DE1488161A1 - Regeleinrichtung fuer einen Synchronmotor - Google Patents

Description

4368-64;Dr. v. B/Schi

GEC21D-ee3

(J. J. Brockman. B. L. Go··)

U.S. Serial No. 288.426 Filing Date: June 17.1963 General Electric Company, Schenectady, N. Y., V. St. A. Regeleinrichtung f Or einen Synchronmotor

Die vorliegende Erfindung betrifft dynamoelektriache Maschinen, insbesondere eine Einrichtung sur Regelung oder Steuerung der Anlauf-, Synchronisations- und Feldabschaltfunktionen eines bürstenlosen Synchronmotor· wlhrend der verschiedenen Betriebsaustinde.

Die Verwendung von auf dem Läufer angeordneten Silicium gleichrichtern sur Umwandlung eines Frregerwechselstromes in einen fur die Felderregung einer Synchronmaschine brauchbaren Gleichstrom stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Technik der Motor- und Generator· regelungseinrichtungen dar und eigene Erfahrungen haben geseigt, dass sich solche Maschinen ausgezeichnet bewahren. Die Hauptvorteile liegen darin.

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das« Bürsten, Schleifringe und Kommutatoren und damit die für solche Stromabertragungseinrichtungen erforderliche W artung entfallen kann. Bei explosionsgeschfitstcn Bauformen wird ausserdem ein getrenntes, gasdichtes Gehäuse fttr die funken- und lichtbogenbildenden Komponenten unnötig«

Bei diesen relativ neuen bürstenlosen Synchronmaschinen traten jedoch Schwierigkeiten hinsichtlich einer Bewältigung der in den Feldwicklungen grosser Motoren beim Anlaufen erzeugten Leistung» einer Synchronisation mit optimalem Schlupf- und Phasenwinkel und einer Abschaltung des Feldes , wenn die Synchronisation durch Verringerung der LJUiferdrehsahl verloren gegangen war, auf.

Beim Anlaufen und bestimmten anderen Betriebsbedinungen werden in der Motorfeldwicklung Spannungen verschiedenster Grosse indusiert. Wenn die indusierten Ströme und die üblichen Feldgleichströme in der Flussrichtung fliessen, müssen swei der sechs Erreger gleichrichter, die bei einer dreiphasigen Erregung vorhanden sind, den Strom Übernehmen und daher entsprechend der Gesamtstromstirke bemessen werden. Wenn die indusierten Ströme in der entgegengesetsten Richtung fliessen und grosser sind als der Erregerstrom, sperren die Gleichrichter und das Feld ist dann praktisch offen. In diesem Falle besteht dann die Gefahr, dass die indusierte Spannung die maximal sullssige Sperrspannung der Gleichrichter

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übersteigt und dl· Gleichrichter beschädigt werden. Zur Behebung dieser Schwierigkeiten hat man bereits lineare oder mchtlineare Widerstände selektiv der Feldwicklung paralleLgeschattet, die einen Stromweg fur die im Feld indusierten Ströme bilden, und man hat geeignete Einrichtungen fir diesen Zweck vorgesehen. Ein Nachteil einer solchen Anordnung besteht Jedoch darin, dass lineare Widerstände beträchtliche Leitungsverluste mit sich bringen und dadurch einen grosseren Erreger und Gleichrlchter mit höherer Stromtepaattat bedingen. Bei nicht linearen Widerständen werden die Leistungsverlust· d·· E swar herabgesetst, sie sind Jedoch oft au gross, um auf der LtuferweUe montiert werden su konneil.

Die ttbUehen Erregeranlagen gewährleisten swar ohne weiteres die erforderliche Erregerleistung und Begoluag, sie arbeiten Jedoch nicht so versögerungsfrei und genau, wie es fur ein optimales und wirtschaftliches Arbeiten des Motors erwünscht Ist. Eine genaue Steuerung des Einschalte: is einen EntlsdwugsWiderstandes U den Feldkrei·, des Einschalten· des Feldes bei der Synchronisation wahrend des AvJaufens des Motors und das Abschalten Im Falle, dass die Synchronisation verlorengegangen 1st, erfolgt dcrsott nicht mit derjenigen Geschwindigkeit, die als erforderlich angesehen wird. Der Grund hierfür liegt darin, ens· die fur dies· Zwecke verwendeten Steuer* und RsmlslsrltthtttiMren bauntaäehlleh sesehaniseli arbeiten *»■** «h»h* empfindlich genug auf unerwünschte Beessustande ansprechen bsw. nicht rasch genug die sur Beseitigung solcher Betrlebssustinde erforderlichen

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whTT^ft einleiten«

Durch die vorlief ende Erfindung aoll daher eine verbesserte Erregeranordnung Ar einen bürstenloeen Synchronmotor angegeben werden« bei welcher die Erregerspannung vom Motorfeld sursckgehalten wird» Ms die gewünschte Ifotordrehsahl erreicht ist.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist, einen Schaltkreis ansugeben, der der Feldwicklung einen Widerstand parallelschaltet, wenn die im Feld indusierte Spannung einen bestimmten Wert oberhalb der normalen Spannung abersteigt.

