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Titel der Erfindung
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Elektronische Abkommutierung der Staenderwicklungen elektronisch kommutierter
Motoren.
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Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
mit Thyristor zur elektronischen Abkommutierung der Spulenenergie der Staenderwicklungen
bei elektronisch kommutierten Motoren, die z.B. als hochwertige Antriebe in der
Feingeraetetechnik Anwendung finden.
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Charakteristik der bekannten technischen Loesungen Es ist bekannt,
dass beim Abschalten der einzelnen Staenderspulen eines elektronisch kommutierten
Motors die im Magnetfeld dieser Staenderspulen gespeicherte magnetische Energie
sehr schnell ansteigende, hohe Spannungsimpulse induziert, mit denen relativ grosse
Funkstoerspannungen verbunden sind sowie eine Zerstoerung der ansteuernden Halbleiterbauelemente
erfolgen kann.
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So wurden diese hohen Abkommutierungsimpulse durch Z-Dioden, Varistoren
oder Widerstaende derart begrenzt, dass die in den Staenderwicklungen induzierten
Spannungsimpulse in ihrem Spitzenwert ca. das 1,2 ...2fache der Tachospannung des
Motors betragen. Bei der Verwendung von Widerstaenden fliesst dabei in der motorischen
als auch der generatorischen Halbwelle ein strom, welcher den Wirkungsgrad des Motors
verringert.
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Bei dieser Art der Begrenzung der Abkommutierungsimpulse ist durch
die transformatorische Verkettung der Staenderspulen ueber das Staenderblech eine
saubere Auswertung der Tachospannung,
z.B. die Gewinnung der Rotorlageinformation
durch Auswertung der generatorischen oder motorischen Halbwelle, nicht moeglich,
denn im Moment des Abschaltens der einen Spule wird in den anderen Spulen ebenfalls
ein entsprechend dem Verkettungsgrad relativ grosser positiver oder negativer Impuls
induziert.
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Es ist weiterhin eine Schaltungsanordnung bekannt, bei welcher in
der Steuerlogik der oteuerschaltung des elektronisch kommutierten Motors ein im
Verhaeltnis zur Periodendauer der Motor-EMK sehr kurzer Impuls im Moment der Abschaltung
erzeugt wird, mit welchem ein Thyristor zum Aufbau des Preilaufkreises gezuendet
wird. Hierbei ist jedoch ein zusaetzlicher, hoher ?>chaltungsaufwand zur Erzeugung
dieses, in seiner Zeitdauer und seinem Zeitpunkt genau zu definierenden Zuendimpulses
notwendig.
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Ziel der Erfindung Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Abbau
der Spulenenergie unabhaengig von der Kommutierungsfrequenz, der Groesse des abzukommutierenden
Spulenstromes und dem tatsaechlichen Zeitpunkt der Abkommutierung ohne grossen Schaltungsaufwand
staendig zu gewaehrleisten und derart vorzunehmen, dass nurßbkommutierungsimpulse
in ihrem Betrag aus Momentanwert der Tachospannung zum Zeitpunkt der Abkommutierung
plus Flussspannung des gezuendeten Thyristors in der abzukommutierenden Spule induziert
werden, im Gegensatz zu einer Begrenzung mit Z-Dioden oder Varistoren, wobei der
Betrag der induzierten Spannungsimpulse etwa gleich dem Momentanwert der Tachospannung
plus dem Betrag der Spannungsbegrenzung ist0 Darlegung des Wesens der Erfindung
Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht 9 dass ueber jede Staenderwicklung ein
Thyristor derart geschalten wird9 dass er bei Anlegen der Wicklung an die Betriebsspannung
in Sperrichtung geschalten ist0 In seinem Zuendkreis ist
gegen Sternpunkt
ein relativ kleiner Kondensator angeordnet, in den bei Unterbrechung des Spulenstromes
und dem damit induzierten Abkommutierungsimpuls mit hoher Flankensteilheit ein derart
hoher Umladestrom fliesst, dass der Thyristor sofort gezuendet wird, wenn der Abkommutierungsimpuls
das Sternpunktpotential um die Schwellspannung des Thyristors unterschritten hat.
