DE1216418B

DE1216418B - Circuit to avoid sparks in electrical commutator machines

Info

Publication number: DE1216418B
Application number: DEP37684A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Adolf Priess
Original assignee: Dipl-Ing Dr Adolf Priess
Current assignee: Dipl-Ing Dr Adolf Priess
Priority date: 1965-03-11
Filing date: 1965-03-11
Publication date: 1966-05-12

Description

Schaltung zur Vermeidung von Funkenbildung bei elektrischen Kommutatormaschinen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Vermeidung von Funkenbildung bei elektrischen Kommutatormaschinen.Circuit to avoid sparking in electrical commutator machines The present invention relates to a circuit for preventing sparking in electrical commutator machines.

Bei Gleichstrommaschinen gelingt es im allgemeinen, durch Einstellung eines angepaßten Wendefeldes und durch Wahl geeigneter Bürstensorten die Stromwendung iin stationären Betrieb funkenfrei zu halten. Lediglich bei Stroinüberlastungen und bei besonders starker dynamischer Beanspruchung läßt sich Funktenbildung an den ablaufenden Bürstenkanten oft nicht vermeiden, Bei Wechselstrom- und Drehstromkommutatormaschinen wird in den durch die Bürsten kurzgeschlossenen Windungen auch durch das Hauptfeld eine Spannung induziert, die einen mit wachsender Kurzschlußzeit ansteigenden Strom hervorruft, der bei Beendigung des Bürstenkurzschlusses abgeschaltet werden muß. Als Folge zeigt sich in jedem Betriebszustand Funkenbildung, die durch unvollkommene Stromwendung noch verstärkt wird. Lediglich beim Einphasenbahnmotor ist es möglich, die transformatorisch induzierte Spannung bei einer bestimmten Drehzahl aufzuheben. Die derzeit verwendeten Bürstensorten gestatten eine induzierte Lamellenspannung (Windungsspannung) von etwa UL = 3 V,ff, wobei der Verschleiß von Bürsten und Kommutator durch die Funkenbildung in mäßigen Grenzen bleibt. Außerdem findet man Funkenbildung bei Kommutatormaschinen, die mit Gemischtström (Stromrichterbetrieb, z. B. Wellenstrommotor) betrieben werden.In DC machines, it is generally possible to keep the current reversal in stationary operation spark-free by setting an adapted turning field and by choosing suitable types of brushes. Only in the case of stroke overloads and particularly high dynamic loads can the formation of specks on the brush edges run off often not be avoided. which must be switched off when the brush short-circuit ends. As a result, sparks are formed in every operating state, which is intensified by imperfect current reversal. Only with the single-phase railway motor is it possible to cancel the transformer-induced voltage at a certain speed. The types of brush currently in use permit an induced lamellar voltage (winding voltage) of around UL = 3 V, ff, with the wear of the brush and commutator remaining within moderate limits due to the formation of sparks. In addition, sparks can be found in commutator machines that are operated with mixed currents (converter operation, e.g. shaft current motor).

Bei der Funkenbildung tritt ein Kurzschlußlichtbogen zwischen Lamelle und ablaufender Bürstenkante auf, dessen Brennspannung 8 V:## UF:## 20 V betragen kann, so daß zwischen Na6h-barlamellen des Kommutators eine Spannung in gleicher Größenordnung liegt.When sparks are formed, a short-circuit arc occurs between the lamella and the brush edge running off, the operating voltage of which can be 8 V: ## UF: ## 20 V, so that a voltage of the same order of magnitude is between the Na6h-bar lamellae of the commutator.

Es sind verschiedene Möglichkeiten bekanntgeworden, durch spannungsbegrenzende Halbleiterelemente zwischen den Konimutatorlamellen oder zwischen verschiedenen Bürsten die Funkenbildung zu vermindern.Various possibilities have become known through voltage-limiting Semiconductor elements between the Konimutatorlamellen or between different Brushing to reduce sparking.

Bekannt ist eine Kommutierungseinrichtung, bei der zwischen je zwei Lamellen ein Siliziumkarbidelement geschaltet wird, das nach dem Abschalten der Bürste die Stromführung übernehmen soll. Die Anwendung ist beschränkt auf Drehstromkommutatormaschinen mit konstantem Luftspalt, da deren betriebsmäßige Windungsspannung unterhalb der spannungsbegrenzenden Kennlinie des spannungsabhängigen Widerstandes bleibt.A commutation device is known in which a silicon carbide element is connected between each two lamellas, which element is to take over the current flow after the brush has been switched off. The application is limited to three-phase commutator machines with a constant air gap, since their operational winding voltage remains below the voltage-limiting characteristic of the voltage-dependent resistance.

