DE3136782A1

DE3136782A1 - Mehrphasen-zerhacker

Info

Publication number: DE3136782A1
Application number: DE19813136782
Authority: DE
Inventors: Sam Mark 48084 Troy Mich. Karadsheh; Thomas Andrew 48087 Utica Mich. Radomski
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1980-09-17
Filing date: 1981-09-16
Publication date: 1982-06-03
Also published as: GB2085677B; GB2085677A; US4366531A

Description

"Mehrphasen-Zerhacker"

Die Erfindung betrifft Mehrfachphasen-Zerhacker, z.B.

mit Siliziumthyristoren (SCR silicon controlled rectifier) arbeitende Zerhacker, die nachfolgend als SGR-Zerhacker bezeichnet werden.

SCR-Zerhacker werden verwendet, um die Beaufschlagung einer elektrischen Last, beispielsweise eines FahrzeugantriebsjTiotors, von einer Gleichspannungsquel.1 e, beispielsweise' einer ijpoiclierbaLLer i e, /.u steuern. Bei solchen Anwendungen ist es notwendig, eine Kommutatorschaltung vorzusehen, um den Leitzustand der Thyristoren zu beenden. Die Kommutatorschaltung wird durch die Quelle "geladen", wenn der Thyristor gesperrt ist, und die gespeicherte Energie wird zur Beendigung einer Thyristorleitzeit zum Gegenspannen des Thyristors verwendet, um ihn zu sperren. Bei einem derartigen System werden die Zerhackerfrequenz und die Leitzeiten der Thyristoren zur Steuerung der durchschnittlichen der Last zugeführten Leistung eingestellt.

Allgemein werden durch höhere Zerhackerfreque.nzen die Welligkeit des MoLorsstroms und die Ei uenver lusl.e des MoLors vermindert. Die für die Kommutierung der Thyristoren notwendige Zeit begrenzt jedoch effektiv die Zerhackerfrequenz auf ca. 1 kHz. Die Zerhackerfrequenz des Systems kann dadurch auch bei gleich-, bleibender Zerhackerfrequenz für jeden Thyristor erhöht werden, wenn zwei oder mehrere SCR-Zerhacker parallel zwischen Stromquelle und Last geschaltet, d.h. ein Mehrphasen-Zerhacker gebildet wird. Ein Mehrphasen-Zerhacker ergibt auch einen besseren Formfaktor des Batteriestromes, als es mit einem Einphasen-Zerhacker möglich ist. Der Ausdruck "Formfaktor" ist ein quantitatives Maß, das durch eis Verhältnis des arithmetischen zum

geometrischen Mittel des Batteriestroms bestimmt wird. Bei einem Mehrphasen-Zerhackersystem werden die Siliziumthyristoren einzeln in Durchgangs- bzw. Sperrrichtung durch eine Steuereinheit vorgespannt, die in Abhängigkeit von einem Lastanforderungs-Signal arbeitet. Die verschiedenen Siliziumthyristoren werden gemäß einer vorbestimmten Phasenbeziehung in ihren jeweiligen Leitzustand vorgespannt, und die Steuereinheit ändert die Durchgangs- oder Leitzeit so, daß die Lastanforderung befriedigt wird. Die Phasenbeziehung der einzelnen Phasen ist deshalb wichtig, da sie die Welligkeit des Batteriestromes und damit den Batteriestrom-Formfaktor beeinflußt.

Kommutationsfehler sind bei Mehrphasen-Zerhackern bekannt und treten dann auf, wenn das relative Einschaltverhältnis des Zerhackers so weit erhöht wird, daß die Beendigung des Leitzustandes einer Phase in die Nähe des Beginns des Leitzustandes einer anderen Phase kommt. Dieser Zustand wird im folgenden als Leitzustand-Uberschneidung bezeichnet. Es hat sich gezeigt, daß Kommutationsfehler in der Nähe von Leitzustands-Uberschneidungen durch die Begrenzerwirkung verursacht werden, die die Induktivität der Batterie auf den Batteriestrom ausübt. D.h., die Eigeninduktivität der Batterie begrenzt ihre Fähigkeit, unverzögert Leistung sowohl zum mit Leitzustand beginnenden Thyristor als auch zum abschaltenden Kommutatorkreis zu liefern. Der mit seinem Leitzustand beginnende Thyristor leitet den begrenzten Batteriestrom von der Kommutatorschaltung ab, die den Leitzustand der anderen Phase begrenzt, so daß diese Schaltung nicht ausreichend aufgeladen wird und die Kommutierung der nachfolgenden Leitzeit nicht durchführen kann. Dieser Zustand ist offensichtlich schädlich und ergibt übermäßige Lastströme, die, falls sie nicht begrenzt werden, zur Beschädigung oder zur Zerstörung weiterer Systembestandteile führen können.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Mehrphasen-Zerhacker geschaffen, bei dem der Strom von einer gemeinsamen Stromquelle nacheinander über mindestens zwei getrennte Stromwege einer Last in Form von Stromimpulsen gleicher Zeitlänge und Wiederholzeit zugeleitet wird, und bei dem die Stromabschaltung in einem der Wege entweder nach oder mehr als eine vorbestimmte Zeitraum vor der Stromanschaltung im anderen oder einem anderen. Weg erfolgen muß, um eine verläßliche Stromkommutierung sicherzustellen, und der Zerhacker besteht aus einer normalerweise in Abhängigkeit von der Einleitung des Stromflusses in dem einen Weg zur Einleitung des Stromflusses in dem anderen Weg in vorbestimmter Phasenbeziehung wirksamen Einrichtung, einer zusätzlichen Einrichtung, die in Abhängigkeit von dem Zeitabstand und der Länge der Impulse einen Zustand identifiziert, bei welchem die Stromabschaltung in einem der beiden Wege innerhalb des vorbestimmten Zeitraums auftreten würde und umfaßt durch die zusätzliche Einrichtung nach Identifizie- ,. rung dieses Zustandes aktivierbare Phasenschieber-Elemente für den anderen Weg, die die . Einleitung des Stromflusses im anderen Weg mit Bezug auf die Einleitung des Stromflusses in dem einen Weg um eine Zeitlänge ν rschieben, die mindestens so groß wie die vorbestimmte Zeit ist, um eine Stromabschaltung in der vorbestimmten Zeit zu verhindern und dadurch eine verläßliche Stromkommutierung zu sichern.

Ein erfindungsgemäßer Mehrphasen-SCR-Zerhacker (oder -Thyristor-Zerhacker) ermöglicht eine zuverlässige Kommutierung im Gesamtbereich der möglichen Zerhacker-Einschaltverhältnisse, ohne eine Vergrößerung, Komplizierung oder Verteuerung der Kommutatorschaltung zu erfordern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in dieser zeigt: ^

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Zweiphasen-Thyristor- „ Zerhackers mit Steuereinheit der erfindungsgemäßen Art,

Fig. 2 ein Zeitschaubild des Normalbetriebs des in Fig. 1 gezeigten Zerhackers,

Fig. 3A,3B Zeitschaubilder für den Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Zerhackers bei einem Lastzustand, der sich der Leitzeit-^-überschneidung nähert, wobei Fig. 3A das Verhalten bekannter Zerhackersteuerung mit Zeitgeberimpulsen im Kommutator-Fehlerbereich zeigt, während Fig. 3B das Vermeiden von Kommutatorfehlern durch Modifizierung der Thyristor-Phasenbeziehung darstellt,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines er f-indungs gern äßen Steuerkreises für einen Zweiphasen-Zerhacker,

Fig. 5 das Flußdiagramm einer programmierten Mikroprozessor-Auslegung erfindungsgemäßer Art für einen Zweiphasen— Zerhacker,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dreiphasen-SCR-Zerhackers mit Steuereinheit,

Fig. 7 Zeitabläufe A und B für den Betrieb des Dreiphasen-Zerhackers nach Fig. 6 bei einem Belastungszustand, der sich einer ersten Leitzeit-Überschneidung annähert, wobei die Darstellung A bekannte Zerhackersteuerung mit Zeitgeberimpulsen im Kommutatorfehlerbereich und die graphische Darstellung B die erfindungsgemäße Vermeidung von Kommutatorfehlern durch Modifizieren der Thyristor-Phasenbeziehungen darstellt,

Fig, 8 Darstellungen ähnlich Fig. 7 von Betriebsabläufen für den Dreiphasen-Zerhacker nach Fig. 6 bei einem Belastungszustand, der sich einer zweiten Leitzeit-^ Überschneidung nähert,

Fig. 9 eine Schautafel der Phasenbeziehungen eines Dreiphasen-Zerhackers der erfindungsgemäßen Art für unterschiedliche Einschaltverhältnis-Bereiche,

Fig. 10 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuerauslegung für einen Dreiphasen-Zerhacker und

Fig. 11 ein Flußdiagramm ähnlich Fig. 5 für eine programmierte Mikroprozessorauslegung der erfindungsgemäßen Art für einen Dreiphasen-Zerhacker.

