DE1918257A1 - Buersten- und kommutatorloser 3-Phasen-Wechselstrommotor mit veraenderbarer Drehzahl - Google Patents

Description

Bürsten- und kommutatorlos er 3-Phasen-Wechselstrommotor mit veränderbarer Drehzahl ·

Die Erfindung bezieht sioh auf einen bürsten- und kommutatorlosen J-i'hasen-Wechselstromtnotor mit veränderbarer Drehzahl*

Es ist bisher üblich, bei einem Wechselstrommotor einen Kommutator und Bürsten vorzusehen* wenn ein in der Drehzahl veränderlicher Motor ohne Änderung der frequenz der Stromversorgungsquelle verwirklicht werden soll» Es ist auoft schon ein System vorgeschlagen worden^ um einen Xnduktionsod§r einen Synchronmotor in. der Bpehzahl Teränderlicherweise anzutreiben indem eine Stromversorgungsquelle mit variabler frequenz vorgesehen ist» die ein üia— formeraggregat_r wie einen Wechselrichter oder einen frequenz-Umformer uswoj» zur lndarung der frequenz 4«r Strom— Versorgungsquelle !benutzt© Dieses bekannte System hai? jedooh mehrere Mängel^ äer&m. wesentlich© im Polgendesa. genannt Werdens

1* Bei der förderung iaaeä einem hohes Anlauf strom wird der Leistungsfaktor schlecht _t was nötig, warclea lässt»

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_ ρ

den Umformerteil grosser auszulegen, wodurch sich eine Unwirtschaftlichkeit des gesamten Systems ergibt*

2» Wegen der Notwendigkeit, einen Kommutierungsmechanismus im. Umformerteil vorzusehen, wird der Gerätesatz komplizierter und unökonomischer» ~

3» Es besteht die Möglichkeit, dass ein Nichtsynchronismus im Fall des Synchronmotors erzeugt wird, wobei das An~ laufmoment pro Ampere für den Fall des Synchronmotors mit Käfigläufer klein wird»

4» Die Änderung des Drehmomentes wird im Bereich kleiner Drehzahlen bedeutsam·

5» Im Fall der Anwendung eines Wechselrichters ist es schwierig, eine gleichmässige Arbeitsweise über eines, weiten Frequenzbereich zu erhalten©

6· Im Fall eines gewöhnlichen Frequenaumformers zum Antrieb des Induktionsmotors ist die Anwendung nur auf einen Bereich: unter ungefähr einem Drittel der Frequenz der. Stronrversorgungsquelle begrenzt»

w Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin_& einem in der Drehzahl veränderlichen bürsten- und 3chleifringlosen Dreipiiasenmotor zu verwirklichen, der in" derselben. Weise wie ein nach dem Ward-Iieonard-Sjstem angetriebener Gleichstrommotor frei gesteuert werden kann₅ ms so ein© veränderliche Drehzahl über den gesamten Bereich v©m -eier ,-Quadranten einer Drehmoment-Drehzahl-Ebene zu ermögllohetto

Die Erfindung geht aus von einem.

bürsten·*, schleifring- und kommutatorlos en elektriaeteen

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Dreiphaaenmotor des Synchronmaschinentyps, der von einer. Dreiphasenstromquelle eingespeist wird, und ist erfindungsgemäsa gekennzeichnet durch die Kombination eines Verteilers, zumindest eines Umschaltsteuerungskreisea, der angeordnet ist* um die Wahl des Verteilervorgabewinkels zu ermöglichen, der für den Betrieb des Motors bzw· für eine der Betriebsbedingungen, nämlich sowohl für das Anlaufen oder das normale Laufen, entweder für den Vorwärts- oder Rückwärtslauf und entweder zur Beschleunigung oder Bremsung geeignet ist, eines logischen Steuerschaltkreises, um 18 Folgen von logischen Produkten von Drehimpulsaignalen für den Dreiphasenmotor zu erhalten, von denen jedes Signal eine Dauer entsprechend einem die Drehung dea Motors darstellenden Phasenwinkel von 120° hat und Dreiphasen-Binspeisungssignale eine Dauer von 120° aufweisen, und . eines umkehrbaren, mit Leietungsthyristoren versehenes Gyclo-Konverter-Gerätes, das zwischen der Dreiphasenstromquelle und dem Dreiphasenmotor sich befindet, wobei das Gerät als ein Steuerventil arbeitet und den Stromfluss nur für den Bereich des elektrischen Winkels von 120° der betreffenden Phasen der Stromversorgungs<juelle und den Stromfluss nur für den Bereich des elektrischen Winkels von 120 der betreffenden Phasenwicklungen entsprechend der Läuferstellung des Motors ermöglicht und dass mit der zusätzlichen Punktion vorgesehen ist, die an den Motor angelegte Spannung durch Ändern der Phasen der steuernden Ströme der Stromversorgungsquelle mit der elektrischen Länge von 120 zu steuern und die Kontrolle des Stromwertes in Übereinstimmung mit dem geforderten Wert des Nebenstroma der Schleife des Rückkopplungaschaltkreises zuzulassen»

Ausführungsbelspiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher beschriebene Darin sind:

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Pig. 1 eine erläuternde Darstellung der Srfindung_f die die Beziehung ihrer Komponenten aufzeigt}

Pig· 2 ein Blocksohaltbild des 3öreiphasenmötors na@Ä

Pig· 3 das Verfahren der Dfeiiisahlsteuenmg in den ■betreffenden Quadranten der vier über die Brefamomefit-Brehzahlebene verlaufenden Quadranten}

Pig* 4a und. 4b Erläuterungen des Phasenwinkel (Phasenlage) der Steuerspannungι

Pig· 5 die Erläuterung der Erzeugung der Stromtor-Signale für 18.Thyristoren} .

