DE2433619A1 - Buerstenloser synchronmotor - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Jürgen WEINMILLER

PATENTASSESSOR SO=PS GmbH 1 ?.'■■!( 1974

8OOO München 8O
Zeppelinstr. 63

GARBE, LAHMEYER & CO AG 5100 AACHEN POSTFACH 470 Jülicher Straße 191

BURSTENLOSER SYNCHRONMOTOR

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Synchronmotor, bei dem die Erregerenergie kontaktlos auf den Rotor übertragen und über einen Thyristorschalter der Erregerwicklung zugeführt Wird, und der parallel zur Erregerwicklung einen Anlaufwiderstand aufweist.

Durch die Entwicklung leistungsstarker

Halbleiterschalter ist es möglich geworden, die Erregerenergie eines Synchronmotors ohne Schleifringe und Bürsten über rotierende Übertrager auf den Rotor zu bringen, wobei auch die Gleichrichter auf dem Rotor befestigt sind. Halbleiterschalter, insbesondere Thyristorschalter, sorgen dafür, daß die Erregerenergie während des Anlaufens von der Erregerwicklung ferngehalten wird, so daß der Motor

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asynchron hochläuft. Weitere Thyristoren können vor- · gesehen werden, um den Anlaufwiderstand, der parallel zur Erregerwicklung angeordnet ist, nach dem Erreichen des' Synchronzustands aus dem Erregerkreis zu entfernen.

Es hat sich herausgestellt, daß insbesondere für Schwer- und Schwerstanlauf eine genaue Zuordnung der oben erwähnten Schaltvorgänge zu den erreichten Betriebsdaten des anlaufenden Motors notwendig ist. Eine erste Bedingung für das Zuschalten der Erregerspannung bildet die Größe des Schlupfs, der der Frequenz der Polradspannung proportional ist. Erst wenn eine bestimmte Schlupffrequenz unterschritten wird, darf die Erregung eingeschaltet werden. Eine weitere Bedingung ist, daß die Erregerspannung möglichst genau im positiven Null-Durchgang der Polradspannung zugeschaltet werden soll. Nur wenn beide Bedingungen erfüllt sind, erfolgt der Übergang in den Synchronbetrieb zuverlässig, das heißt, ohne allzu große störende Pendelmomente am rotierenden System. In bekannten Anordnungen werden diese Bedingungen mit Hilfe logischer Schaltelemente ermittelt, welche die Phasenlage der Polradspannung und ihre Frequenz ermitteln und bei gleichzeitigem Auftreten beider Bedingungen über ein UND-Tor einen Zündbefehl für das Einschalten der Erregerspannung erzeugen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Aufwand für derartige Schaltungen zu reduzieren, wodurch die Betriebssicherheit erhöht wird.. Eine hohe Betriebssicherheit ist

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von 'außerordentlicher Bedeutung, da große mechanische und elektrische Leistungen zu steuern sind, und ein geringfügiger Schaden in der Steuereinrichtung bereits zu Zerstörung des ganzen Antriebssystems führen kann.

Bei einem bürstenlosen Synchronmotor der eingangs erwähnten Art ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristorschalter mit einer ersten Zündschaltung verbunden ist, die einen schwellenabhängigen Frequenzmeßkreis für die Frequenz der Polradspannung und einen phasenabhängigen von der Polradspannung exakt getriggerten Zundxmpulsgenerator aufweist, wobei letzterer von dem Frequenzmeßkreis eingeschaltet wird, wenn die Frequenz der Polradspannung einen Schwellenwert unterschreitet.

Anstelle einer logischen Schaltung, in der die beiden Bedingungen für das Einschalten der Erregerspannung getrennt gebildet werden und über ein UND-Tor einem Zündimpulsgenerator zugeführt werden, sieht die erfindungsgemäße Lösung zuerst eine Frequenzmessung vor und erst in zweiter Linie eine Berücksichtigung der Phase, und zwar derart, daß das die Frequenzbedingungen anzeigende Signal zur Durchschaltung der Polradwechselspannung auf einen Triggerkreis verwendet wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform.der

Erfindung liegt parallel zu dem oben erwähnten Steuerkreis ein weiterer mit einer Zündschaltung, die ein Zeitglied

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enthält. Dabei muß beachtet werden, daß die Zeitspanne bis zur Zündung des Thyristorschalters wesentlich größer als die Schwingdauer bei kleinstmöglichem Schlupf sein muß, damit Erregerkurzschlüsse sicher vermieden werden.