In Fig. 1 ist ein Fahrzeug-Antriebsmotor 10 mit Hauptschluß-Feldwicklung 12 und-Ankerwicklung 14 gezeigt. Die Erfindung ist auch für andere Motorarten anwendbar, aus Vereinfachungsgründen ist jedoch ein Hauptschlußmotor gezeigt. Siliziumthyristoren 16A und 16B bilden einen Zweiphasen-Zerhacker, wobei der SCR 16A die Phase A und der SCR 16B die Phase B bestimmt. Entsprechend sind die Bauelemente, die zu Phase A bzw. zu Phase B gehören mit den entsprechenden Buchstaben bezeichnet. Die Thyristoren 16A bzw. 16B werden jeweils wahlweise beaufschlagt, um einen Strom von der Speicherbatterie 20 zum Antriebsmotor 10 zu leiten^und jedem Thyristor ist ein Kommutatorkreis oder eine Kommutatorschaltung 22A bzw. 22B zugeordnet, die für das Abschalten des jeweiligen SCR zur Beendigung der Leitzeit sorgt. Die Kommutatorkreise 22A und 22B sind jeweils identisch ausgeführt und enthalten jeweils eine Diode 26A bzw. 26B, eine Induktivität 28Λ bzw. 28B, einen Kondensator 3OA bzw. 3OB und einen Siliziumthyristor 32A bzw. 32B. Wenn der jeweilige Phasenthyristor 16A bzw. 16B gesperrt ist, wird der Kondensator 3OA bzw. 3OB, über die Diode 26A bzw. 26B, die Induktivität 28A oder 28B und den Antriebsmotor 10 auf eine Spannung aufgeladen,
/äie annähernd gleich der Klemmenspannung der Batterie 20 ist. Die Diode 26A bzw. 26B verhindert eine Entladung des Kondensators 3OA bzw. 3OB in die Batterie 20 zurück. In diesem Zustand wird der Kommutatorkreis 22A bzw. 22B als "geladen" bc-

zeichnet. Wenn der Phasen-SCR 16A bzw* 16B leitet und dieser Leitzustand beendet werden soll, wird der jeweils zugeordnete SCR 32A bzw. 32B in den Leitzustand "gezündet" und die Ladung des Kondensators 3OA oder 3OB erzeugt eine Gegenspannung für den Phasen-SCR 16A bzw. 16B, so daß dieser gesperrt wird. Die im Kommutatorkreis enthaltenen SCR 32A und 32B benötigen keinen getrennten Kommutatorkreis, da die im jeweiligen Kreis enthaltenen LC-Elemente eine Resonanzschaltung bilden, die den jeweiligen Leitzustand beenden. Die Induktivitäten 3 6A bzw. 36B filtern den Strom zum Antriebsmotor 10, und die freilaufenden Dioden 38A und 38B bewirken in bekannter Weise eine Ableitung der in den Induktivitäten 3 6A und 3 6B und in den Motorwicklungen 12 und 14 gespeicherten induktiven Energie, sobald die Thyristoren 16A bzw. 16B abgeschaltet werden.

Die Steuerimpulse für die Thyristoren 16A, 16B, 32A und 32B werden entsprechend einem über Leitung 42 angelegten Eingangssignal durch eine Steuereinheit 40 entwickelt. Das Eingangssignal ergibt vorzugsweise eine Anzeige der erforderlichen Leistungsabgabe des Antriebsmotors 10 und wird beispielsweise bei einem Elektrofahrzeug in Abhängigkeit von der Stellung des Beschleunigerpedals abgeleitet. Das Schaubild in Fig. 2 zeigt die typischen Steuerimpulse der Steuereinheit 40 und den sich dadurch ergebenden Batteriestrom Ib für den Antriebsmotor 10. Die in der oberen Spur EIN (A) dargestellten Impulse liegen an der Tor-Elektrode des SCR 16A an, um die Leitzeit für Phase A einzuleiten, und die auf der dritten Spur EIN (B) bezeichneten Impulse liegen an der Tor-Elektrode des SCR 16B an, um die Leitzeiten der Phase B einzuleiten. Die auf der zweiten Spur AUS (A) eingezeichneten Impulse werden an die Tor-Elektrode des SCR 32A angelegt, um die Leitzeiten der Phase A zu beenden, und in gleicher Weise werden die auf der vierten Spur AUS (B) bezeichneten Impulse an die Tor-Elektrode des SCR 32B angelegt, um die Leitzeiten der Phase B zu beenden. Die Zerhackerfrequenz 1/T

jeder Phase SCR 16A und 16B liegt in der dargestellten Weise konstant bei 1 kHz, und die Phasenbeziehung der Einschaltimpulse für Phase A (mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnet) und die Einschaltimpulse für die Phase B (Bezugszeichen 52) liegt bei 180°. Damit ergibt sich eine Zerhacker-Zeitlänge T von 1000 us, und der Einschaltimpuls 52 für den SCR 16B erfolgt jeweils 500 us nach dem Einschaltimpuls 50 für den SCR 16A. Die Abschaltimpulse 54 bzw. 56 für die SCR 32A bzw. 32B werden jeweils so entwickelt, daß die Leitzeit der Phase A (PWA) gleich lang wie die Leitzeit der Phase B (PWB) ist. Die schraffierten Bereiche 58, die jeweils den Einschaltimpulsen 50 bzw. 52 vorangehen, sind verbotene Bereiche für die Abschaltimpulse 54 und 56. Die Breiten, d.h. die Zeitlängen der schraffierten Bereiche 58 sind einander gleich und entsprechen der Aufladezeit für die Kommutatorkreise 22A und 22B. Die Zeit kann errechnet werden als Funktion des SCR-Ladestroms, der Art des Kommutatorkreises und als Funktion der in den Kreisen enthaltenen Bauelement-Werte. Bei den in Fig. 1 gezeigten Kommutatorkreisen besitzen die Induktivitäten 28A und 28B einen Wert von jeweils 6 uH und die Kondensatoren 3OA und 3OB eine Kapazität von 20 uF, und es ergibt sich damit eine Aufladezeit von ca. 100 us. Dementsprechend besitzt jeder schraffierte Bereich 58 eine Länge von 100 WS und ein Versagen oder ein Fehler tritt auf, falls ein Abschaltimpuls 54 oder 56 in diesen Bereich fällt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Lastzustand erfolgen die Abschaltimpulse 54 und 56 weit vor dem schraffierten Bereich 58, so daß keine Störung der Kommutierung der SCR 16A und 16B auftreten kann, wie die Aufzeichnung des Laststromes Ib in der untersten Zeile zeigt.

In Fig. 3Ä und 3B ist ein Zerhackerbetrieb mit Phasenleitzeiten gezeigt, bei denen/einer Phasenbeziehung von 180° die Abschaltimpulse 54 oder 56 jeweils in einen schraffierten Bereich 58 fallen. Dabei ist in Fig. 3A der Vorgang gezeigt, bei

-Sr-

dem der Phasenabstand zwischen den Phasen A und B bei 180° belassen wird, während Fig. 3B zeigt, wie die Steuerimpulse in erfindungsgemäßer Weise entwickelt werden. In Fig. 3A ist der Batteriestrom nicht dargestellt, da die so eingeleitete Kommutierung Fehler erzeugen würde, die ohne Begrenzung einen unendlich großen Batteriestrom, d.h. einen Kurzschluß ergäben. Wie Fig. 3B zeigt, wird erfindungsgemäß erkannt, daß die Kommutierungsfehler bei dem dargestellten Lastzustand dadurch verhindert werden können, daß die Phasenbeziehung zwischen Phase A und Phase B so geändert wird, daß kein AbschaItimpuls 54 oder 56 in einen schraffierten Bereich 58 fällt.

Die Leitzeit der Phase B bleibt die gleiche, aber die Einschaltimpulse 52 für die Phase B treten 1OO us eher auf, als es einem Phasenabstand von 180° entspricht. Bei einer Zerhackerfrequenz von 1 kHz beträgt der abgewandelte Phasenabstand zwischen Phase A und Phase B 144°, da 100 us einen Phasenwinkel von 3 6° bedeuten. Der Phasenabstand kann noch weiter herabgesetzt werden, jedoch würde dadurch eine unnötige Vergrößerung der Batteriestromwelligkeit erzeugt. Der modifizierte Phasenabstand wird solange aufrechterhalten, bis die Eingangssignalwerte sich ausreichend so geändert haben, daß die Abschaltimpulse 54 oder 56 nicht mehr in den schraffierten Bereich 58 bei 180° Phasenabstand fallen. Das bedeutet, daß bei einem Anwachsen des Eingangssignalwertes von seinem Minimalwert bis zu seinem Maximalwert der Abstand zwischen· Phase A und Phase B zunächst bei 180° liegt und dann, wenn die Leitzeit eine Länge von 400 iis überschreitet, auf 144° herabgesetzt wird, während bei einem weiteren Ansteigen der Leitzeit über 500 us hinaus der Phasenabstand von 180 wieder hergestellt wird. Bei einer. Abnahme des Eingangssignals von seinem Maximalwert zum Minimalwert kehrt sich die beschriebene Reihenfolge um.

