DE2058035A1

DE2058035A1 - Regelschaltung fuer buerstenlose Gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE2058035A1
Application number: DE19702058035
Authority: DE
Inventors: Katsumi Fukasawa; Masateru Kuniyoshi; Yoshiaki Tamura; Hayatoshi Yamada
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1969-11-25
Filing date: 1970-11-25
Publication date: 1971-06-03
Also published as: JPS492928B1; US3696278A; GB1291333A

Description

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann Dr. R. Koenlgsberger - Dlpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumstein Jun.

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LTD

Regelschaltung für bürstenlose Gleichstrommotoren"

Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung für einen bürsitenlosen Gleichstrommotor, bei dem ein mehrphasiger Thyristor-Brücken-Wechselrichter zur Erregung der Ankerwicklung des MoAors bei natürlicher Kommutierung arbeitet.

Im allgemeinen wird bei bürstenlosen Gleichstrommotoren mit einem mehrphasigen Thyristorbrücken-Wechselrichter, der als statischer Kommutator arbeitet, die in der Ankerwicklung des Motors erzeugte Gegen-EMK verwendet, um die Kommutierung zwischen den Thyristoren in der Brücke zu bewirken, die entsprechend einer vorherbestimmten Ordnung leitend werden# Es ist jedoch bei natürlicher Kommutierung schwierig, den bürstenlosen. Gleichstrommotor zu starten, da die zur Kommutierung notwendige Gegen-

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EMK noch nicht aufgebaut ist, wenn der Motor startet.

Daher wird bekanntermaßen beim Starten des bürstenlosen Gleichstrommotors dem Thyristorbrücken-Wechselrichter in geeigneten Intervallen intermittierend Gleichspannung zugeführt. Hat sich die Motordrehzahl auf einen vorherbestimmten höheren Wert erhöht, so wird auf dauernde Gleichspannungszufuhr umgeschaltet, d. h., wenn mit Sicherheit die Gegen-EMK der Ankerwicklung aufgebaut ist.

Da beim Anlauf des Motors die Gegen-EMK gering ist, arbeitet der Thyristorbrücken-Wechselrichter unter Umständen mit einem schweren Kommutierungsfehler, wenn nämlich in einem Brükkenzweig hintereinander geschaltete Thyristoren gleichzeitig leiten. Hierdurch wird die zugeführte Gleichspannung über den ThyrlstorbrUcken-Wechselrichter kurzgeschlossen. De&wegen war es bei der bekannten Startvorrichtung für bürstenlose Gleichstrommotoren notwendig, die Strombelastbarkeit der Bestandteile der Schaltung zu erhöhen, so daß sie den hohen Kurzschlußstrom aushielten.

Ist die Unterbrechungsperiode der zugeführten Gleichspannung so bemessen, daß sich die in der Ankerwicklung gespeicherte elektromagnetische Energie entlädt, und ferner zwischen die Spannungsquelle und den Thyristorbrücken-Wechselrichter eine Glättungsdrossel geschaltet, so müssen die Schaltungskonstanten entsprechend der Unterbrechungsperiode gewählt werden. Die Schaltungskonstanten sind daher nicht frei wählbar.

Da ferner der Thyristorbrücken-Wechselrichter während des Starts des Motors mit dem gleichen Leitungs-Kommutierungswinkel arbeitet wie im normalen Betrieb, erzeugt der Motor nicht sein maximales Ausgangsdrehmoment.

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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Regelvorrichtung für bürstenlose Gleichstrommotoren zu schaffen, mit der der Motor gestartet werden kann, ohne daß Kommutierungsfehler des Thyristorbrücken-Wechselrichters auftreten, der als statischer Kommutator des Motors verwendet werden soll. Die Strombelastbarkeit der in der Schaltung verwendeten Teile soll vermindert werden, um die Regelvorrichtung möglichst klein und billig zu machen, und um die Unterhaltungskosten herabzusetzen. Die Regelvorrichtung für bürstenlose Gleichstrommotoren soll so ausgelegt werden, daß die Schaltungskonstan-' ten derselben frei gewählt werden können. Ferner soll der bürstenlose Gleichstrommotor mit maximalem Drehmoment gestartet werden können.

