Patentanspruch
Impulsbreitenmodulierter Vier-Quadranten-Gleichstromsteller
fur einen Gleichstrommotor mit einer aus einer Gleichspannungsquelle über eine ein- und
ausschaltbare Halbleiterschalteinnchtung gespeisten
loscheinnchtungsfreien Thynstorbrucke mit vier
Thyristoren sowie mit einer Diodenbrucke mit vier
Ruckspeisedioden, die in den Sperrphasen des Gleichstromstellers den Laststrom unter Umgehung
der Thyristoren und der Halbleiterschalteinnchtung in die Gleichspannungsquelle zuruckspeisen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalteinnchtung
aus zwei Transistoren (T 1, T 2) besteht, die jeweils zwischen der Thynstorbrucke
und dem positiven und negativen Pol der Gleichspannungsquelle angeordnet und synchron miteinander
gesteuert sind, daß die Diodenbrucke (D 1-D 4)
unter Umgehung der Transistoren (T 1, T 2) an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und daß die
Steuerung fur die Thyristoren (Th X-Th 4) mit der
Steuerung fur die Transistoren (T 1, T 2) derart
verknüpft ist daß die Thyristoren (Th 1-Th 4) gegenüber
dem Einschalten der Transistoren (T 1, T 2) verzögert gezündet werden
Die Erfindung bezieht sich auf einen impulsbreitenmodulierten
Vier-Quadranten-GIeichstromsteller fur
einen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
Aus der DE-OS 14 38 018 ist ein solcher Gleichstromsteller
bekannt Wird bei dieser bekannten Schaltung (Fig 5c) der Thyristor 24b und Ha bei geöffnetem
Ventil 10c gezündet, so wird der Motor 9 von links nach
rechts vom Strom durchflossen Dieser Stromfluß muß in einer Vier-Quadranten-Schaltung durch Sperren des
Ventils 10 unterbrochen werden Bei einer Sperrung des Ventils 10 wird der Ankerstrom aber, getrieben durch
die Ankennduktivitat, unbeirrt über den Thyristor 11«
und die Freilaufdiode 12d weiterfließen und nur mit der
dem Motorkreis eigenen Zeitkonstanten abklingen Da fur eine wirkungsvolle Schaltung die Schaltfrequenz im
Verhältnis zur Ankerkreiskonstanten groß sein muß, wird beim nächsten Offnen des Ventils 10 der Thyristor
11a möglicherweise noch nicht gesperrt sein, so daß eine
umgekehrte Beaufschlagung des Motors durch Zünden des Thyristors 24a nicht erfolgt Damit ist eine schnelle
Umsteuerung nicht möglich
Es ist bei einem im Vier-Quadrantenbetrieb arbeitenden
Wechselrichter - der im Prinzip auch als Gleichstromsteller zu betreiben ist - bekannt (DE-OS
24 43 025), in den Zuleitungen der selbst keine Loscheinrichtung enthaltenden Thyristor-Brucke zum
positiven und negativen Pol der Gleichspannungsquelle je einen die Loschung der Thyristoren der Brücke
bewirkenden gepulsten Transistor vorzusehen und dabei die Ruckspeisedioden derart anzuordnen, daß der
Laststrom wahrend der Sperrphase der gepulsten Transistoren unter Umgehung dieser und der Bruckenthynstoren
in die Gleichstromquelle zurückfließt Durch eine solche Anordnung der Transistoren ergibt
sich gegenüber einer Thynstorbrucke, in der jedem
Thyristor eine eigene Loscheinrichtung zugeordnet ware, ein verringerter baulicher Aufwand
Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemaßen
Gleichstromsteller derart auszugestalten, daß eine schnelle Stromumkehr erreicht wird und
die Halbleiterschalteinnchtung von Einschaltverlusten befreit ist
