DE2008032C3 - Steuerschaltung für in einer Ringschaltung angeordnete Halbleiterschaltelemente zur Schaltung der Ständerwicklungsstränge eines Stromrichte rmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für in einer Ringschaltung angeordnete Halbleiterschaltelement zur Schaltung der Ständerwicklungsstränge eines Stromrichtermotors. Ein derartiger Stromrichtermotor -ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 262 421 bekannt.

Es sind Einrichtungen zur Messung der Winkelstellung des Läufers eines Synchronmotors bekannt, welche einen Sondergeber der Läufcrstelliing, z. 15. einen transformatorischen bzw. induktiven Geber enthalten, der auf der gleichen Welle mit dem Motor sitzl. In diesen Einrichtungen wird die Größe der Hüllkurve eines HF-Stromes gemessen, der durch die Wicklungen des Stellungsgcbcrs fließt.

Bekannt sind auch Stromrichtermotoren, welche einen Mehrphasensynchronmotor, einen ringförmigen Kommutator für die Kommutierung des Stromes in den Phasenwicklungen des Motors in Ahhängikeit von der Liiiiferslellung und eine Einrichtung zur Messung der Winkelstellung des Läufers enthalten, die übliche Ausführung hat (Λ. Λ. Duhensky »Kontaktlose Gleichstrommoloren«, Verlag »Energija«, Moskau, 1967, Seile 11 bis 20).

Der Nachteil der genannten Einrichtungen besieht darin, daß in diesen ein ,Sondergeber der Läuferstellung des Motors verwendet wird, was ihre Konstruktion komplizierter macht und die Betriebssicherheit verringert.

Di--r Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einen einfachen Aufbau besitzt -und an schwer zugänglichen Stellen von Geräten, z.B. in Kreiseln, Elektroticfbohrgeräten, untergebracht werden kann.

Diese Aufgabe wird l/ci einer Steuerschaltung der eirgangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß parallel zu jedem Wicklungsstrang die Reihenschaltungeines elektronischen Nullorgans, einer elektrischen Vergleichsschaltung, eines NF-Sperrfilters, eines Schalters und einer Ii! -Spa^nungsquelle angeschlossen ist.

Gemäß einer Abwandlung der Erfindung isi vorgesehen, daß die Kapazität des Kondensators des NF-Sperrfilters von solcher Größe ist, daß sich mit dem Minimalwert der Induktivität des Wicklungsstranges des Motors fur die Hochfrequenzspannung Resonanz ergibt. Hierdurch wird der Bereich der Änderung des HF-Stromes erweiter.

Eine weitere Abwandlung zeichnet sich dadurch aus, daß die Schalter durch Magnetverstärker gebildet sind, deren Steuerwicklungen jeweils in den Stromkreis eines der ringförmig angeordneten Halbleiterschaltelcmente eingeschaltet und deren Wechselstromwicklungen jeweils mit ihrem einen Ende über die HF-Quelle und das NF-Sperrfilter an den cntspreeilenden Wicklungsstrang des Motors und mit ihrem anderen Ende an ein Rcferenzelcment angeschlossen sind, zu welchem ein Transistor mit seiner Basis-Emitter-Strecke parallel liegt, dessen Kollektor mit einem der Halbleiterschaltelement^ verbunden iVi, und daß zwischen jedem elektronischen Nullorgan der elektrischen Vergleichsschaltung und dem zugehörigen in der Ringschaltung angeordneten Halbleiterschaltelement zur Schaltung eines Wicklungsstranges des Stromrichtermotors eine RC-Sperrkette angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Betriebsstabiliiät des Kommutators durch die Beseitigung von Fehlauslösungen, welche durch Schaltvorgänge in dem Stromkreis der HF-Spannungsqucllc hervorgerufen werden, gesteigert werden.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführimgsform der Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein elektrisches Prinzipschaltbild einer Steuerschaltung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Steuerschaltung in Verbindung mit einem Stromrichtermotor,

Fig. 3 den Verlauf der Änderung der Hüllkurve des HF-Stromes in den verschiedenen Wicklungssträngen des Motors als Funktion des Drehwinkels seines Läufers.