•Erfindungsgemäß wird ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einer Wechselspannung aus einem mehrphasigen Thyristorbrücken-Wechselrichter gespeist, der als statischer Kommutator desselben · arbeitet. Zur Speisung des Wechslerichters mit einer Gleichspannung ist ein steuerbarer Gleichrichter vorgesehen. Ferner ist eine Start-Regelschaltung vorgesehen, die auf die Winkelstellungen des Rotors des Motors und die Drehzahl desselben anspricht und den Gleichrichter in Wechselrichterbetrieb umschaltet, wenn die Kommutierung des Thyristorbrücken-Wechselrichters durchgeführt ist. Ferner wird durch die Start-Regelschaltung der Leitungs-Kommutierungswinkel des Thyristorbrücken-Wechselrichters | im wesentlichen auf Hull gebracht, wenn die Drehzahl des Motors , unter einem vorherbestimmten Wert liegt.

Anhand des in der beigefügten Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen;
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Regelschaltung

für bürstenlose Gleichstrommotoren; und Fig. 2 in einem Diagramm typische Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise eines erfindungs gemäßen Gleidirichtere.

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In Pig. 1 ist ein bUrstenloser Gleichstrommotor 10 mit einer mehrphasigen Statorwicklung und einem Gleichstrom-erregten Rotor gezeigt. Die Statorwicklung und der Rotor des Motors sind nicht gezeigt, da sie herkömmlicher Art sind.

Zur Speisung der Statorwicklung des Motors 10 mit einer Wechselspannung ist ein mehrphasiger Thyristorbrücken-Wechselrichter 11 vorgesehen, der als statischer Kommutator des Motors 10 wirkt.

Ein steuerbarer Gleichrichter 12, der im wesentlichen den gleichen Aufbau besitzt wie der Wechselrichter 11, speist den Wechselrichter 11 über eine Glättungsdrossel 13 mit Gleichspannung. Der steuerbare Gleichrichter 12 wird über eine Leitung 14 aus einer nicht gezeigten Wechselspannungsquelle gespeist.

Zur Steuerung der Motordrehzahl wird eine Bezugsspannung über einen Leiter 15 zu einem Regelverstärker 16 geführt und mit einer Spannung verglichen, die von einem mit dem Motor 10 mechanisch gekuppelten Tachogenerator 17 erzeugt wird. Das vom Regelverstärker 16 erzeugte Fehlersignal wird über einen Operationsverstärker 19, Regelverstärker 20 und 21 und Operationsverstärker 22 und 23 zu einer Steuerschaltung 18 für den Steueranschluß des Gleichrichters 12 geführt. Hierdurch wird der Steuer- oder Anschnittwinkel des Gleichrichters 12 so eingestellt, daß dem Wechselrichter 11 eine eingestellte Gleichspannung aufgedrückt wird, so daß der-Motor mit einer durch die Bezugsspannung vorgegebenen Drehzahl läuft.

Als überlastungsschutz für den GMchrichter 12 ist ein Gleichstromwandler 24 in der Gleichstrom-Ausgangsschaltung des Gleichrichters 12 vorgesehen, durch den dem Regelverstärker 21 über einen Operationsverstärker 25 ein Stromsignal zugeführt

wlrdt Das vom Regelverstärker 21 erzeugte Fehlersignal wird so der Steuerschaltung 18 zugeführt, .so daß der Ausgangsstrom des

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Gleichrichters 12 unter einer vorherbestimmten Höhe gehalten wird.

Mit der Rotorwelle des Motors 10 ist ein Winkelstellungs-Detektor 26 verbunden, durch den die Winkelstellungen des umlaufenden Feldes des Rotors gegenüber der Statorwicklung gemessen werden. Die Ausgangssignale des Detektors 26, die den· Winkelstellungen des Rotors des Motors 10 entsprechen, werden in einen Eingang einer Logikschaltung 27 geführt, deren Auegangs signal zu einer Steuerschaltung 28 für den Wechselrichter 11 geleitet wird, so daß die Thyristoren des Wechselrichters 11 sequentiell in vorherbestimmter Ordnung eingeschaltet und die Phasenwicklungen des Stators in der entsprechenden Ordnung gespeist werden. Die Punk- i tion des weiteren Einganges der Logikschaltung 27 wird im folgenden noch beschrieben.

