DE2203443A1

DE2203443A1 - Steuerschaltung fuer ein aus einer Wechselstromquelle gespeistes Gleichstromsystem mit einer induktiven Verbraucherlast

Info

Publication number: DE2203443A1
Application number: DE19722203443
Authority: DE
Inventors: Ehret Robert James
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1971-01-27
Filing date: 1972-01-25
Publication date: 1972-08-10
Also published as: CA935514A; GB1327347A; SE374236B; FR2123275A1; FR2123275B1; JPS4715619A; US3697820A; ZA72283B; CH556618A

Description

2i.JAN.i972

Patentanwälte j 3 472 Dr H/r

Dipl. Ing. C. Wallach
Dipl. Ing. G. Koch
Dr. T. Haifaach

8 München 2 2203443

Kaußngerstr. 8, Tel. 240275 Beckman Instruments, Ine·» Fullerton, Calif·

V. St. A.

Steuerschaltung für ein aus einer Wechselstromquelle gespeistes Gleichstromsystem mit einer induktiven Verbraucherlast

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für Gleichstromsysteme mit einer induktiven Verbraucharlast, wie beispielsweise ein Gleichstrommotor-Antriebssystem, und bezweckt die Unterdrückung von elektrischen Strom- und Stoßvorgängen als Folge der Umsteuerung von in der Steuerschaltung vorgesehenen Schalterelementen« wie beispielsweise Thyristoren·

Jn den heute gebräuchlichen Antriebeschaltungen für einen Gleichstrommotor werden gewöhnlich zwei Thyristoren (steuerbare Siliziumgleichrichter, SCR) In Verbindung mit einer Vollweg-Brückengleichrichtschaltung verwendet, wobei die Thyristoren jeweils in abwechselnden Halbperioden einer Eingangsspeisawechaelspannung durchgeschaltet werden, um einen £rregergleichstrom für den Motor zu Liefern· Die Triggerimpulse für die Thyristoren werden im allgemeinen von einer Unijunction-Ti'iggtfsrschaltung erzeugt, deren Triggerzeit von

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einem Signal vorgegeben und gesteuert wird, dae eine Funktion der gewünschten Motordrehzahl ist. Auf diese Weise läßt sich die Drehzahl dee Motors durch einfache Variierung des Zündwinkel· der Thyristoren genau steuern»

Eh hat sich erwiesen» daß die Umschaltung der in ei* ηβτ solchen Schaltungsumgebung verwendeten Thyristoren zu hohen Leitungs- Spannungs- und-Stromatößon führen kann· Derartige Stoßvorgänge haben eine übermäßige Verlustleistung zur Folge und können, was auch häufig tatsächlich eintritt, zum Zusammenbrechen der Spannung und zur Zerstörung verschiedener Schaltungsbauteil» führon.

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für ein aus einer Wechselstromquelle gespeistes Gleichstromsystem mit einer induktiven Verbraucherlast, bsi welcher eine mit der Spoisewechselspannung verbundene toigesteuerte Vollweg-Gleichrichtanordnung einen Erregergleichstrom erzeugt und über eine Verbindungsleitung dor induktiven Verbraucherlast zuführt, wobei mit der Glaiehr riehtanordnung eine Vorrichtung zur Steuerung der Öffnung uud Schließung der torgesteuerten Gleichrichtvorrichtungen verbunden ist, um den Betrag des der Induktiven Verbraucher)ast zugeführten Brregergleichstroms zu variieren.

Durch die Erfindung soll eine Schaltimg dieser Art geschaffen werden, bei welcher gewährleistet ist, daß größere Spannungs- und Stromstöße, wie ale beim Umschalten von Schalterelementen, wie beispielsweise Thyristoren in einer einem derartigen Gleichstromsystem mit Induktiver Verbraucherlast zugeordneten Vollweg-Gleichrichtschaltung auftre-

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ten können, weitgehend verringert werden.

