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Die Erfindung bezieht sich auf eine SteuerschaltungfUr in einer Ringschaltung angeordnete Halbleiter- schalter bei Phasenwicklungen eines Stromrichtermotors.
Die Erfindung kann zur Steuerung der Kommutatoren von Gleich- bzw. Wechselstromrichtermotorensowie zur Kontrolle der Phasenübereinstimmung des Laufes von elektrischen Synchronmotoren verwendet werden.
Bekannt sind Einrichtungen zur Messung der Winkelstellung des Läufers des Synchronmotors, welche einen
Sondergeber der Läuferstellung, z. B. einen transformatorischen bzw. induktiven Geber enthält, der auf der gleichen Welle mit dem Motor sitzt. In diesen Einrichtungen wird die Grösse der Hüllkurve des HF-Stromes ge- messen, der durch die Wicklungen des Stellungsgebers fliesst.
Bekannt sind auch Stromrichtermotoren, welche einen Mehrphasen-Synchronmotor, einen ringförmigen
Kommutator für die Kommutierung des Stromes in den Phasenwicklungen des Motors in Abhängigkeit von der Läuferstellung und eine Einrichtung zur Messung der Winkelstellung des Läufers enthalten.
Der Nachteil der genannten Einrichtungen besteht darin, dass in diesen ein Sondergeber der Läuferstellung des Motors verwendet wird, der einen zusätzlichen Aufwand verursacht und die Betriebssicherheit verringert.
Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung des genannten Nachteiles.
DerErfindung ist die Aufgabe zugrunde gelegt, eine Steuerschaltung der eingangs umrissenen Art zu schaffen, welche jedoch ihrer Konstruktion nach einfacher ist und die an schwer zugänglichen Stellen von Geräten, z. B. in Kreiseln, Elektrotiefbohrgeräten u. a. m. untergebracht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass durch elektronische Komparatoren, mit deren Schaltstrecken jeweils die Phasenwicklung des Motors über HF-Sperrfilter an die Quelle einer NF-Spannung schaltbar ist, und durch elektronische Umschalter, mit deren Schaltstrecken jeweils die Phasenwicklung des Motors über ein NF-Sperrfilter an die Quelle einer HF-Spannung schaltbar ist.
Es ist zweckmässig, die Kapazität des Kondensators des NF-Sperrfilters so zu bemessen, dass dieses in Resonanz mit der minimalen Grösse der Induktivität der Phasenwicklung im HF-Bereich ist. Dies erweitert den Bereich der Änderung des HF-Stromes.
Vorteilhaft ist es auch die Schaltung mit einem Umschalter zu versehen, der die Phasenwicklungen aufeinanderfolgend mit der HF-Spannungsquelle verbindet, dadurch wird die Möglichkeit der Verwendung der Einphasenquelle der HF-Spannung gewährleistet.
In dem Stromrichtermotor kann der Umschalter, der die Phasenwicklungen des Motors aufeinanderfolgend mit der HF-Spannungsquelle verbindet, von Magnetverstärkern gebildet sein, die Steuerwicklung eines jeden von ihnen kann in den Stromkreis der Ringschaltung geschaltet und die Wechselstromwicklung über die HF-Spannungsquelle und über das NF-Sperrfilter mit ihrem einen Ende an die entsprechende Phasenwicklung des Motors, und mit ihrem zweiten Ende an den elektronischen Komparator angeschlossen ist, wobei parallel zu diesem ein weiterer Halbleiterschalter geschaltet ist, der mit dem in der Ringschaltung angeordneten Halbleiterschalter verbunden ist.
