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Einrichtung für den Anlauf kommutatorloser Gleichstrommotoren Die
Erfindung bezieht sich auf kommutatorlose Gleichstrommotoren, die besonders schwierigen
Anfahrbeanspruchungen unterliegen. Bei diesen Motoren, vorzugsweise solchen mit
Reihenschlußverhalten, ist anders als bei konventionellen Maschinen die Ankerwicklung
räumlich stillstehend im Ständer untergebracht und das Polsystem im Läufer. An Stelle
des mechanischen Kommutators sind steuerbare Stromrichter (steuerbare Halbleitergleichrichter)
vorhanden, welche in Antiparallelschaltung die einzelnen Anzapfungen der Ankerwicklung
zyklisch fortlaufend mit der Speisespannung verbinden. Die dazu nötigen Zündbefehle
an die Stromrichter werden von einem mit dem Polrad verbundenen Steuerkommutator
erteilt. Beim Lauf der Maschine induziert das Erregersystem des Läufers in der Ankerwicklung
Spannungen, welche der Stromwendung in den einzelnen Wicklungsteilen dienen und
die von der Stromführung abzulösenden Stromrichter zum Erlöschen bringen. Es ist
vorteilhaft, das Erregersystem dazu mit einer Wendepolwicklung auszurüsten. Beim
Anlauf der Maschine aus dem Stillstand fehlt jedoch insbesondere in den ersten Augenblicken
und im Bereich noch sehr kleiner Drehzahlen eine genügende Schnittgeschwindigkeit
des Wendefeldes mit den Ankerleitern, um in der Ankerwicklung eine ausreichende
Stromwendespannung zur Löschung der abzulösenden Stromrichter zu erzeugen. Dies
ist vor allem für Betriebe mit Schwerlastanlauf, wie z.B. für die Reihenschlußfahrmotoren
von elektrischen Triebfahrzeugen eine besondere Schwierigkeit und stellt eine Problematik
für einen derartigen kommutatorlosen Motor dar. Man kann zwar auf bekannte Weise,
z. B. unter Zuhilfenahme von Kommutierungskondensatoren und Kommutierungsstromrichter,
mit denen die Hauptstromrichter zu beschalten wären, eine Zwangslöschung der Hauptstromrichter
herbeiführen. Damit käme man aber zu einem großen Aufwand, welcher die Anwendungsmöglichkeit
und Wirtschaftlichkeit eines solchen Motors in Frage stellt, um so mehr als dieser
Aufwand nur für die kurze Zeit der gelegentlichen Anfahrten getrieben würde. Es
ist deshalb besonders wichtig und von Bedeutung, für diese Aufgabe Methoden und
Mittel anzuwenden, die diesen Aufwand herabsetzen lassen.
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Es ist zwar schon versucht worden, im Stillstand und bei kleinen Geschwindigkeiten
die zur Löschung der Stromrichter erforderliche EMK dadurch zu erzeugen, daß eine
am Ende der Hauptpole angeordnete Hilfswicklung oder eine getrennte Erregerwicklung
an eine Wechselspannung geeigneter Frequenz angeschlossen wird. Bei einer derartigen
Ausführung ist jedoch eine zusätzliche Wechselspannungsquelle erforderlich. Darüber
hinaus ergibt sich ein besonderer Aufwand für die übertragung der Wechselspannung
zu der auf dem Läufer angeordneten Hilfswicklung.
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Die Erfindung bringt eine vorteilhafte Verbesserung an einer Einrichtung
für den Anlauf kommutatorloser Gleichstrommotoren mit über steuerbare Stromrichter
gespeister Ankerwicklung im Ständer, bei der zum Löschen der abzulösenden steuerbaren
Stromrichter während des Anlaufs im Zusammenwirken mit einer Stromrichtersteuerung
durch eine Veränderung des Haupterregerfeldes eine transformatorische EMK in der
Ankerwicklung des Motors induziert wird. Gemäß der Erfindung ist die transformatorische
EMK durch eine kurzzeitige Veränderung des Haupterregerfeldes des Motors bzw. seines
Erregerstromes infolge Zu- oder Abschalten von reellen bzw. komplexen Widerständen
im Erregerstromkreis erzeugt. Auf diese Weise wird gegenüber den bekannten Ausführungen
eine wesentliche Vereinfachung erzielt, da eine Wechselspannungsquelle und die erforderlichen
übertragungsmittel für die Wechselspannung auf den Läufer entfallen können.
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Besonders vorteilhaft ist es, im Errergerstromkreis eine Einrichtung
zur Kurzunterbrechung vorzusehen, die durch das Aufladen eines parallel zu der Erregerwicklung
angeordneten Kondensators erzeugt ist. Den Beginn der Aufladung löst ein Ladestromtor
aus, das in Steuerabhängigkeit von einem auf der
Motorwelle aufgesetzten
Steuerkommutator gebracht ist. In vorteilhafter Weise entlädt ein sogenanntes Entladestromtor
den Kondensator nach seiner Rufladung über einen Schutzwiderstand. Ein weiteres
Mittel zur Erzeugung einer EMK der Transformation in den zu kommutierenden Ankerspulen
ist die Anbringung einer besonderen Wicklung auf den Hauptpolen. Unabhängig von
der Art, in der die für das Kommutieren notwendige Feldänderung erzeugt ist, ist
es vorteilhaft, den Motor in seinem magnetischen Teil im Gegensatz zu konventionellen
Gleichstrommaschinen aus isolierten Blechen aufzubauen, um die Zeitträgheit des
Feldes möglichst gering zu halten.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Anlaufeinrichtung eines kommutatorlosen
Motors mit einer elektronischen Steuerung der Stromrichter für SchwerIastanlauf
ist in der Zeichnung dargestellt.
