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Elektrische Bremseinrichtung für Drehstrom-Asynchronmotoren Wird ein
Hubwerk, insbesondere eine Fördermaschine, durch einen Drehstrom-Asynchron-Motor
angetrieben, so ist beim Senken einer Last eine Regelung im untersynchronen Bereich
nur durch Gegenstromgeben oder durch eine sonstige Kunstschaltung möglich. Der Zustand
des Lastsenkens wird hierbei meist mit dem der durchziehenden Last bezeichnet. Beim
Vermindern der Fördergeschwindigkeit und insbesondere beim Bremsen, d. h. beim Stillsetzen
des Antriebes, kann nun das auftretende Moment entweder noch positiv sein, indem
das für die zu hebende Last erforderliche Moment das zur Bremsung erforderliche
Moment überwiegt, oder es kann ein negatives Moment erforderlich werden, was besonders
bei durchziehenden Lasten der Fall ist. Hierbei wird normalerweise die Gegenstrombremsung
angewendet. Dieselbe hat jedoch den Nachteil, daB hierbei der Motor nicht als Generator
angetrieben wird und Energie in das Netz zurückgibt, wie dies im übersynchronen
Bereich der Fall ist, sondern es wird dabei Energie dem Netz entnommen.
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Dieser Anteil kann bei gewissen Arbeiten sehr hoch sein.
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Man suchte nun nach einer Methode, bei der dieser Nachteil nicht vorhanden
ist. Eine solche Methode ist die Gleichstrombremsung. Dieselbe ist in der Weise
bekannt, daB man entweder die
Ständer- oder .die Läuferwicklung
mit Gleichstrom erregt und die Sekundärwicklung mittels eines größeren oder kleineren
Widerstandes kurzschließt. Schaltet man beispielsweise die- Ständerwicklung vom
Drehstromnetz'ab und speist sie mit Gleichstrom, so entsteht ein .stationäres Magnetfeld
mit abwechselnden Nord- und Südpolen, ähnlich dem Feld des üblichen Generators mit
.ausgeprägten Polen. ' Hierbei wird eine Spannung an den Schleifringen des Läufers
erzeugt. .Der gleichstromerregte Drehstrom-Induktions-Motor ist daher eine Umkehrung
des üblichen Generators mit ausgeprägten Polen. Ähnliche Ergebnisse ergibt ein Induktionsmotor
mit gleichstromgespeistem Läufer. Hier wird der Stator zum Wechselstromteil, und
der Motor hat die gleiche Charakteristik wie ein . Synchron-Induktions-Motor, welcher
als Generator betrieben wird.
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Die Gleichstrombremsung von Drehstrom-Asynchron-Motoren beruht also
auf der Eigenschaft des Induktionsmotors, als Wechselstromgenerator zu. wirken.
Von den dabei möglichen Statoranschlüssen für die Gleichstromerregung sind in den
Fig. i a und i b-zwei Beispiele schematisch wiedergegeben. Die Figuren bedürfen
angesichts ihrer Einfachheit keiner Erklärung. Die Bremsenergie wird auf diese Weise
im Läuferwiderstand vernichtet. Im allgemeinen sind in Stern geschaltete Statorwicklungen
für die Gleichstromerregung günstiger. .Bei einer bestimmten Drehzahl hängt dieBremsleistung
von zwei Faktoren ab, und zwär von der Erregung und vom Läuferwiderstand.@Zur Drehzahlregelung
bzw. zur Änderung der Drehzahl ist es daher er-@orderlich, entweder die Erregung
oder den Läuferwiderstand, oder beide zusammen zu ändern.
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Wird eine größere Last gesenkt, so ist beim Bremsen eine erhebliche
Energie zu vernichten. Es empfiehlt sich daher in diesen Fällen die Gleichstrombremsung.
Wird dagegen Last gehoben oder eine kleinere Last gesenkt, -so ist beim. Stillsetzen
entweder keine Bremsung erforderlich oder nur in geringem Maße, so daß hierbei kein
Bedürfnis besteht, die Gleichstrombremsung anzuwenden, sondern es erwies sich hierbei
eine leichte Gegenstrombremsung als zweckmäßig. Im Beharrungszustand ist beim Senken
von Lasten der übersynchrone Betrieb wegen der hierbei vorhandenen Energierücklieferung
angebracht. .
