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Stromrichtermotor der Synchronbauart Es sind Stromrichtermotoren.
mit gleichstromerregtem Polrad mit und ohne Gleichstrom-Zwischenkreis bekanntgeworden.
Bei der Ausführung mit Gleichstrom-Zwischenkreis wird die Netzspannung gleichgerichtet
und die gleichgerichtete Spannung gesteuert. Die Gleichspannung wird durch einen
weiteren Stromrichter, der als Wechselrichter arbeitet, in eine Wechselspannung
von einer der jeweiligen Motordrehzahl entsprechenden Frequenz umgeformt. Ein mit
der Motorwelle gekuppelter Steuerkollektor erzeugt die Zündimpulse. Die Kommutierungsspannung
und die Blindleistung werden von der Maschine geliefert, jedoch erst dann, wenn
die Maschine sich dreht. Der übergang vom Motor- in den Bremsbetrieb kann bei diesem
Verfahren nicht voll kontinuierlich gemacht werden, da der netzsynchrone Stromrichter
zum Wechselrichter und der maschinensynchrone Stromrichter zum Gleichrichter wird.
Dabei ändert sich die Polarität der Gleichspannung, während die Richtung des Gleichstromes
bestehenbleibt. Die Hauptnachteile dieser Anordnung sind je-
doch die zweimalige
Umrichtung und der damit verbundene Gefäßaufwand und die Schwierigkeiten beim Anfahren,
wenn die stehende Maschine noch keine Kommutierungsspannung liefert. Eine bekannte
Anordnung ohne Gleichstrom-Zwischenkreis erfordert ein Steuerverfahren, das auf
der Ansteuerung einer bestimmten Spannung beruht und ebenfalls nicht voll kontinuierlich
ist. Es macht ähnliche Schwierigkeiten beim Anfahren und beim Wechsel der Energierichtung
wie das Verfahren mit Gleichstrom-Zwischenkreis.
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Es ist auch ein Stromrichtermotor der Synchronbauart bekannt, bei
dem jede Phase einer vielphasigen Maschine von den übrigen Phasen unabhängig durch
eine Zweistromrichterschaltung gespeist ist, deren Aussteueru#ng durch ein Steuersignal
bestimmt ist, dessen Vorzeichen in Abhängigkeit von der Polradstellung umstellbar
ist. Bei dieser bekannten Anordnung, deren Drehzahl über die im Läufer befindliche
Felderregung geregelt wird, wird der Zündwinkel der Stromrichterschaltung konstant
gehalten. Mittels eines Hilfskommutators, der der Läuferdrehung folgt, wird eine
Hilfsgleichspannung in Abhängigkeit von der Polradstellung umgepolt und den Steuergeräten
der zugehörigen Stromrichter zugeführt, so daß eine Umkehr der von der Stromrichterschaltung
gelieferten Spannung erfolgt. Das bedeutet, daß eine Ankerspannungssteuerung vorgenommen
wird. Die Kommutierung des Ankerstromes, die durch die Impedanz des Stromwendekreises
einerseits und die elektromotorischen Kräfte, d. h. die Bewegungsspannung
der Spule und die vom Stromrichter gelieferte Spannung, andererseits bestimmt wird,
wird dadurch eingeleitet, findet jedoch nicht generell zum jeweils günstigsten Zeitpunkt
statt.
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Aufgabe der im folgenden beschriebenen Erfindung ist es, einen Stromrichtermotor
zu schaffen, bei dem die über die Stromrichter erfolgende kontaktlose Umschaltung
zwischen den einzelnen Maschinenphasen im jeweils günstigsten Zeitpunkt erfolgt
und bei dem der Maschine nicht eine starre Spannung angeboten, sondern jeder Phase
zu jedem Zeitpunkt ein bestimmter Strom aufgezwungen wird.
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Demzufolge bezieht sich die Erfindung auf einen Stromrichtennotor,
bei dem jede Phase einer vielphasigen Maschine der Synchronbauart von den übrigen
Phasen unabhängig durch eine Zweistromrichterschaltung gespeist ist, deren Aussteuerung
durch ein Steuersignal bestimmt ist, dessen Vorzeichen in Ab-
hängigkeit von
der Polradstellung umschaltbar ist. Die Erfindung ist bei einem derartigen Stromrichtermotor
darin zu sehen, daß die Zweistromrichterschaltungen auf Strom geregelt sind und
daß das Steuersignal durch einen Strornsollwert gebildet ist, dessen Vorzeichen
dann umgeschaltet wird, wenn sich die Spulenseiten der jeweiligen Phase in der Nähe
Nähe der neutralen Zone befinden.
