DE643410C - Verfahren zur Steuerung kollektorloser, ventilgesteuerter Motoren mit Nutzbremsung - Google Patents

Description

Um bei Gleichstromkollektormotoren, die über gesteuerte Gleichrichter gespeist werden, bei Energierückgewinnung (Nutzbremsung) die Umschaltung im Gleichstromkreis zu vermeiden, verwendet man bekanntlich zwei Stromrichtgefäße in der sogenannten Achterschaltung' und steuert diese so, daß, wie z. B. bei den bekannten Leonardumformern, jederzeit von der einen Betriebsart (z. B.

Motorbetrieb) in die andere (Bremsbetrieb) und umgekehrt übergegangen werden kann. Zu diesem Zweck kuppelt man noch die beiden Drehregler für die Gittersteuerung der Gefäße starr miteinander und schaltet sie so, daß bei ihrer Verdrehung beide Gefäße im richtigen Sinne gesteuert werden.

Bei kollektorlosen Motoren ist es nun grundsätzlich möglich, auch dann mit einem einzigen Entladungsgefäß auszukommen, wenn Nutzbremsung des Motors verlangt wird, ohne daß deshalb eine Umschaltung in den Hauptstromkreisen notwendig wäre. Dieser Vorzug gibt dem kollektorlosen Motor gegenüber dem Gleichstromkollektormotor bei Betrieb mit Energierückgewinnung einen beachtlichen wirtschaftlichen Vorsprung. Um diesen Vorsprung aber auch ausnutzen zu können, ist es erforderlich, die Gittersteuerung entsprechend der doppelten Wirkungsweise des Motors, d. h. mit Rücksicht sowohl auf den Motor- wie den Generatorbetrieb, zu' bemessen. Es ist schon vorgeschlagen worden, die Gittersteuerung so auszubilden, wie dies bei Umrichtern erfolgt, die einphasenseitig induktiv belastet werden. Bei diesen können die einzelnen Anoden über zwei getrennte Steuerungen sowohl als Gleich- wie auch als Wechselrichter gesteuert werden, wodurch jederzeit die Lieferung induktiven Stromes möglich ist. Diese Maßnahme hat aber bei den meisten Schaltungen für kollektorlose Motoren erhebliche Nachteile wegen der großen Ausgleichströme zwischen im betrachteten Augenblick als Gleich- und als Wechselrichter geschalteten Anoden. Diese Ausgleichströme sind gerade bei den Schaltungen mit einer günstigen Motorausnutzung besonders groß und verringern ihrerseits die verbesserte Ausnutzung des Motors erheblich.

Die andere ebenfalls bekannte Art des Überganges von einer Betriebsart in die andere, bei der die Steuerung des Stromrichters entsprechend für Gleichrichterbetrieb bzw. Wechselrichterbetrieb umgeschaltet wird, hat den Nachteil, daß der Übergang nicht stetig, sondern stoßweise erfolgt, was bei manchen Antrieben, z. B. Fördermaschinen, mit Rücksicht auf die Seilbeanspruchung nicht zulässig ist.

Die Erfindung gibt nun ein Verfahren zur Umschaltung der Steuerung an, bei dem dieser Nachteil vermieden und ein sanfter Übergang erzielt wird. Der Grundgedanke ist dabei der folgende: Der Motor bzw. die Erit-

*i Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Max Stöhr in Berlin-Hermsdorf.

ladungsstreckeu erhalten zwei voneinander vollkommen unabhängige Steuerungen, von denen die eine für Gleichrichterbetrieb, d. h. Motorbetrieb, und die andere für Wechselrichterbetrieb, d. h. Nutzbremsbetrieb, ausgebildet ist. Bei der Drehzahlregelung des Motors mit Hilfe der Gittersteuerung werden beide Steuerungen (die für Motor- und die für Bremsbetrieb I in dem Sinne verstellt. ίο daß bei beiden Betriebsarten praktisch Spannungsgleichgewicht zwischen der Motorgegenspannung und der fiktiven, dem Motor zugeführten bzw. von ihm erzeugten Gleichspannung besteht. Die Umschaltung von der einen Steuerung auf die andere erfolgt in einer ganz bestimmten Reihenfolge für die einzelnen Stromkreise, wodurch das Auftreten von Stromstößen und insbesondere ein Kippen der im Wechselrichterbetrieb miteinander arbeitenden Entladungsstrecken vermieden wird. Die Umschaltung wird dabei vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße, z. B. der Differenz zwischen Gleichspannung und Motorgegenspannimg oder der Solldrehzahl des Motors o. dgl., vorgenommen und gewährleistet je nach den bestimmten Betriebsverhältnissen einen sanften Übergang.

