DE69508512T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bremsen eines Synchronmotors - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5 für das Bremsen eines Synchronmotors.
• Der Sicherheitsbetrieb eines Aufzuges im dem Fall eines Fehlverhaltens, wie beispielsweise eines Stromausfalles, wird durch die Verwendung einer mechanischen Bremse gewährleistet, die oft zusätzlich durch den Einsatz einer elektrischen, sogenannten Nutzstrombremse, unterstützt wird. Beim Nutzstrombremsen wird die mechanische Energie des Aufzuges über den Motor auf einen außerhalb des Motors befindlichen Verbraucher übertragen. Das verhindert zumindest ein Beschleunigen des Aufzuges, selbst wenn die mechanische Bremse nicht betriebsfähig sein sollte.
• Wenn ein Asynchron-Motor verwendet wird, ist eine Nutzstrombremsung nur dann möglich, wenn die Primärspule mit Gleichstrom versorgt wird. Das erfordert im allgemeinen besondere Anordnungen und die Verwendung von Zusätzen wie beispielsweise eine für diesen Zweck ausgelegte separate Gleichrichteranlage. In dem Fall eines Gleichstrommotors kann der Bremsvorgang durch das Anschließen eines Widerstandes an den Läuferkreis ausgeführt werden, wie das in der US 5 291 106 aufgezeigt ist. In diesem Fall ist es erforderlich, daß die Magnetisierung des Motors in Funktion ist.
• In dem Fall eines Synchronmotors kann eine Nutzstrombremsung in einer zum Gleichstrommotor entsprechenden Weise ausgeführt werden. Die Bremsleistung und der durch den Bremswiderstand fließende Strom werden groß, wenn die Ständerwicklungen kurzgeschlossen sind, wenn der Motor bei Höchstgeschwindigkeit läuft. Auf der anderen Seite ist es bei einer geringen Geschwindigkeit notwendig sicherzustellen, daß ein ausreichendes Drehmoment erzeugt wird, um eine geringe Sinkgeschwindigkeit zu erhalten.
• Das ist in der US-Schrift 4 667 776 gezeigt, und das sogar im Falle eines Asynchron-Motors.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues und vorteilhaftes Nutzstrombremssystem für einen synchronen Aufzugsmotor zu entwickeln. Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Vorrichtung der Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 5 gekennzeichnet. Andere bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen aufgezeigten Merkmale gekennzeichnet.
• Die Lösung der Erfindung erlaubt eine Nutzstrombremsung eines Synchronmotors zu sehr geringen Kosten. Um die Lösung in der Praxis einzusetzen, ist nur ein Kontaktpaar erforderlich, welches in jedem Fall benötigt wird, um den Kondensator des Zwischenkreises des Frequenzwandlers zu entladen.
• Ein nicht-linearer Widerstand gewährleistet, daß die Sinkgeschwindigkeit so gering wie möglich ist. Für einen mit einem Synchronmotor angetriebenen Aufzug wird derselbe Sicherheitsgrad erreicht wie für einen mit einem Schneckenrad, was bedeutet, daß der Aufzug selbst dann nicht schnell nach unten fallen wird, selbst wenn die Bremse versagen sollte. Das wird insbesondere durch eine Ausführung der Erfindung erreicht, in der die Spule im Stillstand kurzgeschlossen wird oder der Bremswiderstand auf einen ausreichend geringen Wert eingestellt wird.
• Die Lösung der Erfindung kann durch Anordnen der Nutzstrombremswiderstände entweder in dem Gleichstromzwischenkreis oder an den Motoranschlüssen in Verbindung mit verschiedenen Stromversorgungsvorrichtungen verwendet werden, die den Motor steuern.
• Im folgenden wird die Erfindung im Detail anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen
• Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltkreis aufzeigt,
• Fig. 2 die Charakteristik des Nutzstrombremswiderstandes aufzeigt, und
• Fig. 3 eine andere Lösung gemäß der Erfindung aufzeigt.
