DE2351164A1

DE2351164A1 - Regelanordnung fuer kommutatorlosen motor

Info

Publication number: DE2351164A1
Application number: DE19732351164
Authority: DE
Inventors: Yoshio Okumura; Kyozo Tachibana
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-10-13
Filing date: 1973-10-11
Publication date: 1974-04-25
Also published as: JPS4959212A; US3894277A; DE2351164B2; CH560487A5; JPS5414281B2; SE396863B

Description

81-21.526P 11. 10. 1973

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Regelanordnung für kommutatorlosen Motor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung für einen komm utatorlosen Motor.

Ein kommutatorloser Motor umfaßt einen Synchronmotor und einen Thyristor-Leistungsumformer (im folgenden als Thyristormotor bezeichnet).

Es wurde bereits eine Regelanordnung für einen korn mutator losen Motor beschrieben, bei der der Voreilwinkel ^ des Verteiler signals schrittweise verändert wird (beispielsweise in zwei Schritten). Dies

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bedeutet, bei einer derartigen Anordnung wird der Steuervoreilwinkel im Anfangszeitpunkt klein gehalten, um ein großes Anfangsdrehmoment des Synchronmotors zu erhalten, während der Voreilwinkel • groß gemacht wird, wenn die Motordrehzahl auf einen vorbestimmten Wert zunimmt, um einen Winkelabstand für die Kommutierungssteuerung zu erhalten. Jedoch hat diese Regelanordnung Nachteile. Wenn der Steuervoreilwinkel y plötzlich zunimmt, fällt das Motordrehmoment stark ab. Da die Gegen-EMK des Motors plötzlich abfällt, wird der Ankerstrom des Motors zeitweise klein. Daher tritt bei dieser Regelanordnung eine Instabilität im Betrieb des Motors auf.

Es wurde auch eine andere Regelanordnung für einen kommutatorlosen Motor entwickelt, bei der ein mechanischer und ein elektrischer Verteiler vorgesehen sind; die von den Verteilern abgeleiteten Verteilersignale werden wahlweise in Übereinstimmung mit der Motordrehzahl verwendet. Der Nachteil einer derartigen Regelanordnung liegt darin, daß das Motordrehmoment nicht voll erreicht werden kann, da die Auswahl der Verteiler signale oder deren Schaltbetrieb nicht stufenlos oder glatt durchführbar ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Motordrehmoment im Zeitraum zwischen der Anlaßstufe des Motors und einer Stufe mit hoher Drehzahl wirksam auszunutzen, um einen stabilen Motor betrieb zu erzielen.

Gemäß der Erfindung ist eine Anordnung zur Regelung des Voreilwinkels fi des Verteilersignals des Thyristor-Leistungsumformers in Übereinstimmung mit der Motordrehzahl vorgesehen.

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Eines der Merlanale der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin darin, daß der Voreilwinkel y des Verteilersignales entsprechend zur Motordrehzahl gesteuert ist. Das heißt, es wird der Voreilwinkel y des Verteiler signale s bei einer Stufe niedriger Drehzahl oder beim Starten des Motors klein gehalten, um ein großes Anfangsdrehmoment zu erzielen. Wenn die Motordrehzahl zunimmt, wird der Voreilwinkel Y des Verteilersignals groß, um nicht das vom Motor erzeugte Drehmoment zu verringern. Wenn die Motordrehzahl einen vorbestimmten hohen Pegel erreicht, wird der Voreilwinkel V* des Verteilersignales groß, damit nicht eine Kommutierung einer Lastkommutierung schwächer wird, während gleichzeitig der Steuervoreilwinkel so eingestellt wird, daß er in keiner Beziehung mit der Veränderung der Motordrehzahl steht, um das Motordrehmoment so groß wie möglich zu erzeugen.

Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß beim Starten des Motors oder bei einer Stufe niedriger Drehzahl das Verteilersignals vom mechanischen Verteiler und bei einer Stufe hoher Drehzahl das Verteiler signal vom elektrischen Signal verwendet wird, wobei die Schaltoperation der beiden Verteiler signale stufenlos erfolgt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild mit einem Thyristor motor vom Zyklo-Stromrichtertyp und dessen Regelanordnung >

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Fig. 2 ein Diagramm, bei dem die Motordrehzahl über dem Voreilwinkel des Verteilersignals aufgetragen ist, um das Prinzip der vorliegenden Erfindung zu erläutern, und

Fig. 3 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Regelanordnung für den kommutatorlosen Motor.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Regelanordnung , bei der ein Thyristormotor von Stromrichter- oder Umrichtertyp und dessen Regelschaltung dargestellt sind.