Bekannt ist ferner eine Einrichtung für Gleichstromkommutatormaschinen, bei der eine Hilfsbürste in Reihe mit einem Schalttransistor und einem Widerstand bzw. einem Siliziumkarbidelement parallel zur Hauptbürste geschaltet ist und nach Ab- laufen der Hauptbürste den Kontakt zur abschaltenden Lamelle übernimmt. Die empfindlichen Punkte dieser Einrichtung liegen in dem Spulenkurzschluß, den auch die Hilfsbürste bei der überbrückung zweier Lamellen hervoruft, in der konstruktiven Komplizierung des Kommutators, die zur Vermeidung dieses Kurzschlusses notwendig wird, in der Kontaktunsicherheit der Hilfsbürste (Bürstenspringen) und in der vermehrten Wartungsarbeit.Also known is a device for direct current commutator machines in which an auxiliary brush is connected in series with a switching transistor and a resistor or a silicon carbide element parallel to the main brush and, after the main brush has run out, makes contact with the disconnecting lamella. The sensitive points of this device lie in the coil short circuit that the auxiliary brush causes when bridging two lamellas, in the structural complication of the commutator, which is necessary to avoid this short circuit, in the contact uncertainty of the auxiliary brush (brush jumping) and in the increased maintenance work.

Weiterhin ist bereits bei einer Anordnung zur Unterdrückung von Funkenbildung bei elektrischen Kollektormaschinen bekannt, am Kollektor und koaxial zur Kollektorachse eine Scheibe aus spannungsabhängigem Widerstandsmaterial anzubringen, die so kontaktiert wird, daß sie sich an der Stromführung zwischen zwei Lamellen beteiligt, sobald zwischen diesen eine Schaltspannung auftritt. Die Strom-Spannungs-Kennlinie des Widerstandsmaterials läßt sich durch eine Exponentialfunktion annähern.Furthermore, there is already an arrangement for suppressing spark formation known in electrical collector machines, on the collector and coaxial to the collector axis to attach a disk made of voltage-dependent resistance material, which makes contact that it will take part in the current flow between two slats as soon as a switching voltage occurs between these. The current-voltage characteristic of the Resistance material can be approximated by an exponential function.

Allen angeführten Einrichtungen ist als Nachteil eremeinsam, daß der (differentielle) Widerstand der Umlenkungskreise wegen der verwendeten Elemente (Hüfsbürste, spannungsabhängiger Widerstand) so groß wird, daß der beim Abschalten der Hauptbürste umgelenkte Strom gering bleibt und den Lichtbogen nur unwesentlich entlastet.A disadvantage of all the institutions mentioned is that the (Differential) resistance of the deflection circuits due to the elements used (Hip brush, voltage-dependent resistor) becomes so large that it is switched off when it is switched off the current deflected by the main brush remains low and the arc only insignificantly relieved.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Vermeidung von Funkenbildung bei elektrischen Kommutatormaschinen, bei denen jeweils zwischen zwei Lamellen des Kommutators spannungsbegrenzende Halbleiterelemente angeschlossen sind, so zu verbessern, daß nur ein möglichst kleiner differentieller Widerstand im Umlenkungskreis liegt.The invention is therefore based on the object of providing a circuit for Avoidance of sparks in electrical commutator machines, each of which voltage-limiting semiconductor elements connected between two lamellas of the commutator are to be improved so that only one possible smaller differential Resistance is in the deflection circle.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Halbleiterelemente in einer Antiparallelschaltung angeordnet sind, die jeweils aus der Gegenreihenschaltung einer Zenerdiode und eines in Ab- hängigkeit von der . Steilheit des Anstieges der Lamellenspannung zündbaren Thyristors besteht. Durch diese Elemente wird der StromVerlauf in der Wicklung im Bereich zwischen -den Stromwendungen nicht beeinflußt, weil sie weder durch die Höhe noch durch die Kurvenform der betriebsmäßigen Windungsspannung zum Ansprechen gebracht werden. Erst bei Lichtbogenbildung infolge unvollständiger Kommutierung wird der Strom wegen des damit verbundenen steilen Anstieges der Lamellenspannung über die Halbleiterelemente umgelenkt. Die erfmdungsgemäße Schaltung ist sowohl für ein- und mehrgängige Schleifenwicklungen oder Wellenwicklungen und deren Kombinationen als auch für ParalleIwicklungen geeignet.The invention achieves the stated object in that the semiconductor elements are arranged in an anti-parallel connection, each of the anti-series circuit of a zener diode and one in dependence on the. There is steepness of the increase in the lamella voltage of the ignitable thyristor. The current course in the winding in the area between the current turns is not influenced by these elements, because they are not made to respond either by the height or the curve shape of the operational winding voltage. Only when an arcing occurs as a result of incomplete commutation is the current diverted via the semiconductor elements because of the associated steep increase in the lamella voltage. The circuit according to the invention is suitable for single and multi-turn loop windings or wave windings and their combinations as well as for parallel windings.

