DE2234548B2 - Schaltungsanordnung zum Erregen eines asynchron anlaufenden, schleifringlosen Synchronmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erregen eines asynchron anlaufenden, schleifringlosen Synchronmotors, bei welcher die rotierende Wicklung des auf der Welle des Synchronmotors angebrachten Ankers einer Wechselstrom-Erregermaschine über eine mitlaufende Gleichrichterbrücke an die rotierende, mindestens einen Parallelwiderstand aufweisende Feldwicklung des Synchronmotors angeschlossen ist, bei welcher im Gleichstromkreis wenigstens ein Thyristor liegt, der mit seiner Anoden-Kathodenstrecke in gleicher Durchlaßrichtung gepolt ist wie die Gleichrichter der Brücke zur zeitweiligen Trennung der Gleichrichterbrücke von der Feldwicklung in asynchronem Zustand.

Eine Schaltungsanordnung dieser Gattung ist beispielsweise aus der »Siemens-Zeitschrift« 42 (1968), Seite 931, Bild 1, bekannt die bekannte Schaltungsanordnung enthält drei Leistungsthyristoren neben einer ungesteuerten Drehstrombrückenschaltung, wobei ein Hauptthyristor zwischen der Brückenschaltung und der Feldwicklung liegt und für den vollen Nennerregerstrom bemessen sein muß, während zwei weitere, antiparallele Hilfsthyristoren in Reihe mit einem Widerstand parallel zur Feldwicklung geschaltet sind.

Bei einer anderen vergleichbaren Schaltungsanordnung (CH-PS 4 64 340, Fig. 1) findet eine halbgesteuerte Drehstrom-Brückenschaltung Verwendung.

Zur Steuerung der Thyristoren der einen Brückenhälfte ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche von der Ankerwicklung der Erregermaschine gespeist wird und aus einer zweiten, nur ungesteuerte Dioden aufweisenden Gleichrichter-Brückenschaltung besteht. Die Speisung der Steuereinrichtung von der Ankerwicklung erfolgt über einen Isoliertransformator. Hier bleibt der zur Feldwicklung parallele Anlaufwiderstand auch im normalen Synchronbetrieb immer angeschlossen und verursacht somit erhöhte Erregungsverluste. Beim Asynchronanlauf bleiben die Tyhristoren gesperrt, so daß der ganze Anlaufstrom im Feldkreis in beiden Richtungen über diesen Widerstand fließt.

Bei einer anderen bekannten Anordnung (US-PS 30 98 959) ist die Gleichrichter-Brückenschaltung mit ungesteuerten Dioden ausgeführt. Im normalen Synchronbetrieb fließt der von der Diodenbrücke her kommende Strom über einen dann gezündeten Hauptthyristor. Zwei gleichsinnig hintereinandergeschaltete, im Normalbetrieb nicht gezündete Hilfsthyristoren liegen antiparallel zur Diodenbrücke. Beim asynchronen Anlauf werden diese Hilfsthyristoren jedoch leitend, so daß der Polradstrom in der einen Richtung über die Diodenbrücke und in der entgegengesetzten Richtung über die Hilfsthyristoren fließen kann. Der Hauptthyristor kann hingegen beim Asynchronanlauf ohne Erregung nicht zünden, und dadurch wird ein dazu paralleler Anlaufwiderstand während des Anlaufs im Feldkreis wirksam. Alle drei Thyristoren sind dabei Leistungsthyristoren.

Die vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnungen weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Neben dem vergleichsweise komplizierten Aufbau des (mitrotierenden) Steuergerätes nach der Siemens-Zeitschrift sind bei dieser ebenso wie bei derjenigen nach der US-PS 30 98 959 jeweils drei Leistungsthyristoren, die entsprechend bemessene Einbauplätze auf dem Rotor bedingen, erforderlich. Schließlich ist bei beiden ein von der Rotorlage bzw. von der Rotorpolarität abhängiges Einschalten der Erregung notwendig, d. h. es muß eine spezielle Überwachung des Polradstromes vorgesehen sein. Bei der Anordnung nach der US-PS 30 98 959 fließt überdies beim Hauptthyristor im Nennbetrieb ein relativ großer Gitter-Dauerstrom. Die Schaltungsanordnung nach der CH-PS 4 46 340 erlaubt zwar größere Leistungen als die beiden anderen und ermöglicht ein

von der Rotorlage unabhängiges Einschalten der Erregung, bedarf aber andererseits einer aus einer Dioden-Gleichrichterbrücke bestehenden Steuereinrichtung und eines ziemlich aufwendigen Isoliertransformators.