Um die Betriebsstabilität der in der Ringschaltung angeordneten Halbleiterschalter durch die Beseitigung von Fehlauslösungen, welche durch die Schaltvorgänge in dem Stromkreis der HF-Spannungsquelle hervorgerufen werden, steigern zu können, ist es zweckmässig, zwischen dem elektronischen Komparator und den weiteren Halbleiterschalter eine RC-Sperrkette einzuschalten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung folgen aus der nachstehenden Beschreibung von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen, in der Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Steuerschaltung des Läufers eines elektrischen Synchronmotor, der als kollektorloser Gleichstrommotor arbeitet, Fig. 2 ein genaueres Schaltbild der Schaltung nach Fig. 1 und 3 den Verlauf der Änderung der Hüllkurve des HF-Stromes in den verschiedenen Phasenwicklungen des Motors als Funktion des Drehwinkels seines Läufers zeigt.
Nach Fig. 1 sind zur Messung der Winkelstellung des Läufers des elektrischen Synchronmotor an seine Phasenwicklungen-l, 2 und 3-- über die Kondensatoren-4, 5 und 6--, welche NF-Sperrfilter darstellen, die Sekundärwicklungen --7, 8 und 9-- eines Trenntransformators angeschlossen sind, dessen Primärwicklung
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-10-- an eine HF -S pannungsquelle --11-- angeschlossenparatoren --15, 16 und n-geschaltet, welche den HF-Strom mit dem vorgegebenen Wert vergleichen.
Die Kraftquelle der NF-Spannung stellt eine Speisequelle --18-- der Gleichspannung dar, die an die Phasenwicklungen-l, 2 und 3-- durch Schalter --19, 20 und 21-- eines Kommutators angeschlossen wird. In die durch die Quelle --18-- der Gleichspannung und die Phasenwicklungen-l, 2 und 3-- gebildeten Stromkreise sind HF-Sperrfilter-22, 23 und 24-- eingeschaltet, welche als parallelgeschaltete Spulen und Kondensatoren ausgeführt sind.
Die Schalter --12, 13 und 14-- des Umschalters und die Schalter --19, 20 und 21-- des Kommutators sind paarweise, u. zw. der Schalter --12-- mit dem Schalter der Schalter --13-- mit dem Schalter - -20--, und der Schalter --14-- mit dem Schalter --21-- gekoppelt, wobei jedes Paar durch das Steuersignal der Ausgangsklemmen --25, 26 und 27-der elektronischen Komparatoren --15 bis 17-synchron umgeschal- tet wird.
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Um mit geringer HF-Leistung auszukommen, sind die Kapazitäten der Kondensatoren --4, 5 und 6-- so festgelegt, dass sie mit dem minimalen Wert der Induktivität der entsprechenden Phasenwicklung-l, 2 bzw.
3-- einen Resonanzkreis bilden.
Am deutlichsten treten die Vorteile der vorgeschlagenen Steuerschaltung bei ihrer Verwendung in der
Schaltung des Stromrichtermotors nach Fig. 2 hervor, die einen elektrischen Mehrphasen-Synchronmotor mit Phasenwicklungen-1, 2 und 3-- aufweist, an welche über die die NF-Sperrfilter darstellenden Kondensato- ren-4, 5 und 6-die Sekundärwicklungen-7, 8 und 9-- des Trenntransformators angeschlossen sind.Die Pri- märwicklung --10-- dieses Transformators ist an die HF-Spannungsquelle (in Fig. 2 nicht wiedergegeben) an- geschlossen. Der Kommutator des Stromrichtermotors enthält Kommutatorschalter, welche als Seriendioden --28, 29 und 30-und Tyristoren-31, 32 und 33-- mit Kommutierungskondensatoren --34, 35 und 36-- ausgeführt sind.
Der Umschalter, der die Phasenwicklungen des Motors aufeinanderfolgend mit der HF-Spannungsquel- le verbindet, ist von Magnetverstärkern --37, 38 und 39-- gebildet, die zwischen den Sekundärwicklungen - 7 bis 9-- des Trenn-Transformators und den elektronischen Komparatoren geschaltet sind, die als Dioden --40, 41 und 42-- und parallel zu diesen geschalteten Transistoren --43, 44 und 45-- ausgeführt sind. Der
Wert der Diodenströme wird durch die Widerstände --46, 47 und 48-- festgelegt.