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Ist die magnetische Energie der Spule soweit abgebaut, dass der Strom
durch die Staenderspule den Haltestrom des Thyristors unterschreitet, sperrt dieser,
und die Spannung ueber der Staenderspule stellt sich auf den momentanen Wert der
Tachospannung im motorischen Bereich ein. Beim Durchlaufen des negativen Bereiches
der Tachospannung, der generatorischen Halbwelle, erfolgt keine Zuendung des Thyristors,
da deren sinusfoermiger Anstieg nur einen geringen Umladestrom des Kondensators
erzeugt und so zur Zuendung des Thyristors nicht ausreicht. Mit der Kapazitaet des
Kondensators wird bestimmt, von welcher Flankensteilheit an eine Zuendung des Thyristors
erfolgt. Er sollte 8o gewaehlt werden, dass der Umladestrom des Kondensators durch
die Tachospannung unterhalb des zur Zuendung des Thyristors notwendigen Gatestromes
bleibt, durch die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Abkommutierungsimpulse jedoch
ein sicheres Zuenden bewirkt.
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In eihe zum Kondensator wird ein Widerstand zur Begrenzung des Gatestromes
und parallel zum Kondensator ein Widerstand zur Shtladung dessen angeordnet.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass durch den Abbau der
im Magnetfeld der Spule gespeicherten Energie beim Abkommutierungsvorgang nur kleine
Spannungsimpulse, aehnlich einem Freilaufkreis mit Diode, mit einem maximalen Amplitudenbetrag
von der Tachospannung des Motors plus Schwellspannung des Thyristors induziert werden,
wobei ueber der Spule Spannungen mit wechselnder Polaritaet, wie sie beim Durchlaufen
der Tachospannung auftreten, anliegen.
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Im Gegensatz dazu wuerde bei einem Freilaufkreis mit Diode beim Anliegen
einer wechselnden Tachospannung die generatorische Halbwelle kurzgeschlossen.
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Diese Schaltungsanordnung zur Abkommutierung garantiert stets einen
zuverlaessigen Abbau der im Magnetfeld der Spule gespeicherten Energie. Sie ist
auf den effektiven Motorstrom auslegbar und unabhaengig vom momentanen Motorstrom
zum Zeitpunkt der Abkommutierung. Perner ist sie unabhaengig von der Kommutierungsfrequenz
und bedarf keinen zusaetzlichen Schaltungsaufwand in der Steuerlogik. Durch die
relativ kleinen Abkommutierungsimpulse werden ueber die traneformatorische Verkettung
der Staenderspulen in den anderen spulen nur Stoerimpulse sehr kleiner Amplitude
induziert und somit eine Auswertung der Tachospannung zur Gewinnung von Lage- und
Drehzahlsignalen ermoeglicht.
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Ausfuehrungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuehrungsbeispiel
jeher erlaeutert werden. In der zugehoerigen Zeichnung zeigen: Fig. 1: Prinzipschaltung
der Abkommutierungsschaltung Fig. 2: Halbwellenbetrieb der Staenderwicklung Fig.
