DE2904610C2 - Motorsteuerschaltung zum Steuern der Stromversorgung eines Gleichstrommotors - Google Patents

Motorsteuerschaltung zum Steuern der Stromversorgung eines Gleichstrommotors

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Description

dadurch gekennzeichnet,
(e) daß der Zerhackerkreis (14) eine zwischen den Anoden von Haupt- und Hilfslhyristor (15, 16) liegende Diode (22) enthält, und
(f) daß der Slromtransformator (18) eine dritte Wicklung (183) aufweist, die in Reihe mit dem Gleichstrommotor und der Freilaufdiode (13) in einem geschlossenen Kreis liegt, wenn der Zerhackerkreis (14) gesperrt ist, und die bewirkt, daß Strom durch die zweite Wicklung (182) zum Aufladen des Kondensators (17) fließt.
2. Motorsteuerschaltnng nach Anspruch 1, 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).
3. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit gleicher Polarität in Serie liegenden ersten und dritten Wicklungen (181, 183) des Stromtransformators (18) zwischen dem Zerhackerkreis (14) 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 (F ig. 6).
Die Erfindung bezieht sich auf eine Motorsteuerschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
In den letzten Jahren sind Schaltungen zum Steuern der Stromversorgung von Gleichstrommotoren entwikkelt worden, bei denen die Spannung an den Motor über einen mit Thyristoren arbeitenden Zerhackerkreis mit vorgegebener Periode intermittierend angelegt wird, wodurch der Spannungsmittelwert auf einem gewünschten Wert gehalten wird.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 23 47 859 ist eine Motorsteuerschaltung der eingangs bezeichneten Gattung bekannt, bei der vor dem Löschen eines Leistungsthyristors ein Hilfsthyristor eingeschaltet wird, um einen zu diesen beiden Thyristoren parallelgeschalteten Kondensator aufzulader, wobei der Ladestrom durch die Sekundärwicklung eines Stromtransformators fließt. Sodann wird ein zwischen der Primärwicklung des StromtransformaJors und der Parallelschaltung aus dem Hilfsthyristor und dem Kondensator liegender Kommutierungsthyristor eingeschaltet, wobei der Leistungsthyristor nichtleitend gemacht wird. Der die Sekundärwicklung des Stromtransformators, den Hilfsthyristor und den Kondensator durchsetzende Ladestrom ist dabei in Abhängigkeit vom Stromfluß durch die Primärwicklung begrenzt.
Obwohl der Kondensator über den Kommutierungsthyristor voraufgeladen wird, wenn der Leistungsthyristor 18 gesperrt ist, kann die maximale Ladespannung am Kondensator die Spannung der Stromquelle praktisch nicht überschreiten, sofern nicht die Primärwicklung des Stromtransformators eine hohe Induktanz aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Motorsteuerschaltung der eingangs bezeichneten Gat-
*5 lung derart weiterzubilden, daß sie bei sonst gleicher Funktion mit einem kleineren Kondensator zur Kommutierung auskommt.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im
Kennzeicheiiicil des Patentanspruchs 1 angegeben.
4» Danach wird der Kondensator, wenn die beiden parallel zu ihm liegenden Thyristoren gesperrt sind, auf eine höhere Spannung aufgeladen, wobei der Ladestrom durch die Diode und die zweite Wicklung in den Kondensator fließt. Aufgrund der höheren Ladespannung kann der Kondensator mit entsprechend kleinerer Kapazität ausgelegt sein.
Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung gegenüber der oben beschriebenen bekannten Schaltung besteht darin, daß sie mit einem Thyristor weniger auskommt und die Zerhacker-Steuerschaitung dementsprechend einfacher ist.