In der Fig. 1 sind vorgesehen eine Wechselstromquelle 1, eine Glättungsdrossel 2, ein Thyristorumformer 3 vom Umrichtertyp, ein Synchronmotor 4, ein direkt mit der Läuferwelle des Synchronmotors 4 gekuppelter mechanischer Verteiler 5, ein Drehzahlfühler 6, ein elektrischer Verteiler 7, dessen Verteilersignal von der induzierten Spannung des Synchronmotors 4 erhalten wird, ein Schalter 8 für beide Verteiler, ein Thyristor-Gattersteuerglied 9 und ein Phasenschieber 10 zur Steuerung der Ausgangsspannung des Thyristorumformers .

Der Strom von der Wechselstromquelle 1 wird in die Anschlüsse des Synchronmotors 4 über die Glättungsdrossel 2 und den Thyristorumformer 3 eingespeist. Das Thyristor-Gattersteuerglied 9, das-zur Einspeisung eines Gattersignals in den Thyristorumformer dient, steuert die Zündfolge der Thyristoren und die Energieeinspeisung in den Syn-

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chronmotor. Das Gattersignal wird von einem UND-Glied abgeleitet, in das das Verteilersignal vom mechanischen Verteiler 5 oder elektrischen Verteiler 7 und ein Synchronsignal vom Phasenschieber 10 zur Steuerung der Ausgangs spannung eingespeist werden.

Im folgenden wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung näher erläutert;

Die Beziehung zwischen dem Drehmoment X des Thyristormotors und dem Voreilwinkel y des Verteilersignales ist im Betrieb des Motors mathematisch gegeben durch:

cos

IrI

Dieser Ausdruck zeigt, daß das Motordrehmoment T kleiner wird, wenn der Voreilwinkel $ des Verteilersignales zunimmt. Der Voreilwinkel ^ des Verteilersignales ist der Voreilwinkel des Zündsignales für den Thyristor in Beziehung zur Gegen-EMK des Motors. Der Voreilwinkel des Verteilersignales soll so klein wie möglich gemacht werden, damit das Drehmoment des Motors wirksam oder leistungsfähig entwickelt werden kann. Jedoch liegt eine Einschiänkung in der leistungsfähigen Entwicklung des Motordrehmomentes, da dem Thyristor eine Kommutierung eigen ist. Wenn ein Thyristormotor vom Zyklo-Umrichtertyp verwendet wird, kann dessen Voreilwinkel klein gemacht werden, da die Kommutierung von der Änderung der Leistungsspannung für den Startbetrieb oder den Betrieb niedriger Drehzahl des Motors abhängt. Wenn der Voreilwinkel ff· konstant gehalten

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wird, ist die Zeit vor dem tatsächlichen Auftreten der Quellenkommutierung nach dem Auftreten des Verteilersignales (was eine Zeitdauer ist, die mit dem elektrischen Winkel der induzierten Spannung des Synchronmotors gemessen wird) verlängert, da die Motordrehzahl größer ist. Dies ist gleichwertig zu einem Fall, bei dem der Steuervoreilwinkel y zu einem großen negativen Wert führt. Demgemäß ist es erforderlich, den Voreilwinkel y des Verteilersignales entspiechend zum Anwachsen der Motordrehzahl zu vergrößern, damit eine Verringerung des Motordrehmoments verhindert werden kann. Wenn die Motordrehzahl hoch wird, tritt eine Lastkommutierung in der Regel ohne Ausfall ein. Demgemäß wird ein großer Voreilwinkel des Verteilers!— gnales eingestellt, um einen Ausfall oder Verlust der Kommutierung zu verhindern. Jedoch bewirkt eine Vergrößerung des Steuervoreilwinkels eine Verringerung des Motordrehmoments. Aus diesem Grund ist es besser, den Voreilwinkel auf einem konstanten Wert zu halten, um ein möglichst großes Drehmoment zu erhalten. Eine Stromquellenkommutierung bedeutet, daß die Kommutierung durch die Zwischenphasenspannung der Stromquelle durchgeführt wird. Eine Lastkommutierung bedeutet, daß die Kommutierung durch die Zwischenphasenspannung des Synchronmotors durchgeführt wird. In Fig. 2 ist ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm dargestellt, das die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Voreilwinkel des Verteilersignals für eine leistungsfähige Ausnutzung des Motordrehmoments zeigt und durch die oben beschriebenen Anforderungen an die Regelanordnung festgelegt ist. In dieser Figur sind vorgesehen eine Kurve A für die Begrenzung der Lastkommutierung, eine maximte Drehzahl B des Motors, wenn die Stromquellenkommutierung erlaubt ist, ein größtes un-

