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Antrieb mittels Asynchronmotoren. In allen Fällen, in denen beim Anfahren
elektrischer Motoren das Moment der Last unbekannt"ist und gleichzeitig große Massen
zu beschleunigen sind, ist es wünschenswert, die Beschleunigung und Verzögerung
der bewegten Massen zu kennen, um ein bestimmtes Fahrdiagramm innezuhalten oder
unzulässige Beschleunigungen oder Verzögerungen zu vermeiden.
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Ein solcher Fall liegt z. B. vor bei Förderanlagen, bei denen beim
Einhängen die Last treibend wirkt. Um ein bestimmtes Fahrdiagramm innezuhalten,
ist es erforderlich, unabhängig von Richtung und Größe der Last stets die gleiche
Beschleunigung zu erhalten. Unzulässige Beschleunigungen oder Verzögerungen müssen
aus Sicherheitsgründen vermieden werden, um gefährliche Beanspruchungen oder bei
Köpescheiben Rutschen des Förderseiles auszuschließen. Auch im Bahnbetrieb ist es
von Vorteil, beim Anfahren auf Steigungen und vor allem beim Bremsen im Gefälle
die Beschleunigung bz-w. Verzögerung übersehen zu können. Diese Übersicht ist bei
dem bekannten Leonardantrieb mit Gleichstrom möglich, weil jeder Stellung des Steuerhebels
eine
nahezu bestimmte Geschwindigkeit des Antriebsmotors entspricht. Bei allen Antrieben,
bei denen zum Anlassen Widerstände im Hauptstromkreise Verwendung finden, wie z.
B. bei Asynchronmotoren, ist dies indessen nicht mehr der Fall. Hier ist die Geschwindigkeit
durch eine Lestimmte Stellung des Anlassers nicht mehr festgelegt, sondern von der
Größe und Richtung der Last in hohem Maße abhängig. Die Beschleunigung oder Verzögerung
läßt sich daher nicht mehr übersehen und ist von dem Bedienenden nur schwer zu regeln.
Auch .die Kenntnis der Stromstärke oder bei Asynchronmaschinen der Leistungsaufnahme
kann noch keine sichere Auskunft über die auftretenden Beschleunigungen oder Verzögerungen
ge'-en. Die Stromaufnahme gibt ein Maß allein für das vom Motor entwickelte Drehmoment.
Die tatsächliche Beschleunigung während der Anfahrperiode ist ater der Differenz
zwischen diesem Motordrehmoment und dem Drehmoment der Last proportional, wird also
kleiner, gleich oder größer sein als die vom Motorstrom erzeugte Beschleunigung,
je nachdem die zu hebende Last positiv, Null oder negativ ist. Im Fall der Verzögerungsl,remsung
ist umgekehrt die Verzögerung größer, gleich oder kleiner als die dem Generatorbremsmoment
entsprechende Verzögerung, je nachdem die zu bremsende Last positiv, Null oder negativ
ist.
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Nach der Erfindung wird zur Feststellung der tatsächlichen Beschleunigung
und Verzögerung bei Asynchronmotoren die Leistungsaufnahme und -abgabe verwendet,
die bei einem eine Schwungmasse antreibenden Asynchronmotor auftritt, der mit dem
Hauptmotor elektrisch vollkommen gekuppelt ist. Zu diesem Zwecke sind die Wicklungen
des Ständers und des Läufers dieses Hilfsmotors an die Ständerwicklungen und die
Läuferwicklungen des Hauptmotors entsprechend oder über Kreuz angeschlossen. Die
am Hilfsmotor auftretenden Spannungen und Frequenzen sind also sowohl im Ständer
als auch im Läufer genau die gleichen wie die des Hauptmotors. Innerhalb der durch
die Überlastungsfähigkeit gezogenen Grenzen muß daher dieser zweite Motor alle Bewegungen
des Hauptmotors kopieren. Da dieser Kopiermotor ausschließlich eine Schwungmasse
antreibt, ist beim Anfahren jede Geschwindigkeitszunahme mit einer nur der Beschleunigung
entsprechenden Leistungsaufnahme verbunden. Die Wattkomponente des von diesem Hilfsmotor
aufgenommenen Stromes - abzüglich des kleinen Anteils zur Deckung der Eigenverluste
- bietet somit ein Maß für die Beschleunigung seiner Masse. Da aber der Hilfsmotor
alle Bewegungen des Hauptmotors kopiert, gibt der von- ihm aufgenommene Wattstrom
auch ein Maß für die tatsächliche Beschleunigung des Hauptmotors, und zwar unabhängig
von der Richtung und der Größe der Belastung dieses Motors, weil die Stromstärke
desKopiermotorsebenfallshiervonunahhängig ist. Man kann daher die Beschleunigung
und Verzögerung dem Auge durch einfachen Einbau eines Wattmeters oder unter Verzicht
auf völlige Genauigkeit auch eines Stromzeigers in den mit Netzfrequenz gespeisten
Teil des Kopiermotors kenntlich machen.