Aus der deutschen Auslegeschrift Nr. 23 48 952 ist zwar eine Motorsteuerschaltung zum Steuern der Stromversorgung eines Gleichstrommotors bekannt, bei der ein zu einem Thyristor parallelgeschalteter Kondensator auf eine Spannung aufgeladen werden kann, die größer ist als die Spannung einer Stromquelle. Dort wird jedoch der Kondensator nur während des Einschalt-Zustandes des Thyristors, nicht jedoch dessen Abschalt-Zustand geladen. Infolgedessen mui'3 die mit dem Kondensator in Serie liegende Wicklung des Stromtransformators eine hohe Induktivität aufweisen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Bevorzugte Ausführungsbcispiclc der Erfindung werden nachstehend anhand dei Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 ein Schaltbild einer Motorsicuerschaltung.
Fig.2(A) bis 2(F) Impulsdiagramme von Strom, Spannung und Magnetfluß an verschiedenen Stellen des Zerhackerkreises in der Motorsteuerschaltung nach Fig. 1,
F i g. 3 die Magnetfluß/Strom-Kennlinie eines in dem Stromtransformator der Schaltung na^h F i g. 1 verwendeten sättigbaren Kerns und
F i g. 4 eine Variante der Motorsteuerschaltung nach Fig. 1.
Gemäß Fig. 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 Es über einen Zerhackerkreis 14 mit Strom gespeist, wobei dann. '.5 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 1? und einen sättigbaren Stromtransformator 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 Diod<- 13 einen geschlossenen Kreis bildet. In Fig. 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 Fs angeschlossen ist. Die Kathode des Hüfsthyristors 16 ist mit der des Hauptthyrislors 15 verbunden. Die Anode des Hüfsthyristors 16 ist über eine in Durchlaßrichtung liegende Diode 22 mit der Anode des Hauptthyristors 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 Hilfsthyristör 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 nichtleitenden Zustände gesteuert. Die Zerhacker-Steuerschaltung 100 erhält aus einem Stromtransformator 27 ein Stromsignal CS und aus einem Spannungsdetektor 28 ein Hilfsthyristor-Spannungssignal νΛγ. 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 F i g. 2(a) bis 2(f) erläutert werden. Bevor der Hauptthyristor 15 zum Zeitpunkt t 1 eingeschaltet wird, wird der Kondensator 17 auf die Spannung Vma\ aufgeladen. Der Verlauf der Spannung VCI> am Kondensator 17 ist in F i g. 2(a) gezeigt. Theoretisch läßt sich die am aufgeladenen Kondensator 17 auftretende Spannung Vf 0 zwar als Vc n = Es ausdrücken: in einer tatsächlichen Schaltung wird die Spannung VCo jedoch größer als Es Auch dies wird weiter unten näher erläutert.
Wird der Hauptthyristor 15 zum Zeitpunkt r 1 eingeschaltet, so beginnt ein Strom /Vi, dessen Amplitude gleich der des Zerhackerstromes iCh ist, durch den Hauptthyristor 15 zu fließen, was in Fig. 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 VMAX(> Es)erhalten bleibt, bis der Hilfsthyristor
16 zum Zeitpunkt r2 einschaltet. In diesem Moment beginnt der Kondensator 17 sich über den Hilfsthyristor 16 zu entladen, so daß Entladestrom fließt. Da der in F i g. 2(e) gezeigte Zerhackerstrom icn die dritte Wicklung 183 und die erste Wicklung 181 durchsetzt, entsteht gemäß Fig. 2(b) in der zweiten Wicklung 182 des Stromtransformators 18 ein Impuls des Entladestroms /0. Die Amplitude dieses Entladestroms /0 läßt sich durch die Gleichung
"J=
-/V 3
Nl
