DE4010376A1 - Antrieb, insbesondere einzelspindelantrieb fuer eine arbeitsstelle einer ringspinnmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb, insbesondere Einzel­ spindelantrieb für eine Arbeitsstelle einer Ringspinnmaschine, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Zum Antrieb der Spindeln einer Spinnereimaschine mit einer Viel­ zahl von Arbeitsstellen findet derzeit im wesentlichen der Tan­ gentialriemenantrieb Verwendung. Dabei wird zum Antrieb einer Vielzahl von Spindeln lediglich ein einziger Elektromotor benö­ tigt. Der Nachteil dieses Antriebstyps besteht darin, daß durch den unterschiedlichen Schlupf zwischen Tangentialriemen und An­ triebsscheibe an den einzelnen Arbeitsstellen kein vollkommen synchroner Lauf der Spindeln sichergestellt ist.

Aus diesem Grund werden in jüngster Zeit Elektromotoren ent­ wickelt, die für den Einsatz als Einzelspindelantrieb geeignet sind. Aufgrund des erforderlichen synchronen Laufs der einzelnen Motoren an den verschiedenen Arbeitsstellen kommen hierfür vor allem Synchronmotoren mit hohem Wirkungsgrad in Frage.

Die vorveröffentlichte EP-Anmeldung 03 42 452 beschreibt einen Einphasen-Induktionsmotor mit einsträngiger Statorwicklung. Der Rotor weist eine Arbeitswicklung und eine Steuerwicklung auf. Diese Wicklungen sind in Reihe geschaltet. Die Enden der Reihen­ schaltung sind über einen Triac verbunden. Am Gate dieses Triacs liegt über einen Vorwiderstand der Mittelabgriff der beiden Wicklungen. Die Statorwicklung wird mit Wechselspannung ge­ speist.

Weiterhin beschreibt die nicht vorveröffentlichte deutsche Pa­ tentanmeldung 40 05 055 einen Synchronmotor, der im Vergleich zu dem oben genannten Einphasen-Synchronmotor einen wesentlich ein­ facheren Aufbau der Rotorwicklung aufweist und eine einfachere Steuerung ermöglicht.

Nachteilig bei diesen Motoren ist, daß der zu niedrige Wir­ kungsgrad den Einsatz als Einzelspindelantrieb nicht als sinn­ voll erscheinen läßt.

Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung herkömmlicher Synchron­ motoren als Einzelspindelantrieb ist, daß bei Stillstand des Mo­ tors kein oder nur ein geringes Haltemoment auftritt, so daß bei Einwirken äußerer Drehmomente der Motor ein unkontrolliertes "Freidrehen" zeigt. Dies führt als Folge zu einem unerwünschten Verdrillen oder Krängeln des Fadens.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb zu schaffen, der einen synchronen Lauf ermöglicht und einen derart hohen Wirkungsgrad aufweist, daß er sich insbesondere als Ein­ zelspindelantrieb für Spinnereimaschinen eignet.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Außer­ trittfallen des Motors bei Überlastung und/oder Änderungen des Polradwinkels bei Drehmomentänderungen, die insbesondere bei ei­ nem Fadenbruch auftreten, zu erkennen und gegebenenfalls den Mo­ tor stillzusetzen.

Darüberhinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb zu schaffen, der im Stillstand zur Vermeidung eines un­ kontrollierten "Freidrehens" ein ausreichendes Haltemoment auf­ weist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkma­ len des Patentanspruchs 1.

Als elektromechanischer Wandler wird erfindungsgemäß ein Dreh­ strom-Synchronmotor mit radial permanent erregtem Rotor verwen­ det. Die in Form einer Stern- oder Dreieckschaltung verschalte­ ten Drehstromwicklungen des Stators werden von einem Frequenzum­ richter gespeist. In der Anlauf- und Stillsetzungsphase werden zur Erzeugung des erforderlichen hohen Drehmoments alle drei Phasen des Frequenzumrichters mittels steuerbarer, von der An­ triebssteuerung angesteuerter Schalter, auf die Drehstrom­ wicklungen des Stators geschaltet. Nach Erreichen der Betriebs­ drehzahl wird während der Betriebsphase, in der nur ein verhält­ nismäßig geringes Drehmoment bei hohem Wirkungsgrad benötigt wird, der Motor von einer Phase des Frequenzumrichters getrennt. Da zwischen den beiden verbleibenden Phasen eine sinusbewertete Spannung mit entsprechender Frequenz anliegt, verhält sich der Drehstrom-Synchronmotor in dieser Betriebsart wie ein Einphasen- Synchronmotor.