Da die Leitzeit jeder Phase unabhängig von der Arbeitsweise des Zerhackers bei normalem oder modifiziertem Phasenabstand

gleich bleibt, ist auch die von der Batterie 20 dem Antriebsmotor 10 zugeführte Durchschnittsleistung gleich. Damit ist die Drehmomentabgabe des Motors 10 kontinuierlich und verläuft glatt über den gesamten Bereich der Eingangssignalwerte. Wie die unterste Zeile in Fig. 3B zeigt, wird die Welligkeit des Batteriestromes beim Betrieb mit 144° Phasenabstand etwas im Vergleich zum Betrieb bei 180 erhöht, jedoch wird, da der modifizierte Phasenabstand nur in 10 % des möglichen Bereichs der relativen Einschaltdauer des Zerhackers (100 us/1000 us) einsetzt, nur eine geringfügige Erhöhung des Gesamt-Welligkeitsanteils des Batteriestromes durch das erfindungsgemäße Steuersystem erzeugt.

Fig. 4 zeigt nun ein Blockschaltbild einer Steuereinheit zur Anwendung der Erfindung auf einen Zweiphasen-Zerhacker. Es ist eine Taktquelle 60 vorgesehen, die eine Digitalimpulsreihe mit einer Frequenz von 1 kHz abgibt. Die Einschaltimpulse für die Phase A EIN (A) werden direkt vom Taktgeber 60 abgenommen und erscheinen an der Ausgangsleitung 62. Die Taktimpulse des Taktgebers 60 können alternativ auch von einem Taktgeber mit höherer Frequenz, beispielsweise dem Haupttaktgeber eines Mikroprozessors abgeleitet werden, wenn dessen Frequenz auf 1000 Hz unterteilt wird. Die Taktimpulse des Taktgebers 60 werden als Eingangssignale an Phasenschieber 66 (180 Phasenverschiebung) und 68 (144° Phasenverschiebung) angelegt. Die Phasenschieber 66 und 68 können beispielsweise Zähler sein, die mit der Mikroprozessor-Taktfrequenz zählen und durch den Taktgeber 60 eingeschaltet werden. Falls die Haupttaktfrequenz beispielsweise 1 MHz beträgt, gibt der Phasenschieber 66 nach Abzählen von 500 Impulsen einen Impuls ab, da 500 Impulse des Haupttaktes 180 für den Taktgeber 60 ergeben. In ähnlicher Weise gibt der Phasenschieber 66 nach Abzählen von 400 Taktimpulsen einen Ausgangsimpuls ab, da 400 Taktimpulse des Haupttaktes 144 des Taktgebers 60 entsprechen. Die Ausgangsimpulse der Phasenschieber 66 und 68 werden jeweils als Eingangssignale

für Tri-State- Puffer 70 bzw. 72 verwendet. Die Ausgangssignale der Puffer 70 und 72 werden an der Verbindungsstelle 74 vereinigt und der Ausgangskiemme 7 6 zugeführt, an der die EIN (B)-Impulse für den Zerhacker erscheinen. Wie näher dargelegt wird, werden die Puffer 70 und 72 alternativ freigegeben (enabled) zur Weiterleitung der Impulse von den Phasenschiebern 66 oder 68 zur Klemme 7 6 zur Einleitung der Leitzeiten für die Phase B.

Die Puffer 70 und 72 wirken als Tore, die bei Freigabe ein Signal vom Eingang zum Ausgang durchlassen und bei Sperrung eine hohe Impedanz, d.h. eine Unterbrechung für diese Signale darstellen. Die Puffer 70 und 72 werden alternativ entsprechend dem an der Klemme 78 vorhandenen Spannungswert freigegeben. Falls die Spannung an Klemme 78 einen Wert besitzt, der dem digitalen Pegel logisch Null entspricht, wird der Puffer 70 gesperrt und Puffer 72 über den Inverter 81 zur Weiterleitung von Impulsen mit 144° Phasenabstand vom Phasenschieber 68 zur Ausgangsklemme 76 freigegeben. Falls der Spannungswert an Klemme 78 den Pegel digital logisch Eins besitzt, wird der Puffer 72 über den Inverter 81 gesperrt und der Puffer 70 so freigegeben, daß er Impulse mit 180 Phasenabstand vom Phasenschieber 66 zur Ausgangsklemme 76 durchleitet. Der an Klemme 78 anliegende Spannungswert wird durch einen Fensterkomparator 80 in zu beschreibender Weise erzeugt.

Ein Eingangssignal, das von einem Potentiometer abgeleitet werden kann, welches die Stellung eines Beschleunigerpedals anzeigt, wird an einen Impulslängengenerator 82 über eine Leitung 42 angelegt. Der Impulslängengenerator 82 ist ein elektronischer Funktionsgenerator, der entsprechend der Größe eines Eingangssignals ein digitales Ausgangssignal erzeugt, das die Impulslänge der Zerhackerphasen—Leitzeiten bezeichnend ist, die entsprechend einem vorbestimmten Plan bestimmt werden.

. Al-

Das Ausgangssignal des Impulslängengenerators 82 wird periodisch als Eingangssignal an Impulsverzögerer 86 und 88 über die Leitung 90 synchron zu Taktimpulsen vom Taktgeber 60 angelegt. Der Impulsverzögerer 86 erhält ein zweites Eingangssignal über die Leitung 92 von·der Ausgangsklemme 7 und der Impulsverzögerer 88 ein zweites Eingangssignal von der Ausgangsklemme 62 über die Leitung 94. Die Impulsverzögerer 86 und 88 können als Zähler ausgeführt sein, die nach Aktivierung durch den EIN-Impuls für die Phasen B bzw. A die über Leitung 90 in ihre jeweiligen Register eingeladene Impulslängenzahl mit vorbestimmter Taktrate, die beispielsweise vom Haupttaktgeber des Mikroprozessors abgegeben wird, abzählen. Wenn die eingegebene Impulslängenzahl auf Null abgezählt ist, geben die Verzögerer 86 und 88 jeweils Ausgangsimpulse an die Klemmen 96 bzw. 98 weiter, die als AUS-Impulse für die Phase B bzw. Phase A dienen. Damit sind die Leitzeiten für Phase A und Phase B gleich und werden durch die Impulslängenzahl bestimmt, _ϊ die dar Impulslängengenerator 82 über Leitung 90 abgibt.

Das Ausgangssignal des Impulslängengenerators 82 wird auch als Eingangssignal dem Fensterkomparator 80 zugeführt. Dort wird die Impulslängenzahl mit einem ersten Referenzwert REF 1 im Komparator 100 und mit einem zweiten Referenzwert REF 2 im Komparator 102 verglichen. Die Referenzwerte sind so ausgewählt, daß sie die Zeitgrenzen der "toten Zone" vor dem Auftreten eines EIN-Impulses für die Phase B bezeichnen, d.h. die in Fig. 2, 3A und 3B schraffierten Bereiche 58, deren Länge bei den Werten für den Zerhacker nach Fig. 1 ca. 100 iis beträgt, so daß genügend Zeit vorhanden ist, die Kommutatorkreise 22A oder 22B ausreichend aufzuladen. Falls der normale Phasenabstand 180° beträgt, T der Zeitabstand der Taktimpulse vom Taktgeber 60 ist, und TC die zum Aufladen eines Kommutatorkreises 22 erforderliche Zeit ist, werden die Referenzwerte so bestimmt, daß

