DE2904610A1

DE2904610A1 - Motorsteuerschaltung mit einem thyristor-zerhacker

Info

Publication number: DE2904610A1
Application number: DE19792904610
Authority: DE
Inventors: Michimasa Horiuchi; Masahiko Ibamoto; Ibaraki Katsuta; Hiroshi Narita; Hideaki Rokutan
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-02-08
Filing date: 1979-02-07
Publication date: 1979-08-09
Also published as: DE2904610C2; FR2417209B1; FR2417209A1; GB2017429A; US4284934A; GB2017429B

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Motorsteuerung und betrifft insbesondere eine verbesserte Motorsteuerschaltung mit Thyristorzerhacker.

In den letzten Jahren sind Schaltkreise zur Steuerung der Stromversorgung für Elektromotoren vorgeschlagen worden, bei denen die Spannung an den Motor über einen mit Thyristoren oder Leistungstransistoren arbeitenden Zerhackerkreis mit vorgegebener Periode intermittierend angelegt wird, wobei der Spannungsmittelwert auf einem gewünschten Wert gehalten wird.

In einer derartigen Steuerschaltung ist es außer der Verringerung der Größe erwünscht, daß die Arbeitsphase des Zerhackerkreises, d.h. das Verhältnis der leitenden Zeitspanne zur Summe aus leitender und nichtleitender Zeitspanne, über einen weiten Bereich steuerbar ist.

In der am 28. August 1978 auf den Namen von H. Narita u.a. mit übertragung auf die Anmelderin hinterlegten USA-Patentanmeldung mit dem Titel "A Motor Control Apparatus with an Improved Thyristor Chopper Circuit" ist eine Motorsteuerung zur Stromversorgung eines Elektromotors aus einer Gleichstromquelle über einen Thyristorzerhacker beschrieben. Der Thyristorzerhacker liegt dabei zwischen den Klemmen der Gleichstromquelle in Serie mit dem Elektromotor und weist Haupt- und Hilfsthyristoren auf. Parallel zum Hilfsthyristor liegt eine Serienschaltung aus einem Kondensator und einer Drossel, die kommutierende Schaltungselemente bilden. Die oszillierende Serienschaltung erzeugt einen Stromimpuls durch eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode, um den Hauptthyristor abzuschalten, wenn der Hilfsthyristor eingeschaltet wird. Ferner ist ein sättigbarer Stromtransformator vorgesehen, durch dessen Primärwicklung der Zerhackerstrom fließt, während die Sekun-

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därwicklung des Transformators als Reaktanz der kommutierenden Schaltungselemente arbeitet. Der die Sekundärwicklung durchsetzende Strom hängt daher von dem durch die Primärwicklung fließenden Zerhackerstrom ab.

Zum weiteren Stand der Technik wird auf folgende Veröffentlichungen hingewiesen:

(1) R.E. Morgan, "Time Ratio Control with Combined SCR and SR Commutation", in der Zeitschrift "IEEE Trans, on Communications and Electronics", Band 83, Seiten 366-371, Juli 1964.

In diesem Artikel ist ein Kommutierungskreis für eine Zeitverhältnissteuerung beschrieben, bei der ein steuerbarer Hilfs-Siliziumgleichrichter und ein Siliziumgleichrichter kombiniert sind. Dieser Kommutierungskreis führt zu einer Verringerung von Kosten und Größe des steuerbaren Hilfs-Siliziumgleichrichters. Er weist jedoch insofern Nachteile auf, als zwei Drosselarten L„ und SR^, erforderlich sind, von denen die erstere eine verhältnismäßig hohe Induktanz hat und es sich bei der letzteren um eine sättigbare Drosselspule handelt; nachteilig ist ferner, daß der den steuerbaren Hilfs-Siliziumgleichrichter durchsetzende Kommutierungsstrom stets durch einen Kondensator C_c und die Drossel L_c, die die kommutierenden Schaltungselemente darstellen, bestimmt wird.

(2) W. McMurry, "Silicon-Controlled Rectifier D-C to D-C Power Converters" in "IEEE Trans, on Communication and Electronics", Band 83, Seiten 198-203, März 1964. Diese Artikel beschreibt verschiedene Arten der Verwendung von sättigbarer· Transformatoren in steuerbaren Siliziumgleichrichtern·

(3) USA-Patentschrift 3 875 486. Diese Schrift zeigt einen Jone-Zerhackerkreis mit Transformator. Der Jone-Zerhacker unterscheidet sich jedoch von einem gewöhnlichen Zerhackerkreis in Aufbau und Arbeitsweise.