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Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen werden mehrere Vorteile erzielt:
Zunächst einmal verliert die Maschine die Schwingungsfähigkeit des Polrades gegenüber
dem Ständerdrehfeld vollkommen. Die Spannung paßt sich nicht nur in der Frequenz,
sondern gleichzeitig in Größe und Phase leicht und genau der Gegenspannung an, so
daß die Maschine gut ausgenutzt wird. Das ist zum Teil in der überverstellung der
Spannung bei Regelabweichungen begründet, die eine hochwertige Stromregelung mit
sich bringt. Die Möglichkeit einer überlastung der speisenden Stromrichter ist vollkommen
ausgeschaltet, und die Maschine
verliert schließlich das für die
Synchronmaschine charakteristische Kippmoment, d. h., sie kann auch bei drehmomentenmäßiger
überlastung unabhängig von Drehzahl und Polradwinkel ein Moment abgeben, das nur
durch den Grenzstrom der Stromrichter bestimmt ist.
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An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
sei die Erfindung erläutert. F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild für eine
Phase der mehrphasigen Maschine, wobei der Einfachheit halbe.r der Stromrichter
zweispulig dargestellt ist. Selbstverständlich kann die Anordnung auch mit gesteuerten
Halbleiterstromrichtern verwirklicht werden. Die Stromregelung einer Stromrichter-AntiparaHelschaltung
ist bekannt und braucht an dieser Stelle nicht beschrieben zu werden. Für die Stromrichter
ist in F i g. 1 eine zweiphasige Mittelpunktschaltung gewählt worden, wobei
die Transforinatorsekundärwicklungen mit 7, die Kreisstrombegrenzungsdrosseln
mit 8 und die beiden Stromrichtergefäßgruppen mit 9 und
10 bezeichnet sind. Die Gegenparallelschaltung kann auch in an sich bekannter
Weise kreisstromfrei betrieben werden, wobei die Kreisstrombegrenzungsdrosseln wegfallen
können. Bekanntlich werden bei dem letztgenannten Verfahren, solange, eine Gruppe
von Gefäßen Strom führt, die Gefäße der antiparallel geschalteten Gruppe bis zum
Nulldurchgang des Stromes über die Gitter gesperrt gehalten. Bei Stromführung der
anderen Gruppe wird entsprechend verfahren.
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Wenn die Maschine kein Konstantstroinverhalten haben soll, kann der
Stromsollwert von einem überlagerten Regelkreis, z. B- einem Drehzahlregelkreis,
geliefert werden. Dieses Verfahren, auch »Schachtelung« oder »Unterlagerung« von
Regelkreisen bezeichnet, ist an sich bekannt. In einer bekannten Anordnung zur Stromrichterspeisung
eines Gleichstrom-. motors wird beispielsweise die verstärkte Regelabweichung
der Drehzahl begrenzt und als Stromsollwert einer unterlagerten Stromregelung vorgegeben
(»Stromleitverfahren«). In F i g. 2 wird der Stromsollwert 1 entsprechend
gebildet und kommt von der übergeordneten Regelung, beispielsweise der Drehzahlregelung.
Er kann positiv oder negativ sein und wird dem Stromregler- gemäß einer wesentlichen
Weiterbildung der Erfindung nicht direkt, sondern über einen Umpoler 2 zugeführt.
Dieser Umpoler 2 gibt den Sollwert 1 für den Strom, abhängig von einem vom
Fühler 3 kommenden mindestens zweiwertigen Signal, mit dem gleichen oder
mit dem umgekehrten Vorzeichen an die Stromregler 409 und 410 für die beiden Stromrichtergruppen
9 und 10 der Antiparallelschaltung weiter. Mit 509 und
510 sind die Steuersätze für die beiden Stromrichtergruppen 9
und
10, mit 11 und i. die Istwerte der durch die Stromwandler 6 gemessenen
Gruppenströme bezeichnet.
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Aufgabe des hier der jeweiligen Phase zugeordneten Fühlers
3 ist es festzustellen, unter welchem Pol (Nordpol N bzw. Südpol
S) sich die Spulenseite befindet. Man kann den Fühler 3 im Induktor
selbst unterbringen und auf die Polung des Magnetfeldes, welchem die Spulenseiten
ausgesetzt sind, ansprechen lassen.
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Diese Lösung hat den Vorteil, daß eine Feldverzerrung durch Ankerrückwirkung
selbsttätig im Sinn einer besseren Ausnutzung der Maschine berücksichtigt wird.