Gemäß Fig. 1 weist die Steuerschaltung an die Wicklungsstränge 1, 2 und 3 des Motors über ein NF-Sperrfilter 4, 5 und 6 darstellende Kondensatoren angeschlossene Sekundärwicklungen 7, 8 und 9 eines Trennlransformalors auf, dessen Primärwicklung K) an eine HF-Spannuiigsquclle Il angeschlossen ist. In Reihe mit den Sekundärwicklungen 7 bis 9 des Trenntransformators liegen die Schaller 12, 13 und Meines

Umschalters, die Uie Wicklungsstränge l, 2 uiul 3 des Motors aufeinanderfolgend mit einer Hochfrequenzspannungsquelle Il verbinden, sowie Nullorgane 15 16 und 17, welche den HF-Strom mit einem vorgegebenen Wert vergleichen.

Zur Lieferung einer Niederfrequenzspannung ist eine Gleichspannungsquelle 18 vorgesehen, die an die Wicklungsstriinge 1, 2 und 3 durch Schalter 19, 20 und 21 eines Kommutators angeschlossen wird. In die durch die Gleichsp.ninungsquelle 18 und die Wick- ><» lungsstränge 1, 2 und 3 gebildeten Stromkreise sind HF-Sperrfilter 22, 23 und 24 eingeschaltet, welche

als parallel zueinander geschaltete Induktivitätsspulen und Kondensatoren ausgeführt sind.

Die Schalter 12, 13 und 14 des Umschalters und »5 die Schalter 19, 20 und 21 des Kommutators sind paarweise, und zwar der Schalter 12 mit dem Schalter 19, der Schalter 13 mit dem Schalter 20 und der Schal-IlT 14 mit dem Schalter 21 gekoppelt, wobei jedes paar durch ein Signal von den Ausgangsklemmen 25 2" 26 und 27 der Nullorgane 15 bis Π synchron umneichaltet wird.

Um den Bereich der Änderung des HF-Stromes zu erweitern, sind die Kapazitäten des NF-Sperrfiltcrs 4, 5, 6 so ausgewählt, daß sie mit dem minimalen Wert =5 der Induktivität des entsprechenden Wicklungsstranges 1, 2 bzw. 3 in Resonanz stehen.

Gemäß F i g. 2 enthält ein Stromrichtermotor einen elektrischen Mehrphasen-Synchronmotor mit den Wicklungssträngen 1, 2 und 3, an welche über die die 3<> NF-Sperrfilter 4, 5, 6 darstellenden Kondensatoren die Sekundärwicklungen 7, 8 und 9 des Trenntransformators angeschlossen sind. Die Primärwicklung 10 dieses Transformators ist an die in Fig. 2 nicht gcteigte HF-Spannungsquelle angeschlossen. Der Kommutator des Stromrichtermotors enthält Kommutatorschalter, welche mit Dioden 28, 29 und 30 lind Thyristoren 31, 32 und 33 mit Kommutierungslcondcnsatoren 3 >, 35 und 36 ausgeführt sind.

Der Umschalter, der die Wicklungsstränge des NJoiors aufeinanderfolgend mit der HF-Spannungsquellc verbindet, weist Magnetverstärker 37, 38 und 39 auf, die zwischen den Sekundärwicklungen 7 bis 9 des Transformators und den zugeordneten Elementen eingeschaltet sind. Diese zugeordneten Elemente werden durch die Dioden 40, 41 und 42 mit parallel in ihnen geschalteten Transistoren 43, 44 und 45 dargestellt. Der Stromwert der Dioden 40 bis 42 wird durch Widerstände 46, 47 und 48 vorgegeben.

Zwischen den Dioden 40 his 42 und den Dioden 28 bis 30 sind Li jeder Phase die Sperrstromkreise jn Form von in Reihe geschalteten Kondensatoren 49, 80 und 51 und Widerständen 52, 53 und 54 eingetehaltet.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Steuerichaltung beruht auf tier Änderung des induktiven Widerstandes des Wicklungsstranges des elektrischen Synchronmotors fur die HF-Ströme als Funktion des Lätiferdrehwinkels gegenüber dem Wicklungsstrang.

Es sei nun angenommen, daß die Schalter 12 und 19 (Fig. 1) eingeschaltet sind. Dann fließt durch den Wickliingsstrang 1 des Motors der NF-Strom von der Gleichspannungsquellc 18 und unter Einwirkung der Spannung an der Sekundärwicklung 7 des Transformators der HF-Strom.

Der NF-Strom ist viel größer als der HF-Strom; das elektromagnetische MoncMit des Motors wird daher durch die Zusammenwirkiiiigdes Feldes des nicht dargestellten Motorläufers mit der NF-Komponente des Stromes des Wicklungsstranges I des Motors bestimmt. Der .Motorläufer wird sich unter Einwirkung dieses Momentes drehen. Infolgedessen ändern sich die Induktivität der Motorphase und entsprechend der durch das Nullorgan 15 fließende HF-Strom.

