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Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines aus einer Gleichspannungsquelle
über kontaktlose Schaltelemente gespeisten Mehrphasenwechselstrommotors Die Erfindung
bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines aus einer Gleichspannungsquelle
über kontaktlose Schaltelemente gespeisten Mehrphasenwechselstrommotors mit einem
Wicklungspaax je Phase. Die Teilwicklungen wirken einander magnetisch entgegen
und liegen über je ein kontaktloses Schaltelement in WechseInchterschaltung
parallel an der Gleichspannung. Fexner enthält die Anordnung einen ausgangsseitig
an die Steuerkreise aller Schalteleinente angeschlossenen Rechteckwellengenerator,
dessen Frequenz die Motordrehzahl bestimmt und dessen Ausgangsimpulse die kontaktlosen
Schaltelemente im Sinn einer Drehfelderzeugung durch die Teilwicklungen zyklisch
aufeinanderfolgend in den leitfähigen Zustand steuern, indem die jeweiligen, den
einzelnen Schaltelementen zugeoTdnete,n Steuerkreise in Abhängigkeit vom zeitlich
vorhergehenden Schaltzustand anderer Teilwicklungsstromkreise zyklisch aufeinanderfolgend
für das Einwirken der Ausgangsimpulse auf die Steiierglieder der Schaltelemente
freigegeben weixIen. Eine deraxtige Anordnung ist bekannt aus »Elektrowelt/ Ind,ustrie-Elekt#rik«,
1961, Nr. B 7, S. 170, 171.
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Zur Drehzahlsteuerung ist es bekannt, Speisefrequenz und Speisespannung
zu ändern. Es sind bereits Asynchronumrichtermaschinen vorgeschlagen worden, bei
denen der Motor über eine große Anzahl steuerbarer Stromrichter, beispielsweise
24 oder 36,
aus einem Drehstromnetz versorgt wird. Die einstellbare Drehzahl
liegt hier stets unter der synchronen Drehzahl. Diese Anordnungen sind wegendes
relativ großen Aufwandes vor allem für Maschinen hoher Leistung bestimmt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wechselstrommotoren
hoher Drehzahl, die zudem drebzahlsteuerbarsein sollen, zu schaffen. Vonbesonderem
Interesse sind hierbei Induktionsmotoren.
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Die Motorwicklungen können nach der britischen Patentschrift
398 798 jeweils in zwei Hälften aufgeteilt sein, deren Mittelpunkt einen
Sternpunkt bildet und an -einen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist,
während die, freien Enden nach Art eines Parallelwechselrichters über Stromrichterventile,
denen ein Löschkondensator zugeordnet ist, an den anderen Pol der Gleichspannungsquelle
angeschlossen sind. Wird eines der Stromrichterventile geöffnet, so wird der angeschlossenen
Teilwicklung ein Gleichstromimpuls zugeführt. Die Reihenfolge der Stromimpulse in
den Teilwicklungen wird so gewählt, daß ein Drehfeld entsteht.
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Die Gleichstromimpulse können nach einem Vorschlag des älteren deutschen
Patentes 1234 843 auch jeweils von einem Schaltelement einer bistabilen Kippschaltung
geliefert werden, deren Schaltzustand von einem Impulsgenerator bestimmt wird. Die
den einzelnen Schaltelementen zugeordneten Steuerkreise werden in Abhängigkeit vom
zeitlich vorhergehenden Schaltzustand anderer Wicklungsstromkreise zyklisch aufeinanderfolgend
für das Einwirken der Ausgangsimpuls#e auf die Steuergliederder Schaltelemente freigegeben.
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Nach der deutschen Auslegeschrift 1080 212 können die Motorwicklungen
an besondere kontaktlose Schaltelemente in Drehstrom-Brückenschaltung angeschlossen
sein, die von bistabilen Kippschaltungen gesteuert werden. Diese Kippkreis,e worden
abwechselnd von einem Impulsgenerator umgesteuert. Die einzelnen Kippkreise werden
in Abhängigkeit vom Schaltzustand des Ausgangskreises des diesem zeitlich vorgeordneten
Kippkreises geschaltet.