Pig· 6a und 6b Vektordiagramme}

Pig* 7a» 7b und Pig· 8a» 8b Erläuterungen der Beziehung der Voreinstellung des voreilenden Phasenwinkel» des Motorstromes in bezug auf die im Motor induzierte Spannung}

Pig* 9 öie mit der Erfindung erreichtes Drehmomesitlir ehaah !-Kennlinien ;

Pig· 10 der Aufbau des kommutator- .und^ Meters nach der Erfindung%

Pig· 11 eine andere Bauart des Motors n&ek der

Pig. 12 eine Erläuterung der Güte äer Erfindung ia auf die Überlastüngsgrensse des Drehmomentes/anä

Pig· 13a und 13b ein Aufriss und eine Schnitt ansieht mir Erläuterung eines in einem bürsten- und s©Ml©i£- ringiosen Motor naöh der Erfindung Verteilers·

BAD

Fig* 1 zeigt ein schaltbild einer kommutator- und Bürstenlosen Synchronmaschine nach der Erfindung, das lediglich zum Zweok der Erläuterung dient, aber nicht zur Begrenzung der Erfindung auf dieses gezeigte Beispiel führen soll· In Fig» 1 sind eine Dr eiphasenstromquelle 1_f ein öyolo-Konverter-Gerät 2, bestehend aua 18 Leitungen mit thyristoren T₁, T₂ . ο* T₁₈, ein Anker 3 mit den Ankerwicklungen U₁ T und W einer kommutatorloaen Synchronmaschine* . ein Schenkelpolläufer 4* der in diesem besonderen Beispiel der kommutator- und burstenloaen Maschine nach der Erfindung ein Zweipolläufer ist, der das Signal erzeugende Teil eines Verteilers 5» der die Muferstellungen darstellende Signale — wie später noch beschrieben wird - aussendet t ein Signalempfangsteil 6» bestehend aus den. Anschlüssen TJ-¹1 V und W** die die Winkelst ellung des läufers 4 in bezug auf die entsprechenden Ankerwicklungen IF, T und ¥ daist eilenden Signale empfangen^ eine Feldwicklung 7» die auf der Ständerseite zur Erzeugung des mit den Ankerwicklungen 3 zusammenwirkenden Feldmagnetflusses angeordnet ist, ein λ* -Signalgenerator 8, der sechs Folgen von Impulssignalen eines elektrischen Winkelmaases von 120°, der sich aus den von dem Signalempfangsteil 6 empfangenen Signalen ergibt _t ein. Tachogenerator oder Dreh— zahldetektor 9> ein Komparator-Terstärker 1Oa₉ der das Signal aus dem Tachogenerator 9 und ein Signal·«- fias das Einstellen eines·Drehzahlvorwählers darstellt* vergleicht* und verstärkte Ausgangssignal©» die sieh aus der Differenz beider Signale ergeben^ liefert* eis Begrens©r~Wö©b.sel~ richter 10b_? ein Stromdetektor 11 ₉ wie beispieleweise ein Weohselstromtransformator oder ein. Gleichstromwandler, zum Erfassen des Stromes aus der Stromquelle i, ein Yeratärker 12 zur Verstärkung des Signales aus dem Stromdetektor 11, eis. α -Signal-Sensrator 13^ eier die Signale aus dem Begrenzer-Wechselrichter 10b und dem Verstärker 12

BADORIQfNAU

empfängt und OC-Signale im elektrischen Wink©lmäsfl 120° länge erzeugt₉ ein Stromtor-Signalgenerator 1% das Strömt or-Signale erzeugt_t die resultierende Signale aus den Signalen des γ -Signalgenerators 8 und dee QL -Signalgeneratora 13 sind» An. dem Ausgang des Stromtor-Signalgeneratora 14 stehen 18 logisohe Produkte von 6 Folgen von Signalen aus dem v^-Signalgenerator 8 und 6 Folgen von Signalen aus dem (öt-Signalgeneasatör 13» nämlich 16 folgen (« 3 χ 3 x: 2) j davon neun logische Produkte für di© thyristoren I₁ bis Tq* deren Kathoden, mit den Ankerwicklungen 3 verbunden sind, und neun logisohe Produkte für die Thyristoren T₁Q bis 9Lg* deren Anoden mit den Ankerwiofelungen ^ 3 verbunden sind» Unter Bezug auf die Fig© 1 wird der Differenzwert von augenblioklioher Motordrehzahl und Einstellung der vorgegebenen Erehaahl durch den KoMjsarator-Verstärker 1Qa verstärkt«