Nach der Erfindung wird dies mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches erreicht Im Anspruch wird Schutz nur fur die Gesamtheit seiner Merkmale
begehrt
Der erfindungsgemaße Gleichstromsteller laßt sich
&iacgr;&ogr; schnell umsteuern und hat eine höhere Betriebssicherheit
infolge des geringeren Aufwandes Dadurch, daß an den Transistoren nur die Abschaltverluste auftreten
und die Einschaltverluste von den Thyristoren übernommen
werden, sind die Transistoren hoher ausnutzbar und daher verhältnismäßig billig
Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt
Der Vier-Quadranten-Gleichstromsteller weist zwei
Bruckenzweige 1, 2 mit den Thyristoren Th 1, Th 2
bzw Th 3, Th 4 auf In den beiden Bruckenzweigen ist
als Last eine zu regelnde Gleichstrommaschine M mit
Induktivität L angeordnet Die beiden Bruckenzweige
sind auf der Anodenseite über den gemeinsamen Verknupfungspunkt
3, die Leitung 4 sowie den Transistor &Ggr; 1 mit dem positiven Strompfad 5 der Gleichstromquelle
6 verbunden und auf der Kathodenseite sind die beiden Bruckenzweige über den gemeinsamen Verknupfungspunkt
7, die Leitung 8 sowie den Transistor T 2 und den Widerstand R 1 mit dem negativen Strompfad
9 der Gleichstromquelle verbunden Die gleichzeitige Ansteuerung der Transistoren Tl, T2 erfolgt über
den Transformator Tr 1, die gleichzeitige Ansteuerung der in dem Bruckenzweig 1 angeordneten Thyristoren
Th 1, Th 2 erfolgt über den Transformator Tr 2 und die
gleichzeitige Ansteuerung der im Bruckenzweig 2 angeordneten Thyristoren Th 3, Th 4 erfolgt über den
Transformator Tr 3 Die Pnmarseite des Transformators
Tr 1 steht über die Leitung 10 mit dem Ausgang des
Komparators A 3 in Verbindung, die Primarseite des
Transformators Tr 2 steht über die Leitung 11 mit dem
Ausgang des Und-Verknupfungsghedes 12 und die Primarseite
des Transformators Tr 3 steht über die Leitung
13 mit dem Ausgang des Und-Verknupfungsghedes 14 in Verbindung Der eine Eingang der Und-Verknupfungsgheder
12, 14 steht über die Leitung 15 mit dem
Ausgang des Verzogerungsghedes 16 in Verbindung, dessen Eingang über den Leitungsabschnitt 15a mit dem
Ausgang des Komparators A 3 in Verbindung steht Der zweite Eingang der Und-Verknupfungsgheder steht
über die Leitungen 17, 18 mit den Ausgangen des D-Fhpflops
19 in Verbindung Der vorbereitende Eingang des D-Flipflops steht über die Leitung 20 mit dem
Ausgang des Polantatsdetektor P in Verbindung und der Eingang des Letzteren steht über den Leitungsabschnitt
20a mit dem Ausgang des Stromreglers A 2 in Verbindung, dessen Ausgangssignal das Differenzsignal
aus dem vorgegebenen Strom-Sollwert und dem an der Meßstelle m bei der Antriebsmaschine abgenommenen
und über die Leitung 21 der Summenstelle S 2 des
Komparators A 2 zugefuhrten Strom-Istwert bildet Das Ausgangssignal des Stromreglers A 2 wird neben
dem Polantatsdetektor P über die Leitung 22 dem
Gleichrichter G und von dort der Summenstelle S 3 des Komparators A 3 zugeführt, an der das Dreiecksignal
des Generators GE über die Leitung 24 zugeführt ist
Der Summenstelle 5 3 ist ferner über die Leitung 25 mit
Diode 26 ein negatives Sperrsignal zufuhrbar, um bei
Überschreiten eines vorgegebenen zulassigen Stromes
in den Strompfaden 1, 2, den Stromfluß durch Schließen
der Transistoren Tl, T2 sowie damit auch der Thyristoren
