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Die Erfindung betrifft eine Hochlaufschaltung für einen selbstlaufenden Drehstromsynchronmotor mit einer über mitrotierende Gleichrichter die Polradwicklung speisenden Wechselstromerregermaschine, bei welchen Synchronmotor während des asynchronen Hochlaufes die Erregergleichrichter durch einen in Serie zur Polradwicklung geschalteten Reihenthyristor von dieser getrennt sind, während parallel zu dieser Polradwicklung mindestens ein Hochlaufthyristor geschaltet ist, welchem Reihenthyristor ein von der Schlupffrequenz der Spannung der Polradwicklung abhängiger Zündimpulsgeber zugeordnet ist, der aus einem Ladekondensator, der über einen die Ladezeit bestimmenden Ladewiderstand von der an den Leistungsklemmen des Reihenthyristors anliegenden Klemmenspannung aufladbar ist, und aus mindestens einer Entladestufe für den Ladekondensator besteht.
Bei diesen bekannten Hochlaufeinrichtungen erstreckt sich die Messnung der Polradspannung über ihre komplette negative Halbperiode. Ausserdem wird auch der für den Zündimpuls vorgesehene Kondensator während der negativen Halbperiode der Polradspannung aufgeladen.
Darüber hinaus hat die Schaltung gemäss der USA-Patentschrift Nr. 3, 405, 338 nur eine Entladestufe, wobei diese Entladestufe des Kondensators zur Zündung des Reihenthyristors verwendet wird. Diese Schaltung weist also keinen Rückstellkreis auf, über den sich der Kondensator entladen könnte, sollte die Schlupffrequenz noch nicht erreicht sein. Die Entladung bzw. Auf-Null-Stellung des Kondensators erfolgt über eine Diode, durch das Wechseln der Halbwelle in den negativen Bereich. Diese Form der Entladung des Kondensators kann also nur deshalb erfolgen, da sich die Messung über einen ganzen Halbwellenbereich erstreckt. Nachteilig wirkt sich bei dieser Schaltung auch aus, dass viele Zusatzeinrichtungen benötigt werden, um allen Anforderungen nachkommen zu können.
Aus der USA-Patentschrift Nr. 3, 599, 236 ist zwar eine Einrichtung bekannt, die zwei Entladestufen aufweist, wobei jedoch die Rückstellung nicht bei einem bestimmten Spannungswert erfolgt, sondern schon bei einem geringen Spannungspotential einer Leitung gegenüber einer andern Leitung. Die Rückstellung erfolgt hier also ohne einen definierten Spannungswert.
Die Schwierigkeit beim asynchronen Selbstanlauf, d. h. bei der sogenannten Direkteinschaltung der in Rede stehenden Synchronmotoren liegen vor allem darin, dass während des asynchronen Hochlaufes im Polradkreis Spannungen induziert werden, die ohne entsprechende Vorkehrung zur Zerstörung der Polradwicklung und bzw. oder der sie speisenden Gleichrichterdioden führen können.
Um dem vorzubeugen, ist es bekannt, wie in Fig. 1 dargestellt, die über die mitrotierenden Gleichrichter--l--aus der nicht dargestellten Erregermaschine gespeiste Polradwicklung--2--über die beiden antiparallelen Thyristoren,--3, 4-- im folgenden Anlaufthyristoren genannt, kurzschliessbar zu machen und in den Polradkreis einen Thyristor--5--, nachstehend Reihenthyristor genannt, einzufügen, der im nicht gezündeten Zustand den Erregerkreis unterbricht.
Mit--6 und 7--sind ferner ein Grundlastwiderstand und ein Dämpfungskondensator angedeutet, die zur Polradwicklung--2--parallel liegen. Die Thyristoren--3, 4 und 5--werden über eine mit den
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Steuereinrichtung--8--inPolradwicklung bzw. des Reihenthyristors bezeichnet. Wie in Fig. 1 angedeutet, wird die Mess- und Steuereinrichtung--8--von der Spannung am Reihenthyristor--5-- (Spannung an den Klemmen --E i, Eg--) gespeist. Die Spannung am Reihenthyristor ist die gleichgerichtete Summe von Polradspannung und Erregergleichspannung.
In Fig. 2 sind zwei Verläufe (etwa 11/2 Halbwellen) für die in der Polradwicklung beim Hochlaufen induzierte Spannung an den Klemmen--El und E-- (UE,, Ei) dargestellt, von denen der eine a) eine höhere Frequenz und grössere Amplitude aufweist, also einer Hochlaufphase entspricht, wo noch zu grosser Schlupf gegeben ist, und der andere b) eine geringere Frequenz und kleinere Amplitude zeigt, also dem weitgehend vollzogenen Hochlauf entspricht, wo der Synchronmotor nicht mehr weit vom Synchronismus entfernt ist.