Bedingt durch das Vorhandensein des HF-Sperrfilters 22 geht der HF-Strom durch die Glcichspannungsquelle 18 nicht hindurch, sondern wird durch den Wert des induktiven Widerstandes des Wicklungsstranges 1 des Motors bestimmt. Jc größer die Differenz zwischen den induktiven Widerständen in der Längs- und Querachse X₄ bzw. X_q des Motors ist, desto größer wird der Änderungsbereich des Hr-Stromessein. Um diesen Bereich zu erweitern, ist die Kapazität des Kondensators des NF-Sperrfilters 4, 5, 6 so ausgewählt, daß dieses mit dem minimalen Wert der Induktivität des Wicklungsstranges 1 des Motors auf Resonanz abgestimmt ist.

Die Änderung des HF-Stromes krinn für die Änderung der Läuferstellung ausgenutzt v>..<den. Die Drehung des Läufers um eine Polteilung entspricht einer Periode der Änderung des.HF-Stromes.

Um ein Signal zu erhalten, das den Zeitpunkt des Passiercns des Motorläufers durch eine vorgegebene Winkelstellung charakterisiert, vergleicht man den HF-Strom einem vorgegebenen Stromwert, wobei man die Zeitpunkte, an denen die Stromwerte gleich sind, mit Hilfe des Nullorgans 15 fixiert So wird beispielsweise der Zeitpunkt f₃ (Fig. 3) der Überschreitung des vorgegebenen Stromwertes I₀ durch den HF-Strom /, der Phase angegeben.

Man kann also bei der Zuführung der HF-Spannung zu einem Wicklungsstrang des Motors das Passieren des Läufers durch nur einen Punkt auf der Polteilung der Maschine fixieren.

Bei der Verwendung eines beliebigen Verfahrens zur Messung der Winkelstellung des Läufers braucht man für die Steuerung des Kommutators des Stromrichtermotor zwischengelagerte Punkte auf der Polteilung, die um 60° bzw. 120° verschoben sind. Dazu werden die Stränge anderer Phasen des Motors ausgenutzt, die über die entsprechenden, den in F ig. 1 gezeigten ähnlichen Filter und Nullorgane an eine Mehrphasen-HF-Spannungsquellc angeschlossen sind.

In diesem Falle werden am Ausgang der Nullorgane 15, 16 und 17 Signale in den Zeitpunkten auftreter., die bei der Läuferdrehung des Motors um 60" bzw. 120" verschoben sind. Die Mehrphasen-HF-Span· niingsquclle besitzt eine komplizierte Schaltung. Die glcicnzeitigc Verbindung der Wicklungsstränge des Motors mit der F.inpliasen-HF-Spannungsquellc (die Schalter 12, 13 und 14 sind gleichzeitig geschlossen) führt bei gegenläufiger Richtung der magnetomotorischen Kräfte der drei Phasen zum Verschwinden der Modulation des Phdscnstromcs bei Änderung der Winkelstellung des Läufers; bei gleichsinniger Richtung der magnetomotorischen Kräfte erfolgt eine Verschiebung der Hüllkurve des HF-Stromes /'₂und /'_■, (Fig. 3) in zwei Phasen des Motors um 3ΓΓ. Dies wird dadurch hervorgerufen, daß die Achse der Wicklungsslrängc 2 und 3 (Fig. 1) im letzteren Fall in einem Winkel von 60" gegenüber der Achse der Resultierenden der magnclomotorischen Krafl des Motors sieht.

I )m dies zu vermeiden, kann die I IF-Spannung aufeinanderfolgend den Wicklungssträngen des Motors

zugeführt werden, wozu die Schalter 12, 13 und 14 nacheinander geschlossen werden. In diesem Falle werden sich bei vorgegebenem Strom /„ (Fig. 3) die Zeitpunkte gleichen Werts gegenüber dem HF-Strom mit drei Phasen /,, I₂ und I_} nach dem Drchwinkcl des Läufers über 60" verteilen. Hei der Verwendung der crfindungsgemiißcn Steuerschaltung ist es notwendig, die Umschaltung der Schalter 12, 13 und 14 (Fig. 1) mit der Umschaltung der Schalter 19,20 und 21 des Kommutators des Motors zu synchronisieren, da in diesem Falle die Voraussetzung zur Gewährleistung des maximalen elektromagnetischen Momentes des Motors geschaffen wird.