3s Vollwellenbetrieb der Staenderwicklung Fig. 4: opannungs- und Stromverlaeufe
fuer einen elektronisch kommutierten Motor mit drei ätaenderspulen im Ilalbwellenbetrieb
Der Abbau der Spulenenergie wird gemaeas der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, im
weiteren Abkommutierungsschaltung genannt, erreicht, indem bei Unterbrechung des
Spulen stromes JL mittels des mit dem teuersignal US angesteuerten elektronischen
Schalters 6 nach Fig, 2 die im Magnetfeld der Staenderspule 5 gespeicherte Energie
mit der Erzeugung des negativen Abkommutierungsimpulses Uj eine sehr hohe Spannungsanstiegsgeschwinaigkeit
bewirkt Beim Unterschreiten
des Massepotentiale an der Kathode des
Thyristors 1 erfolgt ein Umladen des Kondensators 2 mit einem, von der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
des Abkommutierungsimpulses Uj und dem Widerstand 4 bestimmten, relativ hohen, impulsfoermigen
Umladestrom, sodann ein Zuenden des Thyristors 1, welcher somit den Freilaufkreis
fuer die Staenderspule 5 aufbaut, und den in der Spule fliessenden, waehrend der
Zeit des Anstieges des Abkommutierungsimpulses UJ in die Wicklungskapazitaet geflossenen
Stromes uebernimmt. Der Abbau der Spulenenergie erfolgt, indem ein Teil als Waermeleistung
ueber dem ohmschen Widerstand der Staenderspule 5 und der Flussspannung Ue des Thyristors
1 freigesetzt und der andere Teil entsprechend dem Verlauf der induzierten Tachospannung
UT als Drehmoment wirksam wird. Der Thyristor 1 sperrt, wenn der Spulenstrom JL
den Haltestrom des Thyristors 1 unters-chreitet, d.h. gegen Null geht. Der Spulenstrom
JL unterhalb des Haltestromes des Thyristors 1 wird ueber die Kathode-Gate-Strecke
des Thyristors 1 und die Widerstaende 3 und 4 abgebaut.
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Hat der opulenstrom JL den Wert Null erreicht, stellt sich nach Fig.
3 sofort der momentane Wert der induzierten Tachospannung UT ueber der taenderspule
5 ein, welche in diesem augenblick nicht unterhalb des Sternpunktpotentials liegen
darf.
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ird die Staenderspule 5 in beiden Halbwellen der induzierten Tachospannung
UT zur Erzeugung des Drehmomentes mit abwechselnd positivem ,pulenstrom +JL und
negativem Spulenstrom -JL mittels der beiden, mit den positiven Steuersignalen +US
bzw. negativen -US angesteuerten und an die symmetrischen positiven Betriebsspannungen
+UB bzw. negativen -UB angeschlossenen elektronischen Schalter 6 beaufschlagt, so
wird die Abkommutierungsschaltung nach Fig. 1 ueb er eine Bruecke aus den Dioden
7, 8, 9 und 10 der Staenderspule 5 parallel geschalten und baut so den Preilaufkreis
fuer beide IIalbwellen auf. Der Vorgang der Abkommutierung verlaeuft entsprechend
Fig. 2, nur
dass hier die Begrenzung der Abkommutierungsimpulse
UJ auf den momentanen Betrag von der induzierten Tachospannung UT und die Flussspannungen
Up des Thyristors 1 und der zwei in Durchlassrichtung geschaltenen Dioden 7 und
9 oder 8 und 10 erfolgt.
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Der zeitliche Verlauf der Spannung UL = f(t) ueber einer Staenderspule
5 sowie der durch die Staenderwicklung fliessende positive ,pulenstrom +JL in Abhaengigkeit
vom Schaltzustand des elektronischen Schalters 6 entsprechend Pig. 2 sind in Fig.
4 dargestellt, wobei deutlich die Begrenzung des Abkommutierungsimpulses UJ durch
die Flussspannung UF des Thyristors 1 unterhalb des Sternpunktpotentials, sowie
der Abbau des Spulenstromes JL waehrend der Phase der Abkortmutierung zu erkennen
ist.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Thyristor 2 Kondensator
3 Widerstand 4 Widerstand 5 Staenderspule elektronischer Schalter 7 Diode 8 Diode
9 Diode 10 Diode +UB positive Betriebsspannung U negative Betriebsspannung J Spulenstrom
b +JL positive Spulenstrom -JL negativer Spulenstrom UL Spannung (ueber der Staenderspule)
U Steuersignal (des elektronischen Schalters) +US positives Steuersignal -US negatives
Steuersignal UT induzierte Tachospannung (der Staenderspule) UF Flussspannung (des
Thyristors bzw. der Dioden) UJ Abkommutierungsimpuls t Zeit