ausdrucken, 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 Fig. 3 ist der Magnetfluß Φ des sättigbaren Eisenkerns 21 des Transformators 18 über dem Strom / aufgetragen. Beim Einschalten des Hüfsthyristors zum Zeitpunkt f2 wird also die Spannung Vco am Kondensator 27 an die zweite Wicklung 182 angelegt. Der Impuls des durch die obige Gleichung (1) beschriebenen Stromes ίο durchsetzt die zweite Wicklung 182 als Entladestrom des Kondensators 17, wobei die Spannung Vco am Kondensator 17 abnimmt. Infolge des Entladestromflusses durch die zweite Wicklung 182 wird gleichzeitig der Magnetfluß des Eisenkerns 21 aus der positiven Sättigung Φρ in Richtung der negativen Sättigung Φν geführt. Zum Zeitpunkt (3 wird die Spannung V(-o Null, und der Magnetfluß Φ erreicht fast den negativen Sättigungswert ΦΝ. Wie jedoch in Fig. 2(b) gezeigt, fließt der Strom /ο 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 Φρ erreicht, da der Eisenkern 21 des Transformators 18 während dieser Periode nicht gesättigt ist. Infolgedessen wird der Kondensator 17 durch den Ladestrom ίο mit entgegengesetzter Polarität aufgeladen. Der Magnetfluß Φ wird zurückgeführt, und zum Zeitpunkt (4, wenn der Magnetfluß wieder seinen positiven Sättigungswert Φρ erreicht, wird die Induktanz der 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 Vco am Kondensator 17 wird dem Haupt- und dem Hilfsthyristor 15, 16 zugeführt. Geiiiäß F i g. 2(c) und 2(d) nimmt der Strom /V 2 durch den Hilfsthyristor 16 bis zum Zeitpunkt f 5 auf Null ab, zu dem der Strom kt, mit dein der LC-Resonanzkreis schwingt, zu Null wird. Der den Hauptthyristor 15 durchsetzende Strom /Vi nimmt bis zum Zeitpunkt tS
auf Null ab, zu dem der Strom /o gleich dem Zerhackerstrom umgekehrter Polarität (—;>·//) wird. Die Thyristoren 15 und 16 schalten also nacheinander ab.
Der in Fig. 2(e) gezeigte Zerhackerstrom im fließt jedoch weiterhin durch die Diode 22 und die zweite r> Wicklung 182 in den Kondensator 17, bis dieser zum Zeitpunkt /7 auf die Spannung Vcuama aufgeladen ist. Zum Zeitpunkt /7 wird der Zerhackerstrom iai klein, und der durch den Motor 10 fließende Strom beginnt auch die Diode 13 zu durchsetzen. Diese durch die erste K) und die zweite Wicklung 181 und 182 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 183 des Transformators 18 durchsetzt. Die von dem ι r' Stromfluß durch die dritte Wicklung 183 erzeugte magnetomotorische Kraft führt den Magnetfluß Φ des Eisenkerns 21 von dem positiven Sättigungswert Φρ in Richtung der negativen Sättigung Φμ Infolge der stromtransformierenden Wirkung des Transformators 18. d. h. weil der Eisenkern 21 während der Periode (7 7-/8) nicht gesättigt wird, fließen Ströme durch die erste Wicklung 181 und die zweite Wicklung 182. Die Amplitude iw dieser Ströme läßt sich durch die Gleichung
'H =
Λ'3
n\+ni
Ί/ =
/V3
N1+N2
(2)
beschreiben, wobei i'm den durch den Motor 10 fließenden Strom bezeichnet, dessen Amplitude gleich der des Zerhackerstroms icn ist.
Diese die erste und die zweite Wicklung 181, 182 durchsetzenden Ströme nehmen zum Zeitpunkt /8 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 VMAx weiter aufgeladen wird. Die Spannung Vmax läßt sich durch die Gleichung
V\u Y -
/V3
/8-/7
NI+Nl
ausdrücken, in der (tS— /7) Periode angibt, in der der Strom /win den Kondensator 17 fließt, während Co die Kapazität des Kondensators 17 angibt. Zum Zeitpunkt /8 schaltet somit der Zerhackerkreis 14 ab.
