AT238296B

AT238296B - Schaltungsanordnung zur Vermeidung einer Funkenbildung bei elektrischen Kommutator-Maschinen

Info

Publication number: AT238296B
Application number: AT356663A
Authority: AT
Inventors: Adolf Dipl Ing Priess
Original assignee: Adolf Dipl Ing Priess
Priority date: 1963-05-02
Filing date: 1963-05-02
Publication date: 1965-02-10

Description

Schaltungsanordnung zur Vermeidung einer Funkenbildung bei elektrischen Kommutator-Maschinen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Vermeidung einer Funkenbildung bei elektrischen Kommutator-Maschinen.

Im allgemeinen gelingt es, durch Wahl geeigneter Bürstensorten und durch Einstellung eines angepassten Wendefeldes die Stromwendung von Gleichstrommaschinen im stationären Betrieb funkenfrei zu halten. Lediglich bei Stromüberlastungen und bei dynamischen Beanspruchungen lässt sich die Funkenbildung an den Bürstenkanten nicht vermeiden.

Bei Wechselstrom- und Drehstromkommutator-Maschinen wird auch in den durch die Bürsten kurzgeschlossenen Windungen transformatorisch 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 an der ablaufenden Bürstenkante, die bei unvollkommener Stromwendung noch verstärkt wird. Lediglich beim Einphasenbahnmotor ist es mög- lich, die Transformatorspannung bei einer bestimmten Drehzahl aufzuheben. Die gegenwärtig verwendeten Bürstensorten gestatten eine transformatorisch induzierte Lamellenspannung (Windungsspannung) von etwa U= 3 Veff, wobei der Verschleiss von Bürsten und Kommutator durch Funkenbildung in mässigen Grenzen bleibt.

Mit Rücksicht auf die zulässige Lamellenspannung ist die Induktion im Luftspalt der Maschinen beschränkt, so dass ihre Ausnutzung nicht so hoch getrieben werden kann wie bei Gleichstrommaschinen. Funkenbildung tritt ausserdem bei Kommutator-Maschinen auf, die mit Gemischstrom (Gleichrichterbetrieb, z. B. Wellenstrommotor) betrieben werden ; sie kann dabei durch Schwingungen der Netzspannung (oder des Netzstroms), durch räumliche Oberwellen der Induktion sowie durch Fehler in der Maschine bedingt sein.

Bei der Funkenbildung tritt ein Kurzlichtbogen zwischen Lamelle und ablaufender Bürstenkante auf, dessen Brennspannung 8 V á Up - 20 V betragen kann, so dass zwischen Nachbarlamellen des Kommutators eine Spannung in gleicher Grössenordnung liegt.

Es ist schon eine Kommutierungseinrichtung bekannt, die steuerbare Gleichrichterelemente (Quecksilberdampfröhren) in Reihe mit den kommutierenden Spulen aufweist. Die Bürsten werden dabei von ihren Schaltaufgaben entlastet und dienen nur der Stromzuführung zum bewegten Teil, dem Feldmagneten.

Der ruhende Anker und die Serienschaltung von Spulen und gesteuerten Gleichrichtern kennzeichnen die Anordnung als Vorläufer des sogenannten Stromrichtermotors.

Bekannt ist ferner eine Einrichtung für Gleichstromkommutator-Maschinen, bei der eine Hilfsbürste in Reihe mit einer Zenerdiode oder einem Siliziumkarbidelement parallel zur Hauptbürste geschaltet ist und den Kontakt zur abschaltenden Lamelle nach Ablaufen der Hauptbürste übernimmt. Die empfindlichen Punkte dieser Einrichtung liegen in dem Spulenkurzschluss, den auch die Hilfsbürste beim Kontakt mit zwei Lamellen hervorruft, in der Kontaktunsicherheit der Hilfsbürste und in der vermehrten Wartungsarbeit.

Es ist ferner bereits bei einer Anordnung zur Unterdrückung von Funkenbildung bei elektrischen Kollektor-Maschinen bekannt, am Kollektor und koaxial zur Kollektorachse eine Scheibe aus spannungsabhängigem Widerstandsmaterial anzubringen, die 30 kontaktiert wird, dass sie sich an der Stromführung zwischen zwei Lamellen beteiligt, soba'id zwischen diesen eine Schaltspannung auftritt. Die Strom-Span-

nungs-Kennlinie des Widerstandsmaterials lässt sich durch eine ExponentialfuskEion annähern. Der differentielle Widerstand des Widerstandsmaterials ist daher so hoch, dass eine merkliche Funkenunterdrückung nur für sehr kleine Abschaltströme möglich ist.

Bei hohen Absehaltstromen (grösseren Maschinen) ist die Wirkung der Anordnung vemachlässigbar.