REF 1 = T/2, und

REF 2 = (T/2) - TC. " *

Bei der genannten Ausführung mit der Zerhackerfrequenz von 1000 Hz und der Aufladezeit für die Kommutatorkreise von 100 us wird REF 1 auf einen Wert eingestellt, der 500 us bezeichnet, und REF 2 so, daß eine Zeit von 400 us erhalten wird. Die Ausgangssignale der Komparatoren 100 und 102 sind Eingangssignale für das ODER-Glied 104, dessen Ausgang mit der Klemme 78 verbunden ist, um die Freigabe der Tri-State-Puffer 70 und 72 in der bereits beschriebenen Weise zu steuern. Falls die über Leitung 84 zugeführte Impulslängenzahl größer als REF 1 ist, erfolgt der Abschaltimpuls für Phase A nach der toten Zone für den Einschaltimpuls für Phase B. In diesem Fall ist das Ausgangssignal· des !Comparators 100 eine logische Eins und das ODER-Glied 104 erzeugt einen Spannungspegel logisch Eins an der Klemme 78, so daß der Puffer 72 gesperrt und der Puffer 70 zum Durchleiten von Impulsen mit 180° Phasenabstand vom Phasenschieber 66 zur Ausgangsklemme 76 freigegeben wird. Ist die Impulslängenzahl· über Leitung 84 kieiner ais REF 2, dann tritt der AUS-Impuig für Phase A vor der mit dem EIN-Impuis für Phase B verbundenen toten Zone auf, und in diesem Fail· nimmt das Ausgangssignal· des Komparators 102 einen Spannungspegel· iogisch Eins an, und das ODER-Giied 104 erzeugt einen Spannungspegel· iogisch Eins an der Klemme 78, der die gleichen Wirkungen wie eben besehrieben hat. Fa^s die Impul·sl·ängenzahl· über Leitung 84 zwischen die Worten REF 1 und REF 2 fäl·^, ergibt sich ein AUS-Impuis für Phase A in der toten Zone vor dem EIN-Impuis vor Phase B, und in diesem Fail· kann der Kommutatorkreis 22A nicht ausreichend aufgeiaden werden, so daß sich ein Kommutationsfet^er für den nachfol·genden Zyk^s ergibt. Beim Auftreten soicher Impul·sl·ängen sind die Ausgangssignale der Komparatoren 100 und 102 beide vom Spannungspegel logisch Null·, so daß das ODER-GMed 104 an der Kiemme 78 einen Spannungspegel· iogisch Nuil· erzeugt. Durch diesen Zustand wird der Puffer gesperrt und der Puffer 72 zum Durchieiten von phasenverschobenen Impuisen mit Phasenabstand 144° von dem Phasenschieber

-"·· ': -3T36782

zur Ausgangsklemme 76 freigegeben, so daß die EIN (B)-Impulse mit einem Phasenabstand von 144° zu den EIN (A)-Impulsen erzeugt werden. Dieser Zustand hält solange an, wie die Impulslängenzahl über Leitung 84 zwischen die Werte REF 1 und REF fällt. Sobald das Eingangssignal über Leitung 4 2 sich so ändert, daß die Impulslängenzahl nicht mehr zwischen die Werte REF 1 und REF 2 fällt, wird der Puffer 72 freigegeben und der Puffer 70 gesperrt, so daß der Phasenabstand zwischen den Phasen A und B zu 180° zurückkehrt. Da die Phasenleitzeiten gleich lang bleiben, kann das Auftreten jedes AüS-Impulses innerhalb von 100 us vor einem EI]
leitzeit erfaßt werden.

von 100 us vor einem EIN-Impuls durch überwachen der Phasen-

Die Schaltungsauslegung der Steuereinheit 40 nach Fig. 4 ergibt deshalb EIN-Impulse, wie sie in Fig. 2 und 3B dargestellt sind. Solange das über Leitung 42 anliegende Eingangssignal den Impulslängengenerator 42 zur Erzeugung eines Ausgangssignales außerhalb des Totband-Bereiches veranlaßt, der durch die Referenzwerte REF 1 und REF 2 bestimmt ist, werden die EIN- und die AÜS-Impulse an den Klemmen 62, 76, 96 und 98 entsprechend denen in Fig. 2 mit einem Phasenabstand von 180° zwischen den Phasen A und B erzeugt. Sobald das Ausgangssignal des Impulslängengenerators 82 zwischen den Referenzwerten REF und REF 2 liegt, werden die EIN- und die AUS-Impulse ähnlich der Darstellung in Fig. 3B mit einem Abstand von 144° zwischen den Phasen A und B erzeugt.

Bei geringen Leistungswerten kann es Vorteile bringen, die Taktfrequenz herabzusetzen, um die Erzeugung von unerwünscht kurzen Leitzeiten zu vermeiden. Beispielsweise kann bei Eingangssignalwerten unter einer bestimmten Grenze eine (nicht dargestellte) Torschaltung aktiviert werden, die die Frequenz des Taktgebers 60 herabsetzt. Da können beispielsweise die EIN (A)-Impulse mit einer Rate von 500 statt 1000 Hz auftreten, wobei gleichzeitig die Leitzeiten für beide Phasen gegen-

- Λ/Γ-

über dem Betrieb bei 1000 Hz verdoppelt werden. Dabei müssen gleichzeitig die für REF t und REF 2 festgesetzten Werte geändert sein. Die dem Motor bei herabgesetzter Taktfrequenz zugeführte Durchschnittsleistung ist dabei bei einem bestimmten Eingangssignal die gleiche wie bei normaler Taktfrequenz.

Alternativ kann statt der in Fig. 4 dargestellten Steuereinheit die Erfindung auch mit einem programmierten Mikroprozessor arbeiten, beispielsweise mit den Mikroprozessoren der Baureihe MC 6800 der Firma Motorola Semiconductor Products, Inc. Diese Halbleiter-Bauelemente sind im Handbuch der Baureihe M68OO im einzelnen beschrieben, das von der Firma Motorola herausgegeben wird. Die Herabsetzung der Impulsfrequenz in der beschriebenen Art kann bei einer programmierten Mikroprozessorauslegung leicht erfüllt werden, und ein Flußdiagramm für die allgemeinen Programmschritte ist in Fig. 5 dargestellt.

Dort zeigt Schritt 110 eine Reihe von Befehlen, die jedesmal ausgeführt werden müssen, wenn das Steuersystem gestartet oder in Betrieb gesetzt wird. Es ist einzusehen, daß die durch solche Befehle eingeleiteten Funktionen beispielsweise das Inbetriebsetzen von Eingabe- und Ausgaberegistern enthält. Nach der Aus-' führung der Startbefehle liest die Steuereinheit den Wert des über Leitung 42 zugeführten Eingangssignals im Schritt 112, bestimmt die Zerhackerfrequenz 1/T und die SCR-Leitzeiten PW entsprechend dem Eingangssignal, wie im Schritt 114 angezeigt. Es ist zu erkennen, daß die Programmschritte 112 und 114 eine gleichartige Funktion erfüllen wie der Impulslängengenerator 82 nach Fig. 4. Dann werden die Vergleichswerte REF 1 und REF bestimmt, Schritt 116, da diese Werte von der Zerhacker-Zeitlänge T abhängen, wie im Zusammenhang mit Fig. 4 bereits erklärt. Die durch den Schritt 118 bezeichneten Programminstruktionen führen dann die Funktion des Fensterkomparators 80 nach Fig. 4 aus, in dem sie ein totes Band für Leitzeiten zwischen

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den Referenzwerten REF 1 und REF 2 errichten. Falls die Thyristor-Leitzeit PW sich nicht innerhalb des toten Bandes befindet, werden die EIN-Impulse für Phase B mit 180° Phasenabstand nach den EIN-Impulsen für Phase A erzeugt, wie Schritt 120 zeigt, und, falls andererseits die Leitzeit PW in das Totband-Feld/,werden die EIN-Impulse für Phase B mit Phasenabstand 144 nach den EIN-Impulsen für Phase A entwickelt, siehe Schritt 122. In beiden Fällen werden die AUS-Impulse für die Phasen A und B in bestimmter Zeitbeziehung zu den entsprechenden EIN-Impulsen entsprechend der erfaßten Leitzeit PW abgegeben. Eine weitere Beschreibung solcher Programminstruktionen wird für unnötig erachtet, da sie dem entsprechenden Fachmann bekannt sind. Die so entwickelten Steuerimpulse können über eine Ausgangssignal-Verstärkerschaltung, z.B. den Peripher-Interface-Adapter MC 6820 der Firma Motorola weitergegeben werden. Mit Ausnahme der Startbefehle 110 werden die beschriebenen Programmabläufe, wie durch die Rückkehrlinie 126 bezeichnet, immer wieder durchgeführt.

Bisher wurde die Erfindung mit Bezug auf einen Zweiphasen-Thyristor-Zerhacker beschrieben, jedoch ist sie gleich gut auch für mehrphasige SCR-Zerhacker anwendbar. Beim Zweiphasen-Zerhacker bleibt der Einschaltzeitpunkt für Phase A fest, und das Einschalten der Phase B wird mit Bezug auf die Phase A zur Vermeidung von Kommutationsfehlern verändert. Bei einem Dreiphasen-Zerhacker bleibt gleichfalls das Einschalten der Phase A fest, während das Einschalten der Phasen B und C mit Bezug auf die Phase A zur Vermeidung von Kommutationsfehlern verändert wird. Bei einem Mehrphasen-Zerhacker wird also immer eine Phase (z.B. Phase A) als Hauptphase gesteuert, während die restlichen Phasen mit Bezug auf die Hauptphase verändert werden. Die Phasenbeziehungen der verschiedenen Thyristorphasen verändern sich in Abhängigkeit von der Phasenzahl. Bei einem Dreiphasen-SCR-Zerhacker ist beispielsweise der normale Phasenabstand zwischen den aufeinanderfolgend beaufschlagten Phasen 120 , d.h., bei einem Dreiphasen-Zerhacker ergibt ein Phasenabstand von 12Q^Q den kleinsten Welligkeitsanteil des Batteriestroms. Der modi-

-vc-

fizierte Phasenabstand bei einem solchen System beträgt dann bei einer Ladezeit des Kommutatorkreises von 100 us 120° - 3 = 84°.

