DE2755333A1

DE2755333A1 - Verfahren und schaltung zum starten eines wechselstrommotors

Info

Publication number: DE2755333A1
Application number: DE19772755333
Authority: DE
Inventors: George Francis Schroeder
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1976-12-10
Filing date: 1977-12-12
Publication date: 1978-06-15
Also published as: NO148093B; SE441228B; SE7713977L; DE2755333C2; FR2393461B1; GB1568130A; JPS6314592B2; JPS5374214A; FR2393461A1; US4100466A; NO774069L; NO148093C; CA1076686A

Description

TIIE SINGEfi COIlPAIiY, Little Falls, New Jersey, USA

Verfahren und Schaltung zum Starten eines Wechselstrommotors

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Starten eines Wechselstrommotors, insbesondere zum schnellen Kaltstarten eines Wechselstrommotors für den Kreiselantrieb. Sie hat auch eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens zum Gegenstand.

Im Vordergrund steht die Anwendung der Erfindung bei Trägheitsplattformen mit mindestens zwei Kreiseln, insbesondere einem Lotkreisel und einem Kurskreisel. Bei solchen kreiselstabilidierten Plattformen für die Trägheitsnavigation ist es üblich, die Kreiselmotore bei niedrigen Temperaturen von etwa 0° C in sehr kurzer Zeit zu starten, beispielsweise innerhalb einer Zeitspanne von 2 Sekunden. Dies ist beispielsweise eine Folge der Notwendigkeit, bei Kampfflugzeugen eine schnelle Reaktionsausrichtung innerhalb weniger Minuten beim Kreiselkompaß zu erreichen.

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Weiterhin ist es bei solchen Geräten bzw. Systemen erforderlich, daß die Lager in den Motoren eine lange Lebensdauer haben. Dies hat höhere Viskositäten für das Schmieröl der Lager erforderlich gemacht, was wiederum das Problem des Kaltstartens weiter erschwert hat, weil derartige öle bei niedrigen Temperaturen noch viskoser werden.

Um den einschlägigen Schwierigkeiten Bechnung zu tragen, wird nach dem Stand der Technik die Energie zufuhr so programmiert, daß während des Startzyklus eine hohe Spannung zugeführt wird, um die ffotore auf Sättigung und auf das höchste Drehmoment zu bringen. Dies bedeutet, daß die Energiequelle für eine maximale Gesamtleistung während der Startperiode ausgelegt sein muß, welche sehr viel größer als die Leistung für den normalen Betrieb ist. Ebenso muß die Speiseschaltung, welche die Gleichspannung bzw. den Gleichstrom in Wechselspannung bzw. Wechselstrom für den jeweiligen Motor umwandelt, für höhere Spannung ausgelegt sein.

Zwar funktioniert die bekannte Lösung, doch müssen dafür höhere Kosten sowohl im Hinblick auf die verwendeten Werkstoffe als auch in Ansehung des erhöhten Gewichts des Gerätes bzw. Systems aufgewendet werden. Es besteht daher nach wie vor das Bedürfnis nach einem verbesserten Kaltstartsystem, bei welchem die Anforderungen bezüglich der Energiequelle und der Speiseschaltung nur »-jtHmI sind, also nicht diejenigen für den normalen Betrieb übersteigen, welches aber dennoch ein schnelles Starten bei niedrigen Temperaturen gewährleistet.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, das Starten eines oder mehrerer Wechselstrommotore, insbesondere das schnelle Kaltstarten eines oder mehrerer Wechselstrommotore für den Kreiselantrieb, zu verbessern und insbesondere

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die geschilderten Nachteile zu beheben. Diese Aufgabe ist durch das im Hauptanspruch gekennzeichnete Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen desselben sind in den Ansprüchen 2 bis 4- gekennzeichnet. Die erfindungsgemäße Schaltung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 5 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen derselben gehen aus den restlichen Ansprüchen hervor.

Normalerweise werden Kreisel mit Hysterese-Synchronmotoren angetrieben. Bei einem abgeglichenen Hysterese-Mehrphasensynchronmotor ist das Startdrehmoment im wesentlichen frequenzunabhängig, jedoch vom Erregerstrom abhängig, und zwar bis zur Sättigung. Im normalen Betrieb wird der Motor beträchtlich außerhalb der Sättigung laufen gelassen, um Leistung zu bewahren und Erwärmung im Kreisel gering zu halten. Demzufolge ist das tatsächliche Startdrehmoment beträchtlich kleiner als das vom Eisen des Motors her verfügbare, maximale Drehmoment. Da die Erregungsfrequenz des Kreisels sehr genau sein muß, wird die Kreiselläuferfrequenz üblicherweise durch Abzählen von einem Kristalltaktgeber her hervorgebracht. Wenn die gewünschte Frequenz erreicht ist, wird sie zur Steuerung einer Speiseschaltung verwendet, welche die Gleichspannung bzw. den Gleichstrom in eine Wechselspannung bzw. einen Wechselstrom zum Antrieb des Motors des Kreisels umwandelt.