Da das Wechselfeld nach der Drehfeldtheorie in ein mitlaufendes und ein gegenlaufendes Magnetfeld halber Amplitude aufgeteilt werden kann, läuft der Synchronmotor mit dem mitlaufenden Dreh­ feld weiter, wobei dieses Drehfeld mit halber Amplitude den op­ timalen Wirkungsgrad des Motors ergibt. Das Gegendrehfeld kann durch die schlecht magnetisch leitenden Permanentmagnetmateria­ lien keine wesentlichen Verluste erzeugen.

Durch das Abtrennen einer Wicklung vom Frequenzumrichter besteht nun die Möglichkeit, die in dieser Wicklung induzierte elektri­ sche Spannung einer Auswerteeinheit zuzuführen, die zur Bestim­ mung der Drehzahl und/oder des drehmomentabhängigen Polradwin­ kels aus dem ihr zugeführten Signal dient. Diese Informationen können in der Antriebssteuerung ausgewertet werden und zur Dreh­ zahlüberwachung und Fadenbrucherkennung dienen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Frequenz und Am­ plitude der vom Frequenzumrichter erzeugten Phasenspannungen zum Anlaufen oder Stillsetzen bzw. Beschleunigen oder Bremsen des Motors entsprechend der erforderlichen Frequenz-Spannungskenn­ linie variiert.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Dreh­ stromwicklungen zum Stillsetzen des Motors mittels der steuerba­ ren Schalter kurzgeschlossen.

Bei Abschalten des Netzes oder bei Netzunterbrechung kann nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung der Motor über den Frequenzumrichter in den generatorischen Betrieb geschaltet wer­ den und die erzeugte Energie zum geordneten Abstellen des An­ triebs bzw. der gesamten Vorrichtung dienen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann bei Mehrmo­ torenbetrieb zur Ermöglichung des elektrischen Leistungsaustau­ sches zwischen den Motoren und zur symmetrischen Belastung des Frequenzumformers die abgetrennte Phase zyklisch vertauscht wer­ den. Darüber hinaus kann mehreren Motoren eine Auswerteeinheit bzw. eine Antriebssteuerung zugeordnet sein.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeich­ nung zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Antriebs nach der Erfindung mit einem Drehstrom-Synchronmotor;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Drehstrom-Synchronmotor nach der Erfindung;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Antriebs bei Mehrmotorenbetrieb.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist der Drehstrom-Synchronmotor 1 mit permanent erregtem Rotor drei Statorwicklungen W1, W2, W3 auf, deren Wicklungsachsen jeweils einen Winkel von 120° ein­ schließen. Die Wicklungen sind in dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel als Sternschaltung verschaltet. Die vorliegende Erfindung läßt sich jedoch ohne Einschränkung auf den Fall über­ tragen, daß die Drehstromwicklungen als Dreieckschaltung ver­ schaltet sind. Die freien Enden der Wicklungen sind über steuer­ bare Schalter S1, S2, S3 mit den drei Phasen r, s, t des Fre­ quenzumrichters 2 verbunden.

Die Steuereingänge der Schalter sind mit der Antriebssteuerung 3 verbunden, die zur Steuerung sämtlicher Vorgänge, wie das Hoch­ fahren und Stillsetzen des Motors sowie zur Drehzahlstellung dient.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Drehstrom-Synchronmotor 1 nach der Erfindung mit einem aus dem Eisenblechpaket 5 und aus den Drehstromwicklungen W1, W2, W3 bestehenden Stator und mit dem aus Permanentmagneten 6 und aus dem den magnetischen Eisenrück­ schluß bewirkenden Teil 7 bestehenden Rotor. Der wesentliche Un­ terschied im Vergleich zu herkömmlichen Drehstrom-Synchron­ motoren mit diametraler Magnetisierung besteht in der radialen Magnetisierung des permanent erregten Rotors, wie in Fig. 2 dar­ gestellt.