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teres Band C des Voreilwinkels V¹ , wenn das Drehmoment nicht auf die Stromquellenkommutierung verringert ist, und eine Kurve D, die eine günstigste Bedingung des Winkels tf zeigt, die erhalten wird, wenn der Winkel Ϋ die oben beschriebenen Forderungen und die Betriebsbedingungen des Verteilers erfüllt. Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß der Winkel Y entlang der Kurve D gesteuert ist.

Obwohl das Prinzip der vorliegenden Erfindung anhand eines Thyristormotors vom Zyklo-Umrichtertyp erläutert wurde, soll darauf hingewiesen werden, daß die Erfindung auch auf andere Typen von Thyristormotoren anwendbar ist. Dies bedeutet, es ändert sich nichts mit der Ausnahme, daß der von der Stromquellenkommutierung im Thyristormotor vom Zyklo-Umrichtertyp abhängende Betrieb bei anderen Typen des Thyristormotors durch den Betrieb von anderen ersatzweise verwendeten Kommutierungseinrichtungen ersetzt wird.

Im folgenden wird der Betrieb der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung näher erläutert.

Bei Starten des Motors wird ein Gattersignal abhängig vom Verteilersignal, das vom mechanischen Verteiler abgeleitet ist, und vom Synchronisiersignal, das vom Phasenschieber für die Spannungssteuerung abgeleitet ist, erzeugt. Das Gatter signal setzt den Thyristorumformer 3 in Betrieb. In diesem Zeitpunkt wird der Voreil winkel tf des Verteiler signals auf einem kleinen Winkel Y gehalten, um das maximale Anfangsdrehmoment zu erhalten. Der Grund dafür, warum der

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mechanische Verteiler im Startzeitpunkt oder beim Anlassen des Motors verwendet wird, liegt darin, daß der elektrische Verteiler unzureichend arbeitet, was auf einer kleinen induzierten EMK des Synchronmotors 4 in diesem Zeitpunkt beruht.

Da die Drehzahl des Synchronmotors auf eine gegebene Drehzahl anwächst, nimmt die induzierte EMK des Synchronmotors ausreichend zu, um einen Betrieb des elektrischen Verteilers zu ermöglichen. Es wird dann das Schalten vom mechanischen Verteiler zum elektrischen Verteiler durchgeführt. Die Notwendigkeit des Schaltens beruht darauf, daß der Voreilwinkel nacheinander in zunehmender Richtung geändert werden muß, wenn die Motordrehzahl zunimmt, wobei jedoch der mechanische Verteiler den Voreilwinkel £ nicht entsprechend zur Motordrehzahl verändern kann. Der elektrische Verteiler 7 empfängt ein Drehzahlsignal vom Drehzahlfühler 6, macht nacheinander den Voreilwinkel ft des Verteilersignales mit zunehmender Motordrehzahl groß und sendet dann das Verteilers ignal zum Gattersteuerglied Es ist einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung, daß ein stufenloses Schalten vom mechanischen zum elektrischen Verteiler erhalten wird. Weiter unten wird der Grund für dieses stufenlose Schalten erläutert. Das Verteilersignal vom mechanischen Verteiler hat einen konstanten Voreilwinkel im Startzeitpunkt des Motors. Der Voreilwinkel des Signales vom elektrischen Verteiler wird entsprechend einer zunehmenden Motordrehzahl größer, und dieses Signal führt in der Phase das Verteilersignal vom mechanischen Verteiler. Das Gattersignal wird als logisches Produkt des Synchronisiersignales vom Phasenschieber und des Verteilersignales erhalten und in die Thyristoren des Thyristor-

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Umformers eingespeist. Wenn demgemäß einmal die Thyristoren durch das Gattersignal abhängig vom Verteilersignal der vorderen Phase gezündet sind, werden sie überhaupt nicht durch das sicherstellende Gatter signal abhängig vom Verteiler signal beeinflußt. Auf diese Weise wird das Schalten vom mechanischen zum elektrischen Verteiler durchgeführt. - ·