Weiterhin soll durch üe Erfindung ein Kreis angeebe werden, der eine wirksame Steuerung des Anlegens der Erregung aa das Motorfeld beim richtigen Schlupf- und Phasenwinkel bewirkt.

Weiterhin soll durch die Erfindung gewährleistet werden, dass die Erregerleistung von der Feldwicklung abgeschaltet wird, wenn der Motor ausser Tritt su fallen beginnt· also den Synchronismus sa verlieren anfangt.

Zur Attsfflhrung des Erfindangsgedankens werden schnelle elektronische Fvvtkorperecfaaltangselemente verwendet, am das Einsetzen eines Entladungswiderstaades in den Stromkreis mit der Motorfeldwicklung, sum Bewirken einer Synronsation and sam Abschalten des Feldes im Falle dass der Motor beginnt, aas dem Snrosmus au

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fallen, verwendet. Die Schaltungsanordnung ist so ausgelegt, dass der Feldwicklung so lange keine Erregerspannung zugeführt wird, bis die Frequenz der indusierten Spannung auf einen bestimmten Wert abgesunken ist, worauf dann die Erregerspannung an das Feld mit optimaler Schlupf -Frequenz und optimalem Phasenwinkel angelegt wird. Fast gleichseitig wird der Entladung*widerstand aus dem Kreis ausgeschaltet. Wenn der Motor im Betrieb ausser Tritt fallt, wird die Abnahme der Erregerfrequens durch eine Schaltungsanordnung wahrgenommen, die dann die Erregerleistung von der Feldwicklung abschaltet. Die Schaltung überwacht und misst dann die indusierte Spannung des ftfotorfeldes und versucht wiederholt, eine ResynchroflUation wahrend jedes Spennungssykhis su bewirken.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer speslellen Ausf tthrungsform in Verbindung mit der Zeichnung naher erläutert; es seigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Steuer- und Regeleinrichtung far einen bQrstenlosen Synchronmotor;

Fig. 2 ein ausgeführtes Schaltbild der verschiedenen in Flg. dargestellten Komponenten der Einrichtung gemass der Erfindung, welche für den Betrieb einer Synchronmaschine erforderlich sind und

Fig. S eine graphische Darstellung der indusierten Spannung wahrend des Anlaufens, die seigt, wie das Erregerfeld beim optimalen Zeitpunkt und Phasenwinkel angelegt wird.

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Die in Fig. 1 in Blockform dargestellte Einrichtung zur Steuerung und Regelung eines bürsten- oder echleifringlosen Synchronmotors enthält eine Gleichstromquelle, der Gleichstrom wird dabei durch Gleichrichten der Auegangsspannung eines Wechselstromerregers erzeugt. Die Gleichstromleistung wird selektiv Ober einen mit steuerbaren Gleichrichtern arbeitenden Feldschalter, einer Feldwicklung eines Synchronmotor* angefahrt.

In einer praktischen AusfOhrungsform sind Erregeranker und Motorfeldwicklungenjiowie sämtliche Komponenten de." in den Figuren 1 und 2 dargestellten Einrichtung auf derselben Welle montiert. Der Feldschalter unterbricht die Zufuhr der Gleichstromerregung sum Motorfeld bis su einem Zeitpunkt, der kurz vor dem Moment liegt, bei dem eine Synchronisation eintreten würde, und der richtige Zeitpunkt wird in einem einsigen Zyklus der an den Ausgangsklemmen des Motorfeldes erscheinenden induzierten Spannung erreicht. Um Qbermlssige Spannungen in der Motorfeld Wicklung su verhindern und das Anlassdrehmoment su erhöhen, wird den Klemmen der Motorfeldwicklung ein Anlass-, Feld-, oderFntladungswiderstand parallelgeschaltet, der in Abhängigkeit von der Grosse der in der Feldwicklung indusierten Spannung selektiv durch einen Feldwiderstandsteuerkreis angeschaltet wird.

Ein Synchronisationskreis bewirkt das Ansehalten der Gleichetromerregung an das Motorfeld beim richtigen Sehlupf- und Phasenwinkel.

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Bei extremer Überlastung, Ausfall der Betriebespannung und Ähnlichen Betriebsbedingungen, die eine Abschaltung der Gleichstromerregung vom Feld erfordern, wird ein Feldabschaltkreis wirksam der ansprfcbt, wenn der Motor ausser Tritt oder Synchronismus gefallen ist und die sur Abschaltung der Erregerleistung von der Feldwicklung notigen Misinehmen einleitet.