Bei der Erfindung werden diese Umstände ausgenutzt, um das Kaltstarten zu verbessern, so daß keine Spanmingen höher als die normalen Spannungen benötigt werden, also eine kleinere Energiequelle und eine Speiseschaltung mit niedriger bemessenen Spannungen verwendet werden können. Erfindungsgemäß wird eine Frequenz niedriger als die normale Betriebsfrequenz hervorgebracht, und zwar durch Vergrößerung der Abzähllogik. Wenn beispielsweise die normale Betriebs-

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frequenz "bei 480 Hz liegt, dann kann sie weiter aufgeteilt werden, um eine Frequenz von 240 Hz zu erhalten. Da die Motor-Impedanz im wesentlichen induktiv ist, wird etwa der zweifache Strom bei derselben Spannung aufgenommen. Dies verdoppelt im wesentlichen das Motor-Drehmoment. Naturgemäß hängen die Steigerung des Stromes und die Erhöhung des Drehmomentes von der besonderen Ausgestaltung des jeweiligen Motores ab, beispielsweise davon, wie nahe an der Sättigung der Motor normalerweise arbeitet, von der Gleichspannungsbzw. Gleichstromimpedanz des Motors, den besonderen Grenzen der Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle usw.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird insofern in aufeinanderfolgenden Schritten gearbeitet, als die verschiedenen Phasen mehrerer Motore aufeinanderfolgend mit Energie beaufschlagt werden. Dies ermöglicht es, die höchste zur Verfugung stehende Leistung demjenigen Motor zukommen zu lassen, der gestartet wird. So muß beispielsweise bei einem System mit zwei Motoren die Energiequelle normalerweise beide Motore versorgen. Wenn während des Startens die Energiequelle so in zeitlicher Aufeinanderfolge gesteuert wird, daß immer nur ein Motor versorgt wird, dann reicht ihre Stromkapazität aus, um diesen Motor mit dem Zweifachen seines normalen Stroms zu versorgen und somit das erforderliche Startdrehmoment zu erzeugen.

Die angewendeten Frequenzen und/oder die schrittweise Steuerung können entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall variiert werden. Auch kann die Erfindung in Verbindung mit anderen Wechselstrommotor-Typen angewendet werden, wie beispielsweise Mehrphasenasynchron- oder -induktionsmotoren und Synchronmotoren mit ausgeprägtem Pol. Auch ist die Anwendung nicht auf Kreiselmotore beschränkt, sondern vielmehr

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in allen denjenigen Fällen möglich, wo ein schnelles Starten in der Kälte, also bei niedrigen Temperaturen, erforderlich ist.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Schaubild zur Veranschaulichung der Strom/Spannung-Charakteristik einer erfindungsgemäß einsetzbaren Energiequelle mit mehreren Arbeitslinien, welche verschiedenen Motorbetriebsweisen zugeordnet sind;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung;

Fig. 3 ein Schaubild zur Veranschaulichung der bei der Erfindung für die Motorbeaufschlagung verwendeten Wellenformen;

Fig. 4· das Schaltbild der Speiseschaltung gemäß Fig. 2; und

Fig. 5 das Schaltbild der Kreiselmotortreiberlogik gemäß Fig. 2.

Es sei von einer Trägheitsplattform mit wenigstens zwei Kreiseln, nämlich einem Lotkreisel und einem Kurskreisel, ausgegangen. Weiterhin sei angenommen, daß die Betriebsfrequenz der Kreisel bei 480 Hz liege.

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Fig. 1 veranschaulicht das Spannung/Strom-Verhältnis der verwendeten Gleichspannungs- "bzw. Gleichstromquelle mit Strombegrenzung, wobei Arbeitslinien 11, 13 und 15 für verschiedene Betriebsbedingungen eingezeichnet sind. Die Arbeitslinie 11 bezieht sich auf einen Motor bei 480 Hz, die Arbeitslinie 13 auf zwei Motore bei 480 Hz und die Arbeitslinie 15 auf 1,5 Motore bei 240 Hz. Wenn ein geringer Gleichstromwicklungswiderstand und keine Sättigung angenommen werden, dann gilt die Arbeitslinie 13 auch für einen Motor bei 240 Hz.

Gemäß Pig. 2 weist die erfindungsgemäße Schaltung eine Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle 17 mit Strombegrenzung, einen Taktgeber 19 und mehrere Module auf, nämlich eine Abzähllogik 21, einen Steuersignalfolgegeber 23, eine Kreiselmotortreiberlogik 25 und eine Speiseschaltung 27. Zwischen der Gleichstromquelle 17 und der Speiseschaltung 27 ist ein Halbleiter-Schalter S 11 vorgesehen, welcher vom Steuersignalfolgegeber 23 angesteuert wird.

Die Speiseschaltung 2? weist fünf Ausgänge L 1 bis L 5 auf, woran zwei Wicklungspaare 29, 31 und 33» 35 angeschlossen sind. Die beiden Wicklungen 29 und 31 liegen parallel zueinander an den beiden Ausgängen L 1 und L 2 und stellen jeweils die erste Riasenwicklung des Lotkreisel- bzw. Kurskreiselmotors dar. Die Wicklungen 33 und 35 sind jeweils an die Ausgänge L 3 und L 4 bzw. L 5 und L 4 angeschlossen und stellen jeweils die zweite Hiasenwicklung des Lotkreisel- bzw. Kurskreiselmotors dar.