Nachfolgend wird der praxisgerechte Betrieb des oben beschriebe­ nen Antriebs erläutert.

Zum Hochfahren des Antriebs aus dem Stillstand steuert die An­ triebssteuerung 3, auf ein externes Anforderungssignal hin, die Schalter S1, S2, S3 so an, daß alle drei Phasen r, s, t des Fre­ quenzumrichters 2 auf die Drehstromwicklungen des Synchronmotors durchgeschaltet sind. Die Frequenz und Amplitude der vom Fre­ quenzumrichter erzeugten Phasenspannungen wird in dieser Anlauf­ phase sowie überhaupt zum Erreichen einer Drehzahländerung des Motors entsprechend der erforderlichen Frequenz-Spannungskenn­ linie variiert. Das während der Anlaufphase benötigte hohe Dreh­ moment wird, allerdings auf Kosten eines ungünstigen Wirkungs­ grades, durch diesen Dreiphasenbetrieb erzeugt.

Nach dem Erreichen der Betriebsdrehzahl steuert die Antriebs­ steuerung 3 den Schalter S3 so an, daß die Wicklung W3 von der Phase t getrennt wird und die Spannung U_i der Auswerteeinheit 4 zugeführt wird. Durch das Abtrennen einer Phase liegt an den beiden anderen Klemmen des Motors nur noch eine Wechselspannung an, so daß sich der Drehstrom-Synchronmotor in dieser Betriebs­ art wie ein Einphasen-Synchronmotor verhält. Das von den Stator­ wicklungen erzeugte Wechselfeld mit konstanter Richtung kann nach der Drehfeldtheorie in ein mitlaufendes und ein gegenlau­ fendes Magnetfeld mit halber Amplitude aufgeteilt werden, so daß der Synchronmotor mit dem mitlaufenden Drehfeld weiterläuft. Dieses Drehfeld mit halber Amplitude ergibt den optimalen Wir­ kungsgrad des Motors, da das Gegendrehfeld durch die schlecht magnetisch leitenden Permanentmagnetmaterialien keine wesentli­ chen Verluste erzeugt.

Die der Auswerteeinheit 4 zugeführte Spannung U_i setzt sich aus der in der Wicklung W3 induzierten und aus der über die Wicklung W2 anliegenden Spannung zusammen. Die Auswerteeinheit 4 ermit­ telt aus diesem Signal die Synchron- bzw. Asynchrondrehzahl und den lastabhängigen Polradwinkel des Motors und führt diese der Antriebssteuerung 3 zu. Die Antriebssteuerung 3 kann somit Ab­ weichungen der Istdrehzahl von der Solldrehzahl, d. h. ein Außer­ trittfallen des Motors, und Änderungen des Polradwinkels bei Lastwechseln, wie z. B. bei einem Fadenbruch, ermitteln und in Abhängigkeit von der ermittelten Abweichung den Frequenzumformer 2 so ansteuern, daß eine Stillsetzung des Motors erfolgt.

Die Stillsetzung des Motors kann, außer durch die Änderung der Spannung und Frequenz der Phasenspannungen, durch Kurzschließen der Drehstromwicklungen erfolgen: Wird der Antriebssteuerung 3 ein Signal zur Stillsetzung des Synchronmotors zugeführt, so steuert diese die Schalter S1, S2, S3 so an, daß die Drehstrom­ wicklungen kurzgeschlossen werden und die in den Wicklungen in­ duzierten Ströme Magnetfelder erzeugen, die ihrerseits das er­ forderliche Bremsmoment hervorrufen.

Im Stillstand des Motors tritt durch die bevorzugte Verwendung eines radial permanent erregten Rotors ein - im Vergleich zu üb­ licherweise verwendeten Rotoren mit Diametralmagnetisierung - relativ hohes Haltemoment auf, das sich durch Gleichstrombe­ stromung der Drehstromwicklungen noch erhöhen läßt. Dies kann ebenfalls durch die entsprechende Ansteuerung der Schalter und des Frequenzumformers (mit Frequenz Null) durch die Antriebs­ steuerung 3 erreicht werden. Durch das auf diese Weise erzeugte Haltemoment bei Motorstillstand wird ein unkontrolliertes "Frei­ drehen", hervorgerufen durch äußere, auf den Rotor wirkende Drehmomente verhindert. Bei Verwendung eines derartigen Antriebs als Einzelspindelantrieb an einer Arbeitsstelle einer Ringspinn­ maschine wird somit ein Verdrillen oder Krängeln des Fadens durch unkontrollierte Drehbewegungen des Rotors bei Stillstand des Motors verhindert.

