DE1249987B - - Google Patents

Description

DEUTSCHES ^TWW PATENTAMT

DeutscheKl.: 21d2-41

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1 249 987

Aktenzeichen: S 81724 VIII b/21 d2

J 249 987 Anmeldetag: 28.September 1962

Auslegetag: 14. September 1967

In der Antriebs-, Steuer- und Regeltechnik werden häufig drehzahlsteuerbare Motoren benötigt, die in der Regel als Gleichstrom-Kommutatormaschinen ausgebildet werden. Kommutator und Bürsten bieten jedoch immer wieder Anlaß zu Betriebsstörungen, Ausfällen und Reparaturen. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, kommutatorlose, drehzahlsteuerbare Motoren durch Speisung von Synchron- oder Asynchronmaschinen über Stromrichter zu schaffen (sogenannte Stromrichtermotoren). Die Speisung kann über einen Wechselrichter aus einem Gleichstromnetz oder über Umrichter bzw. kombinierte Gleich- und Wechselrichter aus einem Drehstromnetz erfolgen.

Ein Stromrichtermotor besitzt außer der Maschine und dem Stromrichter noch einen Steuerteil. Die Steuerung kann mit Hilfe eines Frequenzgenerators (Fremdsteuerung) oder abhängig von der Läuferstellung (Selbststeuerung) erfolgen. Die hauptsächlich in der Technik verwendeten Antriebsmotoren sind: Asynchronmotor, Syhchronmotor und Gleichstrommotor. Bei entsprechender Zuordnung können die Stromrichtermotoren dieselben Antriebscharakteristiken aufweisen, wie diese drei Motorentypen:

Asynchronmaschine plus Stromrichter plus Fremdsteuerung gibt einen Stromrichter-Asynchronmotor;

Synchronmaschine plus Stromrichter plus Fremdsteuerung gibt einen Stromrichter-Synchronmotor; Synchronmaschine plus Stromrichter plus Selbststeuerung gibt einen Stromrichter-Gleichstrommotor.

Beim Stromrichter-Asynchronmotor und beim i Stromrichter-Synchronmotor erfolgt eine Drehzahländerung, wenn die Speisespannung und die Steuer-Jfrequenz geändert werden. Beim Stromrichter-Gleichstrommotor erfolgt eine Drehzahländerung nur durch Änderung der Speisespannung.

F i g. 1 zeigt eine bekannte Stromrichtermaschine, die aus einer Drehstrommaschine D besteht, deren Wicklungsstränge UVW in Stern geschaltet und über einen Dreiphasen-Brückenwechselrichter mit sechs steuerbaren Stromrichtern S₁ bis S₆ aus einer Gleichspannungsquelle mit der Spannung U_g gespeist werden. Die Gleichspannungsquelle kann beispielsweise ein gesteuerter Dreiphasengleichrichter sein, der an ein Drehstromnetz angeschlossen ist. Zur Glättung sind zwei Drosseln L vorgesehen. Je nachdem, ob die Maschine im Generatorbetrieb(G) oder im Motorbetrieb (M) laufen soll, ist die Gleichspannung U_g entsprechend F i g. 1 gepolt. Der Gleichstrom U_g wird mit Hilfe des Stromrichters auf die einzelnen Stromrichtermotor

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Erich Krestel, Erlangen

Motorstränge geschaltet, von denen jeweils zwei stromdurchflossen sind.

In F i g. 2 ist die gleiche Anordnung umgezeichnet, um die beiden in Serie liegenden Systeme der Brückenschaltung hervorzuheben. Die Bezugszeichen ent, sprechen denen der Fig. 1. Ferner ist in F i g. 2

as eine der Kommutierungsspannungen Uj_c eingezeichnet, die die Stromrichtungsumkehr in den einzelnen Wicklungssträngen beim Übergang der Stromführung von einem Stromrichter auf den anderen ermöglichen. Der Stromrichtermotor hat einen einfachen Schaltungsaufbau und ein übersichtliches Betriebsverhalten. Durch die in letzter Zeit bekanntgewordenen Thyristoren erhielt seine Entwicklung neue Impulse, ohne daß jedoch die bisher veröffentlichten Lösungsvorschläge zu einem vollen Erfolg geführt haben.