Wenn der Motor 4 eine Stufe hoher Drehzahl erreicht, wird die Lastkommutierung durchgeführt. Bei dieser Stufe ist es erforderlich, den Voreil winkel ^f des Verteilersignales größer zu machen, damit die Kommutierung durchführbar ist, während der Voreilwinkel $ bei einem konstanten Wert Y gehalten werden muß, um ein nßglichst großes Motor drehmoment zu erzeugen.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild zur Steuerung des Voreilwinkels des Verteilersignales. Zur Vereinfachung wird die in der Fig. 3 gezeigte Schaltung lediglich für die U-Phase erläutert. In der Fig. 3 sind eine Schaltung zur Erzeugung eines ^rehzahlfühlersignals abhängig vom Signal vom mechanischen Verteiler 5, eine Schaltung des elektrischen Verteilers und ein Schaltglied zwischen dem mechanischen Verteiler dargestellt» ^v~

Das Drehzahlfühlerglied umfaßt eine Gruppe von Transistoren TRl, TR2 und TR3, um das Signal vom mechanischen Verteiler in ein Wechselsignal umzuwandeln, einen sättigbaren Übertrager ST, der das Wechselsignal von der Transistorgruppe empfängt, einen Gleichrichter RF₉ der das Ausgangssignal vom Übertrager ST gleichrichtet,

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ein Glättungsglied, das das gleichgerichtete Signal vom Gleichrichter RF glättet und aus Widerständen R6, R7 und R8 und einem Glättungskondensator C besteht, eine Z-Diode ZDl, die das geglättete Signal vom Glättungsglied sättigt, und einen Transistor TR4, der das geglättete Signal verstärkt.

Der elektrische Verteiler umfaßt einen Übertrager oder Transformator T, ein Relais WRY, das abhängig von einem Drehzahlsignal mit dem oben beschriebenen vorbestimmten Wert betätigbar ist und Kontakte RYl und RY2 aufweist, eine Z-Diode ZD2, die einen Betriebspegel des Relais WRY erzeugt, ein Signalform erg lied einschließlich eines Widerstandes R12 und einer Z-Diode ZD3, und einen rückgekoppelten magnetischen Verstärker MA mit Steuerwicklungen CCl und CC2, eine Diode Dl und einen Widerstand R13.

Das Schaltglied für die Verteiler umfaßt ein UND-Glied einschließlich Dioden D2 und D3.

Im folgenden wird der Betrieb der oben beschriebenen Schaltung näher erläutert:

Das Verteilersignal vom mechanischen Verteiler 5 wird in die Anschlüsse U 2 und V2 über die Diode D3 und ebenfalls in den Tran?- si stör TR2 über den Bas is widerstand R3 eingespeist. Das Verteiler signal vom mechanischen Verteiler 5, das über den Basiswiderstand R2 in den Transistor TRl eingespeist ist, wird dadurch umgekehrt, und das umgekehrte Signal liegt über dem Widerstand R2 am Transistor TR3,

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Das Verteiler signal vom mechanischen Verteiler wird in ein Wechselsignal umgewandelt, das seinerseits in den sättigbaren Übertrager ST eingespeist wird. Da die Integration der durch den sättigbaren Übertrager ST absorbierten Spannung von der besondren Ausbildung des Kernes und der Wicklung abhängt, ist ein mittlerer Wert der Halbwelle der Ausgangsspannung des Übertragers proportional zur Frequenz des vom mechanischen Verteiler erfaßten Signales. Das Ausgangssignal des Übertragers wird durch den Gleichrichter RF und das Glättungsglied verarbeitet und dann durch den Transistor TR4 verstärkt. Das verstärkte Signal wird schließlich in die Steuerwicklungen CCl des magnetischen Verstärkers MA und in die Spule WRY des Relais eingespeist. Die in die Anschlüsse UV des Synchronmotors induzierte Spannung wird über den Übertrager T an den elektrischen Verteiler gelegt. Das Drehzahlsignal, das einen vorbestimmten Wert erreicht, ermöglicht, daß die Z-Diode ZD2 leitet, und bewirkt dann, daß das Relais WRY arbeitet und dadurch die Kontakte RYl und RY2 schließt. Die induzierte Spannung des Synchronmotors, die über dem geschlossenen Kontakt RYl am Signalformer liegt, wird in den magnetischen Verstärker MA eingespeist. Andererseits wird das Drehzahlsignal in die Steuerwicklung CCl über den Widerstand RIO und den Kontakt RY2 eingespeist. Da die SynchronmOtordrehzahl mit einer Annäherung an den magnetischen Sättigungspunkt zunimmt, wird diese schneller, so daß das Verteiler signal in der Phase voreilt. Der Strom von der Stromquelle wird über einen einstellbaren Widerstand VR in die Steuerwicklung CC2 zur Nullpunkteinstellung des magnetischen Verstärkers MA eingespeist. Das Ausgangs signal des magnetischen Verstärkers liegt über der Diode D2 des Schaltgliedes an den Ausgangs-