Zu diesem Zweck ist bei einer Steuerschaltung der vorstehend genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß parallel zu der induktiven Verbraueherlast eine Schaltung zur Unterdrückung elektrischer Stoßvorgänge vorgesehen ist, um während der Umschaltung der torgesteuerten Gleichrichtvorrichtungen auftretende Spannungs- und Stromstöße zu verringern*

Nach zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Stoßunterdrückungsschaltung mehrere in Reihe geschaltete, gleichartig gepolte Richtleiter-Bauelemente sowie eine parallel zu wenigstens einem der Richtleiter-Bauelemente liegende induktive Impedanz aufweist ι daß die Stoßunterdrückungsschaltung ale Richtleiter-Bauel amen t@ Dioden aufweist; und daß die Stoßunterdrückungsschaltung als induktive Impedanz eine parallel zu einer der Dioden liegende Induktivität aufweist.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Stoßunterdrükkungsschaltung wird in einer derartigen Gleichstromschaltung mit induktiver Verbraucherlast eine wirksame Verringerung der beim Umschalten von Schalterelementen wie beispielsweise Thyristoren auftretenden Spannungs- und Stromstöße gewährleistet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt, teilweise als Blockschaltbild, ein Sehaltschema einer Steuerschaltung für einen Reihenechluß-Gleich-

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atromniotor mit einer erfindungsgeraäßen Schaltung zur Unterdrückung von Schaltstoßen.

Es sei betont, daß die Erfindung nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einem Gleichstrommotor-Steuersystem beschrieben wird; jedoch eignet sich die Erfindung' ebenso zur Anwendung in anderweitigen Gleichstromsystemen mit induktiver Verbraucherlast, und der nachfolgenden Beschreibung eines speziallen Atssführimgsbeispiels soll daher keinerlei Einschränkung der Anwendbarkeit der Erfindung auf Steuersysteme für Gleichstrommotoren zukommen.

In der Zeichnung ist mit 1 eine Wechselstrom-Netzapannungsquelle bezeichnet, die an Eingang.ski aminen 2 und 3 zur Speisung eines Roihenschluß-Grleichatrommo cors k anschließbar ist. Die Speisewechselspannung wird dem Gleichstrommotor k über einen Vollweg-Brückengleicfcrichter 5 vnd eine Verbindungsleitung 16 zugeführt. Dar Voilweg-Brückengleichrichter 5 weist zwei entgegengesetzt gepolte Dioden 6 bzw. 7 und zwei entgegengesetzt gepolte Thyristoren (steuerbare Siliziumgleichrichter, SCH) 8 bzw. 9 auf. Der Gleichrichter 5 dient in bekannter Weise zur Gleichrichtung der Eingangewechsel spannung aus dem Wechselstromnetz 1 zur Erzeugung eines Erregergleich*trons für den Gleichstromantriebsmotor k. Die Thyristoren 8 und 9 dienen als Torsteuervorrichtung zur Veränderung des Betrags des von dem Gleichrichter 5 gelieferten Erregergleichetroms. Der ZUndwinkel der Thyristoren 8 und 9 wird durch von einer Unijyinction-Triggerschaltung 10 gelieferte Impulse gesteuert, νel ehe den Torelektroden der Thyristoren 8 und 9 über einen Transformator 11 eingeprägt werden, der eine mit der Triggerschaltung 10 verbundene Primärwicklung 12 und zwei jeweils zwischen der Tor-

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elektrode und der Kathode der Thyristoren 8 bzw. 9 liegende Sekundärwicklungen 13 und 14 aufweist« Durch Vergrößerung bzw. Verringerung der Zündwinkel der Thyristoren 8 und 9 läßt sich der Betrag des dem Gleichstrommotor h zugeführten Erregerstroms genau variieren und so die Motordrehzahl steuern. Typische Unijunction-Triggerschaltungen sind in der Fachwelt bekannt.

Die in Reihe miteinander liegende Feldwicklung 15 und Ankerwicklung 17 des Gleichstrommotors h liegen mittels der Leitung λβ in Reihe mit dem Vollweg-Brückengleichrichter 5» Ebenfalls in Reihe mit der Feld- und der Ankerwicklung \5 bzw. 17 liegt eine Induktivität 18 zur Glättung der Welligkeit des Erregergleichetroms.

Erfindungsgeraäß liegt parallel zu d&n in Reihe miteinander geschalteten Feld- und Ankerwicklungen 15 bzw. 17 des Gleichstrommotors k eine als Ganzes mit 19 bezeichnete Schaltstoßunterdrückungsschaltung. Diese Schaltetoßunterdrückungsschaltung 19 weist zwei in Reihe miteinander liegende, gleichgepolte Rlchtleitcr-Bauelemente 20 bzw. 21 und eine parallel zu dem Ri chtlaitor-Bauel erneut 20 liegende induktive Impedanz 22 in Gestalt einer Induktivität auf* Im gezeigten Ausführungebeispiel sind als Richtleiter-Bauelemente 20, 21 Dioden vorgesehen; selbstverständlich können jedoch auch anderweitige Richtleiter-Bawelemente verwendet werden, fts sei betont, daß die Dioden 20 und 21 so gepolt sind, daß sie durch die Gegen-EMK leitendgeschaltet werden, die in der Ankerwicklung erzeugt wird, wenn weder der Thy* ristor 8 noch der Thyristor 9 in den Loitungszustand geschaltet sind.»