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Demgegenüber ist die Erfindung bei der eingangs geschilderten Anordnung
darin zu sehen, daß Thyristoren als Schaltelemente verwendet sind, in deren
je-
weiligem Steuerkreis je ein von der Spannung der jeweils vorhergehenden
stromdurchflossenen Teilwicklung gesteuerter Transistor eingeschaltet ist, der die
Ausgangsspannung des Rechteckwellengenerators an das Steuerglied des nächstfolgenden
Thyristors durchschaltet. Die Thyristoren worden somit in Ab-
hängigkeit von
der elektromotorischen Kraft des Motors gesteuert, und man erhält auch ohne mechanische
Kopplung eine drehwinkelabhängige Steuerung. Diese Art der Steuerung ermöglicht
eine Drehzahländerung allein durch Spannungsänderung, und die Maschine hat kein
Kippmoment. Die Wechselstrommaschlne
erhält somit die Charakteristik
einer Gleichstrom-Nebenschlußmaschine.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben werden, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind.
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F i g. 1 zeigt eine Anordnung zur Steuerung der Drehzahl
eines Zweiphasenmotors. Der Motor ist mit vier Wicklungen W" W2, W3, W4 versehen.
Jeweils zwei Wicklungen sind über zwei Thyristoren SI, S2
bzw. S"
S4 in Wechselrichterschaltung parallel an die Speisegleichspannung
U gelegt. Mit CL sind die Löschkondensatoren bezeichnet. Sämtliche
Wicklungen haben einen gemeinsamen Anschlußpunkt, der mit einem Gleichspannungspol
verbunden ist. In Reibe mit den Thyristoren liegen Ventile V" V2, v3 V4 zur Unterdrückung
von Störschwingungen.
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ieder Wicklung kann vorteilhaft ein Spannungsteiler parallel geschaltet
sein, an dem die Steuerspannung für Transistoren Tj, T21 T3 und T4 abgenommen
werden kann. Die Transistoren dienen dazu, die vom Rechteckwellengenerator RG gelieferten
Impulse an die Steuexkreise der Thyristoren durchzuschalten.
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Der Rechteckwellengenrator RG kann in der Schaltung eines Transistor-Oszillators
ausgeführt sein. Der Ausgangstransformator A T ist mit vier
Wicklungen ATJ> AT., AT., AT4 vorsehen, die den einzelnen Thyristoren Si
NS S4 zugeordnet sind. Zur Potentialtrennung liegen in den Steuerkreisen
der Thyristoren noch Impulstransformatoren JT" JT2, fT3, JT4.
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Die den Wicklungen parallelgeschalteten Spannungsteiler sind, wie
aus Fig. 1 hervorgeht, jeweils mit dem nachfolgenden Transistor verbunden;
vgl. A,
B, C, D. In einem der Transistorkreise, im Ausführungsbeispiel
im Kreis des TransistoTs T4, ist noch eine Möglichkeit zum Einschalten des Motors
mittels eines Startknopfes SK vorgesehen, durch den der Transistor T4 durchlässig
gemacht werden kann.
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In der Gleichstromleitung kann vorteilhaft eine Bremsdrossel BD mit
einer Induktivität von einigen mH angeordnet sein.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung nach F i g. 1
ergibt sich
wie folgt: Nach Drucken des Knopfes SK wird der Transistor T4 durchlässig, so daß
der Thyristor S4 bei Eintreffen des nächsten Impulses vom Rechteckwellengenerator
RG gezündet wird. Somit fließt Strom durch die Wicklung W4. Die Spannung an dem
der Wicklung parallelgeschalteten Spannungsteller baut sich sprunghaft auf, so daß
ein Steuerimpuls an den Transistor T, gelangt. Beim nächsten Impuls des Rechteckwellengenerators
RG wird demnach der Thyristor S, gezündet und die Wicklung W, erregt. Da nunmehr
der Transistor T, geöffnet wird, zündet beim nächsten Impuls des Rechteckwellengenerators
der Thyristor S.. Damit wirddie Wicklung W, erregt und durch den Löschkondensator
CL zugleich der Thyristor S4 gelöscht, so daß die Wicklung W4 entregt wird.
In analoger Weise setzt sich die Zündung der einzelnen Thyristoren und die automatische
Löschung zyklisch fort, so daß im Ständer des Motors ein Drehfeld erzeugt wird.
Der Läufer kann beispielsweise als Käfigläufer ausgebildet seien; er folgt dem rotierenden
Feldvektor.
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Zur Änderung der Drehzahl wird die Frequenz des Rechteckwellengenerators,
vorteilhaft auch die Speisespannung U, proportional geändert. Dann bleibt
der Arbeitspunkt der Maschine
erhalten. Die Hilfsspannung UH, die den Rechteckwellengenerator speist, kann
zu diesem Zweck in Abhängigkeit von der Speisespannung U stehen.