(4) USA-Patentschrift Nr. 3 903 465. Bei dieser Zerhackersteuerung ist ein Sperrkreis vorgesehen, der verhindert, daß das Zerhacker-Aussignal an den Zerhacker angelegt wird.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Motorsteuerung

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mit einem verbesserten Zerhackerkreis vorzusehen, wobei eine relative Verringerung in der Größe der kommutierenden Schaltungselemente, insbesondere in der Größe der kommutierenden Kapazität, erreicht wird. Ziel der Erfindung ist es weiterhin, eine Motorsteuerung zu schaffen, bei der sich die Drehzahl des Elektromotors über einen verhältnismäßig weiten Bereich steuern läßt.

Die erfindungsgemäße Motorsteuerschaltung weist dazu einen Zerhackerkreis auf, in dem Haupt- und Hilfsthyristoren sowie kommutierende Schaltungselemente, die eine Serienschaltung aus einem Kondensator und einer Drosselspule umfassen, parallelgeschaltet sind, wobei ferner ein sättigbarer Stromransformator mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Wicklung vorgesehen ist, wobei die erste Wicklung vom Motor- oder Zerhackerstrom durchflossen wird und die zweite Wicklung als Drossel der kommutierenden Schaltungselemente arbeitet, während die dritte Wicklung bei Sperrung des Zerhackers in einem geschlossenen Kreis liegt, und wobei der kommutierende Kondensator ferner durch Strom aufgeladen wird, der in Abhängigkeit von dem die dritte Wicklung durchsetzenden Strom transformiert wird.

Die Motorsteuerschaltung weist gegebenenfalls ferner eine Zerhackersteuerung auf, bei der die Kommutierungsperiode des Zerhackerkreises erfaßt und die Zeit des Zerhacker-Ein-Signals nach der erfaßten Kommutierungsperiode eingestellt wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Figur 1 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Motorsteuerung;

Figur 2(a) bis 2(f) Impulsdiagramme von Strom, Spannung und Magnetfluß an verschiedenen Stellen der Zerhackerkreises in der Motorsteuerung nach Figur 1 zum besseren Verständnis der Erfindung;

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Figur 3 die Magnetfluß/Strom-Kennlinie eines in dem sättigbaren Stromtransformator nach Figur 1 verwendeten sättigbaren Kerns;

Figur 4 ein schematisches Schaltbild des in Figur 1 gezeigten Zerhacker-Steuerkreises; Figur 5(a) bis 5(h) Impulsdiagramme der elektrischen Größen

an verschiedenen Stellen des Zerhacker-Steuerkreises nach Figur 4; und

Figur 6 eine Variante der Zerhackerschaltung nach Figur 1. Gemäß Figur 1 ist ein Gleichstrommotor 10 mit einer in Serie liegenden Feldwicklung 11 versehen. Parallel zu der Serienschaltung aus dem Motor 10 und der Feldwicklung 11 liegt eine Freilaufdiode 13. Der Motor 10 wird aus einer Gleichspannungsquelle Eg über einen Zerhackerkreis 14 mit Strom gespeist/ wobei dann, wenn der Zerhackerkreis 14 gesperrt ist, weiterhin Strom über die Diode 13 fließen kann.

• Der Zerhackerkreis 14 weist einen Hauptthyristor 15 und einen Hilfsthyristor 16, kommutierende Schaltungselemente mit einem Kondensator 17 und einen sättigbaren Stromtransförmator 18 auf. Der Transformator 18 enthält eine erste Wicklung 181, eine zweite Wicklung 182, eine dritte Wicklung 183 und einen diese Wicklungen magnetisch koppelnden sättigbaren Eisenkern 21 auf. Die erste Wicklung 181 und die dritte Wicklung 183 liegen in Serie, wobei der am Verbindungspunkt dieser beiden Wicklungen liegende Abgriff 184 an die Anode der Diode 13 angeschlossen ist. Die erste Wicklung 181 bildet eine Serienschaltung mit dem Zerhackerkreis 14, während die dritte Wicklung 183 mit dem Motor 10, der Feldwicklung 11 und der Diode 13 einen geschlossenen Kreis bildet. In Figur 1 ist die Polung der drei Wicklungen 181 bis 183 in üblicher Weise bezeichnet. Die Anode des Hauptthyristors 15 ist mit dem unteren Ende der ersten Wicklung 181 verbunden, während ihre Kathode an die negative Klemme der Spannungsquelle E_c angeschlossen ist. Die Kathode des Hilfsthyristors 16 ist mit der des Hauptthyristors 15 verbunden. Die Anode des Hilfthyristors 16 ist über eine in Durchlaßrichtung liegende Diode 22 mit der Anode des Haupt-

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thyristors 15 verbunden. Die kommutierenden Schaltungselemente, zu denen eine Serienschaltung aus der zweiten Wicklung 182 des Transformators 18 und dem Kondensator 17 gehören, liegen parallel zum Hilfsthyristor 16. In diesen kommutierenden Schaltungselementen arbeitet die zweite Wicklung 182 als sättigbare Drossel.