Der Errindungsgedanke möge an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Das in Abb. ι dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen aus einem Einphasennetz ι gespeisten Motor 2, der nur zwei um 180- gegeneinander versetzte Ständerwicklungen aufweist. In den meisten praktischen Fällen wird allerdings sowohl der Motor wie das speisende Xetz mehrphasig sein. Der Motor wird über einen Transformator 3 mit zwei getrennten Sekundärwicklungen 31 und 32 und über zwei Gruppen von Entladungsstrecken 41', 41" bzw. 42', 42", die in einem gemeinsamen Entladungsgefäß 4 untergebracht sind, gespeist. Zwischen der Kathode des Gefäßes 4 und dem Sternpunkt der Motorwicklung ist eine Drossel 5 vorgesehen. Statt dieser Drossel bzw. zusätzlich zu dieser Drossel können auch in den Leitungen von den Phasenenden der Motorwicklungen zu den beiden Mittelpunkten der Transformator-Sekundärwicklungen 31 und ^2 zwei Drosseln vorgesehen sein, welche zweckmäßig als Kommutierungstransformator miteinander verkettet werden. Der Motor ist im Ausführungsbeispiel als fremderregter Motor dargestellt. Er kann jedoch grundsätzlich auch mit Nebenschluß- oder Reihenschlußcharakteristik ausgeführt werden. Die Entladungsstrecken 41 bzw. 42 werden einerseits über die Drehregler 6 bzw. 7 und die Steuertransformatoren 8 bzw. 9 in Abhängigkeit \'on der speisenden Wechselspannung und andererseits mittels der auf der Motorwelle aufgebrachten Steuerkommutatoren 11 bzw. 12 in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors, d. h. also in Rücksicht auf die vom Motor erzeugte elektromotorische Kraft, gesteuert. Die Steuertransformatoren 8 bzw. 9 können dabei in bekannter Weise derart bemessen sein, daß die resultierenden Steuerspannungen spitze Wellenform besitzen. Bei Motorbetrieb werden die Entladungsstrecken durch den Drehregler 6, den Steuertransformator 8 und den Steuerkommutator 11 gesteuert, bei stationärem Nutzbremsbetrieb durch den 'Drehregler 7, den Steuertransformator 9 und den Steuerkommutator 12. Solange am Steuerkommutator die Verbindung zwischen der Kathode des Entladungsgefäßes 4 bzw. der vorgeschalteten Gittervorspannungsbatterie

13 und der betreffenden Sekundärwicklung des zugehörigen Steuertransformators unterbrocheu ist, liegt an den Entladungsstrecken der betreffenden Gruppe über die Widerstände

14 eine den Entladungseinsatz sperrende negative "Vorspannung. In einem der Drehzahl des Motors entsprechenden Takt werden durch die Steuerkommutatoren abwechselnd die Entladungsstrecken je einer Gruppe in bekannter Weise freigegeben. Die jeweils freigegebene Gruppe von Entladungsstrecken wird dann im Takte der speisenden Wechselspannung in Gleichrichterschaltung gesteuert und speist dabei die betreffende Phasenwicklung des Motors. Zur Regelung der Drehzahl kann die Gleichrichtersteuerung der Entladungsstrecken durch Verstellung des betreffenden Drehreglers geändert werden, oder es kann die Drehzahl durch Feldschwächung oder durch Verstellung der Bürsten am Steuerkommuta tor geregelt werden.