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induzierten Spannungen, die sogenannte Schlupffrequenz, und die Amplituden der Spannungen schon sehr gering geworden sind und beim Zuschalten der Gleichstromerregung das Polrad ohne gefährliche Pendelungen und Überspannungen in den Synchronismus gezogen werden kann, die Anlaufthyristoren nicht mehr zu zünden und den Reihenthyristor leitend zu machen. Die Mess-und Steuereinrichtung--8--besteht also im wesentlichen aus einer Zündschaltung für die Anlaufthyristoren--3, 4--und den Reihenthyristor--5--.
Da die Zündung für die Anlaufthyristoren immer dann erfolgen muss, wenn die im Polrad induzierten Spannungen einen bestimmten absoluten Wert übersteigen, ist die schaltungstechnische Lösung relativ einfach und läuft darauf hinaus, den Gittern der Anlaufthyristoren--3, 4--dann einen Zündimpuls zu geben, wenn die induzierte Spannung UE, El in der einen oder andern Halbwelle einen bestimmten Wert (in Fig. 2 mit Uz bezeichnet) übersteigt. Schwieriger ist es, den richtigen Zeitpunkt für das Zünden des Reihenthyristors--5--
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schaltungstechnisch zu erfassen, da die Zündschaltung für den Reihenthyristor den nachstehenden Forderungen entsprechen muss :
1.
Der Reihenthyristor--5--darf nur dann gezündet werden, wenn der Hochlauf schon so weit fortgeschritten ist, dass die Schlupffrequenz kleiner oder gleich einer bestimmten Frequenz geworden ist.
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Da es für das Verständnis der später geschilderten erfindungsgemässen Schaltung von grundlegender Bedeutung ist, sei auf die Forderung 1 näher eingegangen. In der Darstellungsweise der Fig. 2 bedeutet diese Forderung, dass über die erfindungsgemässe Mess-und Steuereinrichtung-8--sichergestellt werden muss, dass bei einem Verlauf a) der Polradspannung der Reihenthyristor--5--noch nicht gezündet werden darf, da der Hochlauf noch nicht ausreichend vollzogen ist, bei einem Verlauf b) aber die Zündung schon erfolgt sein soll, weil die Schlupffrequenz schon entsprechend gering geworden ist, so dass schon früher beim Zuschalten der Gleichstromerregung ein stossfreies Intrittfallen erwartet werden kann. Mif--P--ist in der Fig.
2 durch die Spannung UR (später Rückstellspannung genannt) und die Zeit r ein Punkt festgelegt, der einem Spannungsverlauf angehört, der schon eine hinreichend geringe Frequenz aufweist, so dass zu einem Zeitpunkt, da die asynchronen Hochlaufspannungen des Polrades durch diesen Punkt gehen, der Reihenthyristor--S-- gezündet werden kann und auch gezündet werden soll. Durch den gegebenen funktionellen Zusammenhang von Schlupffreqeunz und Spitzenwert der Polradspannung ist Gewähr gegeben, dass es nur eine eindeutige Frequenz gibt, bei der die Polradspannung durch diesen Punkt P verläuft.
Den oben genannten Forderungen zu genügen, ermöglicht die nachstehend an Hand der Fig. 3, 4 und 5 geschilderte Schaltung zur zeitabhängigen Zündung des Reihenthyristors--5--.
Gegenstand der Erfindung ist eine Hochlaufschaltung der eingangs genanten Art, die erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Aufladung während der positiven Halbwelle der Polradspannung die Serienschaltung des Ladekondensators und des Ladewiderstandes mit einem an die Klemmenspannung des Reihenthyristors angeschlossenen Steuertransistors verbunden ist, und dass dem Eingang der ersten den Zündimpuls für den Reihenthyristor liefernden Entladestufe eine weitere Entladestufe parallelgeschaltet ist, über welche der Ladekondensator bei Überschreiten eines festgelegten Schwellwertes der Polradspannung vor Ablauf der Ladezeit durch Kurzschliessen entladbar ist.
In Fig. 3 sind die Klemmen der Schaltung in Übereinstimmung mit den Klemmenbezeichnungen der Fig. 1
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Klemmen --E3, EI -- liegenden Kondensators--kg--über den Widerstand--wl--gewonnen. Die Steuerelektrode des Thyristors--pg--ist mit dem einen Ende eines Widerstandes --w2-- verbunden, dem ein programmierbarer Unijunctiontransistor (PUT) vorgeschaltet ist, dessen Gate an einer Teilspannung (Spannungstellwiderstände --w3,w4--) der über den Kondensator--kg--gepufferten und über die Zener-Diode --n6-- begrenzten Spannung an den Klemmen --E3'EI -- liegt, und dessen Anode mit dem einen Belag eines Kondensators--kg--verbunden ist.