Der Erfindung liegt die Ausgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Erregen eines asynchron anlaufenden, schleifringlosen Synchronmotors der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die sicn durch kleinen Steueraufwand, d.h. möglichst wenig elektrisehe und elektronische Bauelemente auf dem rotierenden Teil der Maschine, geringen Platzbedarf und hohe Betriebssicherheit auszeichnet

Diese Aufgabe wird bei einer elektronischen Schaltung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der mindestens einmal vorgesehene Thyristor auf der negativen Seite der Gleichrichterbrükke liegt und mit seiner Anode mit der einen Klemme des Parallelwiderstandes verbunden ist, dal die andere, mit der positiven Seite der Gleichrichterbrücke verbundene Klemme des Parallelwiderstandes über die Serienschaltung zweier Widerstände auf die Steuerelektrode des mindestens einmal vorgesehenen Thyristors geschaltet ist, und daß der Zusammenschaltungspunkt der beiden in Serie geschalteten Widerstände eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode mit der Anode des mindestens einmal vorgesehenen Thyristors verbunden ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Ausfuhrungsbeispiel einer Schaltung zur Erregung asynchron anlaufender, schleifringloser Synchronmotoren mit ungesteuerter Diodenbrücke,

Fig.2 ein Ausführungsbeispiel einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes mit selbstschaltender Thyristor-Dioden-Brückenschaltung.

Bei der Schaltung gemäß F i g. 1 ist die als normale Diodenbrücke ausgeführte Gleichrichterbrücke 1 mit einem Thyristor 2 in Serie geschaltet. 3 ist der an sich bekannte, zur Feldwicklung 4 parallele Widerstand, der zum Anlauf dient, 5 die dreiphasige Ankerwicklung der Erregermaschine. Vom positiven Pol ] der Gleichrichterbrücke 1 besteht eine Verbindung über die Serienwiderstände 6 und 7 sowie die in Durchlaßrichtung gepolte Diode 9 zur Steuerelektrode (dem Gitter) des Thyristors 2.

Im normalen Synchronbetrieb, bei dem das Potential des Brückenpols / höher ist als das von K, fließt ein Gitterstrom über die Widerstände 6 und 7, so daß der Thyristor 2 zündet und leitend wird. 6 und 7 sind gegenüber dem Anlaufwiderstand 3 sehr groß. Nach demselben Prinzip, d.h. über einen Zündwiderstand, wird auch der Hauptthyristor bei der einleitend besprochenen, bekannten Schaltung gezündet. Nach dem Zünden bleibt aber dort der Gitterstiom bestehen und verursacht Verluste, die mit steigender Erregerspannung schnell den zulässigen Wert erreichen. Denkt man sich in F i g. 1 die Diode 8 weg und vergrößert man die Widerstände 6 + 7, so daß der Gitterstrom bei Nennerregung kleiner wird, so besteht die Gefahr, daß der Thyristor bei kleinen Erregerspannungen überhaupt nicht mehr zündet Erfindungsgemäß ist nun der Zusammenschaltungspunkt der Zündwiderstände 6 und 7 über die in Durchlaßrichtung gepolte Diode 8 mit der Anode des Thyristors 2 verbunden. Bei nichtleitendem Thyristor ist der Widerstand 7 dann voll wirksam, es Sobald der Thyristor zündet und leitend wird, schließt die Diode 8 diesen Widerstand 7 jedoch praktisch kurz. Dadurch reduziert sich der Gitterstrom auf ein Minimum, entsprechend dem ungefähr konstanten Spannungsabfall an dieser Diode. Dieser sehr kleine Dauergitterstrom ändert sich deshalb nicht stark, wenn man die Erregerspannung erhöht