Die mechanische oder rAumliche Anordnung der Erregeranordnung und de· Synchronmotor· sind die gleiche wie bei den bekannten sohleifringlosen Synehronmotoren, bei denen umlaufende Magnetkerne de· Erreger· und Motor· auf derselben Welle montiert und rorsugsweise innerhalb ein und desselben, nicht dargestellten Oehlusee oder Mantel· angeordnet sind. Ausserdem «lad noch susatslich die in Fig. 1 und 1 dargestellten Komentn auf derselben Welle angeordnet. Die hier be* sehriebene Steuer- und Regeleinrichtung ist fur die Erfordernisse beim Anlassen, Synchronlsiefren und Feld-Abschalten in Verbindung mit einem Synchronmotor bestimmt und erftllt Im Idealfall folgende Funktionen:

1. Paralleleehalten eine· Anlasswiderstandes sum Motorfeld wahrend der Beschleunigung, um ein ubermassiges Ansteigen der im Feld indualerten Spannungen au verhindern und das Anlassdrehmoment au erhöhen.

2. Anschalten der Oletchstromerregung an das Motorfeld bat Schlupf- und Lauferwinkel.

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3. Unterbrechung dee den Anlass widerstand enthaltenden Stromkreises um einen dauernden Vrrlust an Frregerleistung su verhindern.

4. Schutz des Motorfeldee gegen Überspannungen, die im normalen Betrieb durch Netsstörungen entstehen können.

5. Abschalten der Felderregung und Wiedereinschalten des Anlaeswiderstandes, wenn der Motor ausser Synchronismus su geraten beginnt.

6. Resynchroniaation, wenn es die Betriebsbedingungen erlauben* dass der Motor wieder auf die Synchrooieationedrehaahl beschleunigt werden kann.

In Fig. 2 ist links die Erregermaschine dargestellt, deren Feldwicklung 10 mit einer Gleichspannung gespeiet wird, so dass beim Anlassen und anschliessend im Betrieb an den Klemmen einer Sekundarwieklang IS eine dreiphasige Wechselspannung sur Verfugung steht. Diese Wechselspannung wird durch Oleichrichter 14 gleichgerichtet «ad kann dann der Feldwicklung 16 des sugehörigen Synchronmotor* sugeffthrt werden. Einer nicht dargestellten Stlnderwicklung des Motors wird aber Klemmen 1· eine ein Drehfeld erzeugende Wechselspannung angefahrt. Während der Laufer beim Anlassen beschleunigt wird, kann das Stlnderdrehfeld in den Läufer leitern Spannungen indusieren, die unter Umständen su einer Beschädigung der Isolation der Feldwicklung 16 des Läufers fahren können, wenn nicht

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Massnahm en getroffen werden, um dl··· Spannungen unter Kontrolle EU halten. Zum Sehuts dtr Feldwicklung wird an ihr· Klemmen, wie Abiich, ein Widerstand SO angeschlo«s«n. der die eraeugte Leistung aufnimmt und die FeUspanming auf einen ungefährlichen Wert herabsetst.

Die Zufuhr der Err*g*rl*iatung rar Feldwicklung 16 wird durch den F«ldeen*lter 22 gesteuert, der einen steuerbaren Siliciumgleichrichter 24 und einen Impaletraneformator 2· enthalt, wahrend der Beachleunlgunf de· Läufer· hält der gesteuerte Gleichrichter 24 die gleichgerichtet« Frregerspanraing ·ο lange von der FeldwieUung 1· fern, bia die Synchronisation «intreten sollt·. Wie welter unten noch nlher erlintert werden wird, erhält der Transformator 2β einen Impuls und liefert «inen sum Auftasten des gesteuerten Gleichrichters 24 ausreichenden Steuerstrom, der den Gleichrichter in den stroanfthrenden Zustand «ehaltet und den Erregerstrom durch die FeldwieUung 16 fliessen liest, wenn bestimmte Bedingungen im Kreis erfüllt sind, die den Erfordernissen ftr die Synchronisierung genügen.

Vm die Isolation der FeldwieUung su schttsen, wenn die Klemmen 16 unter Spannung gesetst werden und die Ifotorwelle sieh au drehen beginnt, sind ein steuerbarer SUictumglelehriehter 20, eine 2taar-Diode 22 und eine Diode 24 in den Kreis de* Feldwiderstande· geMhaltet. Di« Klemmen der Wicklung 16 sind abwechselnd positiv und negativ. Dmr indusi«*· Strom flUsst daher durch den Wideretand 20, die Diode 24 und die FeldwieUung 16_# wenn die untere Klemme positiv Ist. Weaa Jedoch die obere Klemme

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positiv trird und die im Feld induzierte Spannung aus irgendwelchen Gründen einen bestimmten hohen Wert erreicht, der durch die Bemessung der Zener-Diode 33 bestimmt wird, beginnt der steuerbare Gleichrichter SO au leiten· da die im Feld induzierte Spannung über die Zener-Diode 32 seiner Steuerelektrode augeftthrt wird. Hierdurch wird dann der Feldwiderstand 20 an die Feldwicklung 10 angeschlossen und er vernichtet die während der Beschleunigungsdauer im Feld induzierte Leistung.