Ferner ist eine insgesamt mit 29 bezeichnete Startschaltung vorgesehen. Die Startschaltung 29 enthält eine Drehzahlmeßschaltung 30, die auf das Ausgangsignal des Tachogenerators 17 anspricht. Die Drehzahlmeßschaltung 30 erzeugt ein Ausgangssignal, wenn die Drehzahl des Motors 10 unter einem vorherbestimmten Wert liegt. Das Ausgangssignal des Detektors 30 wird zu einem Umschalter 31 und einem UND-Gatter 32 geführt. \

Das Ausgangssignal des Umschalters 31 wird der Logikschaltung 27 mit den Signalen vom Winkelmeß-Detektor 26 zugeführt. i Werden diese Signale gleichzeitig in die Logiksohaltung 27 eingespeist, so steuert die Schaltung 27 die Steuerschaltung 28 für den Wechselrichter 11, so daß der Leitungs-Kommutierungswinkel des Wechselrichters 11 gleich Null wird. Somit wird die Statorwicklung des Motors 10 vom Wechselrichter 11 mit dem maximalen Ausgangsstrom gespeist. Der Motor 10 kann daher mit maximalem Drehmoment gestartet werden. ■

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Das UND-Gatter 32 empfängt ferner, neben dem Ausgangssignal der Drehzahl-Meßschaltung 30, die Ausgangssignale vom Winkelmeß-Detektor 26. Liegen diese Signale gleichzeitig an, so erzeugt das UND-Gatter 32 ein Ausgangssignal, das zu einem monostabilen Multivibrator 33 geführt wird. Das Ausgangssignal des Multivibrators 33 wird dem Regelverstärker 20 zugeführt, Hierdurch wird die Steuerschaltung 18 des Gleichrichters 12 so gesteuert, daß der Gleichrichter 12 für ein bestimmtes Zeitintervall als'Wechselrichter arbeitet. Dieses Zeitintervall wird durch die Breite der Ausgangsimpulse vom Multivibrator 33 be-· stimmt.

Bestehen der Gleichrichter 12 und der Wechselrichter 11 jeweils aus einer dreiphasigen Brückenschaltung, so erzeugt der Winkelmeßdetektor 26 seine Ausgangssignale in Intervallen von 60° (elektrisch).

Fig. 2 zeigt eine Betriebsweise des Gleichrichters 12 beim Start des bttrstenlosen Gleiohstrommo_tors 10. Soll der Motor 10 gestartet werden, so wird dem Regelverstärker 16 über die Leitung 15 eine der gewünschten Drehzahl entsprechende Bezugsspannung zugeführt. Der Ausgangsstrom des Gleichrichters verläuft entsprechend der in Fig. 2 gezeigten Kurve 34·, so daß der Motor mit seinem maximalen Drehmoment anläuft, da der Leitungs-Kommutierungswinkel des Wechselrichters 11 wegen der gerin geren Drehzahl des Motors 10 gleich Null bleibt. Erreicht der Winkel des Rotors einen Wert von 60°, so wird der Gleichrichter 12 in Weohselriohterbetrieb umgeschaltet, da der Steuerwinkel von den normalen 120° auf 18O° bei Weohselriohterbetrieb übergeht. Hierdurch wird der Ausgangsstrom des Gleiohrichters 12 auf Null verringert und die in der Glättungsdrossel 13 und in der Statorwioklung des Motors 10 gespeicherte elektromagnetische Energie wird infolge der Rüokkopplungsfunktlon über den Leiter 14 schnell zur tfeohselspannungsq.uelle zurückgeführt.

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Endet der Ausgangsimpuls des monostabilen Multivibrators 13 nach einem Zeitintervall von T_Q, so kehrt der Gleichrichter 12 in seine ursprüngliche Arbeitsweise zurück und speist einen Strom zum Wechselrichter 11, dessen Verlauf in Fig. 2 durch die Kurve 35 wiedergegeben ist. Da die Motordrehzahl Jedoch noch geringer ist, bleibt der Leitungs-Kommutierungswinkel des Wechselrichters 11 gleich Null, so daß der Statorwicklung des Motors der maximale Ausgangsstrom zugeführt wird und der Motor 10 daher sein maximales Drehmoment entwickelt. Auf diese Weise wird der Motor 10 angelassen, bis die Drehzahl einen vorherbestimmten Wert erreicht.