Beim Asynchronanlauf fließt der Feldstrom während der negativen Halbwelle (Potential von /größer als von A) über den Anlaufwiderstand 3, weil die Diodenbrücke sperrt. Während der positiven Halbzelle (Potential von A größer als von /J bleibt der Thyristor 2 gesperrt da er überhaupt keinen Gitterstrom bekommt Somit fließt der in der Feldwicklung 4 induzierte Strom immer über den Widerstand 3. Sobald der Motor erregt wird (d. h. Potential von / größer als von K), wird der Thyristor leitend, und der Motor synchronisiert sich. Die Erregung baut sich automatisch nur während der positiven Halbwelle auf, auch wenn sie während der negativen Halbwelle eingeschaltet wird. Die Einschaltung der Erregung kann deshalb zu einem beliebigen Zeitpunkt und bei beliebigem Schlupf erfolgen, man benötigt kein Relais, um die positive Halbwelle zu erfassen, wie dies bei einleitend besprochenen Lösungen der Fall ist. Die vorgeschlagene Schaltung gemäß F i g. 1 weist demnach in ihrem Verhalten gegenüber konventionellen Synchronmotoren keinen Unterschied auf, benötigt aber demgegenüber keine Schleifringe bzw. Bürsten.

Die \nordnung gemäß F i g. 1 hat überdies den Vorteil eines relativ einfachen Aufbaus mit nur einem Leistungsthyristor (während bei bekannten Schaltungen für ein und dieselbe Motorleistung zusätzlich zwei Thyristoren benötigt werden).

Die zweite Diode 9 im Gitterkreis ist für das richtige Funktionieren der Schaltung nicht von primärer Bedeutung. Sie ist jedoch in der Praxis empfehlenswert, um die manchmal bei großen Schlupfwerten auftretenden, unerwünschten negativen Gitterströme (Anode-Gitter) bei leitendem Thyristor zu vermeiden.

Ein gewisser Nachteil der in F i g. 1 gezeigten Schaltung liegt darin, daß die Anwendbarkeit von der Leistung des Thyristor abhängt. Man kann sich aber auch an größere Motorleistungen anpassen, wenn man gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung mehrere — z. B. drei — Thyristoren mit ihren Anoden-Kathoden-Strecken parallel schaltet und gemeinsam steuert. Die erste Diode 8 ist dabei nur einmal vorgesehen und liegt zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände 6, 7 und den zusammengeschalteten Anoden der Parallel-Thyristoren. Bei Verwendung von Dioden 9 zwischen Zündwiderstand 7 und Gitter ist für jeden der Parallel-Thyristoren eine separate Diode 9 vorzusehen.

In Weiterbildung der Erfindung kann man ferner die Thyristoren 2 gewissermaßen in die Gleichrichterbrükke 1 »integrieren«, d. h. einen Teil der ungesteuerten Dioden — insbesondere die Dioden der negativen Brückenhälfte — durch die Thyristoren ersetzen. Die so entstandene Schaltungsanordnung mit »selbstschaltender Thyristor-Diodenbrücke« ist in Fig.2 dargestellt. Wiederum wird hier nur eine einzige, für alle drei Thyristoren gemeinsame Diode 8 zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände und dem negativen Brückenpol benötigt, der dem Zusammenschaltungspunkt der drei Thyristor-Anoden entspricht. Die andere Klemme des zweiten Zündwiderstandes ist hier vorzugsweise über separate kleine Dioden vcn der Art der Diode 9 in Fig. 1 mit der Steuerelektrode jedes Thyristors 2 verbunden. Damit können die Thyristoren während der Sperrperiode ungestört ihre volle Sperrspannung aufweisen. Bei sehr niedrigen Wechselspan-

nungen der Erregermaschine ist es jedoch auch hier möglich, auf diese Dioden zu verzichten.

Zur Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 2 wird bemerkt: sobald die Synchronmaschine erregt wird, zündet als erster derjenige Thyristor 2, dessen Kathode das niedrigste negative Potential hat, weil das Gitterpotential bei allen Thyristoren bereits positiv ist. Nach dem Zünden des ersten Thyristors wird der gemeinsame Gitterkreis durch die Diode 8 auf ein Potential gebracht, welches infolge des praktisch konstanten Spannungsabfalls der Diode 8 ca. 1 Volt höher liegt als das gemeinsame Anodenpotential. Abgesehen von dieser 1 V-Differenz haben die Gitter und die Anoden also dasselbe Potential. Wird das Kathodenpotential Vk eines noch nicht leitenden Thyristors 2 kleiner als das gemeinsame Anodenpotential Va, so wird dieser Thyristor automatisch zünden. Im normalen Synchronbetrieb mit Erregung sind die Thyristoren in dieser Schaltung selbstzündend, d. h. sie verhalten sich wie Dioden. Die Brücke unterscheidet sich somit nicht von der normalen Diodenbrücke.