Da der steuerbare Gleichrichter sehr rasch aufgetastet wird, lassen sich auch sehr schnell ansteigende Spannung«* sicher beherrschen, so dass ein einwandfreier Schute der Isolation gewihrleistet ist und gleichseitig noch der Vorteil eines hohen Anlassdrehmotnentes erreicht wird.

Bekanntlich ergibt sich das maximale Synchroniaationsdrehmoment, wenn man die Gleichstromerregung beim optimalen Schlupf- und Lauferwinkel an das Motorfeld anschaltet. Da die hier verwendeten Schaltungselemente schnell arbeiten, lasst sich die Gleichstromerregung mit grosser Genauigkeit anschalten. Der erste Schritt sur Bestimmung des genauen Zeitpunktes fur das Anschalten der Erregung an das Feld besteht darin, dass die positiven Halbwellen der im Feld induzierten Spannung während der Anlaseperiode beschnitten und geregelt werden. Das Beschaeider der induzierten Spannung V, geschieht durch Widerstände M, St und eine Zener-Diode St₄ wie durch die gestrichelten Liniea in der Kurve der Fig. 3 dargestellt Ist. Diese Kurve zeigt, dass die Amplitude der Induzierten Spannung

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ungeHhr gleich bleibt und das» die Frae abnimmt, während der Läufer •loh einer Synchrondrehsahl nähert. DI· Kurve seift, aowohl den Winkel al« auch die Zelt Im letalen Schlupfsjrkhie, wenn der ateuerbare Gleich* rlohter aufgetastet und die Gleiohstromerregung dadurch an dae Feld gelegt wird. Durch da· Absinken der Freqeens werden die einseinen Zjklen linger, eo dass eine längere Zeitspanne nur Verfügung steht. Innerhalb der der Gleichstrom an da· Feld hei einem Winkel angeeehattet werden kann, der hlaalcbtlleh der satlon am sweckmässlgsten Ut. Da· Feld wird am besten dann angeschaltet, wenn die induslerte Spannung mit positiver Steigung durch Null geht, da sieh dann ein optimales F.insiigdrehmoment er* gibt. Die kderfur vorgesehene Schaltungsanordnung enthält einen or 4t. der während Jedes Zyklus der indmslerten Spannung abwechselnd geladen und entladen wird. Mit dem Kondensator Ist eine VUrschtcht-Diode

44 verbunden, die so bemessen Ist« dass sie leitend wird, wenn die Spannung am Kondensator einen bestimmten Wert erreicht. Wenn die Freouens der asca Sa während des Anlassens hoch ist, reicht die fmr das Laden des Kondensator· 4t sur Verfügung stehende Zeit nicht aus. um die Spssttuag am Kondensator auf den sum Anita stew der Diode 44 erforderlichen Wert ansteigen su lassen. Mit anderen Worten gesagt, kehrt sich die Polarität 4er Indnslerten Spannung um, bevor die Spannung am Kondensator

45 den asm Schatten der Diode 44 erforderlichen Wert erreicht hut. Dies seift as, dass die Sehlupf-Frefuens an oss lsi um eine Synchronisation

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su ermöglichen, and der Kondensator entUdt sich dann wlnredat der negativen Halbwelle durch die Diode 40. Der Kondensator 42 wird also dasu verwendet, festsustellen, ob die Schlupf-Frequenz den richtigen Wert hat« indem er während Jedes Zyklus die Diode 44 aufsutaatea strebt. Wenn die LadeseJt durch das Absinken der Sehlupf-Frequens Kuntmmt, erreicht die Ladung am Kondensator schliesslich die Schattspannung der Diode 44 und fliesst dann Aber die aufgetastete Diode in den Kondensator 4·. Der Moment, in dem die Diode 44 schaltet, ist in Fig. S mit 47 bezeichnet. Fur das Einleiten und Auslösen der Funktionen der übrigen Komponenten, die die Gleichstromerregung an das Feld anschalten, verbleibt also die Zeitspanne «wischen dem Punkt 47 der Kurve und dem NuUdurohgaag der indus leiten Spannung.

Der Kondensator 46 ist nun bereit, sich über den Unipolartransistor 48 durch den Impulstransformator 56 su entladen, durch den dann der Q eiehrichter 24 aufgetastet wurde und ein Erregeo durch die Motorfeldwiekhang füessen könnte. Der Unipolartransistor 48 wird Jedoch nicht sofort leitend, da seine Zwischenhaslsspannung so hoch bleibt» dass ein Leiten verhindert wird, trotsdem durch den Kondensator 46 Jetat eine Spannung an den Emitter gelegt wird. Die Zwischenbasisspannung fir den Unipolartraneistor 48 wird durch die Widerstände 50,82 und die Zener-Diode 84 geliefert. Dw Transistor 48 wird in den stromfthrendea Zustand BUfgetastet, indem die Zwlschenbasisspannung verringert wird. Dies geschieht

