DE1268263B

DE1268263B - Arrangement for controlling the speed of a multiphase alternating current motor fed from a direct voltage source via contactless switching elements

Info

Publication number: DE1268263B
Application number: DEP1268A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erich Krestel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1962-03-08
Filing date: 1962-03-08
Publication date: 1968-05-16

Description

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. An arrangement for controlling the speed of one of a DC voltage source via contactless switching elements fed polyphase alternating current motor The invention relates to an arrangement for controlling the speed of one of a DC voltage source via contactless switching elements fed polyphase alternating current motor with a Wicklungspaax per phase. The partial windings counteract each other magnetically and are each connected to the DC voltage in parallel via a contactless switching element in an alternating circuit. Fexner, the arrangement contains a square wave generator connected on the output side to the control circuits of all switching elements, the frequency of which determines the motor speed and the output pulses of which control the contactless switching elements cyclically successively into the conductive state in the sense of a rotating field generation through the partial windings by adding the respective switching elements to the individual switching elements Control circuits are released cyclically one after the other for the effect of the output pulses on the control elements of the switching elements depending on the temporally preceding switching state of other partial winding circuits. An ax-like arrangement is known from "Elektrowelt / Ind, ustrie-Elekt # rik", 1961, No. B 7, pp. 170, 171.

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.To control the speed, it is known to change the supply frequency and supply voltage. Asynchronous converter machines have already been proposed in which the motor is supplied from a three-phase network via a large number of controllable converters, for example 24 or 36. The speed that can be set here is always below the synchronous speed. Because of the relatively high outlay, these arrangements are primarily intended for high-performance machines.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wechselstrommotoren hoher Drehzahl, die zudem drebzahlsteuerbarsein sollen, zu schaffen. Vonbesonderem Interesse sind hierbei Induktionsmotoren.The present invention is based on the problem of AC motors high speed, which should also be speed controllable. Of particular Induction motors are of interest here.

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.According to British patent specification 398 798 , the motor windings can each be divided into two halves, the center of which forms a star point and is connected to a pole of the DC voltage source, while the free ends are connected to the type of a parallel inverter via converter valves to which a quenching capacitor is assigned the other pole of the DC voltage source are connected. If one of the converter valves is opened, a direct current pulse is fed to the connected partial winding. The sequence of the current pulses in the partial windings is chosen so that a rotating field is created.

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.According to a proposal of the earlier German patent 1 234 843, the direct current pulses can also be supplied by a switching element of a bistable multivibrator, the switching state of which is determined by a pulse generator. The control circuits assigned to the individual switching elements are released cyclically one after the other for the action of the output pulses # e on the control elements of the switching elements as a function of the temporally preceding switching state of other winding circuits.

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.According to the German Auslegeschrift 1080 212, the motor windings can be connected to special contactless switching elements in a three-phase bridge circuit, which are controlled by bistable trigger circuits. This tilting circuit has been reversed alternately by a pulse generator. The individual trigger circuits are switched as a function of the switching state of the output circuit of the trigger circuit upstream of it.

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.In contrast, the invention can be seen in the initially described arrangement is that thyristors are used as switching elements, each one controlled by the voltage of each preceding current-carrying part winding transistor is turned on in the JE chosen range control circuit of the output voltage of the square wave generator to the control member next thyristor switches through. Thus been controlled thyristors as a function of the electromotive force of the motor, and can also be obtained without mechanical coupling of a rotation-angle-dependent control. This type of control enables the speed to be changed simply by changing the voltage, and the machine has no breakdown torque. The AC line thus has the characteristics of a DC shunt machine.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind.In the following, the invention will be based on exemplary embodiments are described in more detail, which are shown schematically in the drawing.

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.F i g. 1 shows an arrangement for controlling the speed of a two-phase motor. The motor is provided with four windings W "W2, W3, W4. Two windings each are connected in parallel to the DC supply voltage U via two thyristors SI, S2 and S" S4 in an inverter circuit. The quenching capacitors are designated with CL. All windings have a common connection point which is connected to a DC voltage pole. In friction with the thyristors are valves V "V2, v3 V4 for suppressing interfering vibrations.

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.A voltage divider can advantageously be connected in parallel with the winding, from which the control voltage for transistors Tj, T21, T3 and T4 can be taken. The transistors are used to switch the pulses supplied by the square wave generator RG through to the control circuits of the thyristors.

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.The square wave generator RG can be implemented in the circuit of a transistor oscillator. The output transformer A T is to be provided with four windings ATJ> AT., AT., AT4, which are assigned to the individual thyristors Si NS S4. Pulse transformers JT "JT2, fT3, JT4 are also located in the control circuits of the thyristors for potential separation.

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.The voltage dividers connected in parallel with the windings are, as can be seen from FIG. 1 , each connected to the subsequent transistor; See A, B, C, D. In one of the transistor circuits, in the exemplary embodiment in the circuit of the TransistoT T4, there is also a possibility of switching on the motor by means of a start button SK, by means of which the transistor T4 can be made permeable.

In der Gleichstromleitung kann vorteilhaft eine Bremsdrossel BD mit einer Induktivität von einigen mH angeordnet sein.A brake throttle BD can advantageously be included in the direct current line an inductance of a few mH.

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.The mode of operation of the device according to FIG. 1 results as follows: After pressing the button SK, the transistor T4 becomes permeable, so that the thyristor S4 is ignited by the square wave generator RG when the next pulse arrives. Thus, current flows through the winding W4. The voltage at the voltage regulator connected in parallel to the winding builds up by leaps and bounds, so that a control pulse reaches the transistor T 1. With the next pulse of the square wave generator RG, the thyristor S is ignited and the winding W is excited. Since the transistor T i is now opened, the thyristor S ignites with the next pulse of the square wave generator. The winding W i is excited and the thyristor S4 is extinguished by the quenching capacitor CL , so that the winding W4 is de-excited. In an analogous manner, the ignition of the individual thyristors and the automatic extinction continue cyclically, so that a rotating field is generated in the stator of the motor. The rotor can for example be designed as a squirrel cage; it follows the rotating field vector.