Die Haupt- und Hilfsthyristoren 15, 16 des Zerhackerkreises 14 werden durch Gate-Triggersignale GTS1 und GTS2 aus einer Zerhacker-Steuerschaltung 100 in ihre leitenden und nicht-leitenden Zustände gesteuert. Die Zerhacker-Steuerschaltung 100 erhält aus einem Stromtransformator 27 ein Stromsignal CS und aus einem Spannungsdetektor 28 ein Hilfsthyristor-Spannungssignal V _,. Der Stromtransformator 27 mißt den in den Motor 10 fließenden Strom und der Spannungsdetektor 28 die an dem Hilfsthyristor 16 auftretende Spannung. Die Zerhacker-Steuerschaltung 100 wird weiter unten im einzelnen beschrieben.

Zunächst soll die Arbeitsweise des Zerhackerkreises 14 anhand der Figuren 2(a) bis 2(f) erläutert werden. Bevor der Hauptthyristor 15 zum Zeitpunkt ti eingeschaltet wird, wird der Kondensator 17 auf die Spannung V aufgeladen. Der Verlauf der Spannung V- am Kondensator 17 ist in Figur 2 (a) gezeigt. Theoretisch läßt sich die am aufgeladenen Kondensator 17 auftretende Spannung V _ zwar als V = E_g aus-

drücken; in einer tatsächlichen Schaltung wird die Spannung V_nn jedoch größer als E_c. Auch dies wird weiter unten näher erläutert.

Wird der Hauptthyristor 15 zum Zeitpunkt ti eingeschaltet, so beginnt ein Strom i_T1, dessen Amplitude gleich der des Zerhackerstromes i_CH ist, durch den Hauptthyristor 15 zu fließen, was in Figur 2(d) gezeigt ist. Nach dem Einschalten des Hauptthyristors 15 sperrt jedoch die Diode 22 den Kondensator 17 gegen Entladung, so daß die Spannung am Kondensator 17 auf V.._ÄV(>E_C) erhalten bleibt, bis der Hilfsthyristor 16

JMAX ο

zum Zeitpunkt t2 einschaltet- In diesem Moment beginnt der

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Kondensator 17 sich über den Hilfsthyristor 16 zu entladen, so daß Entladestrom fließt. Da der in Figur 2(e) gezeigte Zerhackerstrom i_,„ die dritte Wicklung 183 und die erste Wicklung 181 durchsetzt, entsteht gemäß Figur 2(b) in der zweiten Wicklung 182 des Stromtransformators 18 ein Impuls des Entladestroms i_Q. Die Amplitude dieses Entladestroms i_ läßt sich durch die Gleichung

NI - N3 . ,.,

¹O ⁼ —N2 * ¹CH'' ⁽¹⁾

ausdrücken, worin N1, N2 und N3 die Windungszahlen der ersten, der zweiten bzw. der dritten Wicklung 181, 182 bzw. 183 des Transformators bedeuten.

In dem Diagramm nach Figur 3 ist der Magnetfluß Φ des sättigbaren Eisenkerns 21 des Transformators 18 über dem Strom i aufgetragen. Beim Einschalten des Hilfsthyristors zum Zeitpunkt t2 wird also die Spannung V_,_n am Kondensator 27 an die zweite Wicklung 182 angelegt. Der Impuls des durch die obige Gleichung (1) beschriebenen Stromes i_ durchsetzt die zweite Wicklung 182 als Entladestrom des Kondensators 17, wobei die Spannung V_CQ am Kondensator 17 abnimmt. Infolge des Entladestromflusses durch die zweite Wicklung 182 wird gleichzeitig der Magnetfluß des Eisenkerns 21 aus der positiven Sättigung Φ_ρ in Richtung der negativen Sättigung Φ geführt. Zum Zeitpunkt t3 wird die Spannung V_n Null, und der Magnetfluß Φ erreicht fast den negativen Sättigungswert Φ_Ν· Wie jedoch in Figur 2(b) gezeigt, fließt der Strom i_n weiterhin durch die zweite Wicklung 182 als Ladestrom in den Kondensator 17, nachdem dieser vollständig entladen worden ist. Dieser Stromfluß dauert an, bis der Magnetfluß Φ wieder seinen positiven Sättigungswert Φ_ρ erreicht, da der Eisenkern 21 des Transformators 18 während dieser Periode nicht gesättigt ist. Infolgedessen wird der Kondensator 17 durch den Ladestrom i_Q mit entgegengesetzter Polarität aufgeladen. Der Magnetfluß Φ wird zurückgeführt, und zum Zeitpunkt t4, wenn der Magnetfluß wieder seinen positiven Sättigungswert Φ_ρ erreicht, wird die Induktanz der