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bei dem gewünschten Läuferphasenwinkel mittel* der Vierachicht «Diode 99, deren Schaltapannung. erreicht wird, wenn die Feldspannung etwaa negativ wird. Wenn die Diode 99 leitet, werden die Basen dea Tranaiatore 48 momentan dem Motorfeld parallelgeachaltet, waa ein kursseitiges Abainken der Zwischen baaiaapannung bewirkt. Hierdurch wird der Tranaiator 48 in die Lage veraetat, den Kondensator 46 Ober die Primärwicklung dea Impulstranaformatora 56 au entladen. Dabei entsteht in der Sekundärwicklung 26 des Transformators ein Impuls, der den gesteuerten Gleichrichter 24 auftastet und die Erregerapannung an die Feldwicklung 16 dea Motors gelangen Hast. Bei dieser Anordnung wird die Erregung sowohl bei der vorherbestimmten Schlflpfung in der positiven Halbwelle des Feldstrome I. und beim richtigen Schlupf-Winkel angelegt, waa susammen optimale Bedingungen für die Synchronisation ergibt.

Unter bestimmten Bedingungen beim Anlassen, wenn die Last au gering ist, kann der Laufer ao rasch beschleunigt werden, daaa der optimale Winkel nie mit der gewünschten SchlQpfung übereinstimmt und der Motor synchronisiert sich dann beim Reluktansdrehmoment. Um aolchen Verhaltniesen Rechnung au tragen und eine Synchronisation bei schwacher Belastung au gewährleisten, wird ein Versögerungskreis verwendet, der einen Widerstand 58 und einen Kondensator 60 enthält. Der Kondensator 60 wird durch dieselbe Erregerspannungsquelle, die die Spannung am Tranaistor 48 konstant hält, auf awanaig Volt aufgeladen und eine Vierschicht-Diode 62

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entlldt den Kondensator 60 Ober den Impulstransformator 66, wenn der Kondensator 60 auf eine ausreichend hohe Spannung aufgeladen ist. Der Impuls des Transforntators 56 tastet dann also den gesteuerten Oieichrichter 24 auf und schaltet die Erregung an die Feldwicklung 16.

Wenn die oben erwähnten Synchronisationsbedingungen bei optimalem Zeitpunkt und Phasenwinkel atur Synchronisation erreicht werden und die Erregerspanmtng an die Feldwicklung 16 angeschaltet wird, befindet sich der gesteuerte Gleichrichter 30 im gesperrten Zustand, da die Feldspannung in diesem Augenblick schwach negativ ist. Im normalen Betrieb des Motors kann der Widerstand 20 durch die Schutswirkung der Zener-Diode 32 und des gesteuerten Siliciumgleichrichter* 30 immer dann eingeschaltet werden« wenn Netsetörungen in die Motorfeldwicklung 16 reflektiert werden und dort un«ull**ige Überspannungen erzeugen. Um den gesteuerten Gleichrichter 30 SU sperren und dadurch den Feldwiderstand 30 vom Kreis der Wicklung 16 SU trennen, wird der gesteuerte Gleichrichter 24 momentan durch einen Kreis gesperrt, der einen Kondensator 72, eine Induktivität 100 und einen gesteuerten Gleichrichter 70 enthält. Der Kondensator 64 wird durch die Spannung am Widerstand 20 aufgeladen. Wenn die Spannung am Kondensator 20 die Schaltvpannung der Vierschicht-Diode 66 erreicht. Bandet die*· und entlädt den Kondensator aber die primäre Wicklung des Impulstransformator* 6·. Die Sekundärwicklung 69 des Transformators liefert dann einen Steuerstrom, der ausreicht· um den gesteuerten Siliciumgleichrichter 70 aufsutacten. Der Kondensator 72 Ist snflngUcth auf di· Erregerspaanong anfge-

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laden» da «eine positive Klemme mit der positiven Frregerieitung und seine negative Klemme Ober den Widerstand 74 und die Diode 76 mit einer Erregerphaae verbunden ist. Da der gesteuerte Gleichrichter nun leitet, kann der Felderregergleichstrom durch den Kondensator 72 sur Wicklung 16 fUessen. Da der gesteuerte Gleichrichter 70 und der Kdor 72 und dem gesteuerten Gleichrichter 24 parallelgesehaltet sind, wird letzterer gesperrt, da er dureh die Spannung am Kondensator 72 in Riokwirtsriahtung vorgespannt wird. Beim Entladen des Kondensators 72 werde der Erregerstrom rasch abfallen und die Induktivität int Erregerkreis konnte auf einen osermlssigen Wert ansteigen und gegebenenfalls den Feldschalter 22 spannungsmissig fiberlasten. Vm dies an verhindern, bildet der gesteuerte Gleichrichter 70 susitsUeh einen Stromwag flr den Erregeretrom dureh den Widerstand 74 und die Diode 76.