Darüber hinaus kann die Antriebssteuerung 3 eine Vorrichtung zur Überwachung der Netzspannung beinhalten, so daß bei Ausfall oder Abschalten des Netzes die Schalter S1, S2, S3 so angesteuert werden können, daß alle drei Phasen des Frequenzumrichters auf die Wicklungen durchgeschaltet sind. Zusätzlich wird in diesem Fall der Frequenzumrichter 2 in den generatorischen Betrieb ge­ schaltet. Die erzeugte Energie kann dann z. B. zum geordneten Abstellen des Antriebs bzw. der gesamten Vorrichtung, in die der Antrieb integriert ist, verwendet werden.

Der in Fig. 3 dargestellte Antrieb ist bis auf den Schalter S4, der zur zusätzlichen Abtrennung der Wicklung W3 vom gemeinsamen Bezugsknoten U aller Wicklungen während der Betriebsphase dient, mit dem in Fig. 1 dargestellten Antrieb identisch. Während der Betriebsphase steuert die Antriebssteuerung 3 den Schalter S4 so an, daß dieser in den nicht geschlossenen Zustand geschaltet wird. Zusätzlich wird der Schalter S3 so angesteuert, daß der Auswerteeinheit 4 die Spannung U′_i zugeführt wird. Diese Span­ nung ist gleich der in der Wicklung W3 induzierten Spannung. Aus diesem Signal kann im Vergleich zur Spannung U_i des in Fig. 1 dargestellten Antriebs die Synchron- bzw. Asynchrondrehzahl und der lastabhängige Polradwinkel auf einfachere Weise ermittelt werden, da dieser Spannung nicht die über die Wicklung W2 anlie­ gende Spannung überlagert ist.

In Fig. 4 ist der Betrieb mehrerer derartiger synchron laufender Antriebe, wie zum Beispiel im Fall einer Spinnereimaschine, dar­ gestellt. Analog zu den oben beschriebenen Einzelantrieben ist jeder Synchronmotor über die Schalter S1, S2, S3 mit den Phasen r, s, t des Frequenzumrichters 2 verbunden. Zur Ermöglichung des elektrischen Leistungsaustausches zwischen den Motoren und zur symmetrischen Belastung des Frequenzumformers wird die während der Betriebsphase abgetrennte Phase zyklisch vertauscht. Auf die Darstellung der Antriebssteuerung 3, der Auswerteeinheit 4 sowie die Ansteuerung der einzelnen Schalter und die Rückführung der in den abgetrennten Wicklungen induzierten Spannungen zur Dreh­ zahl- und Polradwinkelermittlung wurde der Übersichtlichkeit halber verzichtet.

Zur Reduzierung des Aufwands kann dabei eine gemeinsame Aus­ werteeinheit bzw. eine gemeinsame Antriebssteuerung mehreren Mo­ toren zugeordnet sein. Die Verbindung zwischen der Antriebs­ steuerung und den Motoren bzw. zwischen den Motoren und der Aus­ werteeinheit kann in vorteilhafter Weise durch übliche Multi­ plex-/Demultiplex-Übertragungsverfahren oder durch die Übertra­ gung der Signale auf einen gemeinsamen Bus erfolgen.

Damit wird erfindungsgemäß ein Antrieb geschaffen, der sich we­ gen des hohen Wirkungsgrades in der Betriebsphase auch als Ein­ zelspindelantrieb für eine Arbeitsstelle einer Ringspinnmaschine eignet. Durch die Verwendung eines radial permanent erregten Ro­ tor ergibt sich bei Motorstillstand ein hohes Haltemoment, wo­ durch das unkontrollierte "Freidrehen" bei Motorstillstand ver­ hindert wird. Darüberhinaus werden gleichzeitig das Außertritt­ fallen des Motors bei Überbelastung und Änderungen des Polrad­ winkels bei einem Lastwechsel erkannt. Der Antrieb übernimmt so­ mit zusätzlich die Aufgabe eines Fadenbruchdetektors.