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zweiten Wicklung 182 rasch sehr klein. Dabei beginnen die kommutierenden Schaltungselemente, die die Serienschaltung aus der zweiten Wicklung 182 und dem Kondensator 17 umfassen und einen LC-Resonanzkreis darstellen, mit der Resonanzfrequenz zu schwingen. Gleichzeitig wird die Diode 22 leitend, und die umgekehrte Spannung V am Kondensator 17 wird dem Haupt- und dem Hilfsthyristor 15, 16 zugeführt. Gemäß Figur 2(c) und 2(d) nimmt der Strom i_T„ durch den Hilfsthyristor 16 bis zum Zeitpunkt t5 auf Null ab, zu dem der Strom i_o, mit dem der LC-Resonanzkreis schwingt, zu Null wird. Der den Hauptthyristor 15 durchsetzende Strom i .. nimmt bis zum Zeitpunkt t6 auf Null ab, zu dem der Strom i_Q gleich dem Zerhackerstrom umgekehrter Polarität (-i_„) wird.

v, ti

Die Thyristoren 15 und 16 schalten also nacheinander ab. Der in Figur 2(e) gezeigte Zerhackerstrom i_c fließt jedoch weiterhin durch die Diode 22 und die zweite Wicklung 182 in den Kondensator 17, bis dieser zum Zeitpunkt t7 auf die Spannung ^V _COMAX aufgeladen ist. Zum Zeitpunkt t7 wird der Zerhackerstrom i„„ klein, und der durch den Motor 10

l-ti

fließende Strom beginnt auch die Diode 13 zu durchsetzen. Diese durch die erste und die zweite Wicklung 181 und fließenden Ströme nehmen auf Null ab, während der Strom, der durch den von dem Motor 10 und der Diode 13 gebildeten geschlossenen Kreis fließt, weiterhin die dritte Wicklung des Transformators 18 durchsetzt. Die von dem Stromfluß durch die dritte Wicklung 183 erzeugte magnetomotorische Kraft führt den Magnetfluß Φ des Eisenkerns 21 von dem positiven Sättigungswert Φ_ρ in Richtung der negativen Sättigung <f> Infolge der stromtransformierenden Wirkung des Transformators 18, d.h. weil der Eisenkern 21 während der Periode (t7-t8) nicht gesättigt wird, fließen Ströme durch die erste Wicklung 181 und die zweite Wicklung 182. Die Amplitude i„ dieser Ströme läßt sich durch die Gleichung

ι = N3 η = N3 . .,.

W N1 + N2 * M N1 + N2 ' ¹CH; ^K '

beschreiben, wobei i_M den durch den Motor 10 fließenden Strom

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bezeichnet, dessen Amplitude gleich der des Zerhackerstroms ¹CH ^iSt-

Diese die erste und die zweite Wicklung 181, 182 durchsetzenden Ströme nehmen zum Zeitpunkt t8 auf Null ab, wenn der Magnetfluß Φ des Transformators 18 seinen negativen Sättigungswert Φ_Ν erreicht. Der die zweite Wicklung 182 durchsetzende Strom fließt dabei in den Kondensator 17, so daß dieser wieder bis auf die Spannung V₁^_x weiter aufgeladen wird. Die Spannung V läßt sich durch die Gleichung

V =V + —^ -i · ^t8 " ^t7 . (3)

^IU MAX COMAX N1 + N2 M ^Co '

ausdrücken, in der (t8 - t7) diejenige Periode angibt, in der der Strom i_w in den Kondensator 17 fließt, während C_Q die Kapazität des Kondensators 17 angibt. Zum Zeitpunkt t8 schaltet somit der Zerhackerkreis 14 ab. In einer tatsächlichen Schaltung wird der Konensator auf die Spannung V_,__Ma aufgeladen, die aufgrund der Impedanz, die der in den Kondensator 17 fließende Ladestrom durchsetzt, d.h. der Impedanz der zweiten Wicklung 182, der Verdrahtung der Schaltung usw., größer ist als die Quellenspannung Eg. Angenommen, die erwähnte Induktanz betrag L¹, so erhält man für die Über-Ladespannung ^v _COMAy ^am Kondensator 17 folgenden Ausdruck:

^VC0MAX = ^ES ^{+ 1}CH *

In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird gemäß Gleichung (3) durch den transformierten Strom i„, der während der Periode (t7 - t8), in der der Magnetfluß Φ von dem positiven Sättigungswert Φ_ρ zum negativen Φ-j abnimmt, die zweite Wicklung 182 durchsetzt, der Kondensator 17 der kommutierenden Schaltungselemente auf die Spannung V _ÄV auf-

N3 t8—t/

geladen, die um den Spannungwert ( · ί_ητ, · —p;—) größer

JN I + IN^: L»ri Π

ist als die Über-Ladespannung V₀₇. .Daher läßt sich Sie zum Abschalten der Thyristoren 15 und 16 erforderliche Energie

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vollständig in den Kondensator 17 speichern, dessen Kapazität verhältnismäßig kleiner ist als in herkömmlichen Zerhackerkreisen.

Wie ferner aus Gleichung (3) hervorgeht, läßt sich die Uber-Ladespannung V , am Kondensator dadurch auf einen

WAX

gewünschten Wert einstellen, daß für die erste, die zweite und die dritte Wicklung 181, 182 und 183 jeweils geeignete Wicklungszahlen gewählt werden. Auf diese Weise läßt sich eine verhältnismäßige Verringerung der Kapazität C_ des Kondensators 17 erreichen. Zu beachten ist jedoch, daß es für die Verringerung der Kapazität C₀ insofern eine Grenze gibt, als der Kondensator 17 genügend Kapazität aufweisen muß, um die Abschaltung der Thyristoren 15 und 16 vollständig durchzuführen. Das in Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispiel läßt sich in effektiver Weise auch bei einer Gleichspannungsquelle mit starken Spannungsschwankungen, etwa einer Batterie-Energiequelle mit Spannungsschwankungen von +20 % bis -50 %, verwenden. In diesem Fall wird es wegen der Spannungsschwankungen der Spannungsquelle E_g infolge des die zweite Wicklung 182 während der Periode (t7-t8) durchsetzenden transformierten Stromes i_w unnötig, die Kapazität C_Q des Kondensators 17 groß zu

machen. Der Spannungswert · i ·— gemäß dem

zweiten Ausdruck der Gleichung (3) wird dabei so bestimmt, daß er die der Spannungsschwankung in der Spannungsquelle E_g zuzuschreibende abnehmende Spannungskomponente bei der niedrigsten Versorgungsspannung kompensiert.

Im folgenden werden als Beispiel Einzelheiten des Zerhackerkreises bei Anwendung in einer Motorsteuerung für einen Gabelstapler beschrieben. Die Motorsteuerung arbeitet dabei mit einer Quellen-Gleichspannung E₀ = 36 V und steuert den Motorstrom über einen Bereich von 50 A bis 600 A. Der Kondensator 17 in dem Zerhackerkreis hat eine Kapazität von 170 pF. Der sättigbare Stromtransformator 18 hat folgende Werte:

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Material des Ring-Eisenkerns 21: Siliziumsirahl;

— 4 2 Querschnitt des Eisenkerns 21: 5 χ 10 m ; Windungszahl N1 der ersten Wicklung 181: 5; Windungszahl N2 der zweiten Wicklung 182: 7; Windungszahl N3 der dritten Wicklung 183: 1.

Der in Figur 1 gezeigte Zerhackerkreis 14 weist jedoch den Mangel auf, daß die steuerbare Arbeitsphase der Zerhackerkreises, d.h. das Verhältnis der leitenden Periode TI zur Summe aus der leitenden und der nicht-leitenden Periode T, verhältnismäßig schmal wird. Wie nämlich aus den Impulsdiagrammen der Figuren 2(a) bis 2(f) hervorgeht, umfaßt die kommutierende Periode T2 eine Periode (t7-t8) während der der Kondensator 17 von der Spannung V__{n Ä} durch den oben erwähnten transformierten Strom i_w auf die Spannung Vvjay weiter aufgeladen wird, ferner eine Periode (t2-t5), während der der Strom i durch den Hilfsthyristor 15 fließt, eine Periode ft5-t6), während der der Hauptthyristor 15 abgeschaltet ist, sowie eine Periode (t6-t7), während der der Kondensator 17 auf die Spannung VpQMAY aufgeladen wird.