In Fig. 1 sind das Polsystem 11, 12 sowie eine Spule 13, d.
h. die Wicklung einer Phase, als Abwicklung dargestellt. Ferner ist die Erfassung
der Lage des Polrades 11, 12 relativ zur Spule 13
durch den Fühler
3 rechts neben dem Polsystem ebenfalls als Abwicklung dargestellt (F i
g. 2), wobei die Polarität des Feldes schwarz bzw. weiß und die übergangszone
schraffiert gezeigt ist. Das auf den Fühler 3 wirkende Abbild 14 des Polsystems
11, 12 kann die Induktion im Luftspalt am Ort der betrachteten und bezüglich
des Ständers feststehenden Spulenseite oder aber eine Nachbildung derselben sein,
wie weiter unten beschrieben.
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Es seien nun zunächst die Vorgänge bei der Kommutierung näher betrachtet.
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Die Stromwendung wird bestimmt durch die elektromotorischen
Kräfte einerseits und die Impedanz des Stromwendekreises andererseits. Die elektromotorischen
Kräfte sind die Bewegungsspannung der Spule und die ausgesteuerte Stromrichterspannung.
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Im Motorbetrieb ist die EMK der Spule im Sinn der für die Stromwendung
benötigten Spannung gerichtet, solange sich die Spulenseite (z. B. ein Stab) noch
vor der neutralen Zone, befindet. Die stromffihrende Stromrichtergruppe muß dann
in den Wechselrichterbetrieb angesteuert werden. Befindet sich die Spulenseite schon
jenseits der neutralen Zone, d. h. im Wirkungsbereich des folgenden Pols,
bevor der Strom den gewünschten Wert in Gegenrichtung erreicht hat, so muß'die weitere
Aufkommutierung ge-
gen die inzwischen umgekehrte Spulen-ENIK erfolgen.
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Im Bremsbetrieb arbeitet der Stromrichter als Wechselrichter, die
EMK der Spule hat die gleiche Richtung wie der Strom vor der Stromwendung. Die Stromwendung
kann erst beginnen, wenn die Wechselrichterspannung größer als die Spulen-EMK werden
kann bzw. wenn die Spulen-ENM sich in der Pollücke auf Werte vermindert, die geringer
sind als die, größte Wechselrichterspannung.
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Es ist deshalb zweckmäßig, die Stromwendung beim Eintritt in die Pollücke
beginnen zu lassen. Der der jeweiligen Phase zugeordnete Fühler 3
kann beispielsweise,
ein Hallwandler sein. Die Stellung des Umpolers 2 wird zweckmäßig vom Vorzeichen
der Funktion = K, - B + K, dB/d t abhän-gig gemacht
(K, K#, Konstanten, B = Induktion, t = Zeit). Wie F i
g. 3 zeigt, kann man damit den Vorzeichenwechsel für f (t) an den
Beginn der Pollücke X legen und durch Änderung von K, auch bis zur neutralen
Zone Y ver -zögern. F i g. 3 a zeigt die KurveB = fl ffl.Fig. 3bzeigt
dieKurvedB/d t = f,(t), und man erkennt, daß die Nulldurchgänge der Summenkurve
in F i g. 3 a -zum Beginn der Pollücke X
hin verschoben werden. Näherungsweise
Realisierunaen des durch f (t) beschriebenen Proportional-Differentialverhaltens
aus der gemessenen, dem Magnetfeld proportionalen Spannung sind bekannt.
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Der Umpoler 2 wird zweckmäßig kontaktlos ausgeführt. Beispielsweise
kann sein Ausgang mit dem Eingang über zwei Paar Leitungen verbunden sein. Dabei
ist die Schaltungsanordnung derart getroffen, daß ein Signal dem Ausgang von dem
einen Leitungspaar mit gleichem und von dem anderen Leitungspaar mit entgegengesetztem
Vorzeichen zugeführt werden kann. Außerdem ist jedem Leitungspaar zur Bestimmung
des Vorzeichens des Ausgangssignals ein elektronischer Schalter in Verbindung mit
mindestens einem Widerstand zugeordnet.
Als Maß dafür, ob der Zeitpunkt
des Beginns der Kommutierung richtig -gewählt ist, kann der Leistungsfaktor zwischen
Strom und Spulen-EMK einer Phase dienen. Dieser wird kapazitiv bei zu früher Kommutierung,
induktiv bei zu später Kommutierung. Man kann also die Ausnutzung der Maschine dadurch
verbessern, daß man die Blindleistung aus der Spulen-ENIK, die in einer Meßwicklung
gemessen werden kann, und dem Spulenstrom bildet und bei überschreiten des Betrages
eines positiven oder negativen Mindestwertes den Fühler 3 oder Umpoler 2
im Sinn einer Verfrühung bzw. Verspätung des Kommutierungsbeginns beeinflußt.