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Bei den bekannten Ausführungen derartiger Antriebe ist es nun dem
Maschinisten überlassen, die Gleich- oder die Gegenstrombremsung zur Wirkung zu
bringen. Dies geschieht meist in der Weise, daß der zurSteuerung dienendeSteuerhebel
inSchlitzen geführt wird, wovon ein Schlitz als gleichbedeutend mit der Gleichstrombremsung
ist. Hierbei kommt es häufig zu Fehlgriffen dadurch, daß der Maschinist die Gegenstrombremsung
einschaltet, wenn die Einschaltung der Gleichstrombremsung zweckmäßiger wäre und
umgekehrt. An dieser Stelle greift die Erfindung ein: Sie sieht ein auf den Zustand
der durchziehenden Last ansprechendes Relais vor, das Hilfsschaltvnrrichtungen steuert,
die der Abschaltung und Verriegelüng einer jeweiligen . Gegenstrom-Bremseinschaltvorrichtung
und der Überprüfung einer Gleichstrom-Bremseinschaltvorrichtung in eine Bereitstellung
dienen. Damit ist unbedingt sichergestellt, daß bei Durchziehen der Last im Fall
des Bremsens auf keinen Fall die Gegenstrombremsung zur Anwendung gelangt, sondern
nur die Gleichstrombremsung.
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Nun ist zwar eine für Drehstrominotoren bestimmte Senkbremsschaltung
bekanntgeworden, bei welcher die Senkbremsstellungen erst durch eine besondere,
neben der eigentlichen Steuerwalze zu beeinflussende Schaltvorrichtung, z. B. einen
Fußschalter, zur Wirkung gebracht werden, während bei Nichtbeeinflussung des Schalters
auf diesen Stellungen der Bremslüfter und der Motor abgeschaltet sind. -Das hat
den Vorteil, daß die bisher zwischen der letzten Senkbremsstellung und der ersten
Senk-, kraftstellung vorhandene Übergangsstellung, in welcher der stromlose Motor
bei gelüfteter Bremse dem freien Fall ausgesetzt war, vermieden wird, und daß ferner
die starken Bremsstöße und hohen Bremsspannungen, welche. beim Rückgang von »Senken-Kraft«
auf »Senken-Bremse« wenigstens bei Drehstrom unvermeidlich waren, nun nicht. mehr
auftreten können. Anstatt die besagte Schaltvorrichtung von Fuß zu betätigen, kann
ihre Betätigung auch in Abhängigkeit von der Lastgröße gebracht werden, derart,
daß der-betreffende Schalter selbsttätig bei schweren durchziehenden Lasten eingeschaltet
wird. Irgendeine Anregung, mit Hilfe eines auf den Zustand der durchziehenden Last
ansprechenden Relais Hilfsvorrichtungen zu steuern, die der Abschaltung und Verriegelung
einer jeweiligen Gegenstrom-Bremseinschaltvorrichtung und der Überführung einerGleichstrom-Bremseinschaltvorrichtung
-in eine Bereitstellung dienen, ist der bekannten Senkbremsschaltung jedoch nicht
zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist es erst das -Schaltglied, beispielsweise der Schalt-
bzw. Steuerhebel oder der Schaltdruckknopf, eines weiterhin vorgesehenen, der mittelbaren
und wechselseitigen Steuerung von Stromumkehr -Schaltvorrichfungen, insbesondere
von Stromumkehrschützen, dienenden Mehrzweckschalters (Hauptschalter), das mit seiner
Überführung in Gegenstellung die Gleichstrom-Einschaltvorrichtung, insbesondere
das Gleichstromschaltschütz, oder die Umkehr-Schaltvorrichtungen mittelbar betätigt.
Für die einsetzende Bremsart ist also nicht die willkürliche Schaltbehandlung des
Maschinisten, -sondern allein die Stellung des Hauptrelais maßgebend. Ferner steht
erfindungsgemäß das Hauptrelais auch in Betätigungsverbindung mit einer Kurzschluß-Schaltvorrichtung,
insbesondere einem Kurzschlußschaltschütz, für den Läufer. Dabei dient der Hauptschalter
zusätzlich der Vorbereitung dieser Läuferkurzschluß-Schaltvorrichtung. Es ist also
die Möglichkeit gegeben, gleichzeitig mit der Vorbereitung der Gleichstrombremsung
die Läuferwicklung kurzzuschließen. Damit ist die Gefahr einer Drehzahlerhöhung
ausgeschaltet.