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In Abb. i der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. a bedeutet einen vom Netz b gespeisten Asynchron-Drehstrommotor, der
die Seilscheibe c für eine Förderanlage antreibt. Seine Geschwindigkeit wird durch
den Widerstand d geregelt. Nach der Erfindung ist an den Ständer und Läufer dieses
Motors ein zweiter kleiner Asynchrpnmotor e mit einer Schwungmasse f angeschlossen,
wobei zur Herabsetzung der Spannung zwischen dem Motor e und dem Ständer des Fördermotors
a ein Transformator g zwischengeschaltet ist. Zur Messung der dem Kopiermotor e
zugeführten Leistung dient das Wattmeter lt, aus dessen Zeigerstellung die Beschleunigung
des Fördermotors erkannt werden und dementsprechend eine Regelung desselben von
Hand vorgenommen werden kann.
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Die Regelung der Beschleunigung des Fördermotors kann auch selbsttätig
eingerichtet werden, wenn nämlich an Stelle eines einfachen Wattmeters ein Wattmeterrelais
verwendet wird, das auf einen Servomotor einwirkt, der entweder den Schlupfwiderstand
d des Fördermotors verändert oder die Bewegungsfreiheit des Steuerhebels :beeinflußt.
Das Relais tritt in Wirksamkeit, wenn eine bestimmte Beschleunigung der Fördermaschine
nicht innegehalten wird. Die gewünschte Beschleunigung wird am Wattmeterrelais eingestellt
durch Änderung der Vorschaltwiderstände der dünndrahtigen Spule, der Federspannung
oder der Kontaktstellung. Diese Einstellung und damit . die Größe der tatsächlichen
Beschleunigung kann auch während der Fahrt in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg
beispielsweise durch eine vom Teufenzeiger aus angetriebene Kurvenscheibe, verändert
werden. Es läßt sich dann selbsttätig ein beliebiges Fahrdiagramm mit veränderlicher
Beschleunigung erreichen.
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An Stelle eines Relais -mit Servomotor kann nach der Erfindung auch
ein Asynchronmotor mit unverketteter Statorwicklung zur Erfassung und Regelung der
Beschleunigung verwendet werden. Dieser Motor k wird, wie in Abb. a der Zeichnung
dargestellt, in Reihe mit dem Kopiermotor geschaltet. Er verhält
sich
wie ein Stromtransformator, entspricht also einer dem Kopiermotor vorgeschalteten
Drosselspule. Das Drehmoment dieses Reihenmotors soll dem auf die Regelung der Widerstände
oder der Steuerhebellage wirkenden mechanischen Drehmoment für eine bestimmte Beschleunigung,
also für eine bestimmte Stromstärke im Kopiermotorkreise, das Gleichgewicht halten.
Das hierfür , erforderliche Drehmoment des Reihenmotors hängt außer von der Stromstärke
von ,der im Motor verzehrten Spannung ab, die durch die Größe des Läuferwiderstandes
l bestimmt wird, kann also in bequemer Weise durch Veränderung seines Läuferwiderstandes
l eingestellt werden. Für Stromstärken, also auch Beschleunigungen, die von denen
abweichen, für die der Apparat eingestellt ist, wird dann bei unverändertem Läuferwiderstand
das Drehmoment des Reihenmotors das Drehmoment der Regelvorrichtung überwiegen oder
ihm nachgeben.
