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Verfahren zum Steuern von Ventilmotoren Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zum Steuern von Ventilmotoren mit einem an einem Wechselstromspeisenetz
liegenden Umrichter ohne Gleichstromzwischenkreis, um eine Änderung der Drehzahlen
in einem weiten Bereich von Null bis zu übersynchronen Drehzahlen zu ermöglichen.
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Unter Ventilmotoren sind Einrichtungen zu verstehen, deren Hauptbestandteile
Synchronmaschinen und ein aus gesteuerten Ventilen, beispielsweise Quecksilberdampfventilen
oder Thyristoren, bestehender Umrichter sind.
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Bei den bekanntgewordenen Steuerverfahren wurde das Problem der Drehzahlsteuerung
der Ventilmotoren in Verbindung mit sogenannten direkten Umrichtern, also Umrichtern
ohne Gleichstromzwischenkreis, bei denen durch die gesteuerten Ventile sowohl die
Gleichrichtung der Speisespannung als auch die Steuerung des Augenblicks des Stromdurchganges
durch die einzelnen Phasen der Maschine derart erfolgt, daß ein Drehmoment eines
im voraus festgelegten Sinne entsteht, für höhere Drehzahlen, d. h. Drehzahlen,
die höher liegen als etwa die Hälfte der synchronen Drehzahl, nicht gelöst.
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Das Hauptproblem besteht in der Sicherstellung eines kontinuierlichen
Energiestromes zwischen dem Netz und dem Motor auch bei höherer Drehzahl. Bei höherer
Drehzahl ist das Intervall, bei dem Strom durch die einzelnen Phasen der Maschine
hindurch gehen soll, verhältnismäßig kurz gegenüber der Speisespannungsperiode,
und die Steuerung der Länge dieses Intervalls nur durch die Speisespannung ist nicht
möglich.
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Zur Lösung dieses Problems sind bereits verschiedene Methoden vorgeschlagen
worden. Zum Beispiel das Umschalten des Leistungskreises des Umrichters von der
direkten Kopplung auf eine Schaltung mit Gleichspannungszwischenkreis,
d. h. Umrichterschaltung mit einem Gleichrichtungsteil und einem Teil, der
einen statischen Kommutator bildet, bei der derartige Probleme nicht entstehen.
Man versuchte das Problem durch Verwenden mechanischer Steuerungskommutatoren zu
lösen, die sich jedoch als wenig zuverlässig erwiesen, da sich Schwierigkeiten mit
der Kommutierung des Steuerstromes infolge der Verwendung derselben zur direkten
Speisung von Gittertransformatoren ergaben. Es gab ferner Schwierigkeiten mit der
gegenseitigen Abstimmung der Magnetfelder im Luftspalt bei höheren Geschwindigkeiten
und einer höheren Strombelastung. Praktisch war es nur möglich, dieses Steuerverfahren
für Drehzahlen bis etwa zur Hälfte der synchronen Drehzahl zu benutzen. Bei einem
anderen bekannten Verfahren sollten zur Steuerung der Ventile des Umrichters bei
höherer Drehzahl lediglich mit der Spannung der Maschine synchrone und von der Klemmspannung
direkt abgeleitete Steuerimpulse ausgenutzt werden. Dadurch war jedoch die Möglichkeit
einer Spannungssteuerung seitens des Speisekreises und damit auch die entscheidende
Möglichkeit einer Drehzahlregelung unmöglich. Außerdem wurden dadurch nicht die
mit der Kommutierung der Ventile verbundenen Schwierigkeiten überwunden.
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Die erwähnten Mängel werden im Rahmen des eingangs geschilderten Verfahrens
erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß den freigegebenen steuerbaren Ventilen des
Umrichters gleichzeitig sowohl mit der Netzspannungsfrequenz synchrone, in der Phasenlage
verschiebbare Steuerimpulse als auch zusätzliche mit der Netzspannungsfrequenz synchrone
Steuerimpulse zugeführt werden, die synchron mit der Drehzahl der Maschine jeweils
bei der Phasenänderung des Freigabesignals entstehen.
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Den gesteuerten Ventilen werden somit zweierlei Steuerimpulse zugeführt.
Die erstgenannten Impulse entstehen in Impulsgeneratoren, in denen die Phasenlagen
der Steuerimpulse gegenüber der Spannung des Speisenetzes durch die Steuergleichspannung
gesteuert werden können. Die zusätzlichen Impulse entstehen beispielsweise bei einer
bestimmten Lage des Rotors oder bei einem bestimmten Wert der Spannung der Maschine.
Im wesentlichen wird die jeweils vom
Strom aus dem Umrichter zu
durchfließende Phase der Maschine durch die Bauart des Gebers bestimmt.
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An jede Phase der Maschine sind entweder eine einzige Gruppe von Ventilen
oder zwei Gruppen von antiparaUelgeschalteten Ventilen angeschlossen. Sind die Ventile
einer der Gruppen geöffnet und Spannungsbedingungen für den Stromdurchgang durch
die Ventile gegeben, dann wird durch die Ventile und die entsprechende Phase der
Maschine Strom geführt.