Der Steuersignalfolgegeber 23 dient dazu, einen Kreisel bzw. Kreiselmotor nach dem anderen in Gang zu setzen. Es handelt sich um ein einfaches Zeitglied, welches

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aus Zählern mit für die gewünschte, zeitliche Steuerung geeignet dekodierten Ausgangssignalen bestehen kann. Derartige Zeitglieder sind bekannt und auch schon in früheren Startschaltungen verwendet worden. Der Steuersignalfolgegeber 23 ist eingangsseitig an den Taktgeber 19 angeschlossen und liefert in Abhängigkeit von den empfangenen Taktgebersignalen mehrere diskrete Steuersignale D 10, D 12, D 8 und D 6 nacheinander. Das Steuersignal D 10 wird abgegeben, sobald die Schaltung mit Strom beaufschlagt wird. Das Steuersignal D 12 wird nach einer Zeitspanne von X Sekunden abgegeben, sobald

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das System eine Temperatur von 0 erreicht hat, wozu der Steuersignalfolgegeber 23 einen nicht dargestellten Eingang für ein entsprechendes Temperatursignal aufweist. Die Steuersignale D 8 und D 6 werden jeweils nach einer Zeitspanne von etwa X + 2 bzw. X + 4 Sekunden abgegeben.

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Bei Temperaturen unterhalb 0 et wird das System vor dem Starten mittels Heizorganen erwärmt. Wenn sich die Trägheitsplattform bzw. das System bei Abgabe des Steuer-

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signal π D 10 bereits auf der erwähnten Temperatur von 0 Pak— e befindet, dann wird das Steuersignal D 12 gleichzeitig abgegeben, so daß also die Zeitspanne X=O. Die vier Ausgänge des Steuersignalfolgegebers 23 befinden sich zunächst auf einem Potential von 0 Volt, welches auf 5 Volt ansteigt, um auf diesem Niveau während des gesamten weiteren Betriebes zu bleiben.

Bei der Abzähllogik 21 handelt es sich um einen üblichen Zähler. Sie gibt vier Rechteckwellen 480 Hz/0°, 480 Hz/180⁰, 480 Hz/90° und 480Hz/270° ab, und zwar in demjenigen zeitlichen Verhältnis zueinander, welches aus Fig. 3 ersichtlich ist. Damit wird die Kreiselmotortreiberlogik 25 beaufschlagt, welche vier entsprechende Ausgangssignale GWS

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0° bzw. GWS 180° bzw. GWS 90° bzw. GWS 270° an die Speiseschaltung 27 abgibt, bei welcher es sich ebenfalls im wesentlichen um ein übliches Modul handelt.

Die Speiseschaltung 27 dient dazu, die Gleichspannung bzw. den Gleichstrom von der Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle 17 zu den einzelnen Wicklungen 29, 31, 33 und 33 gelangen zu lassen, und zwar schaltet die Speiseschaltung 27 die Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle 17 derart an die Wicklungen 29 und 33 des Lotkreiselmofcors sowi>3 an die Wicklungen 31 und 35 des Kurskreiselmotors an, daß sie jeweils mit einer Wechselspannung- bzw. Wechselstrom-Rechteckwelle beaufschlagt werden. Das in Fig. 3 veranschaulichte, zeitliche Verhältnis ist für die Wicklungen 29, 31, 33 und 35 deswegen richtig, weil es sich um Zweiphasenwicklungen handelt.

Im wesentlichen ist es erfindungsgemäß lediglich erforderlich, die Kreiselmotortreiberlogik 25 zwischen die eingangsseitig an den Taktgeber 19 angeschlossene Abzähllogik 21 und den Steuersignalfolgegeber 23 einerseits und die Speiseschaltung 27 andererseits zwischenzuschalten.

Gemäß Fig. 4 weist die Speiseschaltung 27 vier Halbleiter-Schalter S 1 Ms S 4, sechs Halbleiter-Schalter S 5 bis S 10 und vier UND-Gatter 37 bis 40 auf. Die Schalter S bis S 4 sind in Brückenschaltung den Wicklungen 29 und 31 zugeordnet, wobei die Schalter S 1 und S 2 einerseits jeweils an eine positive Schiene, die Schalter S 3 und S 4 einerseits jeweils an eine negative oder Erdschiene angeschlossen sind, die Schalter S 1 und S 3 andererseits miteinander und mit dem Ausgang L 1, die Schalter S 2 und S 4 andererseits miteinander und mit dem Ausgang L 2 verbunden

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sind, und die Schalter S 1 sowie S 4 vom Ausgangs signal GWS 90 und die Schalter S 2 sowie S 3 von dem Ausgangs signal GWS 270 der Kreiselmotortreiberlogik 25 gesteuert werden. Die Schalter S 1 und S 4 werden also gleichzeitig eingeschaltet, ebenso wie die Schalter S 2 und S3· Gemäß Fig. 3 wird auf diese Weise erreicht, daß die Wicklungen 29 und 3I jeweils mit einer Wechselspannung- bzw. Wechselstrom-Rechteckwelle beaufschlagt werden.

Die Halbleiter-Schalter S 5 bis S 10 bewirken eine ähnliche Beaufschlagung der anderen beiden Wicklungen 33 und 35» wobei die Schalter S 5 bis S 8 in Brückenschaltung sowie die beiden UND-Gatter 37 und 38 der Wicklung 33 und die Schalter S 9, S 6, S 10 und S 8 in Brückenschaltung sowie die beiden UND-Gatter 39 und 40 der Wicklung 35 zugeordnet sind. Die Schalter S 5, S 6 und S 9 liegen einerseits jeweils an der positiven Schiene und die Schalter S 7» S 8 und S 10 einerseits jeweils an der negativen oder Erdschiene, wobei die beiden Schalter S 5 und S 7 bzw. S 6 und S 8 bzw. S 9 und S 10 andererseits miteinander und mit dem Ausgang L 3 bzw. L 4 bzw. L 5 verbunden sind.