Der wesentliche Nachteil des Stromrichtermotors aus F i g. 1 liegt darin, daß bei kleinen Motorfrequenzen von wenigen Hertz die Maschine keine ausreichende Stromwendespannung Uj_c erzeugen kann, die zur Kommutierung der Strangströme im Wechsel-

40' richterbetrieb erforderlich ist. Die in F i g. 2 angedeutete Kommutierungsspannung erreicht nämlich erst bei einer gewissen Mindestdrehzahl der Maschine die erforderliche Größe. Der Stromrichtermotor kann deshalb ohne Hilfsmittel nicht aus dem Stillstand anlaufen. Eine Teilaufgabe der Erfindung besteht nun darin, durch eine einfache Schaltung den Kommutierungsvorgang auch im Stillstand zu erzwingen.

Die Erfindung geht aus von einem bekannten Stromrichtermotor mit einer Drehstrommaschine, deren Motorwicklungsstränge in Stern geschaltet und über einen Dreiphasen-Brückenwechselrichter mit Thyristoren an eine Gleichspannungsquelle ange-

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schlossen sind. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Die Strangenden sind paarweise über je einen Kommutierungskondensator miteinander verbun- _s den;

b) die Wicklungsstränge sind mit Anzapfungen versehen, die je über einen in Sperrichtung des Gleichstromes gepolten Rückführungsgleichrichter an beide Pole der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind;

c) an der Gleichspannungsquelle liegt ein kapazitiver Spannungsteiler, dessen Mittelpunkt mit dem Sternpunkt der Maschine verbunden ist.

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Die Strangenden der Primärwicklung eines Wechselrichtertransformators jeweils über einen Kondensator zu verbinden, ist bekannt, beispielsweise aus der Zeitschrift »Electrical Times«, Januar 1961, S. 81 bis 85, insbesondere durch die Fig. 20 und 23. Die Figuren zeigen Parallelwechselrichter und die Anwendung von Blindstromdioden zur Speisung von induktiven Verbrauchern. Die Speisung eines Motors mit einem derartigen Wechselrichter führt aber zu Motorströmen, die sich aus im wesentlichen rechteckigen Impulsen zusammensetzen und entsprechende Oberschwingungen zur Folge haben. Diese Oberschwingungen induzieren Gegenmomente mit entsprechend ungünstiger Wirkung auf den Betrieb des angeschlossenen Motors.

In der britischen Patentschrift 398 798 ist auch bereits angeregt worden, die Primärwicklung eines Wechselrichtertransformators dreiphasig auszuführen. Jede Phase der Primärwicklung erhält dann eine Mittelanzapfung und wird von einem Parallelwechselrichter gespeist. Der Primärstrom durchfließt jeweils nur eine Wicklungshälfte und somit nur ein Sechstel der Gesamtwicklung, die dadurch entsprechend schlecht ausgenutzt ist.

Die Blindstromdioden können nach der britischen Patentschrift 430 651 auch jeweils an besondere Kommutierungswicklungen angeschlossen sein. Diese Wicklungen haben die Aufgabe, Ausgleichsströme zu erzwingen.

Nach der USA.-Patentschrift 2 009 834 kann der Mittelpunkt der Transformatorprimärwicklung jeweils über eine Kapazität an die geglättete Gleichspannung und den Mittelpunkt des Kommutierungstransformators angeschlossen sein. Diese Schaltung bezweckt eine Spannungsstabilisierung der gesamten Anordnung.

Demgegenüber wird mit den Maßnahmen nach der Erfindung die erste Aufgabe gelöst, bei einem Stromrichter mit einer Drehstrommaschine die Anlaufschwierigkeiten mit einfachen Mitteln zu beseitigen. Die Lösung dieser Teilaufgabe beruht auf der Erkenntnis, daß die Rückführungsgleichrichter in Verbindung mit einem geschlossenen Kommutierungskreis über die als Spartransformator wirkende angezapfte Wechselstromwicklung in der Lage sind, auch im Stillstand eine ausreichende Kommutierungsspannung zu erzwingen. Hinzu kommt die Lösung der weiteren Teilaufgäbe, durch Verbesserung des Wirkungsgrades zu hohen Drehzahlen zu kommen. Da, die KqmjnUr_, JjerawgqfcQndensatoren auch im Anlajiji^,w£nn-,jjp.ci -Jceine ausreichende ,^8e^^StK~^igejMldgt ist, die Stromkommutiemngübenieimenmussen^konnteman entsprechend große Kommutierungskapazitäten vorsehen. Große Kondensatoren führen aber zu entsprechend großen Umladezeiten und damit zu langen Kommutierungsvorgängen. Es wurde nun erkannt, daß eine geringe Kapazität der Kommutierungskondensatoren sowohl für den Anlauf als auch für Drehzahlen ausreicht, wenn die Blindenergie der Wicklungen von den Kommutierungskondensatoren ferngehalten wird. Die Lösung dieser Aufgabe ermöglicht der kapazitive Mittelpunkt der Spannungsquelle in Verbindung mit den Anzapfungen der Transformatorwicklung.