Claims (14)

1. Antrieb, insbesondere Einzelspindelantrieb für eine Arbeits­ stelle einer Ringspinnmaschine, bestehend aus

• - einem Synchronmotor und
• - einem Frequenzumrichter zur Drehzahlstellung, dadurch gekennzeichnet, daß
• - der Synchronmotor als Drehstromsynchronmotor (1) mit per­ manent erregtem Rotor ausgebildet ist und daß
• - von der Antriebsteuerung (3) ansteuerbare Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) vorhanden sind, mit deren Hilfe
• - bei hohem erforderlichem Drehmoment in der Anlauf- und Stillsetzungsphase alle drei Phasen des Frequenzumrich­ ters (2) auf die in Stern- oder Dreieckschaltung geschal­ teten Drehstromwicklungen (W1, W2, W3) durchgeschaltet werden und
• - zur Steigerung des Wirkungsgrades bei geringem erfor­ derlichen Drehmoment während der Betriebsphase nach dem Erreichen der Betriebsdrehzahl eine der Drehstromwick­ lungen von der zugehörigen Phase getrennt wird.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor zur Erhöhung des Haltemoments bei Stillstand des Motors als radial permanent erregter Rotor ausgebildet ist.

3. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Haltemoment bei Stillstand des Motors durch Gleichstrombe­ stromung der Drehstromwicklungen vergrößert wird.

4. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Frequenz und Amplitude der durch den Frequenzumrichter (2) erzeugten Phasenspannungen des Drehstromsystems zum Anlaufen oder Stillsetzen bzw. Beschleunigen oder Bremsen des Motors ent­ sprechend der erforderlichen Frequenz-Spannungskennlinie variiert werden.

5. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Frequenz und Amplitude der durch den Frequenzumrichter (2) erzeugten Phasenspannungen des Drehstromsystems von der Antriebssteue­ rung (3) einstellbar sind.

6. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Stillsetzen des Motors (1) die Drehstromwicklungen (W1, W2, W3) mittels der steuerbaren Schaltelemente (S1, S2, S3) kurzge­ schlossen werden.

7. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ab­ schalten des Netzes oder bei Netzunterbrechung der Motor (1) über den Frequenzumrichter (2) in den generatorischen Betrieb geschaltet wird.

8. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des steuerbaren Schalters (S3) die Summe aus der in der abge­ trennten Wicklung induzierten Spannung und aus der über eine der beiden nicht-abgetrennten Wicklungen anliegenden Spannung der Auswerteeinheit (4) zur Ermittlung der Synchron- bzw. Asynchrondrehzahl und/oder des lastabhängigen Polradwinkels des Motors zugeführt wird.

9. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der steuerbaren Schalter (S3, S4) die in der abgetrennten Wicklung induzierte Spannung der Auswerteeinheit (4) zur Er­ mittlung der Synchron- bzw. Asynchrondrehzahl und/oder des lastabhängigen Polradwinkels des Motors zugeführt wird.

10. Antrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Auswerteeinheit (4) bestimmte Information über den Betriebszustand des Motors der Antriebssteuerung (3) zu­ geführt wird.

11. Antrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebssteuerung (3) die mittels der Auswerteeinheit (4) be­ stimmte Drehzahl mit der Solldrehzahl vergleicht und abhängig von der ermittelten Abweichung den Frequenzumformer (2) so ansteuert, daß eine Stillsetzung des Motors erfolgt.

12. Antrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebssteuerung (3) Änderungen des mittels der Auswerte­ einheit (4) bestimmten Polradwinkels erkennt und abhängig von der ermittelten Abweichung den Frequenzumformer (2) so an­ steuert, daß eine Stillsetzung des Motors erfolgt.

13. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrmotorenbetrieb zur Ermöglichung des elektrischen Leistungsaustausches zwi­ schen den Motoren und zur symmetrischen Belastung der Dreh­ stromquelle die abgetrennte Phase zyklisch vertauscht wird.

14. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehreren Motoren eine gemeinsame Auswerteeinheit und eine gemeinsame Antriebs­ steuerung zugeordnet ist.