Zwischen den Dioden --40 bis 42-- und den Seriendioden --28 bis 30-- sind in jeder Phase die Sperr- stromkreise aus Kondensatoren --49, 50 und 51-- mit in Reihe geschalteten Widerständen --52, 53 und 54 -- geschaltet.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Steuerschaltung beruht auf der Änderung des induktiven Widerstan- des der Phasenwicklung des elektrischen Synchronmotors für die HF-Ströme als Funktion des Läuferdrehwin- kels gegenüber der Phasenwicklung.
Unter der Annahme, dass die Schalter-12 und 19-- (Fig. l) eingeschaltet sind, fliesst durch die Phasen- wicklung-l-des Motors ein NF-Strom von der Quelle --18-- der Gleichspannung und unter Einwirkung der
Spannung an der Sekundärwicklung --7 -- des Transformators ein HF-Strom.
Die NF-Stromgrösse ist viel grösser als die des HF-Stromes und daher wird das elektromagnetische Moment des Motors durch die Zusammenwirkung des Feldes des Motorläufers (auf den Zeichnungen nicht wiedergege- ben) mit der NF-Komponente des Stromes der Phasenwicklung-i-des Motors bestimmt. Der Motorläufer wird sich unter Einwirkung dieses Momentes drehen, infolgedessen sich die Induktivität der Motorphase und entsprechend der durch den elektronischen Komparator --15-- fliessende HF-Strom ändern werden. Bedingt durch das HF-Sperrfilter-22-- wird der HF-Strom durch den Wert des induktiven Widerstandes der Phasen- Wicklung-l-des Motors bestimmt.
Je grösser die Differenz zwischen den induktiven Widerständen in der Längs- --Xd-- und der Querachse-Xq--des Motors ist, desto grösser wird der Änderungsbereich des HFStromes sein. Um diesen Bereich zu erweitern, ist die Kapazität des Kondensators-4-des NF-Sperrfilters so festgelegt, dass dieser mit dem minimalen Wert der Induktivität der Phasenwicklung-l-des Motors einen Serienresonanzkreis bildet.
Die Änderung des HF-Stromes wird für die Änderung der Läuferstellung ausgenutzt. DieDrehungdes Läufers um eine Polteilung entspricht einer Periode der Änderung des HF-Stromes.
Um ein Steuersignal zu erhalten, das den Zeitpunkt des Passierens des Motorsläufers durch die vorgegebene Winkelstellung angibt, wird der HF-Strom mit dem vorgegebenen Stromwert verglichen, wobei die Zeitpunkte ihrer Gleichheit mit Hilfe des elektronischen Komparators --15--, erfasst werden, s. Fig. 3, wo- bei der Zeitpunkt-t ;- der Überschreitung des vorgegebenen Stromwertes --I0-- durch den HF-Strom --I1-einer Phase festgestellt wird.
Bei der Zuführung der HF-Spannung zu einer Phase des Motors kann das Passieren des Läufers gegenüber nur einen Punkt auf der Polteilung des Motors erfasst werden.
Bei der Verwendung zur Messung der Winkelstellung des Läufers benötigt man für die Steuerung des Kommutators des Stromrichtermotors zwischengelagerte Punkte auf der Polteilung, die um 60 bzw. 1200 verschoben sind. Dazu werden die Wicklungen anderer Phasen des Motors ausgenutzt, die über die entsprechenden den auf Fig. 1 gezeigten analogen Filter und Komparatoren an eine Mehrphasen-HF-Spannungsquellean- zuschliessen sind.
In diesem Falle werden am Ausgang der Komparatoren --15, 16 und 17-- Steuersignale in den Zeitpunk - ten auftreten, die bei der Läuferdrehung des Motors um 60 bzw. 1200 verschoben sind. Die MehrphasenHF-Spannungsquelle besitzt jedoch eine komplizierte Schaltung.