In Figur 4 sind Einzelheiten der Zerhacker-Steuerschaltung 100 gezeigt, mit der sich der genannte Mangel beseitigen läßt. Gemäß Figur 4 umfaßt die Zerhacker-Steuerschaltung 100 einen Vergleicher 110, an dessen negativem Eingang das Stromsignal CS aus dem Stromtransformator 27 liegt. Dem positiven Eingang des Vergleichers 110 wird ein Stromsollwertsingal CIS züge-" führt, das von einem (nicht gezeigten) Sollwertgeber erzeugt wird. Dieser Strom-Sollwertgeber kann beispielsweise aus einem Potentiometer zur Erzeugung eines Signals aufgebaut sein, dessen Spannungswert von der Stellung des Potentiometerabgriffs abhängt. Durch Vergleich des Sollwertsignals CIS mit dem Stromsignal CS erzeugt der Vergleicher 110 ein Differenzsignal DS.

Vorgesehen ist ferner ein Oszillator 120, der ein Impulssignal PS mit vorgegebener Periode erzeugt. Das Impulssignal PS und das Differenzsignal DS aus dem Vergleicher 110 werden einem automatischen Phasenschieber 130 zugeführt, der einen

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Ausgangsimpuls w1 erzeugt. Eine Differenzierstufe 140, an der der Ausgangsimpuls w1 liegt, erzeugt an der Rückflanke des Ausgangsimpulses w1, d.h. wenn der Ausgangsimpuls w1 abfällt, ein Gate-Trigger-Signal GTS2, das dem Gate des Hilfsthyristors 16 zugeführt wird.

Ist das von dem Spannungsdetektor 28 ermittelte Hilfsthyristor-Spannungssignal V_A_ gleich oder kleiner als Null, so erzeugt ein Spannungsvergleicher 150 einen Ausgangsimpuls w2, der einem von zwei Eingängen eines UND-Gliedes 16O sowie einem Eingang eines monostabilen Multivibrators 170 zugeführt wird. Der Ausgangsimpuls w3 des Multivibrators 17 wird dem anderen Eingang des UND-Gliedes 160 zugeführt. Bei Empfang des Ausgangsimpulses w2 als Triggersignal und gleichzeitigem Anliegen des Ausgangsimpulses w3 führt das UND-Glied 160 einen Ausgangsimpuls w4 dem Steuereingang eines Verknüpfungsgliedes 180 zu. Das Verknüpfungsglied 180, an dessen Eingang der Impuls w1 liegt, führt während derjenigen Periode, in der an seinem Steuereingang kein Ausgangsimpuls w4 auftritt, einen Ausgangsimpuls w5 einer weiteren Differenzierstufe 190 zu, die an der Vorderflanke des Impulses w5, d.h. wenn dieser ansteigt, dem Gate des Hauptthyristors 15 das Gate-Triggersignal GTS1 zuführt.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der oben beschriebenen Zerhacker-Steuerschaltung 100 anhand der Figuren 5(a) bis 5(h) beschrieben werden. Der Spannungswert des Stromsignals CS ist proportional zur Amplitude des den Motor 10 durchsetzenden Motorstroms i„. Der Vergleicher 110 führt dem Phasenschieber 130 das Differenzsignal DS zwischen dem Stromsignal CS und dem Sollwertsignal CIS zu. Der Phasenschieber 130 erzeugt den Ausgangsimpuls w1, dessen Impulsbreite vom Wert des Differenzsignal DS abhängt. Der Impuls w1 ist in Figur 5(a) gezeigt. Bei Abfall des Ausgangsimpulses w1 erzeugt die Differenzierstufe 140 das in Figur 5(b) gezeigte Gate-Triggersignal GTS2. Das in Figur 5(c) gezeigte Hilfsthyristor-Spannungssignal V_AT liegt andererseits am Spannungsvergleicher 150, der den in Figur 5(d) gezeigten Ausgangsimpuls w2 erzeugt, wenn das

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Hilfsthyristor-Spannungssignal V _T gleich oder kleiner ist als Null. Dieser Impuls w2 wird dem Eingang des UND-Gliedes 160 zugeführt, wobei die Impulsbreite des Impulses w2 mit Ta bezeichnet ist. An der Rückflanke des Impulses w2 erzeugt der monostabile Multivibrator 170 den in Figur 5(e) gezeigten Ausgangs impuls w3. Die Impulsbreite Tf? des Impulses w3 wird weiter, unten im einzelnen erläutert. Wie aus Figur 5(f) hervorgeht, hat der von dem UND-Glied 160 abgegebene Ausgangsimpuls w4 eine Impulsbreite, die gleich ist der Summe Ta + Tß der Impulsbreiten der Impulse w2 und w3. Das Verknüpfungsglied 180, an dessen Eingang der Impuls w4 mit dieser Impulsbreite anliegt, führt der Differenzierstufe 190 den in Figur 5(g) gezeigten Ausgangsimpuls w5 zu, solange an seinem Steuereingang kein Impuls w4 auftritt. Die Differenzierstufe 190 erzeugt an der ansteigenden Flanke des Impulses w5 das in Figur 5(h) dargestellte Gate-Triggersignal GTS1.