Die Spannung für den Zeitkreis wird parallel zum Thyristorschalter abgegriffen. Im Synchronbetrieb des Motors steht am Thyristor im wesentlichen nur die Erregergleichspannung, während im Asynchronbetrieb dieser Gleichspannung noch die induzierte Polradwechselspannung überlagert ist.

Liegt im Synchronismus die Erregergleichspannung an, so wird nach etwa 4 see der Thyristorschalter gezündet.

In einer anderen ebenfalls erfindungsgemäßen Ausführungsform spricht der Zeitkreis an, wenn die Spannung an einem Kondensator unterhalb der Zenerspannung einer Diode fällt. Dies ist nur beim Synchronismus des Motors der Fall, wenn die induzierte Polradspannung auf sehr kleine Werte abfällt (Oberwellenspannung) und der Kondensator nicht mehr genügend geladen wird.

Sollte der Motor schnell hochlaufen und sich über sein Reaktionsmoment synchronisieren, ohne daß die frequenz- und phasenabhängige Schaltung anspricht, so wird durch die oben beschriebenen zeitabhängigen Schaltungen der Synchronmotor erregt.

Zu diesem Zweck wird das Zeitglied so eingestellt, daß diese Zündschaltung beispxelswexse nach dem Dreifachen der Periodenzeit aktiviert wird, die der oben

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erwähnten Frequenzschwelle entspricht.

Es ist günstig, mindestens eine, vorzugsweise beide Zündschaltungen mit Betriebsspannungen zu versorgen, die unmittelbar aus der Polradspannung über Spannungsstabilisierende Elemente abgeleitet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Einzelnen unter Zuhilfenahme der Figuren 1 bis 4 erläutert. Es zeigen :

Figur 1 das Schaltbild eines Dreiphasen-Synchronmotors mit bürstenloser Erregung.

Figur 2 ein Blockschaltbild der zu diesem Synchronmotor gehörenden erfindungswesentlichen Steuerschaltungen

Figur 3 ein detailliertes Schaltdiagramm dieser Steuerschaltungen in einer Ausführungsform und

Figur 4 ist eine Variante zu Figur 3.

Ein Synchronmotor 1 gemäß Fig. 1 wird aus einem Dreiphasendrehstromnetz gespeist, dessen Klemmen mit 2 bezeichnet sind. Auf dem Rotor dieses Motors befindet sich eine Erregerwicklung 3, der im stationären Betrieb eine Gleichspannung, die Erregerspannung, zugeführt wird. Als Spannungsquelle für die Erregerspannung wird eine Drehstromerregermaschine 4 mit einer Drehstrombrücke 28 vorgesehen. In Serie mit dieser Drehstrombrücke befindet sich im Erregerkreis ein Thyristorschalter 5, dessen Aufgabe darin besteht, die Erregerspannung von der Erregerwicklung 3 während des Anlaufvorgangs fern-

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zuhalten und sie dann zuzuschalten. Zu diesem Zweck ist die Zündelektrode dieses Thyristors mit der Sekundärspule mindestens eines Übertragers für Zündimpulse verbunden. Im vorliegenden Beispiel sind, wie später noch im einzelnen erläutert werden wird, die Sekundärspulen zweier derartiger Übertrager 6 und 7 zueinander parallel geschaltet und über Dioden 8 und 9 entkoppelt.

Während des Anlaufens der Synchronmaschine ist ein Schutzwiderstand 10 zur Erregerwicklung 3 parallel geschaltet, und zwar über eine Diode 11 und einen zu dieser antiparallel geschalteten Thyristor 12, derart, daß Ströme beider Polaritäten den Anlaufwiderstand durchfließen können und unzulässig hohe Spannungen, die beim asynchronen Anlauf von der Synchronmaschine auf die Erregerwicklung induziert werden könnten, abgebaut werden. Die\Steuerelektrode des Thyristors 12 ist über einen Widerstand mit dem Leistungskreis eines Vorthyristors 14 verbunden, dessen Steuerelektrode wiederum über einen Widerstand und eine Spannungsstabilisierende Zener-Diode 16 mit der Kathode des im Erregerkreis liegenden Thyristors 5 verbunden ist.

Die Primärspulen 17 und 18 der Übertrager, deren Sekundärspulen im Steuerkreis des Thyristors 5 liegen, werden aus zwei getrennten Zündschaltungen und 20 gespeist, die die wesentlichen Merkmale der Erfindung enthalten und nachfolgend an Hand der Figuren 2, 3 und 4 näher erläutert werden.