Gemäss der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass zwischen jeweils zwei Lamellen des Kommutators, also parallel zur kommutierenden Spule, Halbleiterelemente eingeschaltet sind, welche als Stromführung nach Abreissen des Bürstenkontaktes dienen. Durch diese Elemente soll der Stromverlauf in der Wicklung im Bereich zwischen den Stromwendungen nicht merklich beeinflusst werden. Sie dürfen daher weder durch die Höhe noch durch die Kurvenform der Betriebs-Lamellenspannung zum An- sprechen gebracht werden. Erst beim Abreissen des Kontaktes zwischen Bürste und Lamelle soll das Halbleiterelement ansprechen und die Stromleitung übernehmen, so dass Funkenbildung unterdrückt oder zumindest auf eine unschädliche Dauer abgekürzt wird.

Die Ausführungsart der Wicklung spielt dabei keine Rolle. Die Wicklungen können sowohl ein-oder mehrgängige Schleifen- oder Wellenwicklungen und deren Kombinationen als auch Parallelwicklungen sein.

Die Erfindung wird an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher erläutert. Die Fig. l, 3 und 4 stellen verschiedene Schaltungsanordnungen nach der Erfindung dar während Fig. 2 eine Kennlinie zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung zeigt und die Fig. 5 und 6 verschiedene Möglichkeiten der Montage der Halbleiterelemente veranschaulichen.
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schaltet. Mit 3 ist die ablaufende Bürstenkante und mit 4 de : Wicklungswiderstand bezeichnet. Zum thermischen Schutz der Halbleiterelemente wird die Schaltverbindung 5 zwischen Lamelle 2 und Halbleiterelement 1 verwendet, die bezüglich Material, Querschnitt und thermischer Isolierung entsprechend dimensioniert wird.

Die Kennlinie der Gegenschaltung der Zenerdioden 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Bei grossen Maschinen
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Stromstärken nicht zu Spannungsabfällen führen, welche die Brennspannung Up eines Kurzlichtbogens überschreiten. Es muss also gelten : Uz + -Rdiff < Up, wobei Uz die Zenerspannung und i der Momentanwert des Abschaltstromes ist.
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dem Anfangswert IF = 15A bewirkt der Kurzlichtbogen bei der Brenndauer Tp = lOpsec bereits eine starke Schädigung von Kommutator und Bürsten. Seine Energie beträgt
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Bei einer Läuferfrequenz von f = 100 Hz wird im zeitlichen Mittel in jeder Zenerdiode die Verlustleistung PV= WF. f= 112, 5 mW in Wärme umgesetzt.

Mit Rücksicht auf diesen zeitlichen Mittelwert würden zwar normale Zenerdidden ausreichen ; die Impulsbelastung erfordert jedoch eine reichlichere Bemessung (Leistungszenerdioden). Ds.
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eine höhere Ausnutzung der Maschinen, längere Bürstenstandzeiten, erhöhte Betriebssicherheit und Erleichterung der Funkentstörung. Bei vollständiger Bestückung ist die Anzahl der Zenerdioden gleich der doppelten Lamellenzahl des Kommutators.
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plitude der Lamellenspannung ab.

Am zweckmässigsten ist es, als Steuerelement 6 einen kleinen Kon- densator zu verwenden, dessen Grösse so abgestimmt werden kann, dass nur die beim Abreissen des Bürsten- kontaktes entstehende steile Flanke der Schaltspannung zur Zündung der Kipptriode führt.

Die Verwendung eines besonderen Steuerelementes kann vermieden werden, indem die Kipptriode so ausgelegt wird, dass die Vorwärtssperrspannung und der zulässige Spannungsanstieg so niedrig liegen, dass der kapazitive Strom der Sperrschicht zur Durchzündung beim Abreissen des Bürstenkontaktes ausreicht.

Da die Zündung dann unabhängig von der Amplitude der Lamellenspannung ist, lässt sich die Anord- nung auch für Kommutator-Maschinen verwenden, deren Betriebs-Lamellenspannung über der Funken- spannung liegt (insbesondere bei Gleichstrommaschinen und Einphasenbahnmotoren). Der funkenfreie Be- triebsbereich wird dadurch erweitert, die Bürstenstandzeit, die Betriebssicherheit und die Ausnutzung stei- gen. Bei vollständiger Bestückung ist die Anzahl der Kipptrioden wieder gleich der doppelten Lamellen- zahl.

Eine weitere Ausführungsform ergibt sich durch Verwendung von Vierschichtdioden in Antiparallel- schaltung an Stelle der Kipptrioden la in Fig. 3, wobei das Steuerelement 6 entfällt. Die Schaltspannung der Dioden ist dann so zu bemessen, dass die beim Abreissen des Bürstenkontaktes auftretende Schaltspan- nungsspitze mit Sicherheit ein Durchschalten bewirkt. Das Verhalten der Vierschichtdiode entspricht dem der Kipptriode mit einer Zenerdiode als Steuerelement. Bei vollständiger Bestückung ist die Anzahl der
Vierschichtdioden gleich der doppelten Lamellenzahl.