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Dee weiteren liegt parallel zu der Anker- und der Feldwicklung 17 bzw. 15 des Gleichstrommotors k eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 23 und einem Kondensator 2k zur Verringerung von Spannungsstoßen als Folge von verteilten

Netzleitungsinduktivitäten.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltung erläutert. Die Wechselspannung aus dem Nets 1 wird an die Eingangsklemmen des Vollweg-Brückengleichrichters 5 gelegt« Während der positiven Halbwelle der Wechselspannung fließt ein Gleichstrom durch die Diode 6, die Verbindungsleitung i6, die Feldwicklung 15 und die Ankerwicklung 17 des Gleichstrommotors 4, die Induktivität 18 und den Thyristor 9 zur Eingangskiemme 3. In der negativen Halbwelle der Speisewechselspannung fließt ein Gleichstrom von der Eingang «ski emme 3 über den Thyristor 8, die Leitung 16, die Feld- und Ankerwicklungen 15 bzw, 17 des Gleichstrommotors 4, die Induktivität 18 sowie die Diode 7 zur Eingangskiemme 2. Es sei betont, daß beide Thyristoren 8 und 9 gleichzeitig durch die von der Unijunction-Triggerschaltung 10 gelieferten Triggerimpulse in den leitenden Zustand getastet werden« Aufgrund ihrer entgegengsetzten Polung läßt jedoch der Thyristor 9 die positive Halbwelle und entsprechend der Thyristor 8 die negative Halbwelle der Eingangswechselspannung durch.

Wie oben erwähnt, wird der Betrag das dem Gleichstrommotor k zügeführten Erregergleichstroms durch die ünijunction-Trlggerschaltung 10 gesteuert. Das heißt, daß durch Veränderung der Öffnungs- und Schließzeiten der Thyristoren 8 und 9 der Betrag de« Stromflusses in den beiden HaIb-

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wellen der Speisewechselspannung genau bestimmt und damit die Drehzahl des Gleichstrommotors h gesteuert werden kann· Im praktischen Betrieb sind während eines kurzen Zeitintervalle beide Thyristoren 8 und 9 gesperrt, wodurch der Stromkreis zwischen den Eingangskieramen 2 und 3 unterbrochen ist« In diesem Zustand reicht der beim Zusammenbruch der der Anker- und der Feldwicklung 15 bzw. 17 zugeordneten Felder erzeugte Strom betragsmäßig aus, daß ex* - durch die Dioden 7 und 6 und über die Leitung 16 zurück zu den Feld- und Ankerwicklungen 15 und 1? fließend - eine sogenannte ⁿFrei~ laufstromwirkung" ausübt. Je größer der induktive Widerstand des Gleichstrommotors 4, um so länger ist die Zeit, während welcher dieser in der vorstehenden Weise erzeugte Strom fließt. Ohne die erfindungsgemäß vorgesehene Stoßunterdrückungsschaltung besteht daher« wenn einer der Thyristoren wieder leitend geschaltet wird, ein momentaner Kurzschluß zwischen den Wechsel ströme J xigangeklemmen 2 und 3, was die Erzeugung eines großen Stromstoßes zwischen den Klemmen zur Folge hat· Beispielsweise sei angenommen* daß etwa in der Hälfte der positiven Halbperiode der Eingangswechsel spannung der Thyristor 9 durchgeschaltet wird· Das bedeutet, daß während annähernd der Hälfte der positiven Halbwelle der Wechselspannung der Thyristor 9 nicht-leitend ist und Strom in der oben erwähnten Weise durch die Dioden 6 und 7 fließt. Wird nun plötzlich der Thyristor 8 durchgeschaltet, so besteht vorübergehend ein momentaner Kurzschluß zwischen den Wechselstrcmeingangsklemmen 2 und 3 über die Diode 6 und den Thyristor 8, -was zu einem großen Stromstoß fährt. Dies hat einen große?? Stoßstrom zwischen den Eingangs):.lemmen 2 und 3 zur Folge., bis die Diode 6 sich erholt und den Stromfluß zu sperren beginnt· Sobald die Diode 6 eich erholt, tritt gleichzeitig ein hoher Spanmmgs-

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stoß an der Eingangskiemme 2 als Folge der verteilten Leitungsinduktivität der Schaltung auf.