Wenn sieh der Kondensator 72 mit umgekehrter Polarität auflädt, geht die Feldspannung dureh MuU und kehrt sich um. Da die Polarttat der Ipannang am gesteuerten Gleichrichter 20 wechselt, bort dieser an leiten auf und wird gesperrt. Der gesteuerte Gleichrichter 70 sperrt beim Umkehren der Eregerphasenspa ug . Der gesteuerte Gleichrichter 24 wird dann, wie oben beschriebt η wieder auf getastet, indem die Kondensatoren 42,60 aufgeladen werden und ein Impuls dureh den Unipolartransistor 46 und den Transformator 56 erseugt wird, der den gesteuerten Gleichrichter 24 auftastet.

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Um ca gewährleisten, dass sich der Kondensator 46 so weit auflädt, dass der durch den Transformator 56 erzeugte Impuls sum Auftasten des gesteuerten Gleichrichters 24 ausreicht, wird sum Aufladen des Kondensators 46 auf den richtigen Wert eine alternative Stromquelle verwendet. Der betreffende Stromkreis enthalt einen Kondensator 76, einen Widerstand 80 und eine Zener-Diode 82. Der Kondensator 78 wird fiber den Widerstand 80 auf dem Spannungspegel der Zener-Diode 82 geladen gehalten. Der Kondensator 78 ist mit dem gesteuert η Gleichrichter 84 verbunden und die Sekundärwicklung 8S des Transformators 68 liefert den sum Auftasten des gesteuerten Gleichrichters 84 erforderlichen Steuerstrom. Wenn in der Primärwicklung 68 des Transformators bei der Entladung des Kondensator 64 ein Impuls flieset, tastet der von der Sekundärwicklung 85 abgegebene Impuls den gesteuerten Gleichrichter 84 auf« so dass ein Stromweg, der einen Stromflass nur in einer einsigen Richtung suliest, vom Kondensator 78 sum Kondensator 46 gebildet wird. Wenn der Kondensator 46 nicht ao weit aufgeladen wird, wie es sum Auftasten des Transistors 48 nötig ist, entlädt sich der Kondensator 78 in ihn fiber den Gleichrichter 84, um den Spannungspegel auf den gewünschten Wert su erhöhen. Diese Schaltungsanordnung gewährleistet, dass der gesteuerte Gleichrichter 24 wieder in den leitenden Zustand gebracht wird, um die Frregung erneut an die Feldwicklung 16 su schalten, aueh wenn vom Widerstand 20 nicht genügend Spaniaing sum Auftasten des Gleichrichters 24 sur Verfügung stehen sollte, und nach dem erneuten Sperren des Gleichrichter·, dass der Feldwideretand

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20 voo der Erregerspannung abgetrennt wird.

Nachdem der Motor angelassen und der Anlass widerstand 20 abgeschattet sind, kann es unter bestimmten Bedingungen erforderlich werde/i, den Feldstrom des Motors abzuschalten. Wenn der Motor durch Überlastung und andere Gründe ausser Synchronismus gerat und die Drehsahl absinkt« muss die Gleichstromerregung von der Feldwicklung 16 des Motors abgeschaltet werden. Wenn beim Absinken der Drehzahl und Ansteigen der SchlHpfungs-Frequenz die Grosse des induzierten Feldstromes kleiner als der Frregerstrom ist» oder wenn die Standerspannung des Motors ausfallt, so dass kein Feldstrom induziert wird, wird die Erregung nicht abgeschaltet. FQr den Fall, dass der induzierte Feldstrom des Motors grosser 1st, sind jedoch Vorkehrungen getroffen, um das Fel4*bzuachalten und dies geschieht durch Sperren des gesteuerten Gleichrichters 24. Der Widerstand 86 und die Zener-Diode 88 beschneiden die positiven Halbwellen der Erregerspannung von beispielsweise 125 auf 30 Volt und der Kondensator 90 wird während jedes Zyklus aber den Widerstand 101 durch diese geregelte Spannung aufgeladen. In den Fntladungskreis dieses Kondensators sind ein Unipolartransistor 92 und ein gesteuerter Gleichrichter 93 derart geschaltet, dass der Kondensator 46 durch den gesteuerten Gleichrichter entladen und den Impulstransformator 96 speisenkann, wenn die Schaltungselemente 92,93 leiten und einen Steuerstrom an den gesteuerten Gleichrichter 94 liefern.