Zur Darstellung einer Zerhackersteuerung der erfindungsgemäßen Art bei einem Zerhacker mit mehr als zwei Phasen sind in Fig. 6 bis 11 Darstellungen entsprechend Fig. 1 bis 5 gezeigt, jedoch diesmal bezogen auf einen Dreiphasen-Thyristor-Zerhacker und beispielhafte Zeitabläufe für Last-Einschaltverhältnisse, die Einschaltzeit-Überschneidungen ergeben.

In Fig. 6 ist ein Dreiphasen-Zcrhackor dargestellt, der grundsätzlich in gleicher Weise wie der in Fig. 1 gezeigte Zwei— phasen-Zerhacker ausgelegt ist. In entsprechender Weise wie in Fig. 1 sind die Schaltelemente in Fig. 6, die der dritten Phase C zugeordnet sind, mit entsprechenden Bezugszeichen mit Zusatz C bezeichnet. Entsprechend den Phasen A und B gibt die Steuereinheit 40 hier EIN-Impulse an die Tor-Elektrode des Thyristors 16C und AUS-Impulse an die Tor-Elektrode des Thyristors 32C ab. Die Betriebsweise der Schaltelemente für die Phase C wird nicht weiter erklärt, da der Betriebsablauf identisch mit den Elementen für die Phasen A und B ist, der bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde.

In Fig. 7 zeigen die Schaubilder Λ und B die EIN- und die AUS-Impulse für den Dreiphasen-Zerhacker nach Fig. 6 bei einem relativen Einschaltverhältnis von 25 %, d.h. bei einer Phasen-Leitzeit von 250 us. Das Schaubild A zeigt den Zerhackerbetrieb bei normaler Phasenbeziehung, während das Schaubild B einen phasenverschobenen Zerhackerbetrieb darstellt. Wie bereits festgestellt, ist der normale oder ausgeglichene Phasenabstand zwischen den aufeinanderfolgend beaufschlagten Phasen bei einem Dreiphasen-Zerhacker 120 . Dementsprechend folgen die Impulse 250, die die Phase B EIN-schalten mit 120° Abstand nach den Impulsen 252, die die Phase A EIN-schalten,

und die EIN-Impulse 254 für die Phase C folgen wiederum mit einem Abstand von 120° nach den Impulsen 250. Die "tote Zone" 258 vor jedem EIN-Impuls 250,252 oder 254 besitzt, wie bei dem Zweiphasen-Zerhacker, eine Länge von 100 us. Es ist so zu sehen, daß der durch die toten Zonen 258 eingenommene Bereich des Zerhacker-Zyklus mit der Anzahl der Zerhacker-Phasen zunimmt.

Aus dem Schaubild A ergibt sich, daß bei einem relativen Einschaltverhältnis von 25 % und normalem Phasenabschnitt alle AUS-Impulse 260, 262 und 264 in die toten Zonen 258 fallen. Wie bereits ausgeführt, ergibt ein solcher Betrieb eine unzureichende Aufladung der Kommutatorkreise 22A bis 22C und führt deshalb zu Kommutationsfehlern. Es ist aus dem Schaubild A zu ersehen, daß dieser Zustand bei relativen Einschaltverhältnissen von ca. 23 % (233 us Leitzeit) bis 33 % (333 us Leitzeit) auftritt. '

Bei dem Schaubild B in Fig. 7 ist weiterhin eine relative Einschaltdauer des Zerhackers von 25 % vorhanden, jedoch sind die EIN-Impulse 250 und 254 für die Phasen B bzw. C, bezogen auf die EIN-Impulse 252 für Phase A so verschoben, daß das Auftreten eines AUS-Impulses innerhalb einer toten Zone 258 vermieden wird. Es sind die EIN-Impulse 250 für Phase B um 100 us oder 36° nach vorne verschoben, so daß der Phasenabstand zwischen den EIN-Impulsen für Phase A und Phase B, d.h. den Impulsen 252 und 250,120° - 36° = beträgt. Die EIN-Impulse 254 für Phase C sind um 200 us oder 72° vorgeschoben, so daß der Phasenabstand zwischen den EIN-Impulsen 250 für Phase B und 254 für Phase C ebenfalls 84° beträgt. Der Phasenabstand der EIN-Impulse 254 für Phase C von den entsprechenden Impulsen 252 für Phase A beträgt dann 2 χ 84° = 168° (= 240° - 72°). Damit sind Kommutationsf ehler infolge unzureichender Aufladung der Kommutatorkreise vermieden. Wenn die relative Einschaltdauer über

33 % anwächst, entfernen sich die EIN-Impulse aus den toten Zonen 258 bei normalem Phasenabstand.

In Fig. 8 zeigen die Schaubilder A und B jeweils die EIN- und die AUS-Impulse bei einem Zerhackerbetrieb bei ca. 60 % relativer Einschaltdauer, d.h. bei Phasen-Leitzeiten von 600 us. Das Schaubi-ld A zeigt dabei wieder einen Zerhackerbetrieb bei normalem oder ausgeglichenem Phasenabstand, während das Schaubild B einen Zerhackerbetrieb mit verschobenem Phasenabstand zeigt. Die entsprechenden Steuerimpulse in Fig.8 sind mit den gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 7 bezeichnet.

Schaubild A in Fig. 8 zeigt, daß bei einer relativen Einschaltdauer von 60 % und normalem oder ausgeglichenem Phasenabstand die AUS-Impulse 260, 262 und 264 jeweils in tote Zonen 258 fallen. Das Schaubild A zeigt auch, daß dieser Zustand bei relativen Einschaltlängen im Bereich von ca. 57 % (567 us Leitzeit) bis ca. 67 % (667 us Leitzeit) auftritt.

Im Schaubild B der Fig. 8 ist die relative Einschaltdauer des ZerhackerZyklus bei 60 % gehalten, jedoch sind die EIN-Impulse 250 für Phase B und 254 für Phase C jeweils gegenüber den EIN-Impulsen 252 für Phase A zur Vermeidung eines Kommutatorfehlers verschoben. Wie bei den Verhältnissen in Fig. 7 mit 25 % relativer Einschaltdauer sind die EIN-Impulse 250 für Phase B um 36° oder 100 us vorgeschoben, so daß der Phasenabstand der Impulse 252 und 250 84° beträgt, und die EIN-Impulse 254 für Phase C sind wiederum um 72° oder 200 us vorgeschoben, so daß ein gleicher Phasenabstand von 84° zwischen den Impulsen 250 und 254 auftritt. Wie in Fig. 7 be^ steht wiederum ein Phasenabstand von 168° zwischen den Impulsen 252 und 254. Es kann so aus Schaubild B der Fig. 8 entnommen werden, daß eine derartige Phasenverschiebung das Auftreten eines AüS-Impulses 260, 262 oder 264 innerhalb einer toten Zone 258 ausschließt, so daß ein !Commutations-

. 3b

fehler infolge ungenügender Aufladung der Kommutatorkreise ausgeschlossen ist.

Wenn die relative Einschaltdauer des Zerhackerzyklus über· ca. 67 % erhöht wird, d.h. eine Leitzeit von 6.67 us (240°) oder langer vorliegt, fallen die AUS-Impulse nicht langer bei normalem Phasenabstand in die toten Zonen 258.

Fig. 9 zeigt die Phasenabstandssteuerung bei einem Dreiphasen-Zerhacker entsprechend den eben festgesetzten Regeln für verschiedene relative Einschaltdauern· Es wird der normale oder ausgeglichene Phasenabstand mit 120° Abstand der nacheinander beaufschlagten Phasen aufrechterhalten bei relativen Einschaltdauern des Zerhackers (1) bis zu 23 %, (2) zwischen 33 und 57 % und (3) über 67 %. Der abgewandelte Phasenabstand mit 84° Abstand zwischen aufeinanderfolgend beaufschlagten Phasen wird bei relativen Einschaltdauern des Zerhackers von (1) zwischen 23 % und 33 % und (2) zwischen 57 % und 67 % aufrechterhalten.

Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbildjanalog zu dem in Fig. dargestellten,einer aus diskreten Schaltelementen aufgebauten Steuereinheit 40 für den Dreiphasen-SCR-Zerhacker nach Fig. 6. Wie bei der Steuereinheit in Fig. 4 ist ein Taktgeber 60 vorhanden, der eine Reihe von Digitalimpulsen mit einer Frequenz von 1 kHz abgibt. Die Impulse des Taktgebers 60 bilden die EIN-Impulse für Phase A und werden über die Leitung 302 direkt zur Ausgangsklemme 300 EIN (A) geleitet« Das Ausgangssignal des Taktgebers 60 wird auch an die Eingänge eines 240°-Phasenschiebers 304, eines 168°- Phasenschiebers 305, eines 12O°-Phasenschiebers 306 und eines 84°-Phasenschiebers 307 angelegt. Die Phasenschieber 304 bis 307 werden analog zu den Phasenschiebern 86 und 88 betrieben, die bereits bei Fig. 4 beschrieben wur-

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den, unter Beachtung der jeweiligen Phasenverschiebungen. So erzeugt der Phasenschieber 304 ein Ausgangssignal mit einem Phasenabstand von 24o° nach Anlegen eines Taktimpulses vom Taktgeber 60, der Phasenschieber 305 erzeugt einen Ausgangsimpuls mit einem Phasenabstand von 168° nach Anlegen eines Taktimpulses vom Taktgeber 60, der Phasenschieber 306 erzeugt einen Ausgangsimpuls 120° nach einem Taktimpuls vom Taktgeber 60 und der Phasenschieber 307 einen Ausgangsimpuls 84° nach Anlegen eines Taktimpulses vom Taktgeber 60.

Die Ausgangssignale der phasenschieber 304 und 305 sind jeweils mit den Eingängen von Tri-State -Puffern 310 bzw. 311 verbunden, und die Ausgänge der Phasenschieber 306 und 307 sind mit den Eingängen der Tri-State-Puffer 312 bzw. 313 verbunden. Die Ausgänge der Puffer 310 und 311 sind zusammen an eine Klemme 320 geführt, welche wiederum mit der Ausgangsklemme 322 EIN (C) für die EIN-Schaltimpulse für Phase C verbunden ist. Ebenfalls sind die Ausgänge der Puffer 312 und 313 gemeinsam an die Klemme 324 geführt, welche mit der Ausgangsklemme 326 EIN (B) verbunden ist zur Abgabe der EIN-· Schaltimpulse für die Phase B..

Die Puffer 310 und 311 werden ebenso wie die Puffer 312 und 313 jeweils alternativ entsprechend dem Spannungspegel an Leitung 330 freigegeben (enabled). Falls der Pegel an Leitung 330 einem Digitalpegel logisch Eins entspricht, wird der Puffer 310 freigegeben und leitet Impulse vom 24O°-Phasenschieber 304 weiter zur Ausgangsklemme 322 und gleichzeitig wird der Puffer 312 freigegeben zur Weiterleitung von Impulsen vom 12Q°-Phasenschieber 306 zur Ausgangsklemme 326, Falls der Spannungspegel an Leitung 330 einem Digitalpegel logisch Null entspricht, wird der Puffer 311 durch den Inverter 314 zur Weiterleitung von Impulsen vom 168°-Phasenschieber 305

zur Ausgangsklemme 322 und der Puffer 313 über den Inverter 316 zur Weiterleitung von Impulsen vom 84°-Phasenschieber 307 zur Ausgangsklemme 326 freigegeben. Die Leitung 330 wird über Fensterkomparatoren 350 und 352 und ein ODER-Glied 354 in zu beschreibender Weise mit dem entsprechenden Spannungspegel beaufschlagt.

Wie bei der Schaltung nach Fig. 4 wird das Eingangssignal über Leitung 42 an einen Digital-Impulslängengenerator 82 angelegt, welcher eine Digitalzahl an Leitung 90 abgibt, die eine Phasen-Leitzeit entsprechend dem Eingangssignal bezeichnet. Das Ausgangssignal des Impulslängengenerators 82 wird über die Leitung 90 periodisch an Impulsverzögerer 332, 334 und 33 6 angelegt. Der Impulsverzögerer 332 empfängt über Leitung 338 die Impulse EIN (B), der Impulsverzögerer 334 empfängt die EIN (A)-Impulse über die Leitung 340 und der Impulsverzögerer 336 die EIN (C)-Impulse über die Leitung 342. Wie bei der Schaltung in Fig. 4 sind die Impulsverzögerer 332, 334 und 336 beispielsweise Zähler, welche die über Leitung 90 ankommende digitale Impulslängenzahl speichern und diese Zahl mit vorbestimmter Taktrate abzählen in Abhängigkeit von der Aufnahme des jeweiligen EIN-Impulses, und über die Klemmen 344, 346 bzw. 348 AUS-Impulse abgeben, die entsprechend dem Wert der Impulslängenzahl gegenüber dem Eintreffen des jeweiligen EIN-Impulses verzögert sind. Es ist so zu schon, d«B die Lei l./.e 11 en dor l'liason Λ, B und C von gleicher Dauer sind, wie sie durch den Impulslängengenerator 82 bestimmt wird.

Das Ausgangssignal des Impulslängengenerators 82 wird gleichfalls als Eingangssignal an die Fensterkomparatoren 350 und 352 angelegt. Die Fensterkomparatoren 3 50 und 352 enthalten Bauelemente analog denen, welche den Fensterkomparator 80 in der Schaltung nach Fig, 4 bilden, und sind in Fig. 10 in Blockform zur Vereinfachung der Zeichnung dargestellt. Wie

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bei dem Fensterkomparator 80 in Fig. 4 vergleichen die Fensterkomparatoren 3 50 und 352 jeweils das Ausgängssignal des Impulslängengenerators 82 mit einem ersten und einem zweiten Referenzwert, die die Phasen-Leitzeiten bezeichnen, welche die "toten Zonen" 258 vor den jeweiligen EIN-Impulsen bestimmen.

Der Fensterkomparator 3 50 erfaßt entsprechend Fig. 7 Phasen-Lei tzeiten oder Impulslängen, welche relativen Einschaltdauern zwischen 23 % (REF 3) und 33 % (REF 4) entsprechen. Bei einem Dreiphasen-Zerhacker mit einer Wiederholzeit T, der eine Ladezeit von TC Sekunden zur Aufladung seiner Kommutatorkreise benötigt, gilt

REF 4 = T/3, und
REF 3 = (T/3) - TC.

Wenn das Ausgangssignal des Impulslängengenerators 82 zwischen den Referenzwerten REF 3 und REF 4 liegt, ergibt das Ausgangssignal des Fensterkomparators 350 einen Spannungspegel logisch Null.

Der Fens t erkompara Lor 3 52 erfaßt Phasen-Leitzeiten oder Impulslängenentsprechend Fig. 8, welche relativen Einschaltdauern von 57 % (REF 5) bis 67 % (REF 6) entsprechen. Bei einem Dreiphasen-Zerhacker mit der obengenannten Ladezeit gilt

REF 6 = 2T/3, und
REF 5 = (2T/3) - TC.

Wenn das Ausgangssignal des Impulslängengenerators 82 zwischen REF 5 und REF 6 liegt, gibt der Fensterkomparator 352 einen Spannungspegel logisch Null ab.

Die Ausgangssignale der Fensterkomparatoren 3 5O und 352 werden an ein ODER-Glied 354 angelegt, dessen Ausgangssignal· den Spannungspegel der Leitung 330 zur Steuerung der Phasenbeziehung

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der EIN-Impulse bestimmt. So bestimmt ein Spannungszustand logisch Null der Leitung 330 die modifizierte (unabgeglichene) Phasenbeziehung, falls das Ausgangssignal des Impulslängengenerators 82 zwischen REF 3 und REP oder zwischen REF 5 und REF 6 liegt, während sonst der Spannungspegel der Leitung den Wert logisch Eins annimmt, wodurch die normale (abgeglichene) Phasenbeziehung herbeigeführt wird.