In einer tatsächlichen Schaltung wird der Kondensator 17 auf die Spannung Vcihm.v 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 Es- Angenommen, die erwähnte Induktanz beträgt L', so erhält man für die Über-Ladespannung Vco*M.*am Kondensator 17 folgenden Ausdruck:
(4)
In dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbcispiel wird gemäß Gleichung (3) durch den transformierten Strom iw, der während der Periode (7 7-/8), in der der Magnetfluß Φ von dem positiven Sättigungswert Φρ zum negativen Φν abnimmt, die zweite Wicklung 182 durchsetzt, der Kondensator 17 der kommutierenden Schaltungselemente auf die Spannung \'ΜΛ\ aufgeladen, die um den Spannungswert
/V3
N1+N2
hu ■ ■
/8-/7
C0
größer ist als die Über-Ladespannung V'<-ojimv Daher läßt sich die zum Abschalten der Thyristoren 15 und 16 erforderliche Energie vollständig in den Kondensator 17 speichern, dessen Kapazität verhältnismäßig kleiner ist als in herkömmlichen Zerhackerkreisen.
Wie ferner aus Gleichung (3) hervorgeht, läßt sich die Über-Ladespannung Vm-χ am Kondensator dadurch auf einen gewünschten Wert einstellen, daß für die erste, die zweite und die dritte Wicklung 181, 182 und 183 jeweils geeignete Windungszahl 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 G> insofern eine Grenze gibt, als der Kondensator 17 genügend Kapazität aufweisen muß, um die Abschaltung der Thyristoren 15 und 16 vollständig durchzuführen. Das in F i g. I gezeigte Ausführungsbeispiel läßt sich in effektiver Weise auch bei einer Gleichspannungsquclle mit starken Spannungsschwankungen, etwa einer Batterie-Energiequelle mit Spannungsschwankungen von +20% bis -50%, verwenden. In diesem Fall wird es wegen der Spannungsschwankungen der Spannungsquelle Es infolge des die zweite Wicklung 182 während der Periode (t 7 — /8) durchsetzenden transformierten Stromes iw unnötig, die Kapazität Co des Kondensators 17 groß zu machen. Der Spannungswert
Λ'3
.V 1 + .V 2
■ ich ■ ■
/8-/7
C1,
gemäß dem zweiten Ausdruck der Gleichung (3) wird dabei so bestimmt, daß er die der Spannungsschwankung in der Spannungsquelle Es zuzuschreibende abnehmende .Spannungskomponente bei der niedrigsten Versorgungsspannung kompensiert.
Bei der in Fig.4 gezeigten Variante des Zerhackerkreises nach Fig. 1 ist die dritte Wicklung 183 des sättigbaren Stromtransformators 18 derart vorgesehen, daß sie vom Motorstrom /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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Motorsteuerschallung zum Steuern der Stromversorgung eines Gleichstrommotors (10) aus einer Stromquelle, enthaltend
(a) einen Zerhackerkreis (14), der in Serie mit dem Motor (10) an die Stromquelle (Es) angeschlossen ist und einen Hauptthyristor (15), einen dazu parallelgeschalteten Hilfsthyrisior (16) und einen zu den Thyristoren (15, 16) 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-Steuers-haltung (100) zum Steuern der Arbeitsphase des Zerhackerkreises (14) in Abhängigkeit von einem Stromsignal, und
(d) einen sättigbaren Stromtransformator (18) mit einer ersten Wicklung (181), die mindestens einen Teil des durch den Motor (10) fließenden Stromes führt, und einer zweiten Wicklung (182), die in Reihe mit dem Kondensator (17) in einem geschlossenen Kreis liegt, wenn der Hilfsthyristor (16) des Zerhackerkreises (14) stromdurehlässig geschaltet ist,
DE2904610A 1978-02-08 1979-02-07 Motorsteuerschaltung zum Steuern der Stromversorgung eines Gleichstrommotors Expired DE2904610C2 (de)

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