Ein Drehzahlanstieg ist dann -nur noch im Bereich
des Motbrschlupfes möglich. Durch die erweiterte Inanspruchnahme des Hauptschalters
ist für beide Betriebsarten »Vorwärtsfahrt« und »Rückwärtsfahrt« die Kurzschließung
der Läuferwiderstände gewährleistet, sobald das Hauptrelais anspricht.
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Zum zweiten stellt sie, wiederum für beide Betriebsarten,mit der Überführung
des Schaltgliedes in Gegenstellung die Gleichstromspeisung der Motorprimärwicklung
sicher.
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Weiterhin sieht die . Erfindung noch zusätzlich in dem Erregerstromkreis
eines als Läuferkurzschluß-Schaltvorrichtung dienenden Schützes einen in Abhängigkeit
von der Läu.ferdrehrichtung gesteuerten Schalter, einen sogenannten Drehrichtungsschalter,
vor. Beim tatsächlichen Übergang zum Gegenstrombetrieb wird durch den Drehrichtungsschalter
derErregerstromkreis desLäuferkurzschlußschützes unterbrochen und damit der Läuferkurzschluß
aufgehoben. . .s In den Erregerstromkreis der als Strornumkehr-Schaltvorrichtungen
dienenden Schütze kann zusätzlich ein von Hand zu betätigender Schalter (Handfallenschalter)
gelegt werden. Durch seine Betätigung wird verhindert, daß bei Überführung des Schaltgliedes
in Gegenstellung, was über die sonst als Ausgangsstellung dienende Nullage, beispielsweise
eines Steuerhebels, erfolgen muß, die bereits vorbereitete Gleichstrombremsung wieder
aufgelöst wird.
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Nach erfolgtem Abbremsen kann die Gleichstronibremsschaltung durch
Trennung des Handfallenschalters aufgelöst werden. Dieser von Hand zu betätigende
Schalter kann erfindungsgemäß durch einen weiteren in Abhängigkeit von der Läuferdrehzahl
betätigten Schalter ersetzt werden, der, auf beliebig wählbare, untersynchrone Drehzahlen
desLäufers abstimmbar, dieBremsschaltung auflöst. Damit wird dann, wenn durch Bremsung
die Läuferdrehzahl auf ein bestimmtes vorgegebenes Maß abgesunken ist, die Bremsung
selbsttätig wieder ausgesetzt. Zweckmäßig wird man hier einen besonderen Fliehkraftschälter
oder einen dritten Kontakt jenes Fliehkraftschalters vorsehen, der schon der Auslösung
des Läuferkurzschlußschützes oder der Auslösung eines an seiner Stelle verwendeten
Hilfsschaltschützes dient. Auch ein Tachometerdynamo kann hier verwendet werden.
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Erfindungsgemäß kann man noch ein weiteres, beispielsweise durch Druckknopf
zu betätigendes Schaltgerät vorsehen, um die Gleichstrombremsung auch in solchen
Fällen zur Wirkung zu bringen, bei denen im untersynchronen Bereich gefahren werden
soll. Hier würde ja das Hauptrelais nicht ansprechen. Dabei ist in erster Linie
an die Voinahme von Seilrevisionsfahrten gedacht.
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Im allgemeinen wird man erfindungsgemäß als Hauptrelais ein vom Läufer
drehzahlabhängig gesteuertes Relais verwenden. Dies kann z. B. ein Fliehkraftschalter
oder auch ein Tachometerdynamo sein. Sehr vorteilhaft erweist sich die Benutzung
eines Rückwatt-Relais. Ist nämlich die Netzfrequenz Schwankungen unterworfen, so
schwankt damit auch die Läuferdrehzahl. Es kann also bei Benutzung eines drehzahlabhängig
wirkenden Hauptrelais zu Fehlanzeigen kommen. Von diesem Übelstand ist das Rückwatt-Relais
frei. Seine Wirkung beruht darauf, daß bei Eintritt des Zustandes der durchziehenden
Last der Motor als Generator arbeitet und Energie in das Netz zurückliefert.