• Fig. 1 zeigt den Grundschaltkreis eines Frequenzwandlers mit einem Zwischenkreis, der für die Steuerung eines Synchronmotors 2 verwendet wird. Der Frequenzwandler umfaßt eine Netzbrücke 4, die eine Dreiphasen-Netzspannungsversorgung gleichrichtet, die an die Eingangskontakte 12, 14 und 16 angelegt ist. Zwischen dem Versorgungsnetz und der Netzbrücke ist ein aus Spulen und Kondensatoren bestehender Störschutz 18 und ein Dreiphasennetzschalter 20 angeschlossen. Die Netzbrücke führt die gleichgerichtete Spannung in die Leiter 22 und 24 des Zwischenkreises, die durch eine Serienschaltung von Kondensatoren 23 und 25 miteinander verbunden sind. Mit jeder Diode 6 bis 11 ist ein Transistor 26 bis 31 invers parallel angeschlossen. Bei geeigneter Steuerung dieser Transistoren ist es bei Bedarf möglich, die Bremsenergie zurück in das Netz zu speisen.
• An die Leiter 22 und 24 des Zwischenkreises ist die Motorbrücke 5 des Frequenzwandlers angeschlossen, die aus einem Brückenkreis von Transistoren 32 bis 37 besteht. Der Ausgang der Wechselstromseite der Motorbrücke ist an die Motoreingangsanschlüsse 38, 40 und 42 angeschlossen, um einen Strom an die Ständerwicklungen zu leiten. Die Transistoren 32 bis 37 sind so gesteuert, daß die Spannungsversorgung des Synchronmotors eine durch den Betrieb erforderliche Amplitude und Frequenz besitzt. Die Netzbrücke wird durch eine Steuereinheit 44 und die Motor brücke durch eine Steuereinheit 46 gesteuert. Auf der Grundlage von gemessenen Größen und Bezugsgrößen, wie beispielsweise Strom- und Spannungsmessungen, einer Geschwindigkeitsmessung 49 und einem Geschwindigkeitsbezugswert 50 erzeugen die Steuereinheiten 44, 46 Steuerpulse und geben diese über Steuerleitungen an die Steuereingänge der Transistoren 51. Wenn die vorliegende Erfindung verwendet wird, kann die Steuerung der Transistoren durch Verwendung einer von vielen an sich bekannten Techniken ausgeführt werden. Die Steuereinheit steuert ebenso den Netzschalter 20 über eine Steuerleitung 68. Mit den Transistoren 32 bis 37 sind Dioden 52 bis 57 invers parallel angeschlossen. Der Synchronmotor ist mit Dauermagneten bestückt, so daß der Motor seine Magnetisierung während möglicher Stromausfälle behält. Der Motor ist mechanisch mit der Treibscheibe (nicht gezeigt) des Aufzuges verbunden, um zu ermöglichen, daß die Aufzugskabine mittels Hubseilen bewegt wird.
• Zwischen den Leitern 22 und 24 in dem Zwischenkreis des Frequenzwandlers sind Bremswiderstände 58 und 60 mit einem Bremstransistor 62 in Serie geschaltet. Während eines normalen Betriebes steuert die Steuereinheit 46 den Transistor 62 auf solche Weise, daß die durch den Motor erzeugte Leistung zumindest teilweise an den Bremswiderständen abfällt. Der Bremswiderstand 58 ist ein normaler Bremswiderstand, der verwendet wird, die rückgeführte Leistung aufzunehmen. Der Bremswiderstand 60 hat eine nicht lineare Spannungs-Strom-Charakteristik, wie das in Fig. 2 gezeigt ist. Sein Widerstand ist für höhere Spannungswerte größer als für niedere Spannungen, entsprechend der Verwendung eines wärmeabhängigen, metallischen Widerstandes wie beispielsweise in einem Glühlampenkolben. Mit anderen Worten wird ein Widerstand verwendet, in welchem eine Erhöhung der Temperatur den Widerstand in dem Wirkungsbereich erhöht. Der Bremswiderstand kann ebenso ein PTC-Widerstand oder ein VDR- Widerstand sein.
• Mit dem Bremswiderstand 58 und dem Transistor 62 ist ein Kontakt 64 parallel geschaltet, der dazu verwendet werden kann, nur den Bremswiderstand 60 zwischen den Leitern 22 und 24 des Zwischenkreises anzuschließen. Überdies ist mit dem nichtlinearen Bremswiderstand 60 ein Schalter 66 parallel geschaltet, mittels dessen der Widerstand 60 kurzgeschlossen werden kann. Die Schalter 64 und 66 sind in Serie geschaltet, was es erlaubt, sie zum Kurzschließen der Leiter 22 und 24 des Zwischenkreises zu verwenden.