Fig· 13a und 13b steilem einen Aufriss bzw» einen Söhnitt längs der/Linie B-B der fig♦ 13a dar» die eine Ausführungsform des in dem- kommutator- und bürstenlos en Motor naen der Erfindung brauchbaren Verteiler» 5 zeigen» Brei Phototraneistoren 41» 42 und 43 sind in gleichmassigen Winkelräumen um den Mittelpunkt einer Scheibe- 50 angeardnet* Sie Scheibe 50 ist koaadaX mit einer Well© des Motors mit dem in fig» 1 dargestellten Zweipolläufer" 4 verbunden» Det: W Radius der rechtsseitigen Hälfte der Scheibe 50 ist - wie aus fig· 13a zu ersehen ist - wesentlich verkleinert* wäh.-rend ein gebogener Wandteil 51 an dem Umfang der linksseitifcen Hälfte €er Seheibe 5Ö - wie aus lig* 13b ersieht-. lieh - vorgeseheH ist« Eine Maht^uelle-5-3»" wie.beispielsweise eine elektrische lampe» ist am einer des Mttelpunkt der Scheibe 50 entspreQhenden Stelle in solcher Waise .angeordnet,, dass der gebogene Wandteil 51 tie !»iehtstrahlen . von der !lichtquelle 53 zu den Phototransistor©» &%$ 4& mi<& 43 abwechselnd unterbricht» Kit einer derartigem Ausbildung

BAD

des Verteiler β 5 let es klar» das β jeder Anschluss TJ*, V und W% der mit dem Phototransistor" 41, 42 bzw» 43 re r bund en ist» ein Xmpulseignal mit einer Sauer von 180° in elektrischem Winkelmass in der zweipoligen Synehronmaeohine der ?ig· 8a erzeugt·

Der Begrenzer-Wechselrichter 1Gb in fig· 1 kehrt nur das negative Eingang »signal in ein positives Signal um, ohne dessen (Jrösse zu verändern und läset zugleioh den Begrenzer sowohl mit positiven als auch negativen Signaleingängen arbeiten» wobei der in Pig· 5 gezeigte Ausgang erhalten wird* In der dargestellten Ausführungsform besteht der Stromdetektor 11 aus Stromtransformatoren zur Erfassung des Stromes aus der Stromquelle (oder des Motorstromes) und der Verstärker 12 verstärkt die Auegangssignale von den Stromwandler!* 11* um dem #-Signaigeaerator 13 gegengekoppelte Signal zuzuführen» Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des Begrenzer-Inverter 10b sum C^«•Signalgenerator 13 gegeben· An dem 0( -finkel-Gfenerato* 13 wird der Phasenwinkel des Stromes der Stromquelle gegenüber der Spannung der Stromquelle aus der Differenz zwischen de« Drehzahlvorgabesignal und dem zuvor genannten Motordrehzahlsignal überwacht bzw· gesteuert· D»h· wenn bei diesem Vorgang die Differenz zwischen Signalen erkennen läset» gross (oder klein) zu werden» wird der Mittelwert der Spannung der Stromquelle in der S-rösse duroh Phasenkontrolle geändert» so dass die Motorklemmspannung gross (oder klein) im Motorbetrieb und umgekehrt im Betrieb der Regeneration wird und im Ergebnis der Motor einem Beschleunigungs- oder Bremsstromstosa in Übereinstimmung mit dem Set rieb als Motor oder dem der Regeneration ausgesetzt ist und auf konstanter Drehzahl gehalten wird«

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BAD

Pig» 2 ist ein Blockschaltbild, das die Punktion der Bauteile der Pig» I zeigt·

T?ig· 3 zeigt das Drehzahlsteuerungaverfahren in jedem der vier Quadranten einer Drehmoment-Drehzahl-Ebene· In Pig· 3 sind Drehzahl und Drehmoment eines Motors nach der Erfindung mit Ordinate bzw· Abszisse dargestellt und der obere rechte Quadrant oder der erste Quadrant entspricht dem Steuerbereich des vorwärts laufenden Motors, während der obere linke Quadrant oder der zweite Quadrant dem vorwärts laufenden Regenerativbereich entspricht· Nun soll aus Zweckmässigkeitsgründen angenommen werden, dass das Drehzahlvorgabesignal positiv ist, d«h₀ dass das Beispiel- den ersten und zweiten Quadranten belegt· In diesem Pail ist abhängig davon, ob das Drehzahlsignal e_n am Tachogenerator 9 grosser oder kleiner als das Drehzahlvorgabesignal e_ an dem Drehzahlstellglied der Pig· 1 ist, beispielsweise wenn für den Pail e_ > e_ der voreingestellte Phasenwinkel des Verteilers eingestellt wird, damit der Antrieb des vorwärt elaufenden Motors ermöglicht wird, nämlich der voreilenden Phasenwinkel des ankommenden Stromes gegenüber der induzierten Spannung wie ^₁ (Pig· 6a)· Andererseits, wenn für den pail e_ < ·_ der voreingestellte Winkel des Vertellers eingestellt wird, damit der Vorwärtslauf der Regeneration ermöglicht wird, nämlich der voreilende Phasen des ankommenden Stromes gegenüber der Spannung wie Ϋ2 " (1⁸⁰° - Ϋ2) ~ ^wobei ^*2 ^{der vor}e^eß^etene Phasenwinkel des Verteilers bei umgekehrt laufendem Motorantrieb ist, vgl. Pig· 6b - wird die Kombination der ^-Signale dee Verteilers wie zuvor erwähnt umgeschaltet und gleichzeitig wird die zuvor erhaltene Combination der ^--Signale an den Stromtor-Signalgenerator 14 angelegt und diese können vor— eingestellt werden durch Verschieben der Stellung des Signalempfangsteiles des Verteilers 6 in pig» 1, der Teil