Im Nutzbremsbetrieb arbeitet die Steuerung grundsätzlich genau so, jedoch arbeitet die jeweils freigegebene Gruppe von Entladungsstrecken durch geeignete Einstellung des Drehreglers 7 jeweils nach Art eines Wechselrichters in bezug auf das Einphasennetz. Die Steuerung der beiden Gruppen von Entladungsstrecken gegeneinander durch den Steuerkommutator 12 erfolgt nunmehr mit Bezug auf die. vom Motor erzeugte EMK nach Art eines Gleichrichters, während sie beim Motorbetrieb nach Art eines Wechselrichters, d. h. mit entsprechender Voreilung gegenüber. dem Nulldurchgang der Gegen-EMK, erfolgt. Die beiden Drehregler 6 und 7 sind mechanisch miteinander gekuppelt und derart auf der gemeinsamen Achse aufgebracht, daß bei jeder Stellung der Drehregler in beiden Betriebsarten annähernd Spannungsgleichgewicht zwischen der Mot or spannung und der Gleichrichterspannung bzw. der Netzspannung besteht.

Um einen ordnungsmäßigen und möglichst

stoßfreien Übergang vom Nutzbremsbetrieb auf den Motorbetrieb und umgekehrt zu erzielen, ist beispielsweise ein Umschalter 15 vorgesehen, der sowohl die Umschaltung vom Steuerkommutator 11 und Steuerkommutator 12 als auch die Umschaltung zwischen den beiden Drehreglern 6 und 7 übernimmt und derart ausgebildet ist, daß diese einzelnen Umschaltungen in einer ganz bestimmten Reihenfolge vor sich gehen. Es ist nämlich nicht zulässig, einfach etwa die eine Steuerung abzuschalten und darauf die andere zuzuschalten; denn es ist zu berücksichtigen, daß bei jeder Betriebsart entweder die Drehreglersteuerung oder die Kommutatorsteuerung in Rücksicht auf die Netzwechselspannung bzw. die EMK des Motors nach Art einer Wechselrichtersteuerung arbeitet. Bekanntlich ist aber eine Abschaltung eines Wechselrichters durch plötzliche Sperrung der Steuergitter nicht 'möglich, sondern ein derartiger Versuch führt zum Kurzschluß, der so lange andauert, als eine treibende Spannung auf der Gleichstromseite des Wechselrichters vorhanden ist. Erfindungsgemäß wird die Umschaltung derart vorgenommen, daß vor der Abschaltung der jeweils nach Art einer Wechselrichtersteuerung arbeitenden Teilsteuerung die andere, nach Art einer Gleichrichtersteuerung arbeitende Teilsteuerung unterbrochen wird und daß dabei die Umschaltung mit einer derartigen Verzögerung erfolgt, daß bei der Unterbrechung der Wechselrichtersteuerung die treibende Spannung infolge der Unterbrechung des Gleichrichterbetriebs verschwunden ist, so daß kein Kurzschluß mehr entstehen kann.