Die Schalter S 5 und S 9 werden jeweils über das UND-Gatter 37 bzw. 39 vom Ausgangssignal GWS 0°, die Schalter S 7 und S 10 jeweils über das UND-Gatter 38 bzw. 40 vom Ausgangssignal GWS 180° angesteuert, womit der Schalter S 6 unmittelbar beaufschlagt wird, ebenso wie der Schalter S 8 unmittelbar vom Ausgangssignal GWS 0 der Kreiselmotortreiberlogik 25 beaufschlagt ist.

Wären alle vier UND-Gatter 37 bis 40 eingeschaltet, dann würde das Ausgangssignal GWS 0° ohne weiteres die Schalter S 5, S 8 und S 9 und das Ausgangssignal GWS 180° die

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Schalter S 7, S 6 und S 10 ansteuern, so daß während des O°-Teils des Zyklus die Schalter S 5 und S 8 die Wicklung 33 sowie die Schalter S 8 und S 9 die Wicklung 35 mit Strom versorgen, während bei der nächsten 180°-Hälfte des Zyklus die Schalter S 6 und S 7 bzw. S 6 und S 10 wirksam sind, um die Wicklung 33 bzw. 35 i&it Strom zu versorgen. Auf diese Weise werden auch die Wicklungen 33 und 35 jeweils mit einer vollen Wechselspannung- bzw. Wechselstrom-Rechteckwelle beaufschlagt.

Während des normalen Betriebes werden die verschiedenen 480 Hz-Signale über die Kreiselmotortreiberlogik 25 und die Speiseschaltung 27 so zugeführt, daß der Lotkreiselmotor und der Kurskreiselmotor mit der Frequenz von 480 Hz arbeiten. Die beiden UND-Gatter 37 und 38 bzw. 39 und 40 bewirken, daß die beiden Schalter S 5 und S 7 bzw. S 9 und S nur ansprechen, wenn das Steuersignal D 12 bzw. D 8 von dem Steuersignalfolgegeber 23 her vorliegt, dessen Steuersignal D 10 den Schalter S 11 (Fig. 2) steuert, so daß die Speiseschaltung 27 nur dann von der Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle 17 her beaufschlagt wird, wenn das Steuersignal D 10 vorhanden ist.

Die Kreiselmotortreiberlogik 25 geht aus Fig. 5 hervor. Gemäß dem Steuersignal D 6 des Steuersignalfolgegebers 23 liefert sie der Speiseschaltung 27 geeignete Impulse, und zwar entweder mit der normalen Frequenz von 480 Hz während des normalen Betriebes oder aber mit einer Frequenz von 240 Hz beim Starten. Es wird grundsätzlich DTL-Technik angewendet. Die Rechteckwellen 480 Hz/O°, 480 Hz/90°, 480 Hz/180° und 480 Hz/270⁰ werden der Kreiselmotortreiberlogik 25 eingangssei tig zugeführt.

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Die Kreiselmotortreiberlogik 25 weist am Eingang zwei Flip-Flops 51 und 53 vom D-Typ mit Jeweils einem Setzeingang S, einem Hücksetzeingang C, einem Dateneingang D, einem Taktgebereingang CLK und zwei Ausgängen Q und Q auf. Die Setzeingänge S und die Riicksetzeingänge C der beiden Flip-Flops 51 und 53 sind miteinander verbunden und werden gemeinsam über einen Widerstand 55 mit einer positiven Speisespannung beaufschlagt. Die beiden Dateneingänge D sind gemeinsam mit dem Ausgang Q des Flip-Flops 51 verbunden. Die beiden Taktgebereingänge CLK der beiden Flip-Flops 51 und werden mit der Rechteckwelle 480 Hz/0° bzw. 460 Hz/9O° von der Abzähllogik 21 her beaufschlagt. Auf diese Weise werden die 480 Hz-Eingangssignale dividiert, so daß sich am Ausgang Q des Flip-Flops 51 das Signal 240 Hz/0°, am Ausgang "q des Flip-Flops 51 das Signal 240 Hz/180°, am Ausgang Q des Flip-Flops 53 das Signal 240 Hz/90° und am Ausgang "q" des Flip-Flops 53 das Signal 240 Ηζ/2?0° ergibt.

Weiterhin sind acht UND-Gatter 56 bis 63 mit jeweils drei Eingängen und einem Ausgang sowie vier ODER-Gatter 65 bis 68 mit jeweils zwei Eingängen und einem Ausgang vorgesehen, welche eingangsseitig mit den beiden Ausgängen der beiden UND-Gatter 56 und 57 bzw. 58 und 59 bzw. 60 und 61 bzw. 62 und 63 verbunden sind. Die UND-Gatter 56 bis 63 werden jeweils an einem Eingang mit dem Signal 480 Hz/O von der Abzähllogik 21 her bzw. mit dem Signal 240 Hz/0° vom Flip-Flop 51 her bzw. mit dem Signal 480 Hz/180⁰ von der Abzähllogik 21 her bzw. mit dem Signal 240 Hz/180° vom Flip-Flop 51 her bzw. mit dem Signal 480 Hz/90° von der Abzähllogik her bzw. mit dem Signal 240 Hz/90° vom Flip-Flop 53 her bzw. mit dem Signal 480 Hz/270° von der Abzähllogik 21 her bzw. mit dem Signal 240 Hz/270⁰ vom Flip-Flop 53 her beaufschla Die ODEE-Gatter 65 bis 68 geben jeweils das Ausgangssignal

GWS 0° bzw. GWS 180° bzw. GWS 90° bzw. GWS 270° an die Speiseschaltung 27 gemäß Fig. 4- ab, wie in Fig. 2 veranschaulicht .