Die Anordnung der Rückführungsgleichrichter führt somit zu relativ kleinen Kommutierungskapazitäten, da diese nur für die Löschung der Thyristoren und nicht zur Aufnahme der in den Wicklungen gespeicherten Energie ausgelegt werden müssen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.

F i g. 3 zeigt die Grundschaltung des Stromrichtermotors in einer Darstellung ähnlich der F i g. 2, wobei auch übereinstimmende Bezugszeichen übernommen worden sind.

Die gesteuerten Ventile S₁ bis S₆ sind Thyristoren. Die Kommutierungskondensatoren C₁₂, C₁₃ und C₂₃ sind so auszulegen, daß sie während der Freiwerdezeit der Thyristoren kurzzeitig den Strom übernehmen können. Diese Bemessungsvorschrift führt z. B. bei Motoren in der Größenordnung von 20 kW zu Kapazitätswerten von einigen Mikrofarad, also sehr geringen Baugrößen. Zweckmäßig werden die Kommutierungskondensatoren als MP-Kondensatoren ausgeführt.

Um mit derart kleinen Kon^nsatoren auszu-... komrnen^^jinjLjp., dep. I', ^tecJklljjO^^^Bg^J^ Ji],,^^. ^SSpfu^

richtung gepolten Gleichrichter G_j bis ff^ag.., beide ,-

jünd. Ferner ist der Sternpunkt der Motorwickiungen mit dem Mittelpunkt eines kapazitiven Spannungsteilers aus zwei Kondensatoren C verbunden. Diese Kondensatoren sollen einen hohen Kapazitätswert in der Größenordnung von 1000 bis 10000 μΡ besitzen, können aber dafür als Elektrolytkondensatoren mit ebenfalls geringem Raumbedarf ausgebildet sein. Die Anzapfungen können bei einem Zehntel der Wicklung, gerechnet vom Strangende, liegen; diese Bedingung ist jedoch nicht kritisch.

Die Vorgänge bei der Kommutierung seien an Hand der F i g. 4 näher betrachtet, die nur diejenigen Schaltungselemente enthält, die bei Stromfluß über den Thyristor S_e während der Kommutierung des Stromfiusses vom Thyristor S₁ auf den Thyristor S₂ maßgeblich sind.

Bei Anlauf und Stromfiuß über die Thyristoren S₁ und 5*8 liegt am Punkt A negatives, am Punkt D positives und am Punkt B Nullpotential. Die Kondensatoren C₁₂ und C₂₃ laden sich bei Stillstand des

Motors jeweils auf die Spannung -y, der Kondensator C₁₃ auf die Spannung U_g auf. Wird nun der Thyristor S₂ gezündet, dann erhält der Punkt B das Potential des Punktes E, und am Thyristor S₁ liegt

die Spannung -y in Sperrichtung an, so daß dieser Thyristor gelöscht wird. Der Kondensator unterstützt somit die natürliche Kommutierung, wie sie bei der normalen Drehstrombrückenschaltung gemäß F i g. 2 vorliegt. Es ist nunmehr jedoch auch die Löschung

im Anlauf gewährleistet, bei dem die vom Polrad in den Ständerwicklungen induzierte Spannung noch gleich Null oder klein ist.

Durch das plötzliche Abreißen des Stromes über den Thyristor S₁ würde die Streublindenergie des Stranges U, die sich über den Kondensator C₁₂ abzubauen sucht, eine Überspannung von mehr als dem Zehnfachen der normalen Spannung hervorrufen, welche den Betrieb stören bzw. die Thyristoren gefährden würde. Eine weitere Ursache für das Auftreten von Überspannungen stellt die Glättungsinduktivität L dar. Die Überspannungen lassen sich vermeiden, wenn man an den Strangwicklungen Anzapfungen vorsieht, an die Rückführungsgleichrichter angeschlossen werden. In F i g. 4 sind nur die Gleich-OChterJj₁, G₉., G_s und G_k dargestellt. Ihre Wirkungsweise ergibt sich wie folgt:

Nach dem Zünden des Thyristors S₂ liegt die U^s

Spannung -j- des Kondensators C₁₂ in Sperrichtung am ThyristorS₁. Der Laststrom Il fließt kurzzeitig über den Kondensator C₁₂. Bei fortschreitender Umladung von C₁₂ nimmt der Laststrom Il ab. Die zwei Phasenwicklungen U und V befinden sich am selben Eisenkern und können somit als Spartransformator betrachtet werden. Die in der Wicklung U gespeicherte Streublindenergie baut sich durch einen abklingenden Strom Z₂ ab, der über die Wicklung V₂ fließt.