Wegen der beiden möglichen Stromrichtungen zwischen Kommutator und Bürste ist je ein Nebenweg, also eine Antiparallelschaltung erforderlich. Bei voller Bestückung beträgt daher die Zahl der Thyristoren (Kipptrioden) und der Zenerdioden jeweils die doppelte Lamellenzahl. Diese Zahl wird auf die Hälfte reduziert, wenn man Thyristoren verwendet, die in beiden Richtungen aussteuerbar sind und -mit ihnen eine Zenerdiode mit Doppelbegrenzercharakteristik in Reihe liegt (oder Zenerdioden in Gegenschaltung).Because of the two possible directions of current between the commutator and brush so an anti-parallel connection is ever a byway, is required. When fully equipped, the number of thyristors (breakover triodes) and Zener diodes is twice the number of lamellas. This number is reduced to half if thyristors are used that can be controlled in both directions and with them a Zener diode with a double limiter characteristic is connected in series (or Zener diodes in counter-circuit).

Die Erfindung- wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment.

F i g. 1 zeigt die Anordnung der Halbleiterelemente-F i g. 2 stellt die resultierende Kennlinie dar.F i g. 1 shows the arrangement of the semiconductor elements F i g. 2 shows the resulting characteristic.

In F i g. 1 bedeutet 1 die Zenerdiode, 2 den Thyristor, 3 dessen Steuerelement, 4 die Spuleninduktivität, 5 die Kommutatorlamellen und 6 die ablaufende Bürstenkante. Durch die positive und negative Sperrspannung U", (F i g. 2) wird verhindert, daß im Betriebsbereich des Hauptfeldes die Kipptriode leitend wird. Auch bei Kommutierungsvorgängen ohne Lichtbogenbildung spricht das Element nicht an. Nur die steile Flanke des Lichtbogenzündiinpulses vermag über den entsprechend angepaßten Kondensator 3 einen Steuerstrom zu liefern, der den Thyristor (die Kipptriode) leitend werden läßt.,-Sofort nach öffhung des Nebenweges übernimmt dieser sprungartig einen Strom, dessen Maximalwert beträgt. Up ist die Brennspannung des Lichtbogens, U, die Durchbruchspannung der Zenerdiode (einschließlich der Schwellenspannung des Thyristors), R, der differentielle Widerstand der Zenerdiode (einschließlich des Durchgangswiderstandes der Kipptriode und des Leitungswiderstandes im Nebenweg). Bei ausreichendem Abstand zwischen Up und U, hängt 1, 9 nur noch vom Widerstand R z ab, so daß Leistungszenerdioden zu verwenden sind * Der Lichtbogen wird dadurch auf eine unschädliche Dauer abgekürzt. - Die Löschung des Stromes im Nebenweg würde bei Unterkommutierung auch ohnedie Zenerdiode durch das Wendefeld gewährleistet: In allen anderen Fällen ist zu beachten, da-i3 die Zenerspannung U, und die induzierte Spannung U. (beispielsweise die Wendefeldspannung) einen ausreichenden Abstand haben, um die Löschung des-Stromes zu gewährleisten.In Fig. 1 means 1 the Zener diode, 2 the thyristor, 3 its control element, 4 the coil inductance, 5 the commutator bars and 6 the brush edge. The positive and negative reverse voltage U ″ ( Fig. 2) prevents the trigger triode from becoming conductive in the operating range of the main field. The element does not respond even to commutation processes without arcing adapted capacitor 3 a control current to deliver, which lets the thyristor (the trigger triode) become conductive. - Immediately after the opening of the secondary path, it suddenly takes over a current, its maximum value amounts to. Up is the running voltage of the arc, U, the breakdown voltage of the Zener diode (including the threshold voltage of the thyristor), R, the differential resistance of the Zener diode (including the contact resistance of the trigger triode and the line resistance in the bypass path). With a sufficient distance between Up and U, 1, 9 only depends on the resistance R z, so that power zener diodes are to be used * The arc is thus shortened to a harmless duration. - The cancellation of the current in the bypass path would also be guaranteed without the Zener diode by the turning field in the event of undercommutation: In all other cases it must be ensured that the Zener voltage U and the induced voltage U. (for example the turning field voltage) have a sufficient distance to to ensure the extinction of the stream.

Claims

Claims: 1. Circuit to avoid spark formation between brushes and commutator segments in electrical commutator machines, in which voltage-limiting semiconductor elements are connected between two segments of the commutator, characterized in that the semiconductor elements are arranged in an anti-parallel circuit, each of which is made up of the counter-series circuit a Zener diode (1) and a thyristor (2) that can be ignited depending on the steepness of the rise in the lamella voltage.

2. A circuit according to claim 1, characterized in that the antiparallel circuit required for both current directions is replaced by a thyristor which can be controlled in both directions in series with a Zener diode with double-limiting characteristics. Documents considered: German Patent No. 1089 868; USA. Patent No. 1884 021st; British Patent No. 903 547.