Schließlich sind noch ein Inverter 70, ein invertierendes UND-Gatter 72 und drei Inverter 73, 75 und 77 vorgesehen. Der Inverter 70 wird eingangsseitig mit dem Steuersignal D 6 vom Steuersignalfolgegeber 23 her beaufschlagt und ist ausgangsseitig mit einem Eingang des UND-Gatters 72 verbunden, dessen zweiter Eingang mit dem Steuersignal D 8 vom Steuersignalfolgegeber 23 her beaufschlagt wird, während dessen Ausgang an eine Leitung 77' angeschlossen ist, über welche das Steuersignal D 12 vom Steuersignalfolgegeber 23 der Speiseschaltung 27 zugeführt wird (Figur 2 und 4). Da DTL-Technik angewandt wird, liegt in der gemeinsamen Leitung 77' das Signal "0" vor, wenn entweder das Gatter 72 das Ausgangssignal "0" abgibt oder aber das Steuersignal D 12 eine logische ¹¹O" darstellt.

Weiterhin ist der Inverter 70 ausgangsseitig mit dem Eingang des Inverters 73 verbunden, welcher seinerseits ausgangsseitig an jeweils einen Eingang jedes der UND-Gatter 56, 58, 60 und 62 angeschlossen ist, ferner an den Eingang des Inverters 75« welcher ausgangsseitig an jeweils einen Eingang jedes der UND-Gatter 57ι 59, 61 und 63 angeschlossen ist. Der Inverter 73 steuert also die UND-Gatter 56, 58, 60 und 62, der Inverter 75 die UND-Gatter 57, 59» 61 und 63. Die dritten Eingänge der UND-Gatter 56 bis 63 sind gemeinsam an den Ausgang des eingangsseitig an Erde liegenden Inverters 77 angeschlossen, so daß die dritten Eingänge stets wirksam sind.

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Im Betrieb geschieht folgendes. Der Steuersignalfolgegeber 23 liefert zunächst das Steuersignal D 10, so daJ der Schalter S 11 schließt und die Speiseschaltung 27 mit der Gleichsoannungs- bzw. Gleichstromquelle 17 verbunden ist. Die Steuersignale D 12, D δ und D 6 des Steuersignalfolgegebers 23 repräsentieren ,jeweils noch eine logische "0". Demzufolge liefert der Inverter 70 das Ausgangssignal "1", der Inverter 73 das Ausgangssignal "0" und der Inverter 75 das Ausgangssignal "1", so daß die UND-Gatter 57, 59, 61 und 63 eingeschaltet werden, um die vier 24Ο Hz-Signale von den Flip-Flops 51 und 53 her durchzulassen, womit die Schalter S 1 bis S 4 und S 8, S 6 gemäß Fig. 4- beaufschlagt werden. Die mit den rechteckwellenförmigen 240 Hz-Signalen GWS 90° und GWS 270° beaufschlagten Schalter S 1 bis S 4- bewirken, daß die Wicklungen 29 und 31 mit 240 Hz-Wechselspannung- bzw. -Wechselstrom-Rechteckwellen beaufschlagt werden. Da die UND-Gatter 37 bis 40 der Speiseschaltung 27 gemäß Figur 4 noch nicht eingeschaltet sind, können die Schalter S 5» S7, S 9 und S 10 noch nicht wirksam werden, so daß die Stromkreise für die Wicklungen 33 und 35 noch nicht geschlossen und diese noch nicht erregt werden, obwohl die Schalter S 6 und S 8 bereits im Betrieb sind und durch die 240 Hz-Signale GWS 180° bzw. GWS 0° vom ODER-Gatter 66 bzw. 65 her angesteuert werden.

Sobald eine kurze Zeitspanne nach Erregung der Wicklungen 29 und 31 der Steuersignalfolgegeber 23 das eine logische "1" repräsentierende Steuersignal D 12 abgibt, werden die UND-Gatter 37 und 38 der Spei se schaltung 27 gemäß Fig. 4-eingeschaltet, so daß auch die Schalter S 5 und S 7 ansteuerbar sind. Nunmehr wird auch die Wicklung 33 erregt. Damit ist der Lotkreiselmotor voll eingeschaltet, um den Lotkreisel hochlaufen zu lassen.

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Da die "beiden Steuersignale D 8 und D 6 des Steuersignalfolgegebers 23 jeweils immer noch eine logische "0" repräsentieren, liefert das eingangsseitig mit einem Signal "0" und über den Inverter 70 mit einem Signal "1" beaufschlagte, invertierende UND-Gatter 72 das Ausgangssignal "1", welches mit dem Steuersignal D 12 des Steuersignalfolgegebers 23 verknüpft wird. Da DTL-Technik angewendet ist, bleibt der Verknüpfungspunkt nur auf dem Niveau "1", wenn sich alle Eingänge auf dem Niveau "1" befinden. Da ferner das Steuersignal D 12 eine logische "1" repräsentiert, ebenso wie das Ausgangssignal des UND-Gatters 72, bleibt in der Leitung 77' zur Speiseschaltung 27 gemäß Fig. 2 und 4 das Signal "1", so daß die UND-Gatter 37 und 38 eingeschaltet bleiben. Der erste Kreiselmotor, nämlich der Lotkreiselmotor mit den Wicklungen 29 und 33 wird also gestartet, und zwar mit verminderter Frequenz, wobei der Gesamtstrom entsprechend der 240 Hz-Arbeitslinie 13 gemäß Fig. 1 und durch die Strombegrenzung der Gleichstromquelle 17 begrenzt ist.