Auch die Drossel L widersetzt sich einer Abnahme des Stromes Il und treibt den eingezeichneten Ausgleichsstrom J₁. Dieser durchfließt die Teilwicklung V₁ und induziert transformatorisch im Wicklungsteil V₂ einen Strom derselben Richtung wie z₂, welcher die Streublindenergie der DrosselL verlustlos im Kondensator C speichert. Diese Energie wird beim Aufbau des Feldes in der nächstfolgenden Wicklung wieder verwendet. Der beschriebene Vorgang spielt sich in gleicher Weise auch beim Kommutieren im zweiten System der Thyristoren S₄, S₅ und S₆ ab.

Der Zweck der Kondensatoren C ergibt sich ohne weiteres daraus, daß ein geeigneter Strompfad für den Strom Z₂ geschaffen werden muß. Sie sind insbesondere dann erforderlich, wenn die Gleichspannung über eine Gleichrichter- oder Thyristor-Brückenschaltung aus der Spannung eines Drehstromnetzes gebildet wird. Sie setzen den dynamischen Innenwiderstand der Quelle herab. Für die Ausbildung des Stromes i₂ ist auch erforderlich, daß der Sternpunkt des Motors mit dem Mittelpunkt des kapazitiven Spannungsteilers verbunden wird.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß bei Zündung

des Thyristors S₂ die Spannung -y- des Kondensators C₂₃ in Sperrichtung am ThyristorS₆ anliegt. Sie greift nach Öffnen des Thyristors S₂ über diesen und die beiden Kondensatoren C auf den Thyristor S_e über. Damit dadurch nicht auch der Thyristor S₆ erlischt, wird die Steuerung des Thyristors so ausgelegt, daß der Zündimpuls fast über die gesamte Stromflußdauer der einzelnen Thyristoren anliegt. Es wird also nicht mit kurzzeitigen Impulsen, sondern mit einem dauernden Zündsignal gearbeitet.

Wie eingangs bereits erwähnt, bestehen für den Anschluß des Stromrichtermotors verschiedene Möglichkeiten. Vorteilhaft ist es, zur Speisung eine Gleichspannung oder eine gleichgerichtete Spannung zu verwenden, da der Stromrichtermotor dann stetig dreh-

zahlsteuerbar ist und auch über 3000 U/min laufen kann. Dagegen bestehen bei der Verwendung von Frequenzumrichtern gewisse Einschränkungen in der Drehzahlsteuerung.
Ein Beispiel für eine Schaltung zur Selbststeuerung ist in F i g. 5 schematisch angedeutet. Das Beispiel beruht auf der Verwendung von T-Iallgeneratoren, die durch Permanentmagnete erregt werden. Die Permanentmagnete sind auf einer Scheibe angeordnet, die

ίο auf die Motorwelle aufgesetzt ist. Bei der Rotation der Welle werden die Hallgeneratoren zyklisch hintereinander vom Fluß durchsetzt und geben eine Hallspannung ab, die über geeignete Verstärkungsmittel als Zündspannung an die Thyristoren gelegt wird.

Damit beim Einschalten jeweils die Thyristoren gezündet werden, welche eine Ankerdurchflutung zur Folge haben, die, bezogen auf die augenblickliche Lage des Läufers, ein maximales Drehmoment in der vorgegebenen Drehrichtung hervorbringt, besitzen die Hallgeneratoren Remanenzeigenschaften. Dasselbe erreicht man auch, wenn man die vorbeirotierenden Magnete nicht als Stifte, sondern als Segmente ausbildet und normale Hallgeneratoren verwendet.
Von den in F i g. 5 dargestellten, jedem Thyristor S₁ bis S₆ zugeordneten Hallgeneratoren H₁ bis H_r geben jeweils zwei Hallspannung ab, die bei den zwei jeweils stromführenden Thyristoren Zündspannungen hervorrufen. Die Hallspannungen werden über Anpassungsstufen A₁ bis A₆ und Kippstufen K₁ bis K₆ unter entsprechender Verstärkung an Schalttransistoren T₁ bis T₆ weitergeleitet. Ein Rechteckoszillator RO liefert eine Rechteckspannung grundsätzlich beliebiger Frequenz, die mit Hilfe der Transistoren T₁ bis T_r je nach dem Erregungszustand der Hallgeneratoren an den Zündkreis der Thyristoren weitergegeben wird. Aus der Rechteckspannung wird durch Gleichrichterbrücken B₁ bis B₆ eine Gleichspannung erzeugt, die durch einen Kondensator geglättet werden kann. Die Gesamtanordnung hat den Zweck, eine Potentialtrennung sämtlicher Zündstromkreise herbeizuführen und zugleich durch einfaches Umpolen der Steuerstromversorgung mittels Vielfachschalter an allen Klemmen a und b der Hallgeneratoren eine Umkehr der Drehrichtung des Motors zu ermögliehen. Grundsätzlich lassen sich zur Potentialtrennung selbstverständlich auch andere Maßnahmen durchführen, so daß die Schaltung nach F i g. 5 nur als eine der verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten zu werten ist.