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Der zweipolig gezeichnete Reihenschlußmotor trägt im Läufer die Hauptfeldwicklung
HF und die Wendefeldwicklung WF. Im Ständer ist die Ankerwicklung mit den
symbolisch dargestellten Ankerspulen AI bis A, untergebracht. Die Spulenzahl ist
nicht auf die des Beispiels beschränkt. An die einzelnen Anzapfungen der Ankerwicklung,
die beim konventionellen Motor mit den Kommutatorlamellen in Verbindung stehen,
sind Stromrichter S, bis S(; bzw. Si bis S4 in Antiparallelschaltung angeschlossen.
Das mit der Drehung des Läufers synchrone, zyklisch fortschreitende Weiterschalten
der Stromrichter wird durch einen Steuerkommutator SK gesteuert, der besonders vorteilhaft
kontaktlos ausgebildet wird und aus einer mit dem Läufer sich drehenden unmagnetisch.en
Scheibe mit permanentmagnetischer Markierung und einem Festteil aus Hallgeneratoren
HG oder magnetfeldabhängigen Widerständen (Feldplatten) besteht. Durch die magnetische
Markierung der sich drehenden Scheibe werden in den Hallgeneratoren oder Feldplatten
in übereinstimmung mit der jeweiligen Stellung des Polrades Spannungsimpulse bzw.
Widerstandsänderungen erzeugt, die von dem elektronischen Auswertungsgerät
AG logisch verarbeitet, verstärkt und als Zündimpulse den Stromrichtern zu
den jeweils richtigen Zeitpunkten zugeleitet werden. Von der positiven Klemme ausgehend
führt der Stromlauf in der gezeichneten Stellung über den Stromrichter S1 zu der
ihm zugeordneten Anzapfung der Ankerwicklung, wobei sich der Strom hälftig über
A1 und A6 verzweigt. Nach Wiedervereinigung über A3 und A4 führt der Strom durch
den Stromrichter S4 über die Schleifringe zum Polsystem des Läufers und zurück zur
negativen Klemme. Parallel zu den Schleifringen ist ein Kondensator C mit den Stromrichtern
S7 und S$ und einem Entladewiderstand R als Beispiel einer der Möglichkeiten zur
Beeinflussung des Hauptfeldes zur Erzeugung der transformatorischen Wendespannung
in der Ankerwicklung dargestellt.
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Wenn die Maschine aus der gezeichneten Lage im Schwerlastanlauf hochgefahren
werden soll, so wird durch den Steuerkommutator SK und das Auswertgerät AG das Zündkommando
von den Stromrichtern S1 und S4 weggenommen und den in der angenommenen Drehrichtung
zyklisch folgenden Stromrichtern S, und S5` zugeleitet. Gleichzeitig gibt
das elektronische Auswertgerät AG einen Zündbefehl an den Stromrichter S7,
welcher daraufhin durchzündet und über den ungeladenen Kondensator C das Erregersystem
der Maschine vorübergehend kurzschließt. Die damit zu bewirkende Änderung des Hauptfeldes
im Läufer induziert in den Ständerspulen A1 und A4 eine transformatorische EMK,
welche als Stromwendespannung die Stromrichter S, und S4 zum Erlöschen bringt. Da
der Strom in den betreffenden Wicklungsteilen auf Grund der gespeicherten magnetischen
Energie nicht sofort unterbrochen werden kann, sind in der Zeichnung nicht dargestellte
Kommutierungsdioden bzw. Kondensatorbeschaltungen der Ankerwicklung zur Verhinderung
von überspannungen vorhanden. Der Stromrichter S7 erlischt nach vollzogener Rufladung
des Kondensators C, worauf der Stromrichter S$ gezündet wird und nach Entladung
des Kondensators C über R seinerseits erlischt, so daß der Kondensator für den nächsten
Vorgang ungeladen wieder bereitsteht. Dieses Zusammenspiel setzt sich so lange fort,
bis mit steigender Motordrehzahl eine zur Erzeugung einer ausreichenden Wendespannung
entsprechende Schnittgeschwindigkeit zwischen Läuferfeld und Anker vorhanden ist.
Um diesen Zeitpunkt zu ermitteln, können z. B. die vom Steuerkommutator SK über
die Hallgeneratoren bzw. die Feldplatten gegebenen Impulse pro Zeiteinheit durch
das Auswertgerät AG ausgezählt werden, worauf die Beaufschlagung der Stromrichter
S7 und S8 gesperrt wird. Diese zeitliche Begrenzung der Wirkung der transformatorischen
EMK zur Kommutierung nur für die allererste Phase des Anlaufs der Maschine, bis
die natürliche Kommutierung durch das Wendefeld ausreichend einsetzt, ist besonders
wesentlich für die Kleinhaltung .des Aufwandes.