In der oben beschriebenen Zerhacker-Steuerschaltung 14 wird die Impulsbreite Ta von dem Hilfsthyristor-Spannungssignal Vj.-, bestimmt, das die Spannung an dem Hilfsthyristor 16 des Zerhackerkreises 14 abbildet. Solange der Strom ±_T2 nach Erhalt des Gate-Trigger-Signals GTS2 durch den Hilfsthyristor 16 fließt, liegt die Spannung am Hilfsthyristor 16 auf Null. Bei Entladen des Kondensators 17 steigt die Spannung von einem negativen Wert auf Null und weiter auf einen positiven Wert, bis sich der Kondensator 17 auf die Spannung V _A aufgeladen hat. Die Impulsbreite Τα gibt also die Periode an, während der durch Triggerung des Hilfsthyristors 16 eine Kommutierung erfolgt. Je länger die Arbeitsphase des Zerhackerkreises 14 ist, desto kürzer ist die Kommutierungsperiode, d.h. die Impulsbreite Ta. Die Impulsbreite Tß des Ausgangsimpulses w3, d.h. die Zeitkonstante des monostabilen Multivibrators 170 bestimmt sich folgendermaßen. Da die Amplitude des die zweite Wicklung 182 durchsetzenden Stromes vom Motorstrom i abhängt, hängt auch die Periode Τγ, während der das Hilfsthyristor-Spannungssignal V_A_, von Null auf einen positiven Wert ansteigt, vom

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Motorstrom i ab. Je kleiner die Amplitude des Motorstroms ij. ist, desto länger ist die Periode Ty. Daher wird die Impulsbreite Tß des Impulses w3 auf einen Wert eingestellt, der gleich ist oder etwas größer als die Periode Ty, die bestimmt wird, wenn die minimale Amplitude des Motorstroms i_M vorliegt.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, hängt die maximale leitende Zeitspanne von der Amplitude des Motorstroms i„ ab, da die Periode Ta, während der die Kommutierung erfolgt, ermittelt und das Gate-Triggersignal GTS1 mit der Verzögerung TfJ nach Beendigung der Kommutierung erzeugt wird. Auf diese Weise wird der Bereich, über den sich die Arbeitsphase des Zerhackerkreises 14 steuern läßt, erweitert.

Bei der in Figur 6 gezeigten Variante des Zerhackerkreises nach Figur 1 ist die dritte Wicklung 183 des sättigbaren Stromtransformators 18 derart vorgesehen, daß sie vom Motorstrom i_M nur dann durchsetzt wird, wenn der Zerhackerkreis 14 gesperrt ist. Die erste und die dritte Wicklung 181, 183 sind dabei mit gleicher Polung in Serie geschaltet, wobei das obere Ende der dritten Wicklung 183 mit der Anode der Freilaufdiode 13 verbunden ist.

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PATENTANWÄLTE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 9S O1 6O, D-8OOO MDNCHEN 95

HITACHI, LTD. ^Ί' Februar 1979

DEA-5812

Motorsteuerschaltung mit einem Thyristor-Zerhacker

PATENTANSPRÜCHE 1. ) Motorsteuerschaltung zur Steuerung der Stromver-

sorgung eines Elektromotors aus einer Quelle, gekennzeichnet durch

(a) einen Zerhackerkreis (14), der in Serie mit dem Motor

(10) an die Stromquelle angeschlossen ist sowie einen Hauptthyristor (15), einen dazu parallel geschalteten Hilfsthyristor (16) und einen zu den Thyristoren (16, 17) parallelgeschalteten Kondensator (17) umfaßt;

(b) eine parallel zu dem Motor (10) liegende Freilaufdiode (13), die bewirkt, daß der Motorstrom weiterfließen kann, selbst wenn der Zerhackerkreis (14) gesperrt ist;

(c) eine Zerhacker-Steuerschaltung (100) zur Steuerung der Arbeitsphase des Zerhackerkreises (14) in Abhängigkeit von einem Stromsollwertsignal; und