Die erfindungsgemäße Stoßunterdrückungsschaltung 19 dient zur Verringerung derartiger großer Stoßerscheinungen zwischen den .Wechselatromeingangaklennnen 2 und 3 beim Ein- und Ausschalten der Thyristoren 8 und 9· Sine Diode 21 ist so gepolt, daß sie durch die beim Zusammenbruch der der Anker- und Feldwicklung 15 bzw. 17 zugeordneten magnetischen Felder erzeugte Anker-EHK leitend wird. Das bedeutet, daß die Induktivität 22 und die Diode 21 einen wirksamen Nebenschluß für jeden während dos erwähnten "Freilauf "-Intervalls in dem Motor erzeugten Strom darstellen» derart« daß dieser Strom nicht durch die Dioden 6 und 7 fließen kann« Damit erhalten die Dioden 6 und 7 genügend Zeit, um sich während der Sperrzeiten der Thyristoren 8 und 9 zu erholen, so daß sie bei der Durchschaltung eines der Thyristoren während der folgenden Halbperiode eine wirksame Leitungeunterbrechung zwischen den Eingangsklemmen 2 und 3 bewirken können» Falls beispielsweise die Eingangski emme 2 im Augenblick der Durchschaltung der Thyristoren positiv ist, verläuft der Stromweg von der Klemme über die Diode 6, die Leitung 16, die Diode 21, die Induktivität 22 und den Thyristor 9 zurück zur Klemme 3» Die Induktivität 22 begrenzt die Anstiegsgeschwlndigkeit des bis zur Erholung der Gleichrichtdiode 21 fließenden Stromstoßes; nach der Erholung der Diode 21 hört der Stromfluß durch die Diode 21 auf, doch bildet nun die Diode 20 einen Strompfad für den Stromfluß in der Induktivität 22. Somit wird der Stromstoß durch die Induktivität 22 und der Spannungsstoß durch die Diode 20 begrenzt·

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Das vorstehend beschriebene spezielle Aueführungebeispiel ist, wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich» in mannigfacher Weise abwandelbar, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Beispielsweise kann in der Spannungsstoßunterdriickungsschaltung eine beliebige Anzahl von gleichgepolten Dioden verwendet werden_f und es können anderweitige torgasteuerte Vollweg-Brückengleichrichteranordnungen Anwendung finden· Des weiteren eignet sich die Erfindung zur Verwendung mit beliebigen induktiven Verbraucherlasten einschließlich sowohl Reihenschluß- wie auch Nebenschluß-Gleichstrommotoren.

Patentansprüche»

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Claims

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Patentansprüche

ί 1./Steuerschaltung für ein aus einer Wechselstromquelle gespeistes Gleichstromsystem mit einer induktiven Verbraucherlaet, bei welcher eine mit der Speis©wachselspannung verbundene torgesteuerte Vollweg-Gleichrichtanordnung einen Erregergleichst rom erzeugt und Ober eine Vorbindungsleitung der induktiven Verbraucherlast zuführt, wobei mit der Gleichrichtanordnung eine Vorrichtung zur Steuerung der öffnung und Schließung der torgeateuerten Gleichrichtvorrichtengen verbunden ist,, um den Betrag des der induktiven Verbraucherlast zugeführten Brregergleichstroms zu variieren, dadurch gekennzel ohne t , daß parallel zu der induktiven Verbraucherlast (4, 15» 17) eine Schaltung (20 - 22) zur Unterdrückung elektrischer Stoßvorgänge vorgesehen ist, um während der Umschaltung der torgesteuerten Gleichrichtvorrichtungen (8, 9) auftretende Spannungs- und Stromstöße zu verringern.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1_e dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßunterdrückungsschaltung mehrere in Reihe geschaltete, gleichartig gepolte Kichtleiter-Bauelemente (20, 2t) sowie eine parallel zu wenigstens einem der Richtleiter-B&uajLemente (20) liegende induktive Impedanz (22) aufweist.

3· Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die StoßunterdrUckungsschaitang als Richfcleiter-BautiLoment« Dioden (20, 21) aufweist.

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4. Steuerschaltung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßunterdrtickungeschaltung als induktive Impedanz eine parallel zu einer (20) der Dioden liegende Induktivität (22) aufweist.

5· Steuerschaltung nach einen oder mehreren der vorhergehenden Ansprttohe, dadurch-gekennzeichnet, daß parallel zu der induktiven Verbraucherlast (4* 15, 17) eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (23) und einen Kondensator (24) liegt.

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