Die Liiufcrdrchung wird in diesem Falle von einer Verschiebung des HF-Meßfeldcs und von einer Verschiebung des elektromagnetischen NF-Kraftfeldes begleitet.

In Fig. 1 ist die Stcuersih.illung fur einen kollcktorlosen Gleichstrommotor dargestellt, in der der induktive Widerstand X₁₁ in der Liingsachsc kleiner als der induktive Widerstand des Wicklungsstranges in der Querachse X (X_d<X,') ist, wie es z.B. bei einem Motor mit einem Läufer mit Dauermagneten in Sternschaltung mit Aluminiumfüllung der Fall ist.

Es wird nunmehr angenommen, daß die Einschaltung der Schalter 12 und 19 an dem Zeitpunkt /, (Fig. 3) erfolgt. Unter Einwirkung des elektromagnetischen Moments wird sich der Motorläufer drehen und sich das Moment vergrößern und seinen Maximalwert dann erreichen, wenn sich die Leiter des Wicklungsstranges 1 (Fig. 1) unter der Polachsc befinden, also in der Stellung, welche der Messung des induktiven Widerstandes in der Querachse X_q des Motors entspricht. Da X_d<X_q, kommt es zur Stromverminderung im Scrienkrcis Wicklungsstrang 1, Kondensator des Sperrfilters 4, Transformatorwicklung 7, Nullorgan 15. Infolge der Resonanzabstimmung des Kondensators des Sperrfilters 4 und des induktiven Widerstandes X_d in der Liingsachsc wird sich der HF-Strom beträchtlich verkleinern und der Strom /, viel kleiner als der vorgegebene Wert des Stromes /„ sein.

Nach dem Passieren des Läufers an dem Zeitpunkt I₂ beginnt sich der HF-Strom /, wiederum zu vergrößern, und am Zeitpunkt t_s kommt es zur Überschreitung des vorgegebenen Stromes /,, durch diesen HF-Strom /,. Am Ausgang 25 des Nullorgans 15 wird das Signal auftretci», das die Schalter 13 und 20 cinimd die Schalter 19 und 12 ausschaltet, woraufhin das elektromagnetische Moment des Motors wieder ansteigt, der Läufer sich in der gleichen Richtung dreht und sich die Arbeitsvorgänge im Wicklungsstrang 2 so lange wiederholen, bis das Signal am Ausgang 26 des Nullorgans 16 die Schalter 14 und 21 ein- und die Schalter 13 und 20 ausschaltet.

Bei der Verwendung eines Motors, in dem X_d>X_q ist, werden für die Konstanthaltung des elektromagnetischen Moments die Schalter 19 und 13, 20 und 14,21 und 12 gleichzeitig eingeschaltet. Der Ausgang 25 des Nullorgans 15 muß mit dem Schaltcrpaar 19, 13, der Ausgang 26 des Nullorgans 16 mit dem Schalterpaar 20, 14 und der Ausgang 27 des Nullorgans 17 muß mit dem Schalterpaar 21, 12 verbunden werden.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 arbeitet wie folgt:

Bei der Einschaltung des Motors gelangt der Auslöseimpuls an einen beliebigen Thyristor des Kommutators von einer in der Schaltung nicht gezeigten Anlaßvorrichtung. Ils wird eine Phase des Motors, z.H. die erste, eingeschaltet. Dabei sättigt sich der Magnetverstärker 37, dessen Sleucrwicklung in den Stromkreis des Thyristors 31 eingeschaltet ist. Der Motorläufer ist bestrebt, die Stellung einzunehmen, in der die Achsen der mngnctomoiorischcn Kraft des Siiindcrs und des Läufers zusammenfallen. Heim Erreichen dieser Stellung Zeitpunkt f, (Fig. 3) - iibersteigt jedoch der HF-Strom des Mcßkrcises der Molorphasc die Stromgröße /„ des Stromes, der durch die Diode 40 (Fig. 2) fließt und fiingt ,ni, durch den Emitter-Hasis-Übergang des 'transistors 43 zu fließen, wobei er diesen öffnet und einen Steuerimpuls an den Thyristor 32 der benachbarten Phase gibt. Der Thyristor öffnet sich, sein Strom sättigt den Magnetverstärker 38; der Thyristor 31 schaltet sich auf Grund des Kommuticrungskondensators 34 ab. Das Motormomcnl hat dasselbe Vorzeichen wie früher und die Drehung erfolgt in der gleichen Richtung. Im ersten Augenblick nach der Einschaltung des Thyristors 32 vergrößert der Ladestrom des aus Widerstand 53 und Kondensator 50 bestehenden Sperrkreises den Strom der Diode 41, was eine Fehlöffnung des Transistors 44 verhindert. Es erfolgt also eine ringförmige Umschaltung der Kraft- und Stcuerstromkreise. Die Zeitpunkte der Umschaltung des Kommutators des Umschalters werden durch den Strom der Dioden 40 bis 42 fixiert. Das Rcfcrenzelcmcn*. dient hier gleichzeitig als Leistungsverstärker. Die Regelung der Motordrehzahl erfolgt durch die Änderung der Gleichspannung bzw. des Stromes des Referenzelementes durch Änderung der Widerstände 46 bis 48.