Fig. 11 zeigt ein Flußdiagramm für eine Ausführung der Erfindung mittels eines für einen Dreiphasen-Zerhacker entsprechend Fig. 6 programmierten Mikroprozessors. Analog zum Flußdiagramm für den Zweiphasen-Zerhacker (Fig.5), werden zunächst START-Befehle 360 ausgeführt, wodurch beispielsweise die verschiedenen Register in den Ausgangszustand versetzt werden. Entsprechend den Befehlen der Stufe 362 wird das Eingangssignal an Leitung 42 gelesen und . entsprechend den Instruktionen der Stufe 364 wird die Zerhackerfrequenz 1/T und die Phasen-Leitzeit PW bestimmt, entsprechend dem gelesenen Eingangssignal. Die Instruktionen entsprechend Stufe 366 führen zu einer Bestimmung der Vergleichswerte REF 3 bis REF 6 entsprechend den bei der Beschreibung der Fig. 10 gegebenen Bezeichnungen. In Stufe 368 wird dann erfaßt, ob die in Stufe 364 bestimmte Impulslänge PW zwischen den Referenzwerten REF 3 und REF 4 liegt. Falls das der Fall ist, werden die EIN- und die AUS-Zerhacker-Steuerimpulse entsprechend den in Stufe 370 enthaltenen Instruktionen erzeugt, so daß eine modifizierte Phasenbeziehung entwickelt wird. Falls die Impulsbreite PW nicht zwischen den genannten Referenzwerten REF 3 und REF 4 liegt, wird in Stufe 372 erfaßt, ob die Impulslänge PW zwischen die Referenzwerte REF 5 und REF 6 fällt. Falls das der Fall ist, werden ebenfalls die Zerhacker-Stcuerimpulse entsprechend der in Stufe 370 enthaltenen Instruktionen zur Erzeugung der modifizierten Phasenbeziehung erzeugt, während dann, wenn die Impulslänge PW nicht zwischen die Werte REF 5

und REF 6 fällt, die in Stufe 374 enthaltenen Instruktionen für die Erzeugung der Steuerimpulse für den Zerhacker gelten, so daß eine normale (ausgeglichene) Phasenbeziehung erzeugt wird. Wie bereits bei der Besprechung der Fig. 5 festgestellt, erscheint eine weitere Beschreibung der Programminstruktionen unnötig, da diese für einen Programmierungsfachmann leicht erkennbar sind.

Wie bereits festgestellt, kann erforderlichenfalls das Zerhackerphasen-Steuersystem für Zerhacker mit vier oder mehr Phasen erweitert werden. Dabei gilt für Zerhacker der beschriebenen Art eine Neunphasen-Anordnung als Grenze, da bei zehn Phasen die toten Zonen 258 bereits den gesamten Zeitverlauf des Zerhackers besetzen. Bei einem Zerhacker mit N Phasen sind N-1 Leitzeit-Oberschneidungen pro Zyklus möglich und diese treten auf, wenn die Phasen-Leitzeit ein ganzzahliges Vielfaches von 360/N ist. Bei einem Vierphasen-Zerhacker treten drei Leitzeit-Überschneidungen pro Zyklus auf, und zwar bei den Phasen-Leitzeiten von 90 , 180 und 270°.

Die Steuerschaltung bzw. die Mikroprozessor-Programmierung, die für Zerhacker mit vier oder mehr Phasen erfindungsgemäß gebraucht werden, sind logische Erweiterungen der besprochenen Schaltungen bzw. Programmierungen für die Zwei- und Dreiphasen-Zerhacker, und es ist ersichtlich, wie die Auslegung vor sich gehen muß, sobald man die in Fig. 4 und 1O bezeichneten Schaltbilder bzw. die in Fig. 5 und 11 dargestellten Flußdiagramme verstanden hat.

Aus der bisherigen Beschreibung geht hervor, daß die Mehrfach-Stromwege und die entsprechenden Phasenströme eines erfindungsgemäßen Zerhackers so betrachtet werden können, daß ein Hauptstromweg mit einem zugeordneten Hauptphasenstrom und ein oder mehrere abhängige Stromwege mit einem oder mehreren zugeordneten Phasenstrom bzw. -strömen vorhanden sind. So kann in der Zweiphasen-Ausführung der Erfindung nach Fig. 1 bis 5 der Strom

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der Phase A und sein Stromweg als Hauptstrom bzw. Hauptstromweg angesehen werden, während der Strom der Phase B und sein Weg als abhängiger Strom bzw. abhängiger Stromweg anzusehen sind. Bei der Dreiphasen-Ausführung der Erfindung nach Fig. bis 11 ist wiederum der Strom der Phase A und der zugeordnete Weg der Hauptstrom bzw. der Hauptstromweg, während die abhängigen Ströme und Stromwege die Phasen B und C betreffen.

Es wurden eine Zwei- und eine Dreiphasen-Ausführung eines Siliziumthyristor-Zerhackers beschrieben, bei dem die Phasenbeziehung der einzelnen Thyristor-Leitphasen so gesteuert wird, daß Kommutierungsfehler infolge unvollständigen AufIadens der Kommutatorkreise so verhindert wird, daß die Phasenabstände zwischen den Thyristor-Leitphasen normalerweise so eingerichtet werden, daß sich der wirksamste Betrieb ergibt, diese Phasenabstände jedoch so bei vorbestimmten Lastzustandsbereichen modifiziert werden, daß verhindert wird, daß ein sich einschaltender Thyristor die Kommutierungsfähigkeit eines abschaltenden Kommutierungs-Netzwerkes behindert und begrenzt.

Derartige Mehrphasen-Zerhacker zur Beaufschlagung eines Gleich" strommotors arbeiten in zwei Betriebsarten, der ersten, die •■.zeitausgeglichen ist, um die wirksamste und günstigste Motorbeaufschlagung zu erhalten, während die zweite Betriebsart unausgeglichen ist mit einer Hauptphase und der anderen oder den anderen Phasen in zeitunausgeglichener Weise und zwar in einem solchen Ausmaß, wie es erforderlich ist, um ein Anschalten einer phase während der Kommutationszeit einer anderen Phase zu verhindern.

Das wird bei einem Gleichstrom-Mehrphasen-Thyristor-Zerhacker dadurch erzielt, daß die Phasenabstände der Leitzeiten so gesteuert werden, daß ein Zerhackerbetrieb in der Nähe von Leitzeit-Überschneidungen vermieden wird. Die Phasenabstände der Silizium-Thyristoren wird normalerweise so eingestellt, daß

sich minimale Welligkeit des Batteriestromes und minimaler Lastverlust ergibt. Die Leitzeiten jeder Phase sind gleich lang und werden in Abhängigkeit von einem Lastbedarfs-Eingangssignal bestimmt. Wenn das Eingangssignal sich in einem Bereich befindet, in welchem die Beendigung einer Phasen-Leitzeit innerhalb eines vorbestimmten Zeitabstandes vor dem Beginn einer weiteren Phasen-Leitzeit stattfindet, wird der Phasenabstand zwischen den Leitzeiten modifiziert, um diesen Zustand zu vermeiden und eine zuverlässige Kommutierung bei dem durch das Eingangssignal bestimmten Leistungspegel zu erhalten. Die genannte vorbestimmte Zeitlänge entspricht der zum Laden der Zerhacker-Kommutatorkreise notwendigen Zeit. Wenn sich das Eingangssignal so ändert, daß die entsprechenden Leitzeiten zu einer bei normaler Phasenbeziehung unzureichenden Ladung der Kommutatorkreise führen würde, wird der Phasenabstand des Zerhackers auf den Normalzustand zurückgeführt. Damit arbeitet der Zerhacker bei der wirksamsten Phasenverteilung bzw. den wirksamsten Phasenbeziehungen, wenn nicht Eingangssignalpegel vorhanden sind, die zu einem Kommutationsfehler führen würden. Dann wird zeitweilig die Phasenbeziehung bzw. -verteilung so modifiziert, daß die Kommutationsfehler vermieden sind.

Die durchschnittliche Leistungszuführung zur Last bleibt bei jedem Phasenabstand gleich, so daß die durchschnittliche Last-Leistung im Gesamtbereich der Eingangssignalwerte kontinuierlich verläuft.