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Soll die Drehrichtung des Generators geändert werden, so ist nur eine
entsprechende Vertauschung der Verbindungen zwischen den Spannungsteilern an den
Wicklungen und den einzelnen Transistoren T, bis T4 erforderlich.
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Da die an den Motorwicklungen anstehende Spannung nicht sinusförmig,
sondern beinahe rechteckförmig ist, treten auch im Maschinenfeld Oberwellen auf.
Bei einer Anordnung nach F i g. 1 werden alle durch zwei teilbaren Oberwellen
im Generator unwirksam. Zur Bekämpfung anderer Oberwellen kann
man eine entsprechend
größere Zahl von Wicklungen verwenden. Beispielsweise kann man durch sechs Wicklungen
alle durch drei teilbaren, durch zehn Wicklungen alle durch fünf teilbaren Oberwellen
unwirksam machen.
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In F i g. 2 ist ein Dreiphaseninduktionsmotor nach der Erfindung
schematisch dargestellt. Er enthält um je 1201 gegeneinander versetzte Wicklungspaare,
die Mit Wll W21 T31 W4 bzw. W.., W, bezeichnet sind. Die Einschaltung der
Wicklungen in Wechselrichterschaltungen mit Thyristoren geschieht analog der nach
F i g. 1. Es sind nuninehr sechs Thyristoren S,
bis S, und drei
LöschkondensatorenCL vorgesehen. Wie aus einem Vergleich der F i #g. lund 2 erkennbar,
ist es möglich, entweder die Kathoden oder die Anoden der Thyristoren miteinander
zu verbinden.
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Sämtlichen Wicklungen sind wieder Spannungsteiler parallel geschaltet,
deren Ausgänge A, B, C, D,
E, F,
mit den Steuerkreisen von sechs Transistoren T, bis T, verbunden sind. Es
ist wiederum ein Rechteckwellengenerator RG sowie ein Schaltknopf SK zur
Einschaltung des Motors vorgesehen.
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Die Verbindung der einzelnen Spannungsteiler mit den Transistorsteuerkreisen
ist aus den F i g. 3 und 4 abzuleiten. In F i g. 3 sind der Analogie
wegen die drei Phasenspannungen R, S, T eines Drehstromnetzes dargestellt.
F i g. 4 zeigt die entsprechenden Schaltzustände der Thyristoren S"
bis S., F i g. 4 a die zugehörige Spannung des Rechteckoszillators
RG dreifacher Frequenz. Dabei ist angenommen, daß die Wicklungen Wi, W4 und
W, positive, die Wicklungen W2, W" und W., negative Feldrichtung erzeugen. Wie aus
F i g. 4 und 5 erkennbar, ergibt sich bei einer Drehrichtlung im Uhrzeigersinn
nachstehende Zünd-folge: S.-s.-s.-S2-S4-S. usw. Dementsprechend sind die
Spannungsteiler A bis F in der aus F i g. 2 erkennbaren Weise mit
den Steuerkreisen der Transistoren zu verbinden. Nach Einschalten des Motors mittels
des Knopfes SK folgt der Läufer dem entstehenden Drehfeld. Die Feldvektoren
sind in F i g. 5 a, ihre Resultierende in F i g. 5 b schematisch dargestellt.
Zur Umkehr der Drehrichtung sind wiederum die Verbindungen zwischen den Spannungsteilern
und den Steuerkreisen der Transistoren zu vertauschen.
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Für die praktische Ausbildung des Erfindungsgegenstandes gibt es noch
weitere Möglichkeiten, insbesondere hinsichtlich der gewählten Wechselrichterschaltung
und der Verteilung der Wicklungen am Ständer. Sie eignet sich insbesondere für Motoren
im Leistungsbereich bis etwa 10 kW, bei denen große Drehzahländerungen gefordert
werden, beispielsweise als Antriebe für Zentrifugen, Spinnereimaschinen, Schleifmaschinen,
Bohrmaschinen und sonstige Werkzeugmaschinen.
Während die Ausführungsbeispiele
Induktionsmotoren zeigen, läßt sich die Erfindung offensichtlich auch auf Synchronmotoren
anwenden. Hierzu ist es nur erforderlich, statt eines Induktionsläufers einen mit
Gleichstrom oder permanentmagnetisch erregten Läufer vorzusehen.
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Bei hohen Drehzahlen kann man zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten
statt der Dynamobleche geeignete Ferrite zum Aufbau des Läufers verwenden.