Beim Asynchronanlauf wird der im Polrad induzierte Feldstrom während der negativen Halbwelle von den Thyristoren gesperrt, er fließt über den Widerstand 3. Während der positiven Halbwelle können die Thyristoren bis zum Einleiten der Synchronisation, d. h. der Erregung, ebenfalls nicht zünden, da die Diode 8 während dieser Halbwelle gesperrt ist, also einen auch gegenüber den Zündwiderständen 6, 7 sehr hohen Widerstand aufweist. Das Gitterpotential entspricht also im wesentlichen dem in diesem Zeitpunkt negativen Potential der mit den Kathoden der angesteuerten Dioden 10 der Gleichrichterbrücke 1 verbundenen Klemme der Feldwicklung 4. Somit fließt kein

ίο Gitterstrom, die Brücke bleibt gesperrt.

Bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schaltungen bringt die mögliche Streuung der Thyristor-Zündcharakteristiken keine Schwierigkeiten. Die Bemessung der Zündwiderstände 6,7 ist unproblematisch, da sie nur Schutzfunktionen haben. Sie brauchen nicht für jede Maschine angepaßt werden.

Bei den in den Figuren dargestellten Schaltungen bekommen die Thyristoren in der Sperrphase naturgemäß überhaupt keinen Gitterstrom. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber von außen her gesteuerten Thyristorschaltungen, bei denen, wenn die Signale infolge eines Fehlers während der Sperrperiode kommen, äußerst unangenehme und störende Gitterströme bzw. Signale auftreten können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Erregen eines asynchron anlaufenden, schleifringlosen Synchronmotors, bei welcher die rotierende Wicklung des auf der Welle des Synchronmotors angebrachten Ankers einer Wechselstrom-Erregermaschine über eine mitlaufende Gleichrichterbrücke an die rotierende, mit mindestens einem Parallelwiderstand versehene Feldwicklung des Synchronmotors angeschlossen ist, und bei welcher im Gleichstromkreis wenigstens ein Thyristor liegt, der mit seiner Anoden-Kathoden-Strecke in gleicher Durchlaßrichtung gepolt ist wie die Gleichrichter der Brücke, zur zeitweiligen Trennung der Gleichrichterbrücke von der Feldwicklung im asynchronen Zustand, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens einmal vorgesehene Thyristor (2) auf der negativen Seite der Gleichrichterbrücke (1) liegt und mit seiner Anode mit der einen Klemme des Parallelwiderstandes (3) verbunden ist, daß die andere, mit der positiven Seite der Gleichrichterbrücke (1) verbundene Klemme des Parallelwiderstandes (3) über die Serienschaltung zweier Widerstände (6, 7) auf die Steuerelektrode des mindestens einmal vorgesehenen Thyristors (2) geschaltet ist, und daß der Zusammenschaltungspunkt der beiden Serienwiderstände (6, 7) über eine in Durchlaßrichtung gepolte erste Diode (8) mit der Anode des mindestens einmal vorgesehenen Thyristors (2) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterbrücke (1) aus ungesteuerten Dioden aufgebaut ist und daß die Kathode des mindestens einmal vorgesehenen Thyristors (2) mit den zusammengeschalteten Anoden der Dioden in der negativen Hälfte der Gleichrichterbrücke (1) verbunden ist (F i g. 1).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Thyristoren (2) mit ihren Anoden-Kathoden-Strecken parallel verbunden sind, daß die positive Seite der Gleichrichterbrücke (1) über die Serienschaltung der beiden Widerstände (6, 7) mit den Steuerelektroden sämtlicher Thyristoren (2) und der Verbindungspunkt dieser Widerstände (6,7) über die erste Diode (8) mit den zusammengeschalteten Anoden der Thyristoren (2) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß so viele Thyristoren (2) vorgesehen sind, wie die Glrichrichterbrücke (1) Zweige aufweist und diese Thyristoren die Gleichrichterbrücke der negativen Brückenhälften bilden (F ig. 2).

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche t bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Serienwiderstand (7) mit der Steuerelektrode jedes Thyristors (2) über eine in Durchlaßrichtung gepolte zweite Diode verbunden ist (F i g. 2).