Erreicht der Motor die vorherbestimmte Drehzahl, so wird das Ausgangssignal von der Drehzahlmeßschaltung 30 durch das Ausgangssignal des Tachogenerators 17 gesperrt. Infolgedessen vrird duroh den Umschalter 31 und die Logikschaltung 27 der Leitungs-Kommutierungswinkel des Wechselrichters 11 auf seinen Nor^ malwert zwischen 30° und 80° gebracht, so daß der Wechselrichter 11 infolge der Gegen-MK des Motors 10 mit natürlicheipKommutierung betrieben wird, während der Gleichrichter 12 infolge des Ausbleibens des Ausgangssignals vom monostabilen Multivibrator 33 dauernd seinen Ausgangsgleichstrom erzeugt.

Hieraus ergibt sich, daß der erfindungsgemäße bürstenlose Gleichstrommotor auf einfache Weise bei maximalem Drehmoment und auch bei höherer Belastung gestartet werden kann. Ferner 1st es durch die erfindungs gemäße Schaltung möglich, den bürstenlosen Gleichstrommotor ohne Kommutierungsfehler . des Thyristor-Wechselrichters zu starten, so daß die Teile der Schaltung nicht überdimensioniert 2U werden brauchen, um sie ansprechend dem genannten Ausbleiben der Kommutierung auszulegen. Ferner können die Induktivitäten der Glättungsdrossel und der Statorwicklung des Motors ohne Rücksicht auf die Startperiode desselben frei bestimmt werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

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(1J Regelschaltung für bürstenlose Gleichstrommotoren, gekennzeichnet durch einen Elektromotor (10) mit einer mehrphasigen Statorwicklung und einem Rotor mit umlaufendem Feld, durch einen mehrphasigen Thyristorbrücken-Wechselrichter (11), dessen Ausgang an die Statorwicklung des Elektromotors (10) angeschlossen ist, und der als statischer Kommutator arbeitet, durch einen steuerbaren Gleichrichter (12), der an den Eingang des Wechselrichters (11) angeschlossen ist, und durch eine Anlauf-Steuerschaltung, die auf die Motordrehzahl und die Winkelstellungen des Rotors ™ ■ anspricht, wobei die Anlauf-Steuerschaltung den Leitungs-Kommutlerungswinkel des Viechs el richte rs in die Nähe von Null bringt, wobei ferner der Leitungs-Kommutierungswinkel des Wechselrichters auf einen normalen Viert gebracht wird, wenn die Motordrehzahl den vorherbestimmten Wert überschreitet, so daß der Gleichrichter periodisch als Wechselrichter arbeitet, wenn die Kommutierung des Brückenwechselrichters bei unter dem vorherbestimmten Wert liegender Motordrehzahl : erfolgt, und wobei der Gleichrichter kontinuierlich seinen ^; Ausgangs-Gleichstrom dem Brücken-Wechselrichter zuführt, ; wenn die Motordrehzahl den vorherbestimmten Wert überschreitet.

fe 2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlauf-Steuerschaltung eine Einrichtung (17) ! zur Messung der Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors ; und einen Umschalter (31) enthält, der auf das Ausgangssignal von der Drehzahl-Meßeinrichtung anspricht, wobei der Umschalter entsprechend der Motordrehzahl den Leitungs-Kommutierungs-. winkel des Thyristorbrücken-Weohselrichters zwischen praktisch Null und einem normalen Leitungs-Kummutierungswinkel ändert.

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Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlauf-Steuerschaltung eine Schaltung zur Messung der Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors enthält, sowie ferner einen monostabilen Multivibrator (33), der auf das Ausgangssignal von der Drehzahl-Meßschaltung sowie auf Signale anspricht, die den Winkelstellungen des Rotors des Motors entsprechen, wobei durch den Ausgang vom monostabilen Multivibrator der Gleichrichter jeweils bei Kommutierung des Thyristobrüoken-Weohselrichters für eine verhältnismäßig kurze Zeit in Weohselrichterbetrieb umgeschaltet wird.

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