Die gleichzeitige Verbindung der Phasenwicklungen des Motors mit der Einphasen-HF-Spannungsquelle (die Schalter --12, 13 und 14-- sind gleichzeitig geschlossen) führt bei der gegenläufigen Richtung der magnetomotorischen Kräfte der drei Phasen zum Verschwinden der Modulation des Phasenstromes bei Änderung der Winkelstellung des Läufers und bei der gleichsinnigen Richtung der magnetomotorischen Kräfte der drei Phasen erfolgt die Verschiebung der Hüllkurve des HF-Stromes --I'2 und I'3-- (Fig.3) in zwei Phasen des Motors um 300. Dies ist dadurch hervorgerufen. dass die Achse der Phasenwicklungen --2 und 3-- (Fig. l) im letzteren Falle in einem Winkel von 60 gegenüber der Resultierenden der Achse der magnetomotorischen Kraft des Motors steht.
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Um dies zu vermeiden, wird die HF-Spannung aufeinanderfolgend den Phasenwicklungen des Motors zugeführt, wobei die Schalter --12, 13 und 14-- nacheinander geschlossen werden. In diesem Falle werden sich bei
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ximalen elektromagnetischen Momentes des Motors geschaffen wird.
Die Läuferdrehung wird in diesem Falle von der Verschiebung des HF-Messfeldes und von der Verschiebung des elektromagnetischen NF-Kraftfeldes begleitet.
In Fig. l ist die Schaltung der Steuerschaltung eines kollektorlosen Gleichstrommotors dargestellt, in der der induktive Widerstand --Xd-- in der Längsachse kleiner als der induktive Widerstand der Phasenwicklung in der Querachse-Xq (Xd X-) ist, z. B., des Motors mit dem Läufer aus Dauermagnet in Sternschaltung mit Aluminiumfüllung.
Es sei angenommen, dass die Einschaltung der Schalter --12 und 19-- in dem Zeitpunkt--t,-- (Fig. 3) erfolgt. Unter Einwirkung des elektromechanischen Momentes wird sich der Motorläufer drehen und das Drehmoment vergrössern und seinen Maximalwert dann erreichen, wenn sich die Leiter der Phasenwicklung-I- (Fig. l) unter der Polachse befinden werden, also in der Stellung, welche der Messung des induktiven Widerstandes in der Querachse-Xq-des Motors entspricht.
Da-Xd < Xq-kommt es zur Stromverminderungim Reihenmesskreis :Motorwicklung--1--,Kondensator--4--,Transformatorwicklung--7--,Komparator--15--, Infolge der Resonanzabstimmung des Kondensators --4-- und des induktiven Widerstandes --Xd-- in der Längsachse wird sich der HF-Strom beträchtlich verkleinern und der Strom --11-- viel kleiner als der vorgegebene Wert des Stromes-I- sein.
Nach dem Passieren des Läufers durch den Zeitpunkt--t,--beginnt sich der EF-Strom wieder zu
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am Ausgang-25-- des Komparators-15-- wirdPhasenwicklung --2-- sich solange wiederholen, bis das Steuersignal am Ausgang --26-- des Komparators - 16-die Schalter-14 und 21-- ein- und die Schalter --13 und 20-ausschaltet.
Bei der Verwendung eines elektrischen Motors, in dem-Xd > X-, werden für die Konstanthaltung des elektromechanischen Momentes die Schalter --19 und 13,20 und 14,21 und 12-- gleichzeitigeingeschal- tet und der Ausgang --25-- des Komparators --15-- muss mit dem Schalterpaar --19, 13--. der Ausgang-86- des Komparators --16-- mit dem Schalterpaar-20, 14- undderAusgang-27-des Komparators-17- mit dem Schalterpaar-21, 12-- verbunden werden. Nach Fig. 2 arbeitet der Stromrichtermotor, fwie folgt.