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anschlüssen U2 und V2. Dies bedeutet, das Ausgangssignal vom mechanischen Verteiler tritt im Startzeitpunkt an den Anschlüssen U2 und V2 auf, während bei einer vorbestimmten Motordrehzahl das Verteilersignal der voreilenden Phase vom elektrischen Verteiler an den Ausgangsanschlüssen liegt. Wenn die Motordrehzahl einen vorbestimmten Wert erreicht, sind, genauer ausgedrückt, die Kontakte RYl und RY2 geschlossen, so daß das Verteiler signal vom elektrischen Verteiler den magnetischen Verstärker erreichen kann. Wenn das Verteilersignal vom elektrischen Verteiler in die Phase gegenüber dem Verteilers ignal vom mechanischen Verteiler voreilt, liegt das erstere Verteilersignal an den Ausgangsanschlüssen U2 und V2. Auf diese Weise wird das Schalten vom mechanischen Verteiler zum elektrischen Verteiler glatt oder stufenlos durchgeführt. Der Grund dafür, daß der elektrische Verteiler nicht für einen Betrieb in einer Stufe niedriger Drehzahl ausgelegt ist, liegt darin, daß notwendigerweise eine Instabilität des Betriebes vermieden werden muß und vorzugsweise der magnetische Verstärker kleiner Kapazität zu verwenden ist. Bei einer Stufe hoher Drehzahl wird der Steuervoreilwinkel des Verteilersignales des elektrischen Verteilers konstant gehalten, da das erfaßte Drehzahlsignal durch die Z-Diode gesättigt ist.

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Claims

Patentansprüche

1. !Regelanordnung für kommutator losen Motor, gekennzeichnet durch

einen Synchronmotor (4),

■ einen Thyristor-Leistungsumformer (3), der einen elektrischen Strom zum Synchronmotor (4) speist,

ein Steuerglied (9), das Steuersignale in die Gatter des Thyristor-Leistungsumformers (3) speist, und

eine Verteilereinheit (5, 7) einschließlich einer Einrichtung zur kontinuierlichen Änderung eines Voreilwinkels des Verteiler signals, das in das Steuerglied (9) entsprechend mit der Motordrehzahl einspeisbar ist.

2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilereinheit (5, 7) eine Einrichtung (8) aufweist, die den Voreilwinkel des Verteilersignals unabhängig von der Motordrehzahl auf einen konstanten Wert hält, wenn die Motordrehzahl höher als eine vorbestimmte Drehzahl ist.»

3 ο Regelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet _s daß die Verteilereinheit (5, 7) eine Einrichtung (8) aufweist, die

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den Voreilwinkel des Verteilersignals auf einem kleinen Wert im Startzeitpunkt des Motors (4) hält.

4. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilereinheit aufweist:

einen mechanischen Verteiler (5), der direkt mit der Läuferwelle des Motors (4). gekoppelt ist,

einen elektrischen Verteiler (7), dessen Verteilersignal von der induzierten Spannung des Motors (4) erhalten wird,

einen Drehzahlfühler (6), der ein Motordrehzahlsignal zum elektrischen Verteiler (7) speist, und

ein Schaltglied (8), das den mechanischen Verteiler (5) und den elektrischen Verteiler (7) abwechselnd schaltet.

5. Regelanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Schaltglied (8), das so arbeitet, daß das Verteilersignal vom mechanischen Verteiler (5) im Startzeitpunkt und vom elektrischen Verteiler (7) erhalten wird, wenn der Voreilwinkel des Verteilersignals mit zunehmender Motordrehzahl zunehmen oder der Voreilwinkel des Verteilersignals bei einer Stufe höherer Drehzahl des Motors (4) konstant gehalten werden muß =

6. Regelanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine

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Einrichtung (8) zur Unterbrechung des Ausgangssignals des elektrischen Verteilers (7) bei einer Stufe vorbestimmter niedriger Motordrehzahl.

7. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor-Leistungsumformer (3) für eine Stromquellenkommutierung geeignet ist.

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