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Man kann, statt den Fühler 3 im Induktor unterzubringen, auch
die Stellung des Polrades von einem Steuerkollektor, einem verkleinerten Polsystem
oder einer Rasterscheibe elektrisch, magnetisch oder lichtelektrisch abnehmen. Man
kann schließlich bei kleinen Maschinen auf jede Beeinflussung des Beginns der Kommutierung
verzichten und den Stromsollwert stets dann umschalten, wenn die Spule in die Pollücke
oder in eine Zone eintritt, die symmetrisch bezüglich der hinsichtlich des Polsystems
neutralen Zone liegt.
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Um eine feste Zuordnung der Stellung des Umpolers 2 zu der relativen
Lage von Spule 13 und Polrad (Pole 11, 12) zu erhalten, ist es zweckmäßig,
ihm eine bistabile Kippordnung vorzuschalten, die nur bei einem Signal bestimmter
Polarität in die andere Lage übergeht, und dieses Signal von der Änderung der polarisierten
Meßgröße, z. B. der Induktion, abzuleiten. Vorteilhaft wird man bei fotoelektrischer
Erfassung der Lage des Polrades mit einem dreiwertigen Raster arbeiten, wobei die
Wertigkeiten den Nordpol, den Südpol oder die Pollücke bedeuten. Dieses dreiwertige
Raster kann schwarz-grau-weiß oder farbig-schwarz-farbig ausgebildet sein und beispielsweise
mit farbempfindlichen Fotozellen abgetastet werden.
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Mit den vorgeschlagenen Anordnungen ist auch Betrieb in der Feldschwächung
mit allen bekannten Verfahren der automatischen Feldschwächung möglich. Der Antrieb
hat das Betriebsverhalten eines Umkehrantriebes mit einem Gleichstrommotor, der
über Stromrichter in Antiparallelschaltung gespeist wird. Wird ein Hallwandler im
Induktor als Fühler verwendet, so kann die Anpassung des Niveaus der Ausgangsspannung
an das veränderliche Feld durch Änderung des Steuerstromes des Hallwandlers in dem
Sinn erfolgen, daß die Ausgangsspannung des Hallwandlers im Bereich der höchsten
Induktion bei Feldschwächung etwa konstant bleibt.
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Die beschriebene Anordnung wird besonders vorteilhaft sein, wenn die
Frequenz der Maschine klein gegen die Frequenz des speisenden Netzes ist,
d. h. für Langsamläufer und Maschinen mit geringer Polzahl.
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Die Dauer der Stromwendung kann nämlich einen bestimmten Mindestwert
nicht unterschreiten, weil bei der Umsteuerung in den Wechselrichterbereich die
ausgesteuerte Spannung mit der Phasenspannung der gerade brennenden Anode identisch
ist, so daß für den Übergang von größter positiver auf größte negative Stromrichterspannung
im Mittel eine Zeit von 10 Millisekunden erforderlich ist.
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Es kann die Anzahl der Phasen gleich oder kleiner als die Anzahl der
Nuten je Pol gemacht werden. Die überlappung der Phasen ist möglich. Zur
Anpassung an die Spannung des Stromrichters können die zu einer Phase gehörenden
Spulen verschiedener Pole in Reihen- und/oder Parallelschaltung kombiniert werden.
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Die der Kommutierung entgegenstehende Reaktanz kann dadurch vermindert
werden, daß ein Dämpferkäfig vorgesehen wird. Dadurch vermindert sich die Kommutierungsreaktanz
auf die Streuung gegenüber der Dämpferwicklung. Die Dämpferwicklung wirkt ferner
für Ausgleichsvorgänge im Ankerstrombelag schon, wie eine Kompensationswicklung.
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Bekanntlich liegt die Achse des Ankerstrombelages 90' verschoben
zu der Achse des Strombelages des Polrades. Seine magnetische Rückwirkung auf das
resultierende Feld kann auch stationär dadurch kompensiert werden, daß eine zweite
Erregerwicklung vorgesehen wird, welche mit Hilfe einer Stromregelung auf Durchflutungsgle-ichgewicht
mit dem Ankerstrombelag geregelt wird.
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Das beschriebene Verfahren ermöglicht den Betrieb eines Stromrichtermotors
mit nur einer Steuergröße einschließlich des Feldschwächbereiches völlig kontinuierlich
und selbsttätig in jeder der Betriebsarten, die sich durch die Kombinationen Rechts-oder
Linkslauf einerseits, Motor- oder Bremsbetrieb andererseits ergeben, einschließlich
des Anfahrens und der Hergabe eines im Stillstand verlangten Dreh-Momentes.