Bei dem in Abb. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht dies mittels des Um-Schalters 15 in folgender Weise: Angenommen, der Motor möge in Motorbetrieb aus dem Netz gespeist werden. Dann befindet sich der Umschalter 15 in der dargestellten Stellung. Durch den Drehregler 6 werden die Entladungsstrecken 41' und 41" bzw. 42' und 42" abwechselnd in bezug auf die in den Sekundärwicklungen 31 und 32 induzierten Wechselspannungen von Netzfrequenz als Gleichrichterentladungsstrecken, d. h. mit nacheilendem Zündeinsatz, gesteuert. Durch den Steuerkommutator 11 wird dagegen die Gruppe 41 gegenüber der Gruppe 42 in bezug auf die Gegenspannung des Motors nach Art eines Wechselrichters, d. h. mit einer derartigen Voreilung, gesteuert, daß die Stromführung von der einen Gruppe von Entladungsstrecken stets auf die andere schon übergeht, bevor die Gegen-EMK des Motors durch Null hindurchgeht. Wird jetzt zum Zwecke der Umschaltung auf Nutzbremsung der Umschalter 15 unter dem Einfluß der Betätigungsspule ιό nach unten bewegt, so durchläuft er die in den Abb. 2 bis 5 dargestellten Stellungen. In der Stellung nach Abb. 2 ist die Steuerung der beiden Gruppen von Entladungs strecken gegeneinander in bezug auf die Gegen-EMK des Motors unverändert. Dagegen sind beide Drehregler 6 und 7 erregt, so daß die Entladungsstrecken der durch den Steuerkommutator 11 jeweils gerade freigegebenen Gruppe sowohl Gleichrichter- wie auch Wechselrichterimpulse erhalten. An der Betriebsweise der Gesamteinrichtung wird hierdurch zunächst nichts geändert, da beim Einsetzen der Wechselrichterimpulse die Entladungsstrecken bereits leitend sind. Gelangt der Umschalter 15 im weiteren Verlauf der Bewegung in die Stellung gemäß Abb. 3, so ist jetzt nur noch der Drehregler 7 angeschlossen, d. h. die Entladungsstrecken jeder Gruppe werden bei ihrer Freigabe durch den Steuerkommutator 11 in bezug auf die Netzspannung als Wechselrichter gesteuert. Sie können also keine treibende Gleichspannung mehr für die Motorwick- g₅ lungen liefern, so daß der dem Sternpunkt des Motors zufließende Strom rasch verschwindet. Nunmehr kann auch die Kommutatorsteuerung ohne Gefahr in eine Gleichrichtersteuerung geändert werden, was bei der go Weiterbewegung des Umschalters 15 zunächst durch Zuschaltung des Steuerkommutators 12 (Abb. 4) und dann durch Abschaltung des Kommutators 11 (Abb. 5) erfolgt. Durch diese Art der Umschaltung wird erreicht, daß die Steuergitter stets unter der Kontrolle der Steuereinrichtungen stehen und daß ein Kurzschluß infolge zu plötzlicher Abschaltung einer Wechselrichtersteuerung nicht auftreten kann. Je nach den Verhältnissen in den Hauptstromkreisen ist es u. U. zweckmäßig, am Umschalter 15 eine Zeitverzögerungseinrichtung 17 anzuordnen, wie sie in Abb. ι schematisch dargestellt ist.

Bei der Rückschaltung von Bremsbetrieb auf Motorbetrieb ist die Reihenfolge der Schaltungen grundsätzlich gleichartig, nur mit dem Unterschied, daß die netzfrequente und die drehzahlfrequente Steuerung in der zeitlichen Reihenfolge der '!Schaltungen vertauscht sind. In diesem Falle ist darauf zu achten, daß die Wechselrichtersteuerung der einzelnen Entladungsstrecken (Drehregler 7) erst dann unterbrochen wird, wenn nach Aufhebung der von der Motordrehzahl abhängigen Gleichrichtersteuerung in bezug auf die Motorspannung·, d. h. durch Sperrung der gesamten Gruppen von Entladungsstrecken, die Entstehung eines Kurzschlusses von vornherein unterbunden ist.

Eine andere Möglichkeit, bei der plötzliche Umschaltungen überhaupt vermieden werden,

ist in einer stetigen Verschiebung der Bürsten der Steuerkoramutatoren bzw. in einer entsprechenden stetigen Verdrehung der Drehregler 6 und 7 gegeben. Auch hierbei ist darauf zu achten, daß diese Verdrehung nicht zu rasch erfolgt, da sie sonst wirkungsmäßig einer plötzlichen Umschaltung gleichkommt. Eine derartige Einrichtung hat noch den Vorteil, daß statt zweier Steuerkommutatoren ίο und zweier Drehregler nur ein Steuerkommutator und ein Drehregler notwendig sind und daß lediglich durch Verstellung der Phase der Steuerspannungen an Drehregler und Steuerkommutator jeder beliebige Betriebszustand '5 erreicht werden kann.

Die Umschaltung bzw. die Verstellung von Drehregler oder Bürstensatz muß stets mit Rücksicht auf die niedrigere Frequenz erfolgen. Das bedeutet, daß bei untersynchroner Drehzahl des Motors, vor allem bei der Umschaltung von Motorbetrieb auf Generatorbetrieb, auf eine genügend große Verzögerung geachtet werden muß, bei übersynchroner Drehzahl des Motors dagegen bei der Umschaltung von Nutzbremsung auf Motorbetrieb.