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Wenn die Ladezeit de* Kondensators 90 zu kurz ist, wird der Transistor 92 nicht aufgetastet, was anzeigt, das· die Erregerfrequens hoch ist und der Motor noch synchron läuft. Pa der Kondensator 90 während jedes Frregerzyklus auf· und nachgeladen wird, fahrt sein Fntladungsstromweg durch die Diode 98« wenn die Zeit su kurs ist. Wenn sich der Kondensator 90 auf diejenige Spannung (z. B. 15 Volt) auflädt, die zum Auftasten des Transistors 92 ausreicht, bedeutet dies, dass sowohl die Erregerfrequenz als auch die Drehzahl niedrig sind und der Motor ausser Synchronismus geraten ist. Der Transistor 92 leitet dann die Ladung vom Kondensator 90 zur Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters 94, so dass dieser aufgetastet wird und einen Stromweg für die Entladung des Kondensators 48 durch die Primärwicklung des Tränst) rmators 98 bildet. Wenn dies geschieht, laufen zwei Vorgänge ab: a) Der gesteuerte Gleichrichter 70 wird durch den Impuls von der Sekundärwicklung 97 des Transformators 98 leitend und der gesteuerte Gleichrichter 24 wird durch das oben beschriebene Umpolen des Kondensators 72 gesperrt, so dass, wie oben beschrieben, die Erreger-Spannung nicht weiter dem Feld zugeführt wird« und b) dieser Kreis verhindert, dass der Gleichrichter 24 wieder zu leiten beginnt und das Feld erneut anliegt, da sich der Kondensator 48 durch den gesteuerten Gleichrichter 94 und den Transformator 98 und nicht durch den Transistor 48 und den Transformator 88 entlädt. Wenn der gesteuerte Gleichrichter 70 zu leiten beginnt, wird fftr die Gleichstromerregung ein Stromweg durch den Kondensator 72

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sur Feldwicklung 18 gebildet. Wenn die Erregerspannung durch die negativ« Halbwelle geht« sperrt der gesteuerte Gleichrichter 70 wieder.

Der Gleichrichter 93 verhindert, dass der Feldabechaltkreis wahrend des normalen Synehronlsationsvorganges iu Tätigkeit tritt. Wenn der Motor angelassen wird, ist der Gleic hrichter 98 gesperrt und verhindert unabhängig von der Drehsahl, dass die Ladung am Kondensator 90 eine FeIdabschaltung einleitet. Nachdem sieh der Motor jedoch synchronisiert hat. wird die an der Zener-Diode 88 liegende konstante Spannung aber den Widerstand 103 dem Kondensator 104 sugeftthrt. Das Aufladen des Kondensators auf eine Spannung, die sum Auftasten der Vier schicht-Diode 102 und daan des Gleichrichters 93 erfordert eine gewisse Zeit. Diese Verzögerung gewährleistet, dass der Feldabechaltmechanismus während der kritischen Synchronisationsseit nicht unbeabsichtigt in Tätigkeit tritt. Der Gleichrichter 98 wird durch den den Widerstand 92 durchmessenden Ableitstrom im leitenden 4fUst9TK^ gehalten«

Es ist ersichtlich, dass der Feldwiderstand 20 beim Abschalten der Erregerleistung von der Feldwicklung durch den Gleichrichter 24 automatisch der Feldwicklung in Reihe geschaltet wird, um die durch indualerte Spannungen erseugte Leistung aufaunehmen. Diese Eigenschaft der Jfrrhtitt"«^ trenut den Erregerauegang wirksam vom Motorfeld und der Meter kann als Induktionsmotor welterlaufen, bis wieder günstigere Betriebsbedingungen eintreten, die eine erneute Synchronisation erlauben. Der be-

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achriebene Kommutiervorgang verlauft auaaergewflhnlich schnell, er erfordert in der Praxia weniger ala eine Millisekunde.

Wenn die Überlastung oder anderen Betriebebedingungen, die die DrahsahLher&bsetsung des Motor« und das Auesertrittfallen verursacht hatten, Oberwinden oder beseitigt worden sind, nimmt die Drehzahl des Motors wieder su, so dass eine erneute Synchronisation möglich ist. Unter diesen Umstanden und unter der Voraussetsung, dass die Amplitude und Frequens der in der Feldwicklung indusierten Spannungen für eine Synchronisation geeignet sind» erfolgt diese erneute Synchronisation durch Wiederholung der anfänglichen Schritte, den Kondensator 42 aufzuladen und den Kondensator 46 durch den Unipolartransistor 48 und den Transformator 56 su entladen, um den gesteuerten Gleichrichter 24 aufsutasten und die Erregung an die Wicklung 16 su schalten.

Die Erfindung wurde anhand eines spesiellen Ausfuhrungsbeispiels beschrieben, sie liest sich selbstverständlich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung su aberschreiten. Die angegebenen spesiellen Spannungswerte sind nicht einschränkend ausstiegen, das sie far Maschinen verschiedener Grosse entsprechend der verwendeten Bauteile verschieden bemessen werden kennen. Die oben beschriebenen Arbeitsprinsipien lassen sich ohne den Rahmen der Erfindung su aber schreiten auch verwirklichen, wenn man einen Bauelementtyp durch einen anderen ersetst.und susätsliche Teile verwendet oder Teile wegläset, je nach-dem.