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In Fig. 2 sind diese Zündschaltungen in Form eines Blockdiagrainms dargestellt. Als Eingangsgröße wird diesen Zündschaltungen lediglich die Polradspannung der Erregerwicklung 3 zugeführt, die an einem Eingang 21 anliegt. Dieser Eingang speist beide Zündschaltungen, von denen die frequenz- und phasenabhängige 19 im oberen Teil der Figur dargestellt ist und die zeitabhängige Zündschaltung 20 im unteren Teil. Die im Normalbetrieb wirksame erste Zündschaltung 19 besitzt eingangsseitig ein Integrierglied 22, in dem eine Halbwelle der Polradspannung integriert wird. Je höher die Frequenz der Polradspannung ist, umso geringer ist die über die Zeit integrierte Spannung; bei einer bestimmten Grenzfrequenz, bzw. wenn diese Grenzfrequenz unterschritten wird, sind die für die Synchronisation wichtigen Schlupfbedingungen erfüllt. Diese Grenzfrequenz wird hier durch einen Schwellverstärker 23 definiert, der dem Integrierglied 22 nachgeschaltet ist. Nur wenn die Frequenz der Polradspannung hinreichend niedrig ist, liefert der Schwellverstärker eine logische Ausgangsspannung, die ein nachgeschaltetes Gatter 24 zu öffnen vermag. Diesem Gatter wird auf einem zweiten Eingang nochmals die Polradspannung zugeführt. Ist das Gatter durchlässig, dann wird auf einen Impulsformer 25 eine Halbwelle der Polradspannung übertragen, woraus der Impulsformer eine Rechteckspannung erzeugt und ein diesem nachgeschaltetes Differenzierglied 26 zwei Nadelimpulse. Der positive Nadelimpuls, der genau zum Zeitpunkt des

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positiven Null-Durchgangs der Polradspannung auftritt, d.h. wenn die Polradspannung einen mit dem Erregergleichstrom gleichgerichteten Strom treibt, wird einem Zündimpulsgenerator 27 zugeführt, so daß ein Zündimpuls auf die Primärspule 17 des Impulsühertragers gemäß Fig. 1 bei jedem positiven Null-Durchgang der Polradspannung gegeben wird, sofern die Frequenz der Polradspannung den Grenzwert unterschritten hat. Damit ist ein frequenz- und phasenrichtiges Zuschalten der Erregerspannung nach dem asynchronen Hochlauf gewährleistet.

Die das Zeitglied enthaltende weitere Zündschaltung 20, die die Primärwicklung 18 speist, besitzt eingangsseitig ein Integrierglied 29. Die Integrationskonstante dieses Gliedes ist so gewählt, daß eine bestimmte Grenzspannung am Ausgang nach einer vorgegebenen Zeit erreicht wird. Diese Grenzspannung wird in einem Schwellenverstärker 30 definiert und dient dazu, der Primärspule 18 einen Zündimpuls zuzuführen.

Nunmehr soll an Hand von Fig. 3 eine praktisch erprobte Ausfuhrungsform der in Fig. 2 schematisch dargestellten Zündschaltungen näher erläutert werden. Die Betriebsspannungen für diese mit Transistoren bestückte Schaltung werden alleine von der Polradspannung abgeleitet, die an der Erregerwicklung 3 in Fig. 1 abgreifbar ist. Parallel zur Erregerwicklung liegen in Reihe ein Vorwiderstand 31 und mehrere Zenerdioden 32, die so gewählt sind, daß an einem Punkt 33 der über eine Diode 34 mit dem Verbindungspunkt des Vorwiderstands 31 und der Zener-

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•i.

dioden verbunden ist', eine stabile Spannung von beispielsweise 36 Volt zu Verfügung steht. Ein Kondensator großer Kapazität 35 sorgt für eine ausreichende Glättung auch bei "kleiner Polradfrequenz.

Die zenerstabilisierte Palradspannung wird der ersten Zündschaltung über einen Vorwiderstand 36 zugeführt und gelangt von dort zu einem als Integrierglied wirkenden Kondensator 37. Eine an diesem Kondensator 37 angeschlossene weitere Zenerdiode 38 mit einer Schwellspannung von beispielsweise 18 Volt erfüllt die Funktion des Schwellenglieds aus Fig. 2 zusammen mit.einem Verstarkungstrarisxstor Nur wenn die Schwellenspannung dieser Diode 38 erreicht ist, wird der Transistor 39 leitend. Diesem Transistor folgt über eine Diode 40 ein weiterer Transistor 41 als Umkehrstufe sowie ein Transistor 42, in dem Rechteckimpulse erzeugt werden. Hinter einer Umkehrverstärkerstufe mit dem Transistor 43 folgt dann der Zündspannungsgenerator mit einem Unijunctiontransistor 44,in desses Ausgangskreis die Primärspule 17 liegt, die schon in Fig. 1 und Fig. 2 zu sehen war.