Auch bei der Anwendung einer Verdrehung von Drehregler und Steuerkommutator bzw. Bürstensatz ist auf die oben beschriebene richtige Reihenfolge zu achten. Es muß bei Übergang von Motor- in den Bremsbetrieb erst der Drehregler von der dem Gleichrichterbetrieb entsprechenden Stellung in die dem Wechselrichterbetrieb entsprechende Stellung gebracht werden, wobei die von den Entladungsstrecken gelieferte Spannung selbsttätig durch XuII geht. Dann erst wird der Steuerkommutator bzw. der Bürstensatz von der dem Motorbetrieb entsprechenden Stellung in die dem Generatorbetrieb entsprechende Stellung verdreht.

Unabhängig von diesen Vorgängen bei der Umschaltung kann sowohl die Stellung des Drehreglers bzw. der Drehregler wie auch *5 die Stellung des bzw. der Steuerkommutatoren betriebsmäßig regelbar sein, um die Leistung bzw. die Drehzahl des Motors regeln zu können. Zweckmäßig wird allerdings im Interesse einer einfachen Gesamtsteuerung beispielsweise die Stellung des Steuerkommutators festgehalten und zum Zweck der Drehzahlregelung nur der netzfrequent steuernde Drehregler verstellt.

Die zur Umschaltung bzw. Verstellung der Steuerapparate bei Wechsel der Betriebsart notwendigen Zeiträume sind bei normalen Motordrehzahlen kurz. Nur bei kleinen Drehzahlen wird diese Zeit u.U. größer. Es ist daher zweckmäßig, die Verstellgeschwindigkeit vor allem des Steuerkommutators bzw. die Umschaltgeschwindigkeit des Umschalters 15 von der Drehzahl des Motors abhängig zu machen, um bei hohen Motordrehzahlen eine unnötig lange Ubergangsdauer zu vermeiden. Dies kann durch Veränderung der Dämpfung des Verstellrelais oder durch eine Freilaufeinrichtung o. dgl. geschehen. In diesen Fällen kann man zweckmäßig als Verstellvorrichtung je einen asynchronen Motor benutzen und den Verstellmotor für die Steuerkommutatoren an die vom Motor gelieferte Spannung, den Verstellmotor für den Drehregler an die Netzspannung anlegen. Damit ist stets die Gewähr gegeben, daß die Verstellung langsamer erfolgt, als es maximal zulässig ist, also mindestens langsamer als der Motorfrequenz bzw. der Netzfrequenz entspricht, daß sie aber andererseits bei jeder Motordrehzahl mit möglichst geringen Zeitverlusten ausgeführt wird.

Die Umschaltung in der nach .der Erfindung vorgeschlagenen Folge ist nicht an die Verwendung mechanischer Umschalter gebunden. Es können statt dessen auch beliebig andere Elemente, wie z. B. Hilfsentladungsgefäße, verwendet werden. Auch die Motorsteuerung braucht nicht mit Hilfe von Steuerkommutatoren vorgenommen zu werden, sondern es kann hierfür jedes andere bekannte Steuerverfahren dienen. Desgleichen können auch alle bekannten Einrichtungen zur Erzielung spitzer Gitterwechselspannungen benutzt werden.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Steuerung kollektorloser, ventilgesteuerter Motoren, die aus einem Wechselstromnetz gespeist werden und bei denen Stromrückgewinnung ermöglicht werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die netzfrequente Teilsteuerung einerseits und die motorfrequente Teilsteuerung andererseits mittels je einer vollständigen Steuereinrichtung, die von der anderen Steuereinrichtung unabhängig "105 ist, durchgeführt wird, daß beim Übergang von einer Betriebsart in die andere die jeweils nach Art einer Wechselrichtersteuerung arbeitende Teilsteuerung der Entladungsstrecken, d. i. bei Motorbetrieb no die im Takt der Motorfrequenz erfolgende Steuerung der den Motorphasen zugeordneten Gruppen von Entladungsstrecken mit Rücksicht auf die Motor-Gegen-EMK, bei Generatorbetrieb die im Takt der Netzfrequenz erfolgende Steuerung der einzelnen, an je eine Wicklung des speisenden