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Bei einem Magnetfluß im Luftspalt, der beispielsweise durch den Stromdurchgang
durch den Rotor entsteht, entsteht in der Ankerwicklung bei gleichzeitigem Stromdurchfluß
ein Drehrnoment bestimmter Richtung. Für den Lauf der Maschine ist somit die gegenseitige
Lage des Stromes der Maschinenwicklung und des Hauptmagnetflusses von grundsätzlicher
Bedeutuna. In bestimmter Lage des Rotors müssen daher die Ventile jeder Gruppe des
Wandlers geschlossen und in einer anderen Lage geöffnet werden.
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Bei niedrigen Drehzahlen reicht für die richtige Funktion des Ventilmotors
eine stufenweise Freigabe der Ventilgruppen aus. Die Freigabe kann z. B. durch einen
mit dem Rotor der Maschine verbundenen Lagegeber bewirkt werden. Die freigegebenen
Ventile werden dann, mit Rücksicht auf die Maschine, durch gegenüber der Spannung
des Speisenetzes synchrone Impulse gezündet. In einem von der Lage des Gebers abhängigen
Augenblick wird diese Ventilgruppe gesperrt, auf keinem der Ventile ist ein Steuerimpuls
mehr vorhanden, eine neue zur weiteren Phase der Maschinen gehörende Ventilgruppe
wird freigegeben und der Impuls zündet eines der Ventile dieser Gruppe. Der Strom
des noch leitenden und zur soeben gesperrten Gruppe gehörenden Ventils wird durch
Einwirkung der Speisenetzspannung gelöscht. Auf diese Weise erfolgt die Stromkommutierung
zwischen den Phasen der Maschine.
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Bei höheren Drehzahlen würde eine derartige Kommutierung nicht mehr
befriedigen, und deshalb wird unverzüglich nach vorhergehender Sperrung und Freigabe
der nächsten Ventilgruppe ein besonderer Steuerimpuls dem Ventil der neu freigegebenen
Gruppe zugeführt, und zwar demjenigen, das derselben Phase angehört wie das Ventil,
das in der vorhergehenden Gruppe zuletzt geöffnet worden ist. Dadurch wird eine
ungestörte Kommutierung ermöglicht, jedoch unter der Voraussetzung, daß der Augenblick
der Kommutierung derart gewählt wurde, um einen Kommutationsstrom zwischen den Phasen
des Motors einer solchen Richtung zu erzeugen, daß der Strom an dem zur vorhergehenden
Gruppe gehörenden Ventil gelöscht wird. Dabei verlaufen die Netzspannungskommutierung
und die Maschinenspannungskommutierung vollkommen unabhängig voneinander und es
wird dadurch ein zuverlässiger Lauf der Maschine von der niedrigsten Drehzahl an
bis zur gegebenenfalls hoch übersynchronen Drehzahl ermöglicht.
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Für eine richtige Funktion des Ventilmotors muß die Breite der Steuerimpulse
kleiner sein als die kürzeste Breite des Voreilungswinkels, d. h. des Winkels
zwischen der Zündung des Ventils durch Sonderimpulse und dem Schnittpunkt der zwei
nacheinanderfolgenden Spannungen der Phasen der Maschine. Bei breiteren Impulsen
besteht die Gefahr eines Durchbrennens des Umrichters gegenüber der Spannung der
Maschine.
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Eine derartige Einrichtung eignet sich sowohl für den Motor- als auch
für den Generatorbetrieb und ist auch für eine automatische Regelung gut geeignet.
Die Stromgröße im Kreise der Maschine sowie die Drehzahl werden durch das mit der
Netzspannung synchron an den Impulsgenerator gelegte elektrische Signal gesteuert.
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Die Umsteuerung bei der Stromrückkopplung erfolgt durch ein bloßes
Umschalten der Freigabeanlage der Ventile gegenüber der Spannung der Maschine.
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Für die Funktion der Einrichtung sind Informationen erforderlich über
den Spannungsverlauf in der Maschine oder über die Rotorlage und ferner über das
zuletzt durch einen in der Phasenlage verschiebbaren, normalen Impuls geöffnete
Ventil bzw. die Netzphase, der dieses Ventil angehört.
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Die erste Art der Information für die Freigabe der mit den Phasen
der Maschine verbundenen Ventilgruppen und für die Entstehung der Zusatzimpulse
(Sonderimpulse) wird durch Lagegeber, Magnetflußgeber oder Klemmspannungsgeber erreicht.
Die Lagegeber können vom Kontakttyp sein; jedoch sind die kontaktfreien, z. B. optische,
zuverlässiger.
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Information über die Phase, die vom Strom durchflossen wird, bzw.
die Phase, deren Ventil als letztes geöffnet war, wird beispielsweise direkt durch
Messung des Stromes in den Phasen des Speisenetzes oder mittels einer Hilfswicklung
an den Gittertransformatoren der Quecksilbergleichrichter erreicht, falls diese
als gesteuerte Gleichrichter Verwendung finden.