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.To change the speed, the frequency of the square wave generator, advantageously also the supply voltage U, is changed proportionally. Then the working point of the machine remains obtain. The auxiliary voltage UH, which feeds the square wave generator, can be dependent on the supply voltage U for this purpose.

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.If the direction of rotation of the generator is to be changed, only one corresponding interchanging of the connections between the voltage dividers on the Windings and the individual transistors T to T4 required.

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.Since the voltage on the motor windings is not sinusoidal but almost square, harmonics also occur in the machine field. In an arrangement according to FIG. 1 are all ineffective in the generator by two harmonics that can be divided by two. To combat other harmonics can use a correspondingly larger number of windings. For example, with six windings, all harmonics that are divisible by three, and with ten windings, all harmonics that can be divided by five, can be made ineffective.

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.In Fig. 2 a three-phase induction motor according to the invention is shown schematically. It contains pairs of windings offset from one another by 1201, which are designated with Wll W21 T31 W4 or W .., W. The connection of the windings in inverter circuits with thyristors takes place analogously to that according to FIG. 1. There are now six thyristors S, through S, and three quenching capacitors CL. As from a comparison of the F i #g. 1 and 2, it is possible to connect either the cathodes or the anodes of the thyristors to one another.

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.All windings are again connected in parallel with voltage dividers whose outputs A, B, C, D, E, F are connected to the control circuits of six transistors T 1 to T 1. A square wave generator RG and a switch button SK are again provided for switching on the motor.

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.The connection of the individual voltage dividers with the transistor control circuits is shown in FIGS. 3 and 4 to be derived. In Fig. 3 , for the sake of analogy, the three phase voltages R, S, T of a three-phase network are shown. F i g. 4 shows the corresponding switching states of the thyristors S "to p, F i g. 4 a, the associated voltage of the square wave oscillator RG triple frequency. It is assumed that the windings Wi, W4 and W positive, the windings W2, W" and W., generate negative field direction. As shown in FIG. 4 and 5 , clockwise rotation results in the following ignition sequence: S.-s.-s.-S2-S4-S. etc. Accordingly, the voltage dividers A to F are shown in FIG. 2 recognizable way to connect with the control circuits of the transistors. After switching on the motor using the SK button, the rotor follows the rotating field that is created. The field vectors are shown in FIG. 5 a, its resultant in FIG. 5 b shown schematically. To reverse the direction of rotation, the connections between the voltage dividers and the control circuits of the transistors have to be swapped.

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.There are other possibilities for the practical development of the subject matter of the invention, in particular with regard to the selected inverter circuit and the distribution of the windings on the stator. It is particularly suitable for motors in the power range up to about 10 kW, where large changes in speed are required, for example as drives for centrifuges, spinning machines, grinding machines, drills and other machine tools. While the exemplary embodiments show induction motors, the invention can obviously also be applied to synchronous motors. For this it is only necessary to provide a rotor excited by direct current or permanent magnet instead of an induction rotor.

Bei hohen Drehzahlen kann man zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten statt der Dynamobleche geeignete Ferrite zum Aufbau des Läufers verwenden.At high speeds you can avoid eddy current losses Use suitable ferrites to build the rotor instead of the dynamo sheet.

Claims

Patentanspräche: 1. An arrangement for controlling the speed of one of a DC voltage source via contactless switching elements fed polyphase alternating current motor having a pair of windings for each phase, the partial winding counteract each other magnetically and each a non-contact switching element overlying in the inverter circuit in parallel to the DC voltage, and an output side of the control circuits All switching elements connected square wave generator, the frequency of which determines the motor speed and whose output pulses control the contactless switching elements in the sense of a rotating field generation through the partial windings cyclically successively in the conductive state by the respective control circuits assigned to the individual switching elements depending on the temporally preceding switching state of other partial winding circuits cyclically successive are released for the action of the output pulses on the control elements of the switching elements, dad urch in that thyristors (S, to S4) are used as switching elements, in their respective control circuit each one controlled by the voltage of each preceding current-carrying winding element (W, to W 4) transistors (T, to T 4) is turned on, the output voltage of the of the square wave generator (RG) to the control member (JT, to JT4 ) of the next thyristor (S, to S # switches through.

2. Arrangement according spoke 1, characterized in that the control circuit of each of the transistors (T1 to T 4 ) is connected to one of the associated winding (W, to W4) parallel-connected voltage divider and that each transistor from the square wave generator (RG) and the associated thyristor (S, to S4) is galvanically isolated. 3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that to change the engine speed, the frequency of the square wave generator designed as a square wave oscillator (RG) can be changed. 4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that in order to achieve a constant torque at different speeds, the DC supply voltage (U) of the motor can be changed proportionally to the frequency of the square-wave oscillator (RG). 5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized by a transistor oscillator (RG) with a voltage proportional frequency, the supply voltage (UH) is a function of the DC supply voltage (U) of the motor. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1080 212; Austrian Patent No. 186 339; British Patent No. 398,798; Feinwerktechnik, 1958, pp. 428 to 431; Electric world / industrial electronics, 6th year, 1961, B 7, pp. 170, 171; Electrical Times, January 19, 1961, pages 81 to 85. Contemplated older patents: German Patent No. 1,234,843..