• Gemäß der Erfindung wird eine Nutzstrombremsung aktiviert, wenn das System eine regelwidrige Betriebsbedingung feststellt, wie beispielsweise eine Unterbrechung in der Stromversorgung oder einen Übergeschwindigkeitszustand, in dem der Übergeschwindigkeitsbegrenzer ausgelöst wird. Zur selben Zeit wird der Schalter 64 geschlossen, mit der Folge, daß der Ständerkreis des Motors über Stromversorgungsleitungen 38, 40 und 42, Dioden 52 bis 57 und dem nicht-linearen Widerstand 60 geschlossen wird. Der Schalter wird durch die in den Motorspulen erzeugte elektromotorische Kraft gesteuert. Der Frequenzwandler wird vom Netz vorzugsweise mittels des Netzschalters 20 getrennt. Wenn der Motor im Moment des Schließens des Schalters 64 mit einer hohen Geschwindigkeit läuft, beispielsweise wenn der Übergeschwindigkeitsbegrenzer ausgelöst wird, ist die Spannung an dem Widerstand hoch und dementsprechend ist der Widerstand auch hoch, so daß der Strom und damit das Bremsdrehmoment auf den so bestimmten Maximalwert begrenzt sind. Falls beispielsweise im Fall von Fig. 2 angenommen wird, daß der relative Wert u/[pu] = 1 (pu = pro Einheit) der Spannung der Höchstgeschwindigkeit entspricht und der relative Wert i/[pu] = 1 des Stromes der Beschleunigung entspricht, kann angenommen werden, daß das Drehmoment im Gleichgewicht für volle Last ca. 1/3 ist. In dem Fall eines linearen Widerstandes würde die Geschwindigkeit um die 33% betragen, wobei in dem Fall eines nicht-linearen Widerstandes die Geschwindigkeit ca. 17% beträgt.
• Der in dem obigen Beispiel verwendete Widerstand ist vom Typ eines Glühlampenwiderstandes. In diesem Fall kann ein Spitzenstrom in dem Moment der hergestellten Verbindung auftreten. Das kann umgangen werden, wenn anfangs ein linearer Widerstand in Serie mit dem nicht-linearen Widerstand geschaltet wird. In dem Beispiel von Fig. 1 wird das durch die Verwendung eines normalen Bremswiderstandes 58 und eines daran angeschlossenen Transistors 62 ausgeführt. Während eines normalen Betriebes werden die Widerstände 58 und 60 und der Bremstransistor verwendet, den Bremsvorgang zu steuern.
• Der Bremswiderstand 60 kann durch eine Anzahl an in Serie geschalteten Widerständen ersetzt werden, die durch jeweilige Schalter kurzgeschlossen werden, sowie sich die Geschwindigkeit verändert. In diesem Fall wird die Nichtlinearität in dem Widerstandswert auf der Grundlage der Steuerung der Schalter bestimmt.
• Der zu dem Widerstand 60 parallel angeschlossene Schalter 66 wird verwendet, um den Widerstand 60 kurzzuschließen, wenn die Motorgeschwindigkeit Null ist. Auf diese Weise wird im Falle des Bremsversagens ein höheres Bremsdrehmoment erreicht. In diesem Zwischenfall kann der Schalter mit dem Strom über den Widerstand 60 oder mit einer direkt von der Motorspule erhaltenen Spannung versorgt werden, in welchem Falle der Abfall in der Motorgeschwindigkeit automatisch den Schalter 66 umlegt.
• In der in Fig. 1 aufgezeigten Lösung der Erfindung sollte beachtet werden, daß kein Schalter zwischen dem Bremswiderstand und den Motorspulen vorhanden ist, der Bremswiderstand jedoch direkt über die Diodenbrücke an die Ständerwicklungen des Motors angeschlossen ist, was bedeutet, daß ein Betrieb selbst während eines Stromausfalles gewährleistet ist, vorausgesetzt daß die Magnetisierung des Motors bestehen bleibt, was durch die Verwendung eines mit Dauermagneten bestückten Synchronmotors am besten erreicht wird.
• Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung, in der der Synchronmotor 2 von einem Frequenzwandler 70 gespeist wird, der ähnlich dem in Fig. 1 sein kann oder ein anderer Typ. Wie in Fig. 1 ist der Wandler 70 an das Versorgungsnetz und an den Motor 2 angeschlossen. Der Frequenzwandler 70 wird durch eine Steuereinheit 146 gesteuert, die Steuerpulse erzeugt, die über Leitungen 151 an die Schalter in dem Frequenzwandler 70 geführt werden. Mittels eines Schalters 42 sind nicht lineare Widerstände 78, 80 und 82 in einer Sternschaltung an die Ausgangskontakte des Frequenzwandlers angeschlossen. Der Schalter 84 wird durch die Steuereinheit 146 in einer entsprechenden Weise zur Steuerung des Schalters 64 in Fig. 1 gesteuert. In dieser Ausführung vollzieht sich die Nutzstrombremsung folglich vollständig außerhalb des Frequenzwandlers.
• Die Erfindung ist oben mit Hilfe einiger ihrer Ausführungen beschrieben worden. Die Darstellung ist jedoch nicht als Begrenzung des Umfangs des Patentschutzes zu betrachten, da ihre Ausführungen innerhalb der durch die folgenden Ansprüche definierten Grenzen variiert werden können.

Claims (8)

1. Verfahren zum Bremsen eines mit Dauermagneten magnetisierten Synchronmotors (2), der Eingangskontakte (38, 40, 42) für die Spannungsversorgung zu den Ständerwicklungen besitzt, wobei mindestens ein an die Eingangskontakte (38, 40, 42) des Synchronmotors angeschlossener Bremswiderstand (60, 78, 80, 82) verwendet wird, um die Ständerwicklungen des Synchronmotors (2) zu schließen,

dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht-linearer Bremswiderstand (60; 78, 80, 82) verwendet wird, um die Ständerwicklungen des Synchronmotors (2) zu schließen, wobei der Widerstandswert des nicht-linearen Bremswiderstandes (60; 78, 80, 82) so gewählt wird, daß er mit steigender Spannung größer wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Synchronmotor (2) von einem Frequenzwandler (3) mit einem Zwischenkreis (22, 24) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremswiderstand (60) an den Zwischenkreis (22, 24) des Frequenzwandlers angeschlossen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklungen kurzgeschlossen werden, wenn die Geschwindigkeit des Motors (2) im wesentlichen Null ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, in dem der Motor mit Dauermagneten magnetisiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (64) verwendet wird, um den Bremswiderstand (60) anzuschließen, wobei der Schalter durch die elektromotorische Kraft des Motors gesteuert werden kann.

5. Vorrichtung zum Bremsen eines synchronen Aufzugmotors (2), der mit Eingangskontakten (38, 40, 42) für die Spannungsversorgung zu den Ständerwicklungen versehen ist, wobei mindestens ein Bremswiderstand (60, 78, 80, 82) an die Eingangskontakte (38, 40, 42) des Synchronmotors angeschlossen ist, mittels einem die Ständerwicklungen des Synchronmotors (2) geschlossen werden können, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremswiderstand ein nichtlinearer Bremswiderstand (60, 78, 80, 82) ist, wobei der Widerstandswert des Bremswiderstands (60) mit steigender Spannung größer wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, in der der Synchronmotor (2) von einem Frequenzwandler (3) gespeist wird, der mit einem Zwischenkreis (22, 24) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremswiderstand (60) und ein den Bremswiderstand anschließender Schalter (64) zwischen den Gleichstromleitern (22, 24) des Zwischenkreises (22, 24) des Frequenzwandlers angeschlossen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Schalter (66) versehen ist, der parallel mit dem Bremswiderstand (60) geschaltet ist, und der es erlaubt, die Ständerwicklungen des Motors (2) kurzzuschließen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, in der der Synchronmotor mit Dauermagneten magnetisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremswiderstand (60) durch einen Schalter (64) angeschlossen werden kann, der durch die elektromotorische Kraft des Motors (2) gesteuert werden kann.