Nunmehr gibt der Steuersignalfolgegeber 23 das eine logische "1" repräsentierende Steuersignal D 8 ab, welches dem invertierenden UND-Gatter 72 der Kreiselmotortreiberlogik 25 gemäß Fig. 5 zugeht. Dies hat zur Folge, daß letzteres ein Ausgangssignal ¹¹O" abgibt, da der zweite Eingang vom Inverter 70 her immer noch gleich beaufschlagt ist. Somit schalten die UND-Gatter 37 und 38 der Speiseschaltung 27 gemäß Fig. 4 ab, während andererseits deren UND-Gatter 39 und 40 durch das Steuersignal D 8 eingeschaltet werden, was zur Folge hat, daß die Schalter S 9 und S 10 in Betrieb gesetzt werden, welche im Verein mit den Schaltern S 6 und S 8 die Wicklung 35 mit einer Wechselspannung- bzw. Wechselstrom-Rechteckwelle beaufschlagen. Während der Lotkreiselmotor auf Einphasenbetrieb bei der Frequenz von 240 Hz übergeht, star-

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tet der Kurskreiselmotor, da beide Wicklungen 31 und 35 nunmehr erregt sind. Wie beim Lotkreiselmotor der Fall, läuft er auf die Startgeschwindigkeit von 240 Hz hoch.

Nach einer für das Hochlaufen des Kurskreiselmotors ausreichenden Zeitspanne liefert der Steuersignalfolgegeber 23 schließlich das eine logische "1" repräsentierende Steuersignal D 6, welches dem Inverter 70 der Kreiselmotortreiberlogik 25 gemäß Fig. 5 zugeht. Dieser gibt dann das Ausgangssignal "O" ab, so daß das UND-Gatter 72 wiederum das Ausgangssignal "1" liefert und die Inverter 73 sowie 75 ,jeweils das Ausgangssignal "1" bzw. "0" abgeben. Dies hat zur Folge, daß einmal die UND-Gatter 37 und 38 der Speiseschaltung 27 wieder eingeschaltet werden, um die Wicklung 33 zu beaufschlagen, und daß zum anderen die UND-Gatter 57, 59, 61 und 63 der Kreiselmotortreiberlogik 25 gemäß Fig. 5 abgeschaltet und stattdessen deren UND-Gatter 56, 58, 60 und 62 eingeschaltet werden, welche die 480 Hz-Signale von der Abzähllogik 21 her durch-lassen, so daß die Speiseschaltung 27 gemäß Fig. 4 mit den Ausgangssignalen GWS 0°, GWS 180°, GWS 90° und GWS 270° dieser Frequenz beaufschlagt wird, wie in Fig. 2 veranschaulicht. Es sind somit alle Schalter S 1 bis S 10 gemäß Figur 4 in Betrieb, welche alle mit 480 Hz-Signalen beaufschlagt werden. Beide Kreiselmotore laufen nunmehr auf die normale Betriebsdrehzahl von 480 Hz hoch. Dies stellt den letzten Schritt beim Starten dar.

Wenn auch vorstehend das Starten eines Synchronmotors geschildert ist, so kann die Erfindung jedoch auch in Verbindung mit anderen Motortypen angewendet werden. Beispielsweise weisen Asynchron- bzw. Induktionsraotore mit Kurzschluß- oder Käfigläufer ein sehr niedriges Startdreh-

moment auf. Die Drehzahl/Drehmoment-Kurve ist in erster Linie eine Funktion der Läuferimpedanz und der Läufer-Schlupffrequenz. Wenn sich der Läufer der Synchrondrehzahl nähert, dann nähert sich die Frequenz im Läufer dem Wert Null. Beim Stillstand ist die Lauferfrequenz gleich der Netzfrequenz. Hit Hilfe der erfindungsgeinäßen Schaltung, insbesondere der Speiseschaltung 27 gemäß Fig. 4, kann bei einer niedrigen Frequenz, beispielsweise Schlupffrequenz, wo das höchste Drehmoment vorliegt, ein derartiger Motor mit größtem Drehmoment gestartet werden. Die Wicklungen müßten lediglich mit einer solchen Frequenz erregt werden, die aus der Drehcahl/Drehmoment-Kurve des Motors zu bestimmen wäre, anstatt gemäß der obigen Schilderung die normale Betriebsfrequenz einfach zu halbieren. Wie bei der beschriebenen Ausführungsform könnte die gesamte Leistung und die Drehmomentgröße über die Begrenzung des Gleichstroms der Gleichstromquelle gesteuert werden. Beim Hochlaufen des Motors vermindert sich die Läuferfrequenz und verschiebt sich das Drehmoment. Wenn letzteres geschieht und der Motor auf Drehzahl kommt, dann kann die Frequenz verändert werden, um das Drehmoment wieder auf den Höchstwert zu bringen. Dies kann schrittweise fortgesetzt werden, bis der Motor Höchstdrehzahl erreicht. Der Steuersignalfolgegeber 23 könnte also so programmiert werden, daß man eine Beine von Frequenzen erhält, um einen derartigen Motor hochlaufen zu lassen, und zwar auf der Basis einer Analyse zur Bestimmung der optimalen Umschaltpunkte. Auch ist es möglich, beim Gleichstrom und bei der Spei se schaltung oder bei einem zum Auslösen des Umschaltens verwendeten Drehzahlmesser Hückkopplungssteuerung anzuwenden.