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μ- 9 **-

• 41 bis 43, beispielsweise Phototransistoren, in Pig» 13a und 13b entspricht*

Andererseits wird durch Erzeugen einer Kombination von Signalen, die die Phasensteuerung der Spannung der Stromquelle aus den Signalen, die als die Resultierende von Drehzahldifferenzsignal und Stromsignal erhalten wird und dann durch Anlegen dieser OC«Signale 3eohs in der Anzahl, entsprechend der Dreiphasenstromquelle werden, nämlich drei für den ankommenden Strom und drei für den abgehenden Strom, und diese haben einen gleichförmigen 120°-Bereieh in elektrischem Winkelmass, welche Stellung in Phase gegenüber der der Spannung der Stromquelle nur wie zuvor gesteuert zum Stromtor-Signalgenerator 14 wie für die zuvor erwähnten ^-Signale, werden 18 Folgen von logischen Produkten aus einer Kombination von 6 Po Ig en von y^-Signalen verfügbar und aus einer Kombination von 6 Polgen von X -Signalen werden diese als Stromtor-Signale der identischen Anzahl von 18 Leitungen/Zweigen des Thyristors zugeführt*

Pig«, 4a und 4b dienen der Erläuterung des Phasensteuerungswinkels der Spannung der Stromquelle der Reihe nach zur Zeit des Betriebes als Motor oder bei Regeneration »

Pigo 5 ist eine erläuternde Darstellung der aus einer Kombination von Oc -Signalen und aus einer Kombination von

V--Signalen erhaltenen logischen Produkte· Yt, , Y„ und Y„, sind - wie in Pig». 4 a und 4b gezeigt - Be zug a spannung en gegenüber dem Nullpunkt der Dreiphasenstromquelle» Mit anderen Worten, Y™ iat gleich Y„ am einem Punkt a der pig» 4a und am Punkt b, nämlioh der Phase» die vom Phasenwinkel (X von Punkt a abweicht, bei dem die Spannung der Stromquelle von Y^ nach Y_R kommutiert* Bei diesem Anlass findet - wenn die in pig* 1 dargestellten folgenden Symbole

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wie für die Leitfähigkeit der Thyristoren mit positiver Polarität die Kommutierung von dem Thyristor T₇ (Tg oder Tg) zu dem Thyristor T₁ (T₂ oder T₅) statt* Ähnlich wie zuvor erwähnt, findet für die Leitfähigkeit der Thyristoren negativer Polarität an dem 60 von dem zuvor erwähnten Punkt b nacheilenden Punkt d die Kommutierung der Reihe nach von dem Thyristor T.., (^14 ^{oder t}ir) ^{zu äem} Thyristor T₁₆ (T₁₇ oder T₁₈) statt.

Bei Phasenanschnittsteuerung (PhasenwinkelOC ) der Spannung E_a der Stromquelle zeigt das Resultat so gleichermassen an, dass die Gleichstromkomponente der dem Motor aufgebürdeten Spannung demgemäss unter der Bedingung eines konstanten Feldstromes die Drehzahl η sich verhältnisgleich mit oosuC nach Gleichung (1) ändert» Die Gleichung (1) ist aus der Berechnung des Durchschnittswertes der Spannung der Stromquelle abgeleitet^ die K₁ T_ cos QC sein soll, und dem Mittelwert der Motorspannung als K₂ T_m cos ( γ~_Q — 75Ο cos (^) j wobei Y_m die Motorklemnonspannung, ( γ-_Q —ψ) der Phasenverschiebungswinkel zwischen Motorklemmspannung und Motorstrom und u der der Kommutierung entsprechende Überlappungswinkel sind und ausserdem bei Vernachlässigung des I»R-VerIuStes der Motorschaltung der Umformung der letzteren Gleichung in ^-p^Tn ^c03 ( ■i¹' ~ ^) ^G0S dk) * worin E die im Motor induzier-^ te Spannung (-(.*- ^) ^-⁸^» ^wi^r^ der Phasenverschiebungs

Winkel zwischen E drei Ausdrücke mit	und	Mo to	rstr
K_7_ cos		2 m	.COS
		K2Em	COS
oder E1n.		K2	Va
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^oos