Th 1 Th 4 zu unterbrechen Das Sperrsignal bildet das Ausgangssignal des Komparators A 4, an
dessen Summenstelle S 4 der zulassige Sollwert / vorgegeben
ist, sowie die Istwert-Signale an beiden Seiten des Widerstandes R 1 über die Leitungen 28, 29 zugeführt
sind Das auslosende Eingangssignal des D-Flipflops
wird von dem Rechtecksignal des Generators gebildet und über die Leitung 30 dem D-Fhpflop zugeführt Die
Thyristoren Th 1, Th 3 werden von den beiden Freilaufdioden
D 1, D 3 über die Leitungen 32, 33 in Verbindung
mit der mit dem anderen Strompfad 9 verbundenen Leitung 34 überbrückt und die Thyristoren Th 2,
Th 4 von den beiden Dioden D 2, D 4 über die Leitungen
35, 36 in Verbindung mit der mit dem Strompfad S
verbundenen Leitung 37
Die Wirkungsweise des Gleichstromstellers ist folgende
Die an der Summenstelle S 2 des Stromreglers A 2
vorgegebene Polantat JsoU bestimmt die Stromflußnchtung
durch den Motor M Die Ausgangspolantat des Stromreglers A 2 wird von dem Polantatsdetektor P
erfaßt und als Schaltsignal dem D-Fhpflop zugeleitet und damit dessen Schaltzustand vorbereitet Je nach
dem Schaltzustand des D-Fhpflops werden die Taktpulse
des Generators GZs über die Leitungen 17 oder 18 entweder dem Und-Verknupfungspunkt 12 oder 14
zugeführt Das Ausgangssignal des Stromreglers A 2 wird nach Gleichrichtung durch den Gleichrichter G der
Summenstelle 5 3 des Komparators A 3 zugeführt und dort mit dem Dreiecksignal des Generators GE verglichen
und damit ein dem Absolutwert des Ausgangssignals am Stromregler A 2 in der Dauer proportionales
Schaltsignal erzeugt Das lmpulsbreitenmodulierte Ausgangssignal
des Komparators A 3 wird so der Pnmarseite
des Transformators Tr 1 zugeführt und von dort über dessen Sekundarseite den beiden Transistoren T 1
und T 2, so daß diese leitend werden Das Ausgangssignal des Komparators A 3 wird gleichzeitig über das
Verzögerungsglied 16 den Und-Verknüpfungsgliedern
12,14 zugeführt und von dem vom D-Fhpflop angesteuerten
Und-Verknüpfungsglied weiter zur Pnmarseite
des Transformators Tr 2 oder Tr 3 geleitet, je nach dem, welches Und-Verknüpfungsglied vom D-Fhpflop
angesteuert worden ist Von der Sekundarseite des betreffenden Transformators werden schließlich die
Thyristoren Th 1, Th 2 des einen Bruckenzweiges oder
die Thyristoren Th 3, Th 4 des anderen Bruckenzweiges
gezündet Durch die gegenüber dem Einschalten der
Transistoren verzögerte Zündung der Thyristoren fallen
an den Transistoren keine Einschaltverluste an Es verbleiben also im Vergleich zur reinen Transistorbrucke
nur die Abschaltverluste Die erfindungsgemaße Schaltung
erlaubt dadurch eine höhere Ausnutzung der Transistoren
als in einer Transistorbrucke
Durch die Taktung des Fhpflops vom Generator GE
wird eine Verriegelung erreicht, die eine Umschaltung
zur Zündung des jeweils anderen Thyristorenpaares nur wahrend der Sperrphasen der Transistoren erlaubt Auf
diese Weise werden Kurzschlüsse, die durch die Zündung
aller vier Thyristoren entstunden, ausgeschlossen
Sobald die Dauer des die Transistoren einschaltenden
und die Thyristoren zündenden Signals abgelaufen ist,
sperren die Transistoren Damit sind die Strompfade 4
und 8 der Stromquelle zu den beiden Bruckenzweigen 1, 2 unterbrochen Der nun von der Induktivität L