Bei Verwendung einer Synchronmaschine ist grundsätzlich die Zufuhr des Erregerstromes an den Rotor über Schleifringe erforderlich. Für den Fall, daß auch die Schleifringe vermieden werden sollen und ein völlig kontaktloser Motor erwünscht ist, kann man den Erregerstrom aus einem rotierenden Umformer beziehen, wie in F i g. 6 schematisch angedeutet. Fig. 6a zeigt das Schaltbild, Fig. 6b die räumliche Anordnung von Motor und rotierendem Umformer. Mit 1 ist die Ankerwicklung im Ständer des Synchronmotors, mit 2 die Erregerwicklung des Synchronmotors, mit 3 die Erregerwicklung des Umformers und mit 4 die Ankerwicklung des Umformers bezeichnet. Die beiden Rotoren von Synchronmotor und Umformer sitzen auf der gemeinsamen Achse 6. Der Umformer kann als invertierte Synchronmaschine ausgebildet sein, der Gleichstrom wird dann mit Hilfe einer Gleichrichterbrücke 5 gewonnen.

Claims (5)

Damit der Synchronmotor auch im Stillstand erregt ist, muß die Erregerwicklung des Umformers bei Anlauf mit Wechselstrom oder bei entsprechender Ständerwicklung mit Drehstrom gespeist werden. Nach dem Hochlaufen kann man die Erregerwicklung des Umformers auf eine Gleichstromquelle umschalten, wie in F i g. 6 a angedeutet. Um ein höheres Anzugsmoment zu erhalten, kann man den Stromrichtermotor statt mit einer mit zwei um 30° versetzten Ständerwicklungen ausführen, die jede in Drehstrom-Stern geschaltet sind. Jede dieser dreiphasigen Wicklungen erhält dann einen eigenen Wechselrichter, so daß praktisch eine Verdoppelung der Schaltung nach Fig. 3 vorzunehmen ist. Patentansprüche:

1. Stromrichtermotor mit einer Drehstrommaschine, deren Motorwicklungsstränge in Stern geschaltet und über einen Dreiphasen-Brückenwechselrichter mit Thyristoren an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Die Strangenden sind paarweise über je einen Kommutierungskondensator (C₁₂, C₁₃, C₂₃) miteinander verbunden;

b) die Wicklungsstränge sind mit Anzapfungen versehen, die je über einen in Sperrichtung des Gleichstromes gepolten Rückführungsgleichrichter (G₁ bis G₆) an beide Pole der Gleichspannungsquelle (Ug) angeschlossen sind;

c) an der Gleichspannungsquelle liegt ein kapazitiver Spannungsteiler, dessen Mittelpunktmit dem Sternpunkt der Maschine verbunden ist.

2. Stromrichtermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzapfungen etwa bei einem Zehntel der Wicklungsstränge, gerechnet vom Strangende, liegen.

3. Stromrichtermotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine zwei um 30° versetzte, jeweils in Stern geschaltete Wicklungen mit zugehörigen Wechselrichtern enthält.

4. Stromrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Synchronmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehzahlsteuerung nur die Gleichspannung fremd einstellbar, die Steuerung des Wechselrichters jedoch von der Rotation der Maschine abgeleitet ist.

5. Stromrichtermotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregerstromerzeugung ein auf der Welle der Hauptmaschine angeordneter rotierender Umformer dient.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 013 777;
französische Patentschriften Nr. 1289 266,1296 452; britische Patentschriften Nr. 398 798, 430 651;
USA.-Patentschriften Nr. 2 009 834, 2 980 839, 348;

Neues aus der Technik vom 1. 9. 1960, S. 2;
Electrical Times, 19.1.1961, S. 81 bis 85; 31. 5.1962, S. 860.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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