangsleistung von 4 bei 1400 U/min Gesamtverluste von etwa 1 kW aufweist, wobei diese Verluste sich aus etwa 285 W Schlupfleistung, 285 W Statorwicklungsverluste und 430 W Eisen-und sonstige Verluste zusammensetzt. Wenn nun ein derartiger Asynchronmotor ohne Polumschaltung bei gleichbleibendem Drehmoment mit 28 U/min betrieben wird, steigen die Schlupfleistung und die Statorwicklungsverluste auf jeweils etwa 4,2 kW an, während die Eisen- und sonstigen Verluste ihren Wert von 430 W beibehalten. Dies bedeutet, dass bei 28 Ulmin nunmehr Gesamtverluste von 8,63 kW auftreten, was bei einer auf 80 W reduzierten Ausgangsleistung einen Gesamtwirkungsgrad von 0,92 % ergibt. Da die bei 28 U/min auftretenden Verluste von 8,63 kW in Wärme umgesetzt werden, muss ein derartiger Asynchronmotor zwangsläufig sehr gross dimensioniert werden, was beim Einbau in vorhandene Maschinen aus statischen und dynamischen Gründen erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Wenn nun entsprechend Fig. 3 anstelle eines eintourigen Asynchronmotors ein 3-fach polumschaltbarer Asynchronmotor verwendet wird, ergibt sich eine entsprechende Reduzierung der auftretenden Verluste, welche jeweils im Schaltbereich einen maximalen Wert von 3,5 kW annehmen. Da diese Verluste im Vergleich zu den bei einem eintourigen Motor auftretenden Verlusten erheblich reduziert sind, ergibt sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine entsprechende Verbesserung des Umsetzungswirkungsgrades, während gleichzeitig die thermischen Probleme des jeweiligen Antriebsmotors verringert werden, so dass der jeweilige Elektromotor kleiner dimensioniert werden kann. Abschliessend sei in diesem Zusammenhang noch erwähnt, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung die jeweils nicht benötigten Wicklungen des polumschaltbaren Asynchronmotors 1 als Bremswicklung verwendet werden können, so dass ein Abbremsen bzw. rasches Herunterfahren der Drehzahl sehr wirksam durchgeführt werden kann, ohne dass dabei der Asynchronmotor zusätzliche Wicklungen benötigt.

Claims: Drehzahlgeregelter Maschinenantrieb Patentansprüche: 7, Drehzahlgeregelter Maschinenantrieb, mit einem elektrischen Induktionsmotor sowie einem mit Thyristoren bzw. Triac versehenen Phasenschnittregler, mit welchem die Drehzahl der Welle des Induktionsmotors durch Phasenschnitt über einen weiten Drehzahlbereich hinweg steuer- bzw. regelbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Induktionsmotor ein mit mehreren Wicklungen versehener polumschaltbarer Elektromotor (1) ist, dessen Polumschaltung entsprechend der von ihm geforderten bzw. abgegebenen Drehzahl durchführbar ist. 2. Drehzahlgeregelter Maschinenantrieb nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der polumschaltbare Induktionsmotor ein Asynchronmotor (1) in einoder dreiphasiger Auslegung ist, welcher aufgrund von Pol umschaltung wenigstens drei unterschiedliche Grunddrehzahlen aufweist. 3. Drehzahlgeregelter Maschinenantrieb nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Phasenschnittregler (4) mit einem von dem Induktionsmotor (1) her angetriebenen Tachogenerator (5) verbunden ist und dass das Ausgangssignal des Tachogenerators (5) eben falls einer Steuerschaltung (3) zugeführt ist, mit welcher eine Schützanordnung (2) zur Polumschaltung des Induktions motors (1) ansteuerbar ist. 4. Drehzahlgeregelter Maschinenantrieb nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daB die die Schützanordnung (2) ansteuernde Steuerschaltung {3) im wesentlichen aus einem der Einstellung bestimmter Span nungswerte dienenden Spannungsteiler .(R1 bis R3), einzel nen Schmitt-Trigger-Schaltungen (10, 11), nachgeschalteten Verstärkerkreisen (T3, T3') sowie von den Verstärkerkreisen (T3, T3') her beeinflussten Relais (Rel. 1, Rel. 2) besteht, mit welchen die einzelnen Schütze der Schützanordnung {2) zur Durchführung der Polumschaltung des Induktionsmotors (1) ansteuerbar sind. 5. Drehzahlgeregelter Maschinenantrieb nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass den einzelnen Schmitt-Trigger-Schaltungen (10, 11) einstell bare Widerstände (R4, R4') vorgeschaltet sind, welche der Einstellung der Schalthysterese beim Hinauf- und Herunter fahren der Drehzahl des polumschaltbaren Induk tionsmotors (1) dienen. 6. Drehzahlgeregelter Maschinenantrieb nach einem der voran gegangenen Ansprüche, d a a u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die innerhalb eines vorgegebenen Drehzahlbereichs jeweils nicht benötigte Wicklung des polumschaltbaren Induktionsmotors (1) im Hinblick auf eine möglichst rasche Reduzierung der Drehzahl als Bremswicklung verwendbar ist.

Inventors: FROHLICH, GUNTER, Fröhlich, Günter
Applicants: HOLEC GMBH
Application year: 1984
Main classification: H02P7
IPC codes: H02P25