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Auch Synchronmotor mit ausgeprägtem Pol sind schwierig zu starten. Sie haben kein Startdrehmoment und werden normalerweise mit Hilfe einer Induktionsmotorwicklung gestartet, welche in die Polstruktur integriert ist. Wenn der Verbundinduktionsläufer sich der Synchrondrehzahl nähert, dann stellt sich der ausgeprägte Pol des Läufers auf Synchronismus ein. Da kein Schlupf vorhanden ist, wird die Induktionswicklung dann unwirksam. Würde eine sehr niedrige Frequenz in der Nähe von Gleichstrom der Wicklung eines einfachen Synchronmotors mit ausgeprägtem Pol unter Verwendung der in der Zeichnung dargestellten Schaltung zugeführt, dann würde sich der Läufer auf das Ständerfeld ausrichten. Durch langsame Erhöhung der Frequenz entsprechend der Fähigkeit des Läufers ein für die Beschleunigung der trägen Masse unter Berücksichtigung der Reibung ausreichendes Drehmoment zu entwickeln, und derart, daß dabei in Synchronismus bleibt, könnte der Motor langsam gestartet und auf die gewünschte Synchrondrehzahl beschleunigt werden. Ein Motor dieser Art könnte dann auch beispielsweise zum Antrieb eines Kreisels verwendet werden. In manchen Fällen könnte er dann, wenn einmal gestartet, effizienter als ein Hysterese-Motor sein.

Im weitesten Sinne ermöglicht es die Erfindung also, einen Wechselstrommotor mit variabler Frequenz zu beaufschlagen, um seine Stax*t- oder Anlauf charakterx stiken zu ändern und es somit zu ermöglichen, daß er hochläuft, ohne dafür Spannungen oder Ströme größer als die normalerweise erforderlichen anwenden zu müssen. Darüber hinaus ist die Ausnutzung von Strombegrenzungseigenschaften der jeweiligen Energiequelle zur Regulierung des Startstromes im Motor in Betracht gezogen.

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Claims

Ansprüche

M./Verfahren zum Starten eines Wechselstrommotors, ins-Desondere zum schnellen Kaltstarten eines Wechselstrommotors für den Kreiselantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß ein rechteckwellenförmiges Steuersignal (240 Hz/O°, 240 Hz/90°, 240 Hz/180°, 240 Hz/ 270°) mit einer Frequenz kleiner als die Motor-Betriebsfrequenz erzeugt und zur Steuerung der Beaufschlagung der Motor-Wicklungen (29, 31, 33, 35) von einer Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle (17) her verwendet wird, und daß dann nach einer bestimmten Zeitspanne die Signalfrequenz auf die Motor-Betriebsfrequenz erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Starten von wenigstens zwei Wechselstrommotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Motore nacheinander gestartet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2 zum Starten der beiden Mehrphasen-Wechselstrommotore für den Antrieb des Lot- bzw. des Kurskreisels einer Trägheitsplattform, welche von einer Speiseschaltung mit mehreren mit wellenförmigen Steuersignalen der Motor-Betriebsfrequenz beaufschlagten Schaltern zur Umwandlung der Gleichspannung der Gleichspannungsbzw. Gleichstromquelle in eine rechteckwellenförmige Wechselspannung gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Steuersignale (480 Hz/O°, 480 Hz/90°, 4βΟ Hz/180°, 480 Hz/27O°) vermindert wird, daß eine erste Ihasenwicklung (29 bzw. 31) jedes der beiden Motore mit der verminderten Frequenz erregt wird, daß die anderen Hiasenwicklungen (33» ···) eines der Motore über eine bestimmte Zeitspanne mit der verminderten Frequenz er-

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regt werden, daß dann diese anderen Phasenwicklungen (33, ...) wieder abgeschaltet und die anderen Phasenwicklungen (35, ·♦·) des zweiten Motors mit der verminderten Frequenz erregt werden, und daß nach einer weiteren bestimmten Zeitspanne alle Wicklungen (29, 31» 33, ···, 35, ···) beider Motoren mit Betriebsfrequenz erregt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des maximalen Startstromes und -drehmomentes eine Gleichspannungsbzw. Gleichstromquelle (17) niit Strombegrenzung verwendet
5- Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein kristallgesteuerter Taktgeber, eine Abzähllogik zur Aufteilung der Taktgeberfrenuenz und Erzeugung von mehreren, vorzugsweise vier wellenförmigen, gegenseitig phasenverschobenen, vorzugsweise um jeweils 90° versetzten Steuersignalen mit Betriebsfrequenz und jeweils einer einen Bruchteil, vorzugsweise die Hälfte der Gesamtperiodendauer bei Betriebsfrequenz ausmachenden Periodendauer aus den Taktgebersignalen, eine Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle und eine Speiseschaltung zur Umwandlung der von der Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle empfangenen, positiven und negativen Gleichspannungen in rechteckwellenförmige Wechselspannungen entsprechend den Steuersignalen vorgesehen sind, gekennzeichnet durch Schaltglieder (51, 53) zur Erzeugung von entsprechend vielen weiteren Steuersignalen (240 Hz/O°, 240 Hz/9O°, 240 Hz/180°, 240 Hz/270⁰) niedrigerer Frequenz, jedoch mit derselben gegenseitigen Phasenlage, aus den ersten Steuersignalen (480 Hz/O°, 480 Hz/90°, 480 Hz/ 180°, 480 Hz/270⁰), mehrere mit den ersten und den weiteren