Der an der Klemme--Ei--liegende Kondensator
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kg--liegtKollektorkreis eines weiteren Transistors--p4--liegen, der mit seinem Emitter an der Klemme--Ei--und dessen Basis über einen Widerstand--wg--an der Klemme--E2--liegt. --p4 und ps--liegen somit an derselben Spannung, sind aber zueinander komplementär npn-bzw. pnp-Transistor.
Dem Kondensator--kg-liegt ferner ein weiterer programmierbarer Unijunctiontransistor (PUT)--p--parallel, dessen Gate mit dem über einen Widerstand der Klemme --E3-- liegenden Kollektorkreis eines Transistors-p6-verbunden ist, dessen Emitter mit der Klemme --EI -- verbunden ist und dessen Basis unter Vorschaltung der Zener-Diode --n9 -- an einer durch die Widerstände --rI3 und wl o-bestimmten Teilspannung der
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Ej-- liegenderKondensatoren--kg und k9-- während der Lückzeiten verhindern sollen, und mit --WI2 -- ein Widerstand, der vorgesehen ist, um dem Ladekreis für den Kondensator-kg-eine längere Ladezeit zu geben.
Die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Schaltung ist wie folgt : Überschreitet die Spannung Uss,, Ei einen festgelegten Wert (etwa + 1, 5 V), wird über den Transistor-p4- (pnp-Typ) der Transistor-ps-angesteuert und der Kondensator--kg--mit einer durch den Widerstand --r19-- einstellbaren Zeitkonstante geladen. Erreicht die Spannung am Kondensator--kg--die über die Gitterspannung des (PUT) --pg-- programmierbare Durchbruchspannung, so schaltet der Unijunctionstransistor--ps--durch, der Kondensator--kg--wird entladen und damit der Thyristor --p9-- gezündet. Letzterer entlädt den
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Reihenthyristors--5--.Transistors--p6--gebracht. Der programmierbare Unijunctiontransistor --p7-- bricht durch und entlädt damit den Kondensator--kg--.
Durch den Wert des Widerstandes--ri 9--lässt sich also eine bestimmte Ladezeit 7'und durch den Wert des Widerstandes--rig--eine Rückstellspannung UR festlegen. UR muss grösser als die Oberwellenspannung
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keine Zündung des Reihenthyristors--5-- (Spannungsverlauf a) in Fig. 2). Ist die momentane Schlupffrequenz jedoch kleiner (Spannungsverlauf b) in Fig. 2), erhält der Reihenthyristor--5--einen Zündimpuls. Damit ist die Forderung 1 erfüllt.
Ist der Spitzenwert der Spannung UE,, EI in der letzten positiven Halbwelle grösser als UR gewesen, oder wurde ein Zündimpuls abgegeben, so wurde der Kondensator--kg--ganz entladen und bleibt es auch bis zum
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Ei > 0) abgegeben--5-- (UE3,E1) sicher grösser als 0. Somit sind auch die Forderungen 2 und 3 erfüllt.
Ist der hochlaufende Motor von selbst in Tritt gefallen oder trotz Synchronlauf der Reihenthyristor --5-- erloschen, so werden in der offenen Polradwicklung Oberwellen induziert und die Schaltung nach Fig. 3 wird immer dann wirksam, wenn die Oberwellenspannung grösser als etwa + 1, 5 V ist, d. h., der Kondensator --kg-- wird stufenweise geladen, da die Spitzenspannung zu klein ist, um ihn zurückzustellen. Ergibt die Summe der Teilladezeiten die eingestellte Ladezeit T, so wird ein Zündimpuls abgegeben. Es ist also auch die Forderung 4 erfüllt.
Die Forderungen 5 und 6 sind schliesslich dadurch erfüllt, dass bei einem Erlöschen des Reihenthyristors
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die Durchlassspannung des Reihenthyristors--5--ansteht, die zur Spannungsversorgung für die Mess- und Steuereinrichtung--8--nicht ausreichend ist.
In gleicher Weise wirken schaltungstechnische Varianten nach den Fig. 4 und 5. In Fig. 4 ist der programmierbare Unijunctiontransistor --p7-- druch ein zweistufiges Schalttransistorpaar mit den Transistoren --Plo' und pm"--ersetzt, das dem Kondensator--kg--parallel liegt und bei Überschreitung eines festgelegten Wertes UR der Polradspannung, d. h. bei Durchbruch der Zener-Diode --n9--, durchschaltet und damit den Kondensator --k8-- entlädt.