Wie die frequenz- und phasenabhängige Zündschaltung ist.auch die zeitabhängige Zündschaltung von den aus der Polradspannung abgeleiteten Betriebsspannungen gespeist. Diese Zündschaltung 20 (siehe Fig. 2) ist in Fig. 3 links von den stabilisierten Zenerdioden 32 angeordnet. Sobald der Motor synchron läuft, wird der Speicherkondensator 35 nicht mehr genügend geladen. Ein Transistor 45 wird gesperrt und ein nachgeschaltetes

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Integrier glied , bestehend aus dem Widerstand 46 und Kondensator 47,wird vom Speicherkondensator 35 geladen. Sobald die Schwellspannung eines Unijunctiontransistors 48 erreicht ist, wird dieser niederohmig und liefert an der Primärspule 18 einen Impuls. Ein entsprechender Zündimpuls wird dem Thyristorschalter 5 zugeführt und der Motor wird erregt.

Diese Schaltung erregt den Motor nur dann, wenn der Thyristor 5 nicht bereits vorher über die frequenz- und phasenabhängige Zündschaltung in seinen leitenden Zustand gelangt ist.

An Hand der Fig. 4 wird abschließend eine Variante zu der eben erläuterten zeitabhängigen Zündschaltung erläutert.

Die zeitabhängige Zündschaltung liegt parallel zum Thyristorschalter 5, d.h. zwischen dem Anschluß 21 und der Drehstrombrücke 28, wobei die verarbeitete Spannung über eine Zenerdiode 49 stabilisiert ist.

Im asynchronen Lauf des Motors wird ein Integrierglied bestehend aus Widerstand 50 und Kondensator rhythmisch auf- und entladen. Die Zeitkonstante des Gliedes ist etwa 3 mal so groß wie die Schwingdauer der Polradspannung bei kleinstmöglichem Schlupf. Deshalb kann das Zeitglied nur dann die Schwellspannung an einem Unijunctiontransistor 48* erreichen, wenn die Maschine synchron läuft und damit am Thyristorschalter 5 eine Gleichspannung liegt. Der Motor wird dann nach etwa 4 Sek. erregt.

§03835/0823

Die Lösung gemäß Fig. 3 hat den Vorteil, daß man keine Parallelschaltung zum Thyristorschalter benötigt und die Zenerdiode 49 sowie auch der Vorwiderstand 52 entfallen.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele in allen Einzelheiten beschränkt. Es ist zwar günstig, jedoch nicht unbedingt notwendig, die Betriebsspannungen der Zündschaltungen aus der Polradspannung abzuleiten. Auch kann, wie bereits an Hand eines Vergleichs der Fig. 2 und Fig. 3 erkennbar wird, durch Kombination verschiedener Funktionen in einem Schaltelement oder durch Einfügen weiterer Schaltelemente, beispielsweise Verstärker, die Darstellung der Erfindung wechseln.

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Claims (1)

1. 2433519 - A.

   PATENTANSPRÜCHE '

   1 - Bürstenloser Synchronmotor, bei dem die Erregerenergie kontaktlos auf den Rotor übertragen und über einen Thyristorschalter der Erregerwicklung zugeführt wird und der parallel zur Erregerwicklung einen Anlaufwiderstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristorschalter (5) mit einer ersten Zündschaltung (19) verbunden ist, die einen schwellenabhängigen Frequenzmeßkreis (22, 23) für die Frequenz der Polradspannung und einen phasenabhängigen, von der Polradspannung exakt getriggerten Zündimpulsgenerator (27) aufweist, wobei letzterer von dem Frequenzmeßkreis eingeschaltet wird, wenn die Frequenz der Polradspannung' einen Schwellenwert unterschreitet.

   2 - Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristorschalter (5) mit einer weiteren Zündschaltung (20) verbunden ist, die ein solches Zeitglied (29, 30) enthält, daß der Thyristorschalter (5) nach Ablauf einer fest vorgegebenen Zeitspanne seit dem Synchronismus auf jeden Fall gezündet wird.

   3 - Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Zündschaltungen (19, 20) ihre sämtlichen Betriebsspannungen aus der Polradspannung über Spannungsstabilisierende Elemente (32) abgeleitet erhält.

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   4 - Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zündschaltung (19) ein Gatter (24) enthält, dem einerseits die Polradspannung und andererseits das Ausgangssignal des Frequenzmeßkreises (22, 23) zugeführt wird und von dessen Ausgangssignal die phasenrichtigen Triggerimpulse des Zündimpulsgenerators (27) abgeleitet werden.

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