(d) einen sättigbaren Stromtransformator (18) mit einer ersten

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Wicklung (181), die mindestens einen Teil des durch den Motor (10) fließenden Stromes führt, einer zweiten Wicklung (182), die in einem geschlossenen Kreis liegt, wenn der Hilfsthyristor (16) des Zerhackerkreises (14) eingeschaltet ist, und einer dritten Wicklung (183), die in dem geschlossenen Kreis liegt, wenn der Zerhackerkreis (14) gesperrt ist, und die bewirkt, daß Strom durch die zweite Wicklung (182) zur Aufladung des Kondensators (17) des Zerhackerkreises (14) fließt.
2. Motorsteuerschaltung zur Steuerung der Stromversorgung eines Elektromotors aus einer Quelle, gekennzeichnet durch

(a) einen Zerhackerkreis (14), der in Serie mit dem Motor (1o) an die Stromquelle angeschlossen ist und einen Hauptthyristor (15), einen zu diesem parallel geschalteten Hilfsthyristor (16) und einen mit den Thyristoren (16, 17) verbundenen Kondensator (17) umfaßt;

(b) eine Zerhacker-Steuerschaltung (100), die die Arbeitsphase des Zerhackerkreises (14) in Abhängigkeit von einem Stromsollwertsignal steuert; und

(c) einen sättigbaren Stromtransformator (18) mit einer ersten Wicklung (181), die in Serie mit dem Zerhackerkreis (Ί4) liegt, einer zweiten Wicklung (182), die mit dem Kondensator (17) des Zerhackerkreises (14) in Serie liegt, und einer dritten Wicklung (183), die so geschaltet ist, daß sie den durch die Freilaufdiode (13) fließenden Motorstrom führt, wenn der Zerhackerkreis (14) gesperrt ist, so daß Strom durch die zweite Wicklung

(182) zur Aufladung des Kondensators (17) des Zerhackerkreises (14) entsprechend dem die dritte Wicklung (183) durchsetzenden Strom fließt.
3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die mit entgegengesetzter Polarität in Serie geschalteten ersten und dritten Wicklungen (181, 183) des sättigbaren Stromtransformators (18) zwischen dem Zerhackerkreis (14) und dem Motor (10) in Serie liegen und daß die zweite Wicklung (182) mit der ersten Wicklung (181) in entgegengesetzter Polarität und mit der dritten Wicklung (183) in gleicher Polarität magnetisch gekoppelt ist. (Fig. 1)
4. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die mit gleicher Polarität in Serie liegenden ersten und dritten Wicklungen (181, 183) des Stromtransformators (18) zwischen dem Zerhackerkreis (14)

j und der Freilaufdiode (13) in Serie liegen und daß die zweite Wicklung (182) mit der ersten und der dritten Wicklung (181, 183) in entgegengesetzter Polarität magnetisch gekoppelt ist. (Fig. 6)
5. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Zerhacker-Steuerschaltung (100) folgende Teile umfaßt:

(A) einen Strommesser (27) zur Erfassung der momentanen Amplitude des dem Motor (10) zugeführten Stromes;

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(B) einen Vergleicher (110) zum Vergleich des Ausgangssignals des Strommessers (27) mit dem Stromsollwertsignal;

(C) eine Stufe (130, 140) zur Zuführung eines Triggersignals an das Gate des Hilfsthyristors (16) des Zerhackerkreises (14) entsprechend dem Ausgangssignal des Vergleichers (110);

(D) eine Stufe (28, 150), die die Beendigung des Kommutierungsvorgangs des Zerhackerkreises (14) feststellt;

(E) eine Stufe (160, 170) zur Verzögerung des Ausgangssignals des Vergleichers (110) um eine konstante Periode nach Beendigung des Kommutierungsvorgangs; und

(F) eine Stufe (190) zur Zuführung eines Triggersignals an das Gate des Hauptthyristors (15) des Zerhackerkreises (14) gemäß dem verzögerten Ausgangssignal des Vergleichers (110). (Fig. 4)
6. Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe zur Bestimmung der Beendigung des Kommutierungsvorgangs folgende Teile umfaßt:

(G) einen Spannungsmesser (28) zur Ermittlung der Spannung am Hilfsthyristor (16) des Zerhackerkreises (14); und

(H) einen Vergleicher (150), der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn das Spannungssignal des Spannungsmessers (28) gleich oder kleiner ist als Null.
7. Steuerschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsstufe einen monostabilen Multivibrator (170) umfaßt.

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