Liegen mehrere Leiter nebeneinander in der Nut, so brauchen nicht alle Lamellen beschaltet zu werden. Es ist ausreichend, nur bestimmte Windungen - bzw. deren Anfangslamellen und die gegen
Drehrichtung folgende Lamelle - mit Halb1eiterelementen auszurüsten., Es sind das solche Windungen, die wie im Beispiel der Fig. 4 ihre magnetische Energie des Nutenstreufeldes nicht an gleichzeitig kurz- geschlossene, mit beiden Spulenseiten in den gleichen Nuten liegende (gekoppelte) Windungen weiter- geben können. Diese Windungen werden in der Literatur (nach Dreyfus) auch als "selbständig abschalten- de Windungen" bezeichnet. Es sind dies maximal zwei Windungen pro Nut, allerdings für jede Dreh- richtung andere.

In Fig. 4 ist bei der durch einen Pfeil angedeuteten Drehrichtung beispielsweise die Be- schaltung der Windung 7 ausreichend ; es brauchen also nur zwei Drittel der Lamellen mit je einem Halb- leiterelement ausgerüstet zu werden. Die Lamellen 2 sind in Fig. 4 ähnlich wie in Fig. 3 beschaltet.

Zweckmässig ordnet man die Halbleiterelemente im uteulven Kühlmittelstrom an, u. zw. so, dass ihre Montage leicht durchführbar ist, da bei Gleichstrommaschinen und Einphasenbahnmotoren zuvor die
Einstellung des Wendefeldes durch Aufnahme der Funkengrenzkurven zu erfolgen hat. Eine geeignete An- ordnung der Halbleiterelemente 1 bzw. la ist gemäss Fig. 5 vor den Wicklungsverbindern 8 oder gemäss
Fig. 6 an der Stirnseite des Kommutators.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Vermeidung einer Funkenbildung bei elektrischen Kommutator-Maschi- nen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei Lamellen (2) des Kommutators Halbleiterele- mente (l, la bzw. 9) eingeschaltet sind, welche als Stromführung nach Abreissen des Bürstenkontaktes dienen.

Claims

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Lamellen (2) als Halbleiterelemente Zenerdioden (1) in Gegenschaltung vorgesehen sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Lamellen (2) als Halbleiterelemente Kipptrioden (la) in Antiparallelschaltung geschaltet sind, zu deren Zündung ge- gebenenfalls Steuerelemente (6) vorgesehen sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuerelemente (6) für die Kipptrioden (la) Widerstände, Zenerdioden oder Kondensatoren vorgesehen sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kipptrioden (la) derart dotiert sind und die zulässige Spannungssteilheit derart niedrig bemessen ist, dass der kapazitive Strom der Sperrschicht deren Durchzündung beim Abreissen des Bürstenkontaktes ohne das Erfordernis eines be- sonderen Steuerelementes bewirkt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterelemente zwi- schen zwei Lamellen (2) Vierschichtdioden in Antiparallelschaltung geschaltet sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halb- leiterelemente zwischen benachbarte Lamellen (2) geschaltet sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halb- <Desc/Clms Page number 4> leiterelemente zwischen zwei nicht benachbarte Lamellen (2), zwischen denen ein Abschaltvorgang stattfindet, geschaltet sind.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nur Lamellen (2) von Windungen (7), die während des Abschaltvorganges nicht mit beiden Spulenseiten mit gleichzeitig kurzgeschlossenen Nachbarwindungen einer Nut gekoppelt sind, durch Halbleiterelemente (la) vor Funkenbildung geschützt sind (Fig. 4).

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als thermischer Schutz des Halbleiterelementes eine der Schaltverbindungen (5) zwischen jeweils einer Lamelle (2) und einem Halbleiterelement (1, la) mit entsprechender Auswahl bzw. Bemessung bezüglich Material, Querschnitt und thermischer Isolierung vorgesehen ist.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verkürzung der Stromführungszeit der Halbleiterelemente (1, la) die Schaltverbindung (5) zwischen jeweils einer Lamelle (2) und einem Halbleiterelement (1, la) als Widerstand ausgeführt ist oder in diese Schaltverbindung (5) ein Widerstand eingeschaltet ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Halb- EMI4.1

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Halbleiterelemente (l, la) auf der lagerseitigen Stirnfläche des Kommutators im Kühlmittelstrom angeordnet und mit dem Kommutator z. B. durch Verschraubung fest verbunden sind.