(cos (^-|)cos(|·)/

BAD ORIGINAL

die zur Gleichung (i) unter der Bedingung führt, dass einekonstante Erregung erfolgt und E_m proportional der Drehzahl η ist· In obiger Darlegung sind K₁, K₂ und K Konstanten·

cobOC / [&03 (JL — §) oosfj. . . . . (1)

Wie in Pig· 5 gezeigt, werden Impulse einer länge von 120° in elektrischem Winkelmass einer Dreiphasenstromquelle durch Oc -Signale dargestellt, die bedeuten, dass eine eine Leistung schaltende Erregung der betreffenden Thyristoren während einer Periode entsprechend ihrer eigen artigen 120°-Länge vorliegt und jene der diesbezüglichen der Stromversorgungaquelle duroh Ä_R» Oc_g und .^_ ... beispielsweise Cfc_R eine Erregerleistung der drei miteinander verbundenen Thyristoren hat, UC der Stromquelle in Phase zu bringen, um den Eingangsstrom für den Motor, d.h. die Thyristoren I₁, T₂, T^ in Pig· 1» Auoh setzt sich ihre Folge in der Folge von #_Rt <X_Q% #_T, <X_R, &_s und Oc _T ... fort·

Wie in Fig» 5 iargeetellt, zeigt (*^ Impulse entsprechend

120° länge im elektrischen Winkelmasβ der Umfangsebene dta Läuferer an· Diese Impulse sind der Reihe nach als

*^c _tt» ί*_Ύ und γ dargestellt und ihre Folge setzt sich in der Ordnung von ^, ^, y„, f_u, y_x, ^ ..· fort.

Wie sich aus Fig· 5 von selbst ergibt, werden die logischen Produkte von Ci und *^ die Stromtoraignale zu den betreffenden Thyristoren T.. bis T«· Was die Thyristoren T₁₀ bis T-Q anbetrifft, ao werden durch Anwendung von (CC + 180°)-Signalen, die bedeuten, daas drei Signale um 180° in bezug .auf die drei OC-Signale anetatt von Oc-Signalen verzögert werden aollen, und dur«h Anwendung von ( γ + 180°)-Signalen, die die drei Signale um 180° zu den diesbezüglichen drei

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{»-Signalen anstelle von ^-Signalen verzögern sollen, können deren Stromtorsignale völlig in derselben Weise wie für die Thyristoren T₁ - T_g in Figo 5 erhalten werden©.

Die Arbeitsweise wird nun beschrieben, indem ein Beispiel des Stromtorsignals des Thyristors 1 herangezogen wifdo Da der Thyristor T₁ positive Polung aufweist (ein Thyristor, der den Stromflusa zum Motor ermöglicht) und mit der Phase R der Stromquelle und der TJ-Phase des Motors verbunden ist, entspricht das logische Produkt von #L_R und γ- seinem Strömtorsignalβ In ähnlicher Weise können, wie unter der vierten Reihe der Pig* 5 ersichtlich, die Stromtorsignale der betreffenden Thyristoren T₂» T*» T* bis Tq gegenüber den. betreffenden Phasenspannungen erhalten werden»

Demzufolge werden sowohl der Strom aus der Stromquelle als auoh der in die Ankerwicklungen des Motors fliessende Strom nur während der Zeitperiode des elektrischen Winkels von 120° gegenüber CeK betreffenden Dreiphasenstrom»

Es wird zunächst das Vektordiagramm von Strom und Spannung des Motors in Figo 6a und 6b dargelegt» Fig. 6a zeigt das Vektordiagramm für die Arbeitsweise als Motor und Fig· 6b zeigt jene für den Regenerationsbetrieb· Wie au» diesen Diagrammen ersichtlich, wird zwischen dem voreilenden Phasenwinkel <~* des Stromes gegenüber der Spannung zu den Zeiten der Arbeitsweise als Motor und dem voreijLenden Phasenwinkel -C^₂* zu den Zeiten der Regeneration die Beziehung

f ^ *¹⁸⁰°

festgestellt, weil die Beträge von Leistungsfaktor, Span-

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nung bzwo Strom annähernd gleich sind zwischen den Fällen der Arbeitsweise als Motor und bei Regeneration, wobei unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls durch Widerstand (- R I) eine vernachlässigbare G-rösse aufweist»

In der obigen Erklärung sind u.. und U₂ die betreffenden Kommutationsperioden von einer besonderen Phase zu einer anderen des Motorso

Darüberhinaus kann bei Vernachlässigung von u. und U₂, weil deren Werte klein im Vergleich zu ^₁ und ^₂ sind, die folgende Gleichung aufgestellt werden:

¹⁸⁰°

Während in Figo 6a V_m die Motorklemmspannung, B_m die innere induzierte Spannung, I der Motorstrom, R die Widerstandskomponente und X die Blindwiderstandskomponente sind» werden diese alle bei ^eder Phase reduzierte Wie zuvor erklärt, wirkt der Drehzahlsteuerungsbereich des erfindungsgemässen bürsten- und kommutatorlosen Dreiphasenmotors mit veränderbarer Drehzahl sich so aus, dass während die Drehzahlsteuerung in dem ersten und zweiten Quadranten für den Fall, dass das Drehzahlvorgabesignal einen positiven Wert hat, durchgeführt werden kann, kann diese auoh in gleicher Weise in dem dritten und vierten Quadranten erfolgen, d»h» für den Fall des reversierten Laufes, nämlich für den Fall, dass das Drehzahlvorgabesignal einen negativen Wert hat ο Auch für den Fall d.er Umschaltung von Vorwärtslauf auf Sückwärtalauf und umgekehrt kann dieser Lauf möglich gemacht werden genau wie derselbe wie zuvor erwähnt, obwohl dieser sich als etwas komplizierter erweist, wird schliesslich. der über den gesamtem Bereich der vier Quadranten, sich erstreckende Lauf

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durch, die Erfindung ermöglicht· Während in diesem Pail wie in Fig» 3 gezeigt - beim Umschalten von der vorwärts— laufenden Motorbetriebsweise zu der umgekehrt laufenden Regeneratorbetriebsweise die Tatsache, dass dieselbe Einstellung des Verteilers verwendet werden, nachfolgend erklärt wird unter Bezug auf die Figgo 7a, 7b und 8a, 8b© Da die magnetomotorisohe Kraftmitte der U-Phasenspule um 90° vor dem umlaufenden Magnetpol η in Pig» 7a in dem dargestellten Augenbliok voreilt, erreicht die induzierte Spannung der Phase U ihre Maximalamplitudeο Falls dieser Zustand vorliegt, entspricht dieser der Stellung des durch die Abszisse dargestellten Phasenwinkels XX»

Demgemäss entspricht - wie sich auch aus Fig» 8a leicht ~ ersichtlich - der Winkel u! — ο - η der Fig» 7a (60° + fa) _f vorausgesetzt, dass der voreilende Winkel des Phasenstromes gegenüber der induzierten Phasenspannung als &-* stellt ist (während die Länge eines jeden. Stromflusses des Phasenstromes auf 120° eingestellt ist)ο Das Stromtorsignal des Thyristors in der U-Phase ist in dem obengenannten Fall durch das logische Produkt des u'-Signals und des Y*-Signals (Umkehrsignal von v¹) nämlich Signal u_o Dann kann - wie in Fig· 7b dargestellt - der Fall des umgekehrten Laufes im Betrieb bei Regeneration um den elektrischen Winkel von (300° -^) für den Bereich vom Startanfang des u'-Signals bis zur WinkeIsteilung der XX-Phase, die dem Augenblickswert der Maximalspannung entspricht, angezeigt werden· Da diese Bedingung, wie in Fig· 8b gezeigt, dargestellt werden kann, kann die Phasenverschiebung zwischen Phasenstrommitte und Phasenspannungsmitte mit (180° -^). angegeben werden» Wie in Figg» 6a und 6b erläutert, kann, da es eine wünschenswerte Kombination. ist₉ den. Yerteilervorgabewinkel (18Ö° - v<) für die Bedingung der Regenerierfunktion in Angleiohung an γ-_Λ für die Bedingung des

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Motorantriebs zu machen, bei diesem Verfahren ein Signal sowohl für den Motor- als auoh den Regenerationsbetrieb aus einer Einstellung de« Verteilers gewählt werden· Wie schon erwähnt, wurde die Notwendigkeit des Aufschaltens des optischen Wertes des 4' -Winkels gegenüber dem betreffenden Laufbereich der vier Quadranten des Drehmoment-Drehzahl-Diagramms erklärt· Während, falls der Y/ert von tf so gewählt wird, dass er ein Optimum beim Lauf erreicht, nimmt das pulsierende Verhalten des in Übereinstimmung mit dem Positionswechsel des Läufers erzeugten Drehmomentes zu, wobei es der Fall sein kann, dass die Talstellung des pulsierenden Drehmomentes beim Anlauf eintritt und daher zur Unfähigkeit des Anlaufs führt·

Die Erfindung sieht eine Folge von Signalen zusätzlich zu der Einstellung γ« 0° für Anlaufzweoke vor, um das Unvermögen des Anlaufs zu verhindern und enthält das Anlaufsystem, um das pulsierende Verhalten des Drehmomentes beim Anlauf auszugleichen»

Haoh Vollendung des Anlaufens tritt in Übereinstimmung mit dem zuvorbeschriebenen Verfahren beim Umschalten von 3~* 0° auf den sioh für den laufenden Quadranten des entspreohenden Zeitpunkt ergebenden Wert von -^ ein normaler Lauf ein· ^

Da ausserdem die Einrichtung nach der Erfindung die StrombegrenSungsvorriohtung vorsieht, die die anormale Zunahme dea laststromes unterdrückt und zusätzlich die Stromsteuerschleife vorsieht, um mit Erfolg der rapiden Änderung des Lastdrehmomentes und der Änderung der Spannung der Stromquelle zu begegnen, bietet die Erfindung das Steuerungssystem, das die fortschrittliche Bedingung zum Durchführen des Vier-Quadranten-Laufs im Drehmoment-Drehzahl-Diagramm