Bei einer wirtschafltichen Regelung der Drehzahl des Motors kann der Steuerblock mit einem zusätzlichen Rcfercnzclemcnt, das gegenüber dem Hauptrefcrenzelement eine umgekehrte Einschaltung aufweist, und der Kommutator mit einem zusätzlichen, den Motor von dem Netz abschaltenden in der Zeichnung nicht wiedergegebenen Schalter versehen werden.

In diesem Fall wechseln die Zeitpunkte der Einschaltung der Wicklungsstränge 1 bis3dcs Motors mit den Zeitpunkten ab, in denen sich der Motor ganz von dem Stromnetz abschaltet.

Zur Steigerung der Effektivität der Regelung muß die Mitte der Zeitspanne, während der die Phase abgeschaltet ist, auf die Zeitpunkte /,, f₃. f₄ fmlen, wo die Phasen- und Läufcrpolachse senkrecht zueinander stehen. In diesem Falle erfolgt die Einschaltung der Motorphasen durch das zusätzliche Referenzelement an den Zeitpunkten /₅, f₇, f, (Fig. 3) und die Abschaltung des Motors von dem Stromnetz und die Umschaltung des Umschalters durch das Hauptreferenzelement an den Zeitpunkten /₆, f_s.

Bei einer solchen Regelung des Motors werden der Kommutator und der Umschalter getrennt ausgeführt, da die Mcßkrcisc zur Messung der Winkelstellung des Läufers nicht ganz von dem Motor abgeschaltet werden diirfen.

Bei der erfindungsgemäßen Steuerschaltung werden dem Motor keine zusätzlichen Steuerleitungen von außen zugeführt. Synchronmotoren mit ungleichen Widerstandswerten in der Längs- und Querachse Xj bzw. X_q sind weit verbreitet. Die Verwendung der crfindungsgemäßen Steuerschaltung in diesen gestattet es. ihre Konstruktion zu vereinfachen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Steuerschaltung für in einer Ringschaltung ungeordnete Halbleiterschaltclemente zur Schaltung der Ständerwicklungsstränge eines Slromrichtermotors, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu jedem Wicklungsstrang (I, 2, 3) die Reihenschaltung eines elektronischen Nullorgans (IS, 16,17), einer elektrischen Vergleichsschaltung, eines NF-Sperrfilters (4, 5, 6), eines Schalters (12, 13, 14) und einer HF-Spannungsquelle (11) angeschlossen ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators des NF-Sperrfilters (4, 5, 6) von solcher Größe ist, daß sich mit dem Minimalwert der Induktivität des Wicklungsstranges (1, 2,3) des Molors für die Hochfrequenzspannung Resonanz ergibt.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (12, 13, 14) durch Magnetverstärker (37. 38, 39) gebildet sind, deren Steuerwicklungen jeweils in den Stromkreis eines der ringförmig angeordneten Halbleiterschaltelemente (31, 32, 33) eingeschaltet und deren Wechselstromwicklungen jeweils mit ihrem einen Ende über die HF-Spannungsquelle (11) und das NF-Sperrfilter (4, 5, 6) an den entsprechenden Wicklungsstrang (1,2, 3) des Motors und mit ihrem anderen Ende an ein Referenzelement (Diode 40, 41, 42) angeschlossen sind, zu welchem ein Transistor (43, 44, 45) mit seiner Basis-Emittcr-Strccke paralle! lie_t,t, dessen Kollektor mit einem der Halbleiterschaltelemente (31, 32, 33) verbunden ist, und daß zwischen jedem elektronischen Nullorgan (15, 16, 17) der elektrischen Vergleichsschaltung und dem zugehörigen, in der Ringschaltung angeordneten Halbleiterschaltelement (31,32,33) zur Schaltung eines Wicklungsstranges (1, 2, 3) des Stromrichtermotors eine RC-Sperrkette (49,52; 50,53; 51, 54) angeordnet ist.