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Soll der Reihenmotor auf eine andere konstante Beschleunigung des
Hauptmotors arbeiten, so muß entweder das mechanische Drehmoment, das die Verstellung
der Widerstände oder der Steuerhebellage herbeizuführen sucht, oder das vom Reihenmotor
k bei einer bestimmten Stromstärke entwickelte Drehmoment verändert werden. Letzteres
geschieht einfach durch Änderung des in den Läuferkreis geschalteten Widerstandes
1.
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Eine Veränderung der eingestellten Beschleunigung kann also durch
einfache Widerstandsänderung herbeigeführt werden, so daß es auch -hier möglich
ist, selbsttätig nach einem beliebigen Fahrdiagramm anzufahren. Auch Überregulierung
kann bei der Beschleunigungsregelung nach der Erfindung vermieden werden. So wird
z. B. bei Verwendung des beschriebenen Motorrelais die Abhängigkeit des Drehmomentes
des Reihenmotors vom Widerstande hierzu benutzt, indem dieser bei Eintritt der Regelbewegung
selbsttätig in Abhängigkeit von dieser verändert wird.
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Auch zum Regeln der Verzögerung beim Bremsen des Hauptmotors ist die
Erfindung zu verwenden. Wird der Hauptmotor beim Stillsetzen nach Abschaltung vom
Netz dadurch zum bremsenden Generator gemacht, daß man entweder seine Ständer- oder
seine Läuferwicklung mit Gleichstrom erregt, wie beispielsweise durch die Batterie
m in Abb. 2, und entsprechend seine Läufer- oder seine Ständerwicklung auf Bremswiderstände
schließt, so wird der Kopiermotor wegen der elektrischen Verbindung seiner Ständer-
und Läuferwicklungen mit denen des Hauptmotors ebenfalls zur Synchronmaschine, die
mit dem Hauptmotor parallel arbeitet und .die gleiche Geschwindigkeit wie dieser
besitzt. Da die Schwungmasse des Kopiermotors seine Bewegung aufrechtzuerhalten
sucht, ist beim Verzögern jede Geschwindigkeitsabnahme mit einer der Verzögerung
entsprechenden Leistungsabgabe verbunden. Es bietet also hier der *abgegebene Bremsstrom
ein Maß für die tatsächlich auftretende Verzögerung. Infolgedessen kann man ebenso
wie vorher durch das Wattmeter oder den Stromzeiger im Kopiermotorkreise die Verzögerung
kenntlich machen. Auch die selbsttätige Regelung der Verzögerung ist möglich, indem
man ebenso wie vorher die Regelvorrichtung auf Freigabe des Steuerhebels oder auf
Veränderung der Bremswiderstände .des Hauptmotors wirken läßt.
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Durch Anwendung des Beschleunigungsreglers nach derErfindung ist es
auch möglich, vollkommen selbsttätige Anlaßverfahren nach Art der Druckknopfsteuerungen
auszubilden. Bei einer Förderanlage z. B. ist es nur nötig, zur Einleitung der Anfahrperiode
den Fördermotor in .dem gewünschten Drehsinne einzuschalten und das im Ruhezustande
gesperrte Drehmoment der Regelvorrichtung in seiner Wirkung einsetzen zu lassen.
Das weitere Anlassen erfolgt selbsttätig entsprechend der vorher eingestellten Beschleunigung
bis zur Erreichung der vollen Fahrtgeschwindigkeit, worauf eine besondere Vorrichtung
die Regelvorrichtung für die Beschleunigung wieder sperrt. Zum Stillsetzen mittels
Gleichstromerregung wird durch einen Anschlag am Teufenzeiger der Läufer von den
Anfahrwiderständen abgeschaltet und an eine Gleichstromquelle angelegt; gleichzeitig
wird der Ständer vom Netz abgeschaltet und über Bremswiderstände geschlossen (vgl.
Abb. z an die Batterie na). Als Bremswiderstände können auch die Anfahrwiderstände
Verwendung finden. In diesem Falle muß, da der Bremsstrom in umgekehrter Richtung
fließt wie der Beschleunigungsstrom, jedesm,al beim Aufheben der Sperrung für das
Drehmoment der Regelvorrichtung der Drehsinn der Regelvorrichtung mechanisch oder
elektrisch umgeschaltet werden.
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Da der Kopiermotor die Bewegung des Fördermotors genau kopiert, kann
er gleichzeitig zum Antrieb eines Tachographen und zum Antrieb der Sicherheitsvorrichtungen
gegen zu hohe Geschwindigkeiten verwendet werden.
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Der im vorstehenden zur Feststellung der Beschleunigung und Verzögerung
von Asynchronmotoren verwendete Kopiermotor kann. nach der Erfindung auch zur Feststellung
der Größe und Richtung des Lastmomentes verwendet werden. Diese Feststellung ist
beispielsweise im Förderbetriebe für die Bedienung
,der Steuerung
wichtig. Sieht der Bedienende sofort beim Auslegen des Steuerhebels, daß eine schwere
Senklast vorhanden ist, so kann er das Durchgehen des Motors dadurch verhüten, ilaß
er .den Steuerh;b,el beire Anfahren schnell in die Kurzschlußstellung des Anlassers
bringt. Allerdings müßte er in diesem Falle Stöße und Seilrutschen infolge zu grober
Beschleunigung mit in Kauf nehmen.
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Die Kenntnis von Größe und Richtung des Lastmomentes ist auch dann
wertvoll, wenn der Asy nchronmotor durch Zufuhr von Gleichstrom zu einer Synchronmaschine
gemacht wird, um den Motor an der Überschreitung der Synchrongeschwindigkeit zu
hindern, und um ihn zur elektrischen Verzögerungsbremsung heranzuziehen. Im ersten
Falle ist es zweckmäßig, den als Synchrongenerator rückarbeitenden Motor die Energie
an das Netz ohne Phasenverschiebung zurückgeben zu lassen. Hierfür ist aber je nach
der Belastung die Erregung verschieden groß. Wird daher diese nicht entsprechend
der Größe der Last bemessen, so besteht die Gefahr, daß das Moment der Last das
synchronisierende Moinent der Maschine überwiegt und die Maschine durchgeht. Im
zweiten Falle, bei der elektrischen Verzögerungsbremsung, ist die von der Maschine
zu erzeugende Bremsenergie für ein und denselben Bremsweg sowohl nach Größe als
auch nach Richtung des abzubremsenden Lastüberschusses verschieden groß. Die erzeugte
Bremsenergie ist abhängig von der Größe des Bremswiderstandes und der Größe der
Erregung. Da man immer mit dem gleichen Bremswiderstand arbeiten wird, der durch
die Steuerung proportional der Geschwindigkeitsabnahme verkleinert wird, so ist,
um gleichen Auslaufsweg zu erhalten, die Stärke der Erregung der Größe und Richtung
der Last anzupassen.
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Nach der Erfindung wird die Größe und Richtung des Lastüberschusses
dadurch festgestellt, daß man die Differenz zwischen der Leistungsaufnahme des Kopiermotors
und der des Antriebsmotors feststellt. Die von dem Kopiermotor während der Anfahrt
aufge= nommene Leistung entspricht in jedem Augenblick der Differenz zwischen dem
Drehmoment frn des Antriebsmotors und dem Lastdrehmoment 31, dieses Motors. Die
von dem Antriebsmotor aus dem Netz entnominene Leistung ist ein Maß für das von
ihm entwickelte Drehmoment Mm. Die Differenz Leider Leistungen gibt demnach
ein Maß für das Lastdrehmoment M, Dieses kann dadurch festgestellt werden, daß die
den Leistungen entsprechenden Ströme auf die Drehachse eines Instruments einander
entgegengesetzt zur Einwirkung gebracht werden, wobei sie mittels der ohnedies vorhandenen
Stromtransformatoren auf vergleichbare Werte übersetzt werden müssen. Das auf die
Drehachse des Instruments ausgeübte resultierende Moment ist dann gleich der Differenz
zwischen Motordrehmoment weniger Lastdrehmoment einerseits und dem Motordrehinoinent
allein andererseits, also (Mm -Mq) - Mm = - Mo" falls die Last q positiv
ist. Für negative Last kehrt sich das Vorzeichen um. Ist die Last = 0, d. h. sind
niedergehende und aufgehende Belastung einander gleich, so wird auch M" = 0, und
das Instrument erfährt keinerlei Drehmoment. Als Meßinstrument kann ein Wattmeter
mit zwei Spulensystemen verwendet werden, wie es für die Leistungsmessung ungleich
belasteter Drehstromnetze bekannt ist. Dieses Instrument zeigt s-oafort bei Beginn
der Anfahrt die Größe und Richtung eines Lastüberschusses an.
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In Abb.3 der Zeichnung eist ein Ausführungsbeispiel hierfür dargestellt.
Aus dem Drehstromnetz b wird der die Förderscheibe c antreibende Asynchronmotor
a gespeist, dessen Geschwindigkeit durch den Widerstand d geregelt wird. Zur Feststellung
.der Größe und Richtung des Lastüberschusses q sind Ständer- und Läuferwicklung
des Antriebsmotors a mit den Ständer- und Läuferwicklungen des Kopiermotors e mit
der Schwungmasse f verbunden. Ferner ist ein Leistungsmesser h mit zwei Spulensystemen
i
und h vorgesehen, die auf eine gemeinsame Achse 1 wirken. Das eine System
i ist ,in .die Zuführungsleitungen vom Netz zum Kopiermotor eingeschaltet, das andere
k in die Zuleitungen zum Antriebsmotor. Beide Systeme sind so geschaltet, daß die
von ihnen auf die Achse L ausgeübten Drehmomente einander entgegenwirken. Die Differenz
der Drehmomente, die der Größe der Last q proportional ist, wird durch den Zeiger
o an der Skala p angezeigt. Die Richtung der Last ergibt sich aus der Richtung des
Ausschlags des Zeigers. Entsprechend der während der ganzen Dauer der Anfahrperiode
konstanten Anzeige ist dann die der ausgeglichenen Belastung entsprechende Gleichstromerregerspannung
bei dem Ausschlag, der der Richtung der getriebenen Last entspricht, zu verringern,
bei dem der Trieblast entsprechenden Ausschlag zu verstärken. Diese Einstellung
der Erregerspannung kann von Hand aus oder mittels eines Servomotors selbsttätig
erfolgen.
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Zur selbsttätigen Regelung der Gleichstromerregerspannung können auch,
wie in Abb. 4 der Zeichnung dargestellt ist, zwei Asynchronmotoren r und s verwendet
werden. Der eine wird mit dem vom Netz b über den
Transformator
g gespeisten Teil des Kopiermotors in Reihe geschaltet, der andere wird dein Ständer
des Fördermotors a unter Verwendung eines Stromtransformators t vorgeschaltet. Beide
Motoren wirken einander entgegengesetzt auf eine Achse 2t, auf der ein Zahnrad v
sitzt, das den Regelwiderstand u, für die Gleichstromerregung verstellt, die durch
eine Gleichstrommaschine ia geliefert wird. Hat der Fördermotor eine positive Last
zu heben, so überwiegt das Drehmoment des mit ihm verbundenen Relaismotors und verändert
die Einstellung der Erregung so lange, bis dieser Drehmomentüberschuß durch das
Gegendrehmoment einer beim Verstellen aus der Mittellage gespannten Feder z aufgehoben
wird. Ist dagegen eine treibende Last vorhanden, so überwiegt das Drehmoment des
mit dem Kopiermotor verbundenen Relaismotors und verändert die Erregung im entgegengesetzten
Sinne gleichfalls bis zur Kompensation durch eine beim Verstellen immer stärker
gespannte Feder y. Das Abgleichen der Drehmomente gegeneinander und in bezug auf
das Gegendrehmoment der Federn erfolgt in einfacher Weise durch Veränderung der
Läuferwiderstände in den beiden Relaismotoren.