Bei der Einschaltung des Motors kommt der Auslöseimpuls zu einem beliebigen Thyristor des Kommutators von der Anlassvorrichtung (in der Schaltung nicht gezeigt). Es wird eine der Phasen-l-des Motors eingeschaltet. Dabei sättigt sich der Magnetverstärker --37--, dessen Steuerwicklung in den Stromkreis des Thyristors --31-- eingeschaltet ist.
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derübersteigt jedoch der HF-Strom des Messkreises der Motorphase die Stromgrösse-I ,-des Stromes, der durch die Diode-40- (Fig. 2) fliesst und beginnt über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors --43-- zu fliessen, wobei er diesen durchschaltet und einen Steuerimpuls an den Thyristor --32-- der benachbarten Phase abgibt.
Hiebei wird der Thyristor gezündet, sein Strom sättigt den Magnetverstärker --38--, der Thyristor --31 -- schaltet sich mittels des Kommutierungskondensators-34-ab. Das Motormoment hat dasselbe Vorzeichen wie früher und die Drehung erfolgt in der gleichen Richtung.
Mit der Einschaltung des Thyristors --32-- vergrössert der Ladestrom des aus Widerstand --53-- und Kondensator --50-- bestehenden Sperrkreises den Strom der Diode --41--, was eine Fehlsteuerung des Transistors - verhindert. Es erfolgt also eine ringförmige Umschaltung der Kraft- und Steuerstromkreise Die Zeitpunkte der Umschaltung des Kommutators des Umschalters der Einrichtung zur Messung der Winkelstellung des Läufers werden durch den Strom der Dioden --40 bis 42-- fixiert. Der Komparator dient hier gleichzeitig als Leistungsverstärker. Die Steuerung der Motordrehzahl erfolgt durch die Voreinstellung der Gleichspannung bzw. des Stromes des für den Komparator mittels der Widerstände 46 bis 48.
Bei einer vorteilhaften Drehzahlregelung des Motors wird der Steuerblock mit einem zusätzlichen Komparator versehen und der Kommutator ist daher mit einem zusätzlichen den Motor von dem Netz abschaltenden Schalter (in den Zeichnungen nicht wiedergegeben) ausgestattet.
In diesem Fall wechseln die Zeitpunkte der Einschaltung der Phasenwicklungen --1 bis 3-- des Motors mit den Zeitpunkten ab, in denen sich der Motor ganz von dem Stromnetz abschaltet.
Zur exakteren Regelung muss die Mitte der Zeitspanne, in der die Phase abgeschaltet ist, auf die Zeit-
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Komparator und die Abschaltung des Motors von dem Stromnetz und die Umschaltung des Umschalters der Ein- richtung zur Messung der Winkelstellung des Läufers durch den Komparator in den Zeitpunkten-t , t -.
Bei einer solchen Regelung des Motors werden der Kommutator und der Umschalter derSteuerschaltungge- trennt ausgeführt, da die Messkreise nicht ganz von dem Motor abgeschaltet werden dürfen.
Bei der Verwendung der vorgeschlagenen Steuerschaltung werden an den Motor keine zusätzlichen Leiter angeschlossen, es sind nur drei Motorleitungen und eine Speiseleitung notwendig. Die Synchronmaschinen mit ungleichen Widerstandswerten in der Längs- --Xd-- und Querachse --Xq-- sind weit verbreitet, und dieVer- wendung der vorgeschlagenen Steuerschaltung gestattet es, die Konstruktion dieser Maschinen zu vereinfa- chen.
PATENTANSPRÜCHE :
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strecken jeweils die Phasenwicklung des Motors (1, 2, 3) über ein NF-Sperrfilter (4, 5, 6) an die Quelle (11) einer HF-Spannung schaltbar ist.