weiterhin fließende Strom nimmt seinen Weg je nach Stromflußnchtung entweder über die Freilaufdiode D 2
oder D 4 zurück zum Strompfad 5 und über die Spannungsquelle
6 weiter zum Strompfad 9 und über die Freilaufdioden D 1 oder D 3 zurück zur Induktivität L
des Motors Durch diesen die Transistoren und Thyristoren umgehenden Stromfluß werden die Thyristoren
stromlos und sperren Mit Beginn der nächsten Offnungsphase
der Transistoren werden die Thyristoren, wie bereits erläutert, wieder gezündet und damit leitend
&iacgr;&ogr; gemacht, so daß das Arbeitsspiel von neuem ablaufen
kann Der an der Meßstelle m abgenommene Istwert des Stromes wird der Summenstelle S 2 des Stromreglers
zugeführt Das aus dem vorgegebenen Sollwert und dem zugefuhrten Istwert des Stromes sich ergebende
Differenzsignal bildet das Ausgangssignal des Stromreglers A 2, das nach Durchtritt durch den Gleichrichter G
der Summenstelle S 3 des Komparotors 3 als Stellsignal zugeführt wird und damit die jeweilige Impulsbreite des
Signals fur die Ansteuerung der Transistoren und Thynstören
festlegt Wird der Istwert großer als der Sollwert, kehrt sich die Polarität des Ausgangssignals des Stromreglers
um und damit auch die Schaltstellung des Fhpflops, so daß in der nächsten Offnungsphase der Transistoren
die im anderen Bruckenzweig liegenden Thynstören
gezündet werden Dadurch ergibt sich wahrend der nächsten Offnungsphase der Transistoren und Thyristoren
eine umgekehrte Spannungsrichtung am Motor M und der Induktivität L, was wiederum eine entsprechende
Umkehrung der zeitlichen Änderung des Stromes wahrend dieser Zeit nach sich zieht
Da wie aus dem vorstehenden ersichtlich, wahrend der Sperrphase der Transistoren der Strom über Motor
M Induktivität L und Freilaufdioden D 1 und D 2 oder
D 3 und D 4 in die Spannungsquelle 6 zurückfließt,
steht wahrend dieser Zeit die Quellenspannung der jeweiligen Stromflußnchtung entgegen D h , der
Strom wird wahrend dieser Phase in Richtung einer Stromverringerung beeinflußt
Die vorbeschriebene Steuerbarkeit der Spannungsbeaufschlagung
über Motor M und Induktivität L in
Dauer und Richtung wahrend der Einschaltphase der Transistoren und Thyristoren im Zusammenhang mit
der grundsätzlichen Gegenspannungsbeaufschlagung wahrend der Sperrphase der Transistoren erlaubt die
Steuerung in Polarität und Große beliebiger Spannungsmittelwerte
bis zur Hohe der Quellenspannung Damit ist die Regelung des Motorstromes in Richtung und
Große, ungeachtet dessen, ob der Motor beim generatorischen Betneb mit seiner EMK den Stromfluß unterstutzt
oder beim motorischen Betrieb mit seiner EMK dem Stromfluß entgegenwirkt, möglich
Die Induktivität L wird in Abstimmung auf die vom
Generator GE bestimmte Schaltfrequenz so gewählt, daß der Strom wahrend eines Schaltzyklus nur eine im
Verhältnis zum Nennstrom geringe Veränderung erfahrt Dadurch fließt über den Motor trotz der
impulsweisen Spannungsbeaufschlagung ein nahezu glatter Gleichstrom Schnelle Stromanderungen sind
durch die Wahl einer hohen Schaltfrequenz (~1250 Hz)
möglich
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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ZEICHNUNGEN BLATT 1
Int. Cl.4: H 02 &Mgr; 3/04
Veröffentlichungstag: 22. Oktober 1987
708 243/30