Claims

Patentansprüche

Mehrphasen-Zerhacker, bei dem Strom von einer gemeinsamen Stromquelle (20) sequentiell über mindestens zwei getrennte Strömwege in Stromimpulsen gleicher Länge und gleicher Wiederholzeit auf eine Last (10) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet , daß bei einem Zerhacker, bei dem die Stromabschaltung in einem der Wege entweder nach oder mehr als einenvorbestimmten Zeitraum vor der Stromanschaltung in einem anderen Weg geschehen muß, um zuverlässige Stromkomrautierung sicherzustellen, cino Einrichtung (16 A, 16 R; 22 A, 22 R) normal erwo i ;;<· in Abhängigkeit von der Einleitung eines Stromflusses in dem einen Weg eine Einleitung des Stromflusses in dem anderen Weg mit vorbestimmten Phasenabstand bewirkt, eine zusätzliche Einrichtung (80) in Abhängigkeit von dem Zeit-

abstand und der Zeitlänge der Impulse eine Identifizierung eines Zustandes bewirkt, bei welchem die Stromabschaltung in einem der Wege innerhalb des vorbestimmten Zeitraumes auftreten würde,und daß Phasenschieberelemente (66,68) für den anderen Weg durch die zusätzliche Einrichtung (80) nach Erkennung und Identifizierung des Zustandes aktivierbar sind, um die Einleitung des Stromflusses in dem anderen Weg mit Bezug auf die Einleitung des Stromflusses in dem einen Weg mindestens um den vorbestimmten Zeitraum vorzuschieben, u™ ^eiⁿ Stromabschalten innerhalb des vorbestimmten Zeitraums zu verhindern und dadurch eine zuverlässige Stromkommutierung herzustellen.
2. Zerhacker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Stromquelle eine Gleichstromquelle (20) ist und daß die getrennten Stromwege eine Vielzahl von eine gleiche Anzahl von Zerhackerphasen bestimmenden Schaltelementen (16A,16B) enthalten ,welche in den Leitzustand vorgespannt eine Verbindung der Stromquelle mit der Last bewirken, daß die Schaltelemente solche sind, die durch Anlegen eines EIN-Impulses an eine Steuerklemme in den Leitzustand vorgespannt werden können und die in einen nichtleitenden Zustand durch Umkehren des Spannungszustandes vorgespannt werden können, und mit einem Kommutatorkreis (22A, 22B) für jede Zerhackerphase versehen sind, daß jeder Kreis so geschaltet ist, daß er einen Ladestrom von der Quelle empfängt, wenn das jeweilige Schaltelement im nichtleitenden Zustand ist und nach Anlegen eines AÜS-Impulses eine Umkehrung dor an das Schaltelement angelegten Spannung zur Vorspannung desselben in einen nichtleitenden Zustand bewirkt, daß eine Einrichtung (60 usw.) vorgesehen ist, die die Erzeugung von EIN—Impulsen für die Steuerklemmen der Schaltelemente in Reihenfolge bewirkt, wobei die EIN-Impulse entsprechend einer vorbestimmten Phasenverteilung getrennt sind, daß eine Einrichtung (82) in Abhängigkeit

von einem einen gewünschten Lastabgabepegel bezeichnenden Eingangssignal AUS-Impulse für die Kommutatorkreise erzeugt, welche für jede Zerhackerphase zeitlich gegenüber den jeweiligen EIN-Impulsen für diese Phase so getrennt sind, daß gleiche Leitzeiten für alle Zerhackerphasen zur Erreichung des gewünschten Lastabgabepegels bestimmt sind, daß eine Einrichtung (REF 1, REF 2) einen Referenz-Zeitbereich vor jedem der EIN-Impulse bestimmt, wobei die Länge der Zone eine Funktion der zum angemessenen Aufladen der Kommutatorkreise notwendigen Zeit ist und daß eine Einrichtung (80,68 usw.) bei Eingangssignalwerten, die zur Erzeugung von AUS-Impulsen innerhalb des genannten Referenz-Zeitbereichs führen, eine Änderung der Phasenverteilung zwischen den EIN-Impulsen so bewirkt, daß kein AUS-Impuls innerhalb eines Referenz-Zeitbereichs auf tritt ,wodurch das Aufladen der Kommutatorkreise zur Sicherstellung einer verläßlichen Kommutierung bei allen Eingangssignalwerten ausreicht.
3. Zerhacker nach Anspruch 2, dadurch ge. kennzeichnet, daß die Schaltelemente eine Vielzahl von Silizium-Thyristoren (16A,16B) sind.
4. Zerhacker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die EIN-Impulsc für die Silizium-Thyristoren (16A,16B) einen Abstand entsprechend einer vorbestimmten Phasenverteilung besitzen, durch die der Stromquellen-Formfaktor minimal wird.
5. Zerhacker nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen (80,68,usw.) zum Ändern der Phasenverteilung der EIN-Impulse eine Änderung der Phasenverteilung zwischen aufeinanderfolgenden EIN-Impulsen bewirkt um mindestens die Zeitlänge, die zum angemessenen Auflade- der Kommutatorkreise erforderlich ist.
6. Zerhacker nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (80, 68, usw.) zum Ändern der Phasenverteilung die Aufrechterhaltung der zum Erzielen des erforderlichen Lastabgabepegels gewählten Zerhacker-Leitzeiten bewirkt und die Zulieferung einer kontinuierlichen Durchschnittsleistung von der Quelle zur Last im gesamten Bereich der Eingangssignalwerte sicherstellt.
7. Anwendung eines Mehrphasen-Zerhackers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei einem Elektrofahrzeug zur Steuerung der Zugabe von Leistung von Speicherbatterien

(20) des Fahrzeuges zu einem Fahrzeug-Gleichstrom-Antriebsmotor (10) .
8. Mehrphasen-Zerhacker nach Anspruch 1 mit einer Vielzahl von Stromwegen von der gemeinsamen Quelle zur Last, da-

. durch gekennzeichnet , daß die auf die Strom-EIN-Schaltung in einem als Haupt-Weg bezeichneten Weg ansprechenden Einrichtungen (16A/22A) normalerweise ein aufeinanderfolgendes Stromeinschalten in den anderen, als abhängige Wege bezeichneten Wegen so bewirken, daß ein normaler Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Stromweg-Einschaltungen erzielt wird, daß die zusätzliche Einrichtung eine Detektoreinrichtung (80) zum Erfassen dos Zoitabstandes dor Strominipu] so und ihrer Dauer umfaßt., die eine Identifizierung eines nicht zuverlässigen Strom- Kommutierungszustandes bewirkt, sobald die Stromabschaltung in einem Weg innerhalb des vorbestimmten Zeitraumes vor der Stromeinschaltung in einem anderen Weg erfolgen würde, und daß die die Phasenschieber-Elemente (66,68) enthaltenen Einrichtungen in den abhängigen Wegen angeordnet und durch die Detektoreinrichtung in Abhängigkeit von der Identifizierung eines nicht zuverlässigen Strom-Kommutierungszustandes zum Vorschieben

des Stromeinschaltens in den abhängigen Wegen mit Bezug auf die Stromeinschaltung in dem Haupt-Weg so aktivierbar sind, daß in einem bestimmten Wiederholungszyklus aufeinanderfolgende Stromeinschaltungen mindestens durch einen solchen Zeitabstand getrennt sind, wie der Unterschied zwischen dem normalen Zeitabstand und dem vorbestimmten Zeitraum beträgt, um dadurch den nicht zuverlässigen Strom-Kommutierungszustand zu vermeiden.
9. Mehrphasen-Zerhacker nach Anspruch 1 mit einem ersten und einem zweiten Weg für die £>i .romzu lei Ium) von einer qemeinsamen Quelle (20) zu einer durch einen Elektromotor gebildeten Last (10), dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (16A, 16B; 22A, 22B) normalerweise die Einleitung des Stromflusses in dem zweiten Weg in vorbestimmter Beziehung zur Einleitung des Stromflusses in dem ersten Weg bewirkt und daß die Stromab-· schaltung in jedem Weg entweder nach oder mehr als einen vorbestimmten Zeitraum vor der Stromeinleitung im anderen Weg stattfinden muß, daß die zusätzliche Einrichtung (80) den Zeitabstand und die Impulslänge aufnimmt und eine Identifizierung eines Zustandes bewirkt, in welchem der Stromfluß in dem zweiten Woq um weniger als einen vorbestimmten Zeitraum nach der Stromabschaltung im ersten.Weg eingeleitet würde und daß die Phasenschieber-Elemente (66, 68) durch die zusätzliche Einrichtung zum Vorschieben der Einleitung des Stromflusses in dem zweiten Weg auf einen Zeitpunkt genügend weit vor dem Abschalten des Stromflusses in dem ersten Weg aktivierbar sind.
10. Mehrphasen-Zerhacker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes und ein zweites Signal erzeugt wird, das jeweils auftritt, wenn die Hälfte der Impuls-Wiederholzeit größer als die impulslänge ist, und wenn eine Hälfte der Impuls-Wiederholzeit minus dem vorbestimmten Zeitraum kleiner als die Impulslänge ist,

und daß die Phasenschieber-Elemente (66,68) bei dem glei-chzeitigen Auftreten des ersten und des zweiten Signals aktiviert werden.
11. Mehrphasen-Zerhacker nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Stromfluß in den beiden Wegen entsprechend zwei unterschiedlichen Phasenverteilungen gesteuert ist, wobei die erste Phasenverteilung im wesentlichen ausgeglichen und die zweite Phasenverteilung um einen Zeitraum unausgeglichen ist, der mindestens so groß wie der vorbestimmte Zeitraum ist.
12. Mehrphasen-Zerhacker nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge der Impulse im ersten und im zweiten Weg gleichlaufend unabhängig von der bestehenden Phasenverteilung der Impulse qivindtvrt is;l~, so dfiß el or Zerhacker eine konLi nui or T i ehe Durchschnittsleistung von der Quelle (20) zu dem Motor (10) im gesamten Betriebsbereich liefert.