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Eine andere Methode besteht in direkter Ableitung der Information
vom letzten Steuerimpuls. Ist der Impuls des Generators schmal, muß er einer Gedächtnisvorrichtung
zugeführt werden, z. B. einem Verschieberingregister. Der Registerausgang dient
sodann als Information zur Zündung des richtigen Ventils durch den Sonderimpuls.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird schematisch an Hand der Zeichnung
veranschaulicht. Es zeigt F i g. 1 ein grundsätzliches Schaltbild des Ventilmotors
und F i g. 2 ein Blockschaltbild zur Darstellung der Steuerungsvorgänge.
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Der Einfachheit halber wurde eine Schaltung mit herausgeführtem Nullpunkt
der Motorwicklung gewählt. Der Motor hat die Wicklungen R', S', l',
die durch die Ventilgruppen 1, 2, 3 gespeist werden. Die Ventile sind
an die Phasen des Netzes R, S, T angeschlossen. Für den gegebenen
Fall laufen für die Blockierung in dem Steuerblock 6 die von dem Geber 4
der Rotorlage und von dem Glied 5 erteilten Informationen ein. Den Ausgang
des Steuerblockes bilden die öffnungsimpulse einzelner Ventile.
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Die an den Steuerblock 6 gestellten Forderungen sind, die Ventile
im rechten Augenblick, und zwar mit Hilfe normaler, dem Netz synchroner und auch
zusätzlicher Impulse zu öffnen, die im Augenblick der Freigabe entstehen,
d. h. in dem Augenblick, in dem die Kommutierung zwischen den Phasen der
Maschine erforderlich ist.
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Die Wirkungsweise des Steuerblockes 6 ist in dem in F i
g. 2 gezeigten Beispiel dargestellt.
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Der Steuerblock 6 umfaßt Transistor-Impulsgeneratoren GR
1, GR 2 usw. für die Erzeugung von phasensteuerbaren, mit der
Netzspannungsfrequenz synchroner Steuerimpulse. Den Eingang bildet ein Gleichstromsignal
und die mit dem Netz synchrone Spannung, den Ausgang bilden die Impulse. Durch das
Gleichstromsignal kann die Phasenlage der Steuerimpulse gegenüber der Netzspannung
gesteuert werden.
Ferner sind zwei Arten von Blockfeldern vorhanden.
Die Blockfelder B 1, B 2, B 3 geben die von den Impulsgeneratoren
erzeugten Steuerimpulse für die Ventile der zugehörigen Gruppe, also z. B. die Ventile
R 1, S 1, T 1 über die Steuerglieder CR 1,
CS
1, CT 1, frei. Die Blockfelder B 1, B 2, B
3 werden im gegebenen Fall durch die Rotor-Lageninformation geöffnet, die
aus dem Rotorlagegeber 4 einläuft.
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Die andere Blockfeldertype HR, HS, HT blockiert nur die zusätzlichen,
mit der Drehzahl der Maschine synchronen Impulse, die aus dem Glied 5 einlaufen
und jeweils bei der Änderung des Signals des Gebers 4 entstehen. Sie blockiert jeweils
die Impulse zu den an dieselbe Phase der Speisespannung angeschlossenen Ventilen,
z. B. das Blockfeld HR die Impulse zu den Ventilen R 1, R 2, R
3, dann, wenn keines der Ventile dieser Phase Strom führt, z. B. Ventile
R 1, R 2, R 3,
die an die Phase R angeschlossen sind.
Dabei erfolgt die Feststellung, welche der Ventile in den einzelnen Phasen brennen,
hier durch die Stromabnehmer AR, AS, AT.
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Die Blockfelder können beispielsweise aus bekannten einfachen Transistorkreisen
bestehen.
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Führte beispielsweise ursprünglich die Ventilgruppe 1 Strom,
so ist als letztes das Ventil R 1 stromführend. Im bestimmten Augenblick
wird durch den Rotorlagegeber 4 das Blockfeld B 2 geöffnet, die Blockfelder B
1, B 3 sind geschlossen. Im Augenblick der Öffnung entsteht
ein zusätzlicher Impuls und läuft durch den Kanal 5 zu den Blockfeldern
HR, HS, HT. Von diesen ist nur das Blockfeld HR offen, da der Strom durch
das Ventil R 1 geführt wird. Der zusätzliche Impuls läuft durch die Blockfelder
HR und B 2 zur Leistungsstufe und dann zum Gitter des Ventils R 2,
welches gezündet wird und es entsteht eine Kornmutierung durch vereinte Spannung
der Phasen R' und S' des Motors M. Durch die in der Phase verschiebbaren,
normalen Impulse können ungestört weitere Ventile der Gruppe 2 geöffnet werden.
Durch die zusätzlichen Impulse wird der Energiefluß zwischen dem Motor und dem Netz
nicht beeinflußt, so daß dieser Fluß weiterhin nur von der Phasensteuerung der normalen
Impulse abhängt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere dann geeignet, wenn
bei dem Ventilmotor eine annähernd synchrone bzw. übersynchrone Drehzahl erreicht
werden soll. Dies ist z. B. beim Anlauf von Synchronmaschinen (Kompensatoren, Generatoren,
Gasturbinen) der Fall.