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Steuersignalen beaufschlagte, ausgangsseitig an die Speiseschal tung (27) angeschlossene, logische Schaltglieder (56 bis 63, 65 bis 68) und einen Steuersignalfolgegeber (23) zur Steuerung der logischen Schaltglieder (56 bis 63, 65 bis 68) derart, daß zunächst die weiteren Steuersignale niedrigerer Frequenz während einer bestimmten Zeitspanne und dann die ersten Steuersignale mit Betriebsfrequenz zur Speiseschaltung (27) gelangen.
6. Schaltung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß als logische Schaltglieder mehrere UND-Gatter (56 bis 63) und mehrere ODER-Gatter (65 bis 68) vorgesehen sind, wobei jeweils zwei mit einem der ersten Steuersignale (480 Hz/0°, 480 Hz/90°, 480 Hz/180°, 480 Hz/270⁰) der Betriebsfrequenz bzw. mit einem der zweiten Steuersignale (240 Hz/0°, 240 Hz/90°, 240 Hz/180°, 240 Hz/270°) niedrigerer Frequenz beaufschlagte UND-Gatter (56 und 57, 58 und 59, 60 und 61, 62 und 63) ausgangsseitig an die beiden Eingänge eines ODEH-Gatters (65 bzw. 66 bzw. 67 bzw. 68) und die ODER-Gatter (65 bis 68) ausgangsseitig an die Speiseschaltung (27) angeschlossen sind, und wobei ferner ein ausgangsseitig mit dem zweiten Eingang jedes der mit einem zweiten Steuersignal (240 Hz/O°, 240 Hz/90°» 240 Hz/180°, 240 Hz/27O°) niedrigerer Frequenz beaufschlagten UND-Gatter (57» 59, 61, 63) verbundener Inverter (75) vorgesehen ist, welcher eingangsseitig zusammen mit den restlichen UND-Gattern (56, 58, 60, 62) an deren jeweiligem zweiten Eingang mit einem Steuersignal (D 6) des Steuersignalfolgegebers (23) beaufschlagbar ist.
7. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6 für zwei Wechselstrommotore, dadurch gekennzei chnet, daß der Steuersignalfolgegeber (23) zur Abgabe von vier aufeinanderfolgenden Steuersignalen (D 10, D 12, D 8, D 6) zum Anschal-

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ten der Gleichspannungs- bzw. Gleichstromquelle (17) an die Speiseschaltung (27) bzw. zum Einschalten des einen Motors über Schalter (S 1 bis S 10) und UND-Gatter (37 bis 40) der Speiseschaltung (27) bzw. zum Einschalten des zweiten Motors über die Schalter (S 1 bis S 10) und die UND-Gatter (37 bis 40) der Speiseschaltung (27) bzw. zum Umschalten der logischen Schaltglieder bzw. UND-Gatter (56 bis 63) ausgebildet ist.
8. Schaltung nach Anspruch 7i gekennzeichnet durch einen Inverter (70) und ein eingangsseitig mit dessen Ausgang verbundenes, invertierendes UND-Gatter (72), wobei der Inverter (70) mit dem vierten Steuersignal (D 6) und das UND-Gatter (72) am zweiten Eingang mit dem dritten Steuersignal (D 8) vom Steuersignalfolgegeber (23) beaufschlagbar sind, und wobei das UND-Gatter (72) ausgangsseitig mit dem zweiten Steuersignal (D 12) des Steuersignalfolgegebers (23) derart verknüpft ist, daß das der Speiseschaltung (27) zugeführte zweite Steuersignal (D 12) bei Auftreten des dritten Steuersignals (D 8) unwirksam und bei Auftreten des vierten Steuersignals (D 6) wieder wirksam wird.
9. Schaltung nach Anspruch % 6» 7 oder 8 für zwei Wechselstrommotore mit jeweils zwei Phasenwicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseschaltung (27) Schalter (S 1 bis S 10) sowie UND-Gatter (37 "bis 40) zur Abschaltung wenigstens einer der beiden Wicklungen (29 und 33 bzw. 31 und 35) Jedes der beiden Motore aufweist, und daß der Steuersignalfolgegeber (23) zur Abgabe von Steuersignalen (D 10, D 12, D 8, D 6) für das aufeinanderfolgende Einschalten der beiden Wicklungen (29 und 33) eines Motors während einer bestimmten Zeitspanne, dann Abschalten einer Wicklung (33) dieses Motors und Einschalten der beiden Wicklungen (31 und 35) des zweiten Motors, und Wiedereinschalten

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der Wicklung (33) des ersten Motors nach einer bestimmten Zeitspanne sowie vor Beaufschlagung der Speiseschaltung (27) mit den ersten Steuersignalen (480 Hz/O°, 480 Hz/90°, 480 Hz/180°, 480 Hz/270⁰) mit Betriebsfrequenz ausgebildet ist.

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