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erfüllt· Mit der genannten Schleife wird nioht nur die Spannungsänderung der Stromquelle sowie die Unterbrechung der Stromversorgung schnell und erfolgreich begegnet wer-, den, sondern auch die Verbesserung der Drehzahleinstellgenauigkeit kann als bemerkenswert als ein weiterer Vor- * teil angesehen werden· *

Mit der Hinzufügung der genannten Schleife rechtfertigt ein Beispiel aus zahlreichen Erfahrungen die Verbesserung der Drehzahleinstellgenauigkeit eines 16 kW bürstenlosen Motors von + 1,5 # auf 0,3 $> bei einer Höchstdrehzahl von 1100 Umdrehungen pro Minute· Diese Verbesserung ergibt sich aus ™ . der Gewinnverbesserung der gesamten Schleife der Schaltung nach Pig· 1 von 100 auf 600· .

Da der LaUf des Motors verbessert werden kann, indem der Gewinn vermindert wird, wenn die Drehzahleinstellgenauigkeit nicht ein wesentliches Erfordernis ist-, kann in die-, sem Fall eine weitaus bessere Stabilität erreicht werden* Da auch eich die obigen Erläuterungen hauptsächlich auf die Steuerung dee Cyclo ·-Konverterteils dieser Erfindung beziehen» wird die Leistungsfähigkeit de» bürsten- und kommutatorlosen Motors, der eines der Elemente dieser Erfindung bildet, nachstehend erklärt·

Pig· 10 stellt eine Schnittansioht eines Ausführungebeiepiels des erfindungagemäsaen Motors dar, von dem nur eine Hälfte erläutert wird» In. dem Motor der Pig· 10 sind Ankerwicklungen 3, N-PoIe 4a und S-PoIe 4b eines umlaufenden Peldpols vorgesehen, während zur Erzeugung dee Magnetflue see an der Lauferseite Feldwicklungen Ta und '7b angeordnet sind· In dieser Figur sind die wicklungen in zwei Teile aufgetrennt und an einer Leistungezuführungsseite einer in Ruhe befindlichen Seite gelegen· Der Motor

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Weist' einen Aussenrahmen 2.0 und einen Anker kern 21 auf, der mit Schlitzen -versehen ist, in denen Ankerwicklungen 3 sitzen, sowie Klammern 22a, 22b und in diese Klammern eingepasste Stahlkerne zur Befestigung von Feldwicklungen· Bei dieser Motorausführung ist noch eine aus nichtmagnetischem Stahl bestehende Welle 24 und ein Kühlfächer 25 angeordnet· Während der magnetische Pfad durch die mit Pfeilen markierte dicke Idnie dargestellt ist, tritt der magnetische Fluss zweimal durch den Hauptspalt gnu Als Süd- und Nord— pole der: Magnetpole des' Müfers sind," da als Beispiel eine Vierpolmaschine dient* je zwei sich abwechselnd kreuzende Stücke von. Nord- und Südpolen an dem Umfang angeordnet ο

Figo 11 zeigt ein anderes Beispiel eines bürsten- und kommutatorlos en Motors nach der Erfindung· In diesem Beispiel ist der Kern in, mehr als zwei Stücke aufgetrennt» Die umlaufenden Magnetpole sind so angeordnet, dass N- und S-PoIe der Reihe nach abwechselnd in axialer Richtung und die unterhalb dent Ankerkern liegende Feldwicklung in ähnlicher Weise an dem feststehenden Teil angeordnet ist» Obwohl diese Ausführungsform einen etwas kleineren Ausnut zungs faktor für den Arikerkern int Vergleich zu dem Beispiel der. Figo 10 hat^i und zwar wegen der Merkmale, dass der magnetische Pfad nicht die grosse Distanz der Klammer

und des Ausaenrahmens bestreicht und dass der Ankerkern auoh nicht den Kernteil erfordert, der Schlitz- und Zahnteile aussohliesst, kann der Äussendurehmesser des Ankerkerns verkleinert werden, wobei sich ein Vorteil in msmhen Fällen dadurch ergibt, dass eine Verringerung des Gesamtgewichtes ermöglicht- wird· Diese Bauart kann darin angewendet werden, wenn Raumgründe zu berücksichtigen'sind· Wie in Fig» 10 und" 11 gezeigt ist, ermöglicht es' bei einem tjürsteri-

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und kommutatorloseii Motor ohne jeglichen Schleifring die Anordnung der Feldwicklungen auf der.Ständerseite mehr Raum für das notwendige Verhältnis von Feldampirewindung zu Ankeramplrewindung zu gewinnen, so dass die erwähnte Verbesserung der Überlastungsgrenze bei der Kommutierung sich ergeben kann» .