Bei der Ausgestaltung nach Fig. 5 ist der programmierbare Unijunctiontransistor --p7-- durch eine aus den komplementären Transistoren --p11 und p12-- bestehende Kippstufe ersetzt, welche bei Durchbruch der Zener-Diode --n9 -- in den leitenden Zustand kippt und solange verbleibt, bis der Kondensator--kg--ganz entladen ist.
Bei den Ausgestaltungen nach den Fig. 4 und 5, aber auch bei Fig. 3 ist es erforderlich, das Potential des Emitters des Transistors--p4--etwas anzuheben, was z. B. durch Einfügen einiger Schwelldioden --d1, d2-in den Emitterkreis erreicht werden kann. Diese Massnahme verhindert, dass die Durchlassspannung der Anlaufthyristoren ausreicht, um den Kondensator--kg--zu laden. Mit andern Worten, es muss sichergestellt werden, dass der Transistor--p4--nur dann anspricht, wenn die Spannung UE2'EI grösser als etwa 2 V ist.
Auch der Ersatz des programmierbaren Unijunctiontransistors --p7-- durch einen Thyristorschalter ist möglich. Wesentlich ist, dass schaltungstechnisch sichergestellt ist, dass während der positiven Halbwellen der Polradspannung der Kondensator--kg--von der am Reihenthyristor anliegenden Spannung mit einer durch
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--rI9 -- einstellbaren Ladezeit 7- auslöst, der andere aber den Kondensator--kg--entlädt, wenn vor Ablauf der Ladezeit 7 die Polradspannung einen bestimmten Wert (nämlich UR) erreicht.
Das zeitgerechte Zünden des Reihenthyristors--5--, welches bisher durch logische Verknüpfung der Ergebnisse einer Frequenzüberwachung, einer Polaritätsüberwachung, einer synchronen Zündeinrichtung und einer
Unterspannungssperre bewerkstelligt wurde, lässt sich in der aufgezeigten erfindungsgemässen Art mit viel geringerem Aufwand und damit verbundener geringerer Störanfälligkeit bewerkstelligen. Abgesehen von dem genannten grossen schaltungstechnischen Aufwand hat die bisherige Lösung der in Rede stehenden Aufgabe auch den Nachteil, dass sich bei der bisherigen Lösung die Überwachungsfunktionen notwendigerweise über mehrere Halbwellen der Polradspannung erstrecken mussten.
Die Funktionsfähigkeit der Schaltung musste aber natürlich auch während der Lückzeiten gegeben sein, weshalb zur Überbrückung dieser Zeiten ein Energiespeicher (noch dazu ein mitrotierender) mit allen damit verbundenen Problemen vorgesehen werden musste. Die vorbeschriebene Erfindung hingegen hat diesen Nachteil nicht, da alle erforderlichen Entscheidungen während einer (positiven) Halbwelle der Hochlaufspannung getroffen werden und daher besondere Massnahmen zur Überbrückung der Lückzeiten nicht erforderlich sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hochlaufschaltung für einen selbstanlaufenden Drehstromsynchronmotor mit einer über mitrotierende Gleichrichter die Polradwicklung speisenden Wechselstromerregermaschine, bei welchem Synchronmotor während des asynchronen Hochlaufes die Erregergleichrichter durch einen in Serie zur Polradwicklung geschalteten Reihenthyristor von dieser getrennt sind, während parallel zu dieser Polradwicklung mindestens ein Hochlaufthyristor geschaltet ist, welchem Reihenthyristor ein von der Schlupffrequenz der Spannung der Polradwicklung abhängiger Zündimpulsgeber zugeordnet ist, der aus einem Ladekondensator, der über einen die Ladezeit bestimmenden Ladewiderstand von der an den Leistungsklemmen des Reihenthyristors anliegenden Klemmenspannung aufladbar ist, und aus mindestens einer Entladestufe für den Ladekondensator besteht,
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Klemmspannung des Reihenthyristors (5) angeschlossenen Steuertransistors (ps) verbunden ist, und dass dem Eingang der ersten den Zündimpuls für den Reihenthyristor (5) liefernden Entladestufe (pus, pg) eine weiter Entladestufe (p6, p ?, Rio', Rio") parallelgeschaltet ist, über welche der Ladekondensator (kg) bei Überschreiten eines festgelegten Schwellwertes der Polradspannung (UR) vor Ablauf der Ladezeit (T) durch Kurzschliessen entladbar ist.
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