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wie es ein einwandfreies Arbeiten des Motors erfordert. So können beispielsweise andere nichtmechanische Typen von Feldachalterbauteilen, wie Festkörpereinrichtungen einschlieselich Transistoren, Fünf schicht Dioden und dergleichen anstelle der beschriebenen Einrichtung verwendeten gesteuerten Gleichrichter, insbesondere der Gleichrichter 24 und 30, verwendet werden. Offensichtlich e und relativ einfache Änderungen in der Schaltungsanordnung um den Transistor mit einer kontinuierlichen Spannungsversorgung su versehen, stellen für einen Fachmann kein Problem dar. Xn entsprechender Weise können auch konventionelle Bauteile, wie Induktivitäten undDioden verwendet werden, um die Fünf schicht-Dioden durch Erhöhung der Kathoden-Anoden "Spannung leitend ni machen. Die hier offenbarten Prinsipien lassen sich In entsprechender Weise auch auf Finphaaenbetrieb im Gegensfcts su dem hier beschriebenen Mehrphasenbetrieb anwenden. Hierbei sind kleinere Schaltungalnderungen erforderlich und bei einphasigen Maschinen kann der Feldwideretand abschaltkreis entfallen, da die Feldspannung in jedem Zyklus der Erregerfrequens sweimal Null wird, so dass for den gesteuerten Gleichrichter SO genügend Möglichkeiten sum Sperren sur Verfugung stehen.

Obgleich ein auf der Welle montierter Erreger beschrieben wurde, können auch andere Leistungsquellen verwendet werden, wie Motor-Generator-Sitze, statische Leistungsgleichrichter, Transformatoren und dergleichen.

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Di· Erfindung kann also auf verschiedene andere Weite al· beschrieben in die Praxis umgesetzt werden.

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Claims (1)

1. U88161

   Patentansprüche

   1. Steuer- und Regeleinrichtung fttr einen Synchronmotor mit Wicklungen in einem Stander- und einem Läufermagnetkern, einer Quelle für eine gleichgerichtete Leistung« die Erregerleietung für eine FeldwicUung liefert, und einem elektrisch betätigten Feldechelter, der selektiv betltigbar ist, um die Leistungequelle mit der Feldwicklung su verbinden, ge kennseichnet durch eine Synchronisationsanordnung, die elektrisch wirkungsmissig mit der Feldwicklung verbunden ist, mit einer Anordnung im Feldschalter, die auf die Synchronisationsanordnung anspricht und die Erregerleistung von der Feldwicklung fernhält, bis ein vorher -bestimmter Zyklus in der Sriüapfungs-Frequens und ein vorherbestimmter Winkel erreicht ist, und eine Anordnung, die einen «weiten Feldschatter und eine Widerstandsbelastung sum selektiven Anschluss an die Feldwicklung sur Absorption von Leistung, die in dieser erzeugt wird, wenn die indusierten Spannungen einen bestimmten Wert erreichen, enthält.

   1. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennseichnet, dass der Synchronisationskreis eine Detektoranordnung enthält, die auf die Frequens der in der Feldwicklung indusierten Spannung anspricht, wobei leitfähige Einrichtungen in dem Kreis der Detektoranordnung und dem Feldechalter angeordnet sind, um einen Impuls ausreichender Amplitude

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   an den Feldschalter su liefern, der diesen in einen leitenden Zustand bringt, welcher das Anlegen der Erregung an die Feldwicklung erlaubt, wenn der gewählte Zyklus der Schlupfungs-Frequens und der gewlhlte Winkel, der in dieser durch die Detektoranordnung ausgewählt 1st, bestimmte Werte erreichen.

   S. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennseichnet durch einen Feldabschaltkreis, der mit dem Feldschalter und der Widerstands belastung verbunden ist, um die Erregerleistung von der Feldwicklung abzuschalten, wenn der Motor auaser Synchronismus gerat, und um selektiv die Widerstandsbelaetung in den Kreis mit der Feldwicklung elnsuschatten.

   4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder S, dadurch gekennseichnet, dass der elektrisch betätigte Feldschalter einen Halbleiter und eine diesem zugeordnete Frregungs- oder Speisungseinrichtung enthält, um den Halbleiter leitend su machen, wenn die Einrichtung durch die Synchronisationsanordnung in Abhängigkeit von der indusierten Spannung oder dem Strom Inder Feldwicklung erregt wird.

   5. Einrichtung nach Anspruch 1,2, S oder 4, dadurch gekenn-

   s e ic hnt t, dass der sweite Schalter im Kreis mit dem Entladungswiderstand und der Feldwicklung ein Halbleiterelement enthält, das durch eine Erregungseinrichtung in den leitenden Zustand gebracht werden kann, die

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   auf eine bestimmte GrOsse der indusierten Spannung in der Feldwicklung anspricht, wobei das Halbleiterelement selektiv den Entladungswiderstand an die Feldwicklung anschaltet um die in letzterer erzeugte Leistung während einer Halbwelle der indusierten Spannung su absorbieren, und wobei eine Diode mit dem Widerstand und der Feldwicklung verbunden ist um einen geschlossenen Kreis während der »weiten Hälfte des Zyklus der indusierten Spannung su bilden.

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