Nunmehr werden die Merkmale beschrieben, die sich auf die Fig» 12 beziehen: Hierin zeigen die Formelzeichen mit Striehindex den Fall eines kleinen Feldstromes an, während die Formelzeichen ohne Strichindex den Fall eines grossen Feldstromes anzeigen· Demgemäss folgt für einen noch zu erklärenden Motor, der eine beträchtlich grosse Sättigung aufweist, dass sich fast keine Änderung des von der Grösse des Feldstromes abhängigen magnetischen Flusses ergibt» ImR ist der. durch den Widerstand -der Ankerwicklung bedingte Spannungsabfall, ImX der durch den Blindwiderstand der Ankerwicklung bedingte Spannungsabfall, Tm und Tm* sind ilemm3pannungen des Motors, (X undcX¹ sind interne Phasen-* winkel, ^o und -chs* sind Phasenwinkel zwischen Klemmspan— nung und Strom des Motors bezogen auf jede Phase, f-und <*■■ sind voreilende Winkel des vom Tert eil er vor eingestellt en Stromes, AiDa und ATa sind Ankerreaktionsampe'rewindungen, ATm und AT'm sind Feldamperewindungen und A3? und sind resultierende Ampe*rewindungen<>

Wie aus Fig» 12 erhellt, zeigt der Fall grosser, Fe windungen gegenüber dem Fall kleiner Feldamperewindungen an, dass die Phasenverschiebung <^o zwischen JClemmspannung und

Strom gross wird im Tergleioh zut^o'» pi.esea-Merkmal· bedeutet, dass ein grosser Kommutierwinkel für die Zeit der !Commutation verwendet werden kann und daher die Überlastungsgrenze erhöht·

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Obgleich sioh das Zuvorgesagte auf die Güte bezieht, die In der Kennlinie eines bürsten- und kommutatorlosen Motors ohne jeglichen Schleifring enthalten ist, die vorteilhafter als die Kennlinie eines herkömmlichen kommutatorlosen Motors mit Schleifringen aus dem Grund ist, weil Schleifring und Kommutator in dem läuferteil nicht vorgesehen sind und ein solcher Motor selbstverständlich leioht herstellbar ist und hohe Drehzahl und kleine Abmessungen bietet·

Neben diesen Torteilen werden auch Teile, wie Bürsten, bei dem erfindungsgemässen Motor nioht benötigt· Eine bedeutsame Leichtigkeit bei der Instandhaltung bildet einen weiteren Vorteil·

Wie dargelegt, ergibt die Erfindung wesentliche Verbesse-' rungen.

Der hier vorgeschlagene drehzahlveränderliche, bürsten- und kommutatorIose Motor ist die Einrichtung, die äusaerst vorteilhaft aus Gründen der Wartung ist, die eine völlig freie Tler-Quadranten-Steuerung der Drehzahl-Drehmoment durch eineGrolo-Konverter-Ausrüstung einschliesslich dessen Steuerungaverfahren und der eigenartigen Motorbauweise ermöglicht und darUberhinaus dessen Anwendung in ungünstiger Atmosphäre fast ohne Rückaioht auf in diese einbezogenen sonstigen Bedingungen· .

Seine lüteliohkeit für die praktische Anwendung ist deshalb wie beschrieben sehr gross·

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Claims (1)

1. P a t θ η t a η a ρ r u o h ι

   Drehzahlveränderlicher, bürsten-, schleifring- und kommutatorloser elektrischer Dreiphasenmotor des Synehronmasohinentyps, der von einer Dreiphasenstromquelle eingespeist wird, gekennzeichnet duroh die Kombination eines Verteilers (5), zumindest eines Umschaltsteuerungskreisesj der angeordnet ist, um die Wahl des Verteilervorgabewinkels zu ermöglichen, der für den Betrieb des Motors bzw· für eine der Betriebsbedingungen, nämlich sowohl für das An—

   b laufen oder das normale Laufen, entweder für den Vorwärtsoder RUckwärtslauf und entweder zur Beschleunigung oder Bremsung geeignet ist, eines logischen Steuerschaltkrelsea, um 18 Folgen von logischen Produkten von Drehimpulssignalen für den Dreiphasenmotor zu erhalten, von denen jedes Signal eine Dauer entsprechend einem die Drehung des Motors darstellenden Phasenwinkel von 120° hat und Dreiphasen-Einapeisungssignale eine Dauer von 120° aufweisen, und eines umkehrbaren, mit leistungsthyristoren (T₁ ·< >» T.«g) versehenes Gyclo-Konverter-Gerätes (2), das zwischen der Dreiphasenstromquelle (1) und dem Dreiphasenmotor sich befindet, wobei das Gerät (2) als ein Steuerventil arbeitet und den Stromfluss nur für den Bereich des elektrischen Winkels von 120° der betreffenden Phasen der Stromversorgungsquelle und den Stromfluss nur für den Bereich des elektrischen Winkels von 12Q^e der betreffenden Phasenwicklungen entsprechend der Läuferstellung des Motors ermöglicht und dafee mit der zusätzlichen Funktion vorgesehen ist, die an den Motor angelegte Spannung durch Ändern der Phasen der steuernden Ströme der Stromversorgungequelle mit der elektrischen Länge von 120° zu steuern und die Kontrolle des Stromwertes in Übereinstimmung mit dem geforderten wert des Nebenstroma der Schleife des Rückkopplungsschaltkreises zuzulassen·

   Dr*Bä/Hf - 20 883

   90 988 670954