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Hat das Läuferkurzschlußschütz oder ein sonst zur Kurzschließung der
Läuferwiderstände verwendetes Schaltgerät die Gleichstrombremsung nicht vorbereitet,
wie es z. B: beim Fehlen einer durchziehenden Last der Fall ist, dann erfolgt bei
Gegenauslage des Steuerhebels die Bremsung durch Gegenstrom, sofern nicht schon
vorher der Antrieb durch Einschwenken des Steuerhebels in die Nulllage zum Stillstand
kam. Eine stufenlose, stetige Regelung des Bremsmomentes wird am einfachsten erzielt
durch Regelung eines an die Läuferwicklungen angeschlossenen Anlassers, beispielsweise
eines Flüssigkeitsanlassers. .
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Hiernach hat bei der elektrischen Bremseinrichtung nach der Erfindung
der Maschinist nur die Möglichkeit, den Steuerhebel entweder für Fahrt »Vorwärts«
oder für Fahrt »Rückwärts« auszulegen. Die jeweils erforderliche Wahl zwischen Gleichstrom-undGegenstrombremsung
wird selbsttätig von der Bremseinrichtung getroffen.
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In der Fig.2 ist ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach der
Erfindung schematisch dargestellt. Dabei bezieht sich die Darstellung auf den fast
durchweg" gebräuchlichen Fall der Ständergleichstromerregung. Diese entspricht den
normalen Anschlüssen des Motors am besten. Dabei sei aber ausdrücklich betont, daß
das Verhalten des Drehstrom-Asynchron-Motors das gleiche ist, gleichgültig, ob der
Stator oder der Läufer gleichstromerregt wird. In beiden Fällen hat der Motor die
gleiche Charakteristik wie ein Synchron-Induktions-Motor, der als Generator betrieben
wird.
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Es bedeuten i den Antriebsmotor und 2 den zugehörigen Anlasser, der
durch den Steuerhebel 3 betätigt wird. Der Anlasser kann auch ein Flüssigkeitsanlasser
sein. Der Steuerhebel 3 selbst dient der Steuerung auf Vorwärts- oder auf Rückwärtsfahrt,
wie das auch durch Pfeilbogen und Buchstabenkennzeichnung (h, R) angedeutet ist.
Der Steuerhebel greift in einer hier-nicht näher wiedergegebenen Weise an dem Hauptschalter
q. an, der als Schaltwalze gezeichnet ist. Dabei soll beispielsweise die Überbrückung
der Klemmen 0, I der beiden Teilschalter der Vorwärtsfahrt, die Überbrückung der
Klemmen 0, 1I der Rückwärtsfahrt entsprechen.
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Durch die beiden Ständerumkehrschütze 5 und 6 wird mittels der Schaltspulen
7 und 8 der Motor für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt an das Netz 9 gelegt. 10, 11,
12 und 13 sind Verriegelungskontakte, die ebenfalls von den Schaltspulen 7 und 8
betätigt werden, und zwar dergestalt, daß bei Erregung der Spule 7 bzw. dem Schließen
des Schalt-
Schützes 5 die Verriegelungskontäkte io und I i geöffnet
werden. Entsprechendes gilt für die Verriegelungskontakte 1.2, 13 und ihre
zugehörige Erregerspule B. Ein weiteres Schaltschütz 14 finit der Schaltspule 15
dient der Anlegung der Gleichstromquelle 16 an die Ständerwicklung -und damit dem
Einsatz der Gleichstrombremsung. Dabei kann die Spule 15 nur dann Strom erhalten,
wenn beide Ständerschütze 5 und 6 ausgeschaltet sind, was durch dieVerriegelungskontaktezo-und
13 gewährleistet wird. Die Kontakte i i und. j2. dienen der gegenseitigen
Verriegelung der Ständerschütze. Mit 17 ist ein Läuferkuräschlußschütz bezeichnet
und mit 18 ein Fliehkraftschalter. Dieser wird, wie hier nicht näher dargestellt,
vom Motor angetrieben und schaltet deshalb in Abhängigkeit von der Drehzahl. Er
schließt den Erregerstromkreis der .Schaltspule i9 des Läuferkurzschlußschützes
17, wenn infolge der durchziehenden Last die synchrone Drehzahl überschritten wird.
Damit ist eine Drehzahlüberhöhung des Motors verhindert. Das Läuferkurzschlußschütz
17 hat einen Haltekontakt 2o und wird durch den DrehrichtUngsschalter 21
beim Steuern auf Gegenstrom ausgeschaltet, so daß hierbei der Läuferkurzschluß aufgehoben
wird. Der -Drehrichtungsschalter 21 ist dabei mit von der Läuferwelle geschleppten
Kontakten ausgerüstet. In der Darstellung nach der Fig.2 schließt der Schalter 21
je nach Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt den rechten oder linken Kontakt.
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Die Kontakte 17" und 17b des Kurzschlußschützes 17 schalten die Spulen@24
bzw. 25 der Hilfsrelais 22 bzw. 23 ein. Deren Kontakte 26' bzw. 27' liegen
in den Erregerstromkreisen der Ständerumkehrschütze 5 bzw. 6, während die Kontakte
26, a7, unabhängig voneinander schaltend, im Erregerstromkr #is des Gleichstromschützes
14 gelegen sind. 26", 27'" stellen Haltekontakte der erwähnten Hilfsrelais dar.
Die beiden letzten Kontaktpaare sind im Gegentakt zum erstgenannten Kontaktpaar
gesteuert. Die Hilfsrelais 22, 23 werden durch das Kurzschlußschütz 17 zum Ansprechen
gebracht und bereiten damit die Gleichstrombremsung vor. Vermöge ihrer Haltekontakte
26", 27" heben sie die einmal hergestellte Schaltung erst wieder auf, wenn der Steuerhebel
3 bzw. der von ihm betätigte Hauptschalter 4 sich in Nullstellung befindet und der
von. Hand zu bedienende Handfallensehalter 28 geöffnet wird. Der Fliehkraftschalter
3o kann den Handfallenschälter 28 ersetzen und einfach als weiterer Kontakt des
Fliehkraftschalters 18 ausgebildet sein. Mit seiner Hilfe kann die Auflösung der
BremsschaItung nach Absinken der Drehzahl auf ein bestimmtes Maß selbsttätig herbeigeführt
werden.
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Mit 29 ist ein Druckknopfschalter bezeichnet, der es ermöglicht, dieGleichstrombremsung
inAusnährnefällen in Tätigkeit zu setzen, z. B. bei Seilrevisionsfahrten. Die Klemmen'
3 i und 32 führen zu einer Hilfswechsel- oder Hilfsgleichsspannungsquelle. " Im
Nichtbetriebszustand sind--alle.Schalter offen bis auf die Verriegelungsköntakte
ro bis 13 und die Kontakte 26', 27' der Hilfsrelais 22 und 23. Der Schalt--und Bremsvorgang
spielt sich nun folgendermaßen ab: -Beim Auslegen des Steuerhebels 3 auf Vorwärtsfahrt
(in der Zeichnung nach rechts) werden die Kontakte I, 0 des Hauptschalters 4 geschlossen.
Damit wird über die geschlossenen Kontakte ?,7' und 12 die Spule 7 des Ständerschützes
5 -an die an die Klemmen 31 und -32 angeschlossene Spannung gelegt. Das Ständerschütz
5 wird also eingeschaltet. Mit dem Anlauf des Motors wird dann auch der Drehrichtungsschalter
2i, beispielsweise über den rechten Kon-. takt,, geschlossen. Nimmt nun infolge
.einer durchziehenden Last der Motorläufer übersynchrone Drehzahl an,. so schließt
der auf der Motorwelle sitzende Fliehkraftschalter 18 seinen Kontakt. Es wird daher
der Stromkreis der Spule i9 des LäuferkurzschlüBschützes 17 geschlossen,
und das Läuferkurzschlußschütz schließt die Läuferwickung des Motors kurz. Gleichzeitig
wird mit dem Schließen des Kontaktes 17a am Kurzschlußschütz 17 über den Hauptschalter
4 bzw. den Handfallenschalter 28, welchen der Maschinist in der Zwischenzeit betätigt
hat, oder über den Fliehkraftschalterkontakt 3ö, welcher selbsttätig geschlossen
hat, die Spule 24 des Hilfsrelais 22 an die Spannungsquelle 31, 32 gelegt
(Schließungsweg: 32, 0, I, Ua, 24, 28, 3i). Es spricht daher das Hilfsrelais 22
an und schließt die Kontakte 26 und 26", während der Kontakt 26' geöffnet wird.
Hiermit ist die Möglichkeit unterbunden, daß das Ständerschütz 6 über die Spule
8 bei Gegenauslage des Steuerhebels schließen kann. Es ist also verriegelt und das
Schütz 14 für die Einschaltung der Gleichstromerregung gelangt über die Spule 15
zum Ansprechen, wenn der Steuerhebel auf Gegenauslage gebracht wird, wobei am Hauptschalter.4
die Kontakte 1I, 0 geschlossen werden, aber nur dann, wenn beide Ständerschütze
abgeschaltet haben und die Hilfskontakte I, 0 und 13 dadurch geschlossen
wurden (Schließungsweg: 31, 10, 13, 15, 26, 1I, 0, 32). Hätte das Läuferkurzschlußschütz
nicht angesprochen, dann hätte auch das Hilfsrelais 22 nicht geschaltet und der
-Kontakt 26' desselben wäre geschlossen geblieben, so daß bei Gegenauslage des Steuerhebels
nicht das Schütz 14, sondern das.Ständerschütz 6 durch seine Schaltspule 8 angesprochen
hätte. Hierdurch wäre somit die Schaltung für Gegenstrombremsung hergestellt worden.
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Wie ersichtlich, wurde also durch das Ansprechen des Läuferkurzschlußschützes
über das Hilfsrelais die Gleichstrombremsung vorbereitet, so daß sie bei Bewegung
des Steuerhebels auf Gegenauslage zur Wirkung gelangen konnte.
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Durch Änderung des Anlaßwiderstandes kann dieBremskraft entsprechend
geändert werden, denn es ist das durch die Gleichstrombremsung erzeugte Bremsmoment
abhängig vom Läuferwiderstand, wobei unter letzterem die Summe von Läuferwicklungswiderstand
und äußerem Widerstand, hier dem Anlaßwiderstand, zu verstehen ;.-L. Der Anlißwiderstand
darf nur beim Fallen der Drehzahl verkleinert werden, sofern ein Verlust an Bremskraft
vermieden werden soll.
Die Schaltung für die Gleichstrombremsung
bleibt so lange bestehen, bis der Maschinist den Handfallenschalter 28 ausschaltet
bzw. bis der Fliehkontakt 3o beim Herunterbremsen der Drehzahl auf einen entsprechend
niederen Wert öffnet. Beim Steuern des Antriebes für die andere Drehrichtung erfolgt
der Schaltvorgang sinngemäß in gleicher Weise.
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Ist ein Läuferkurzschlußschütz ursprünglich nicht vorgesehen, so wird
erfindungsgemäß ein Relais verwendet, welches aus dem Schütz 17 durch Fortfall der
drei Hauptkontakte entsteht und im übrigen wie dieses aufgebaut und geschaltet ist.
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Wird der Druckknopfschalter 28 geschlossen, so sprechen beide Hilfsschütze
an, wodurch beide S Länderschütze verriegelt werden, so daß beim Vorhandensein einer
durchziehenden Last nur die Gleichstrombremsung in Tätigkeit tritt.
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Bei dem in derZeichnung gezeigtenAusführungsbeispiel der elektrischenBremseinrichtung
nach der Erfindung dient im Fall des Vorhandenseins einer durchziehenden Last als
Ansprechorgan auf diesen Zustand und gleichzeitig als Schaltorgan für den selbsttätigen
Einsatz der Gleichstrombremsung ein Fliehkraftschalter. An dessen Stelle können
aber auch andere drehzahlabhängig betätigte Schaltvorrichtungen treten, beispielsweise
ein von der drehzahlabhängigen Läuferspannung betätigtes Spannungsrelais oder ein
Tachometerdynamo. Ferner kann die Gleichstrombremsung, wie schon erwähnt, auch durch
ein Rückwattrelais vorbereitet werden. Je nach den besonderen gerade vorliegenden
Umständen wird sich das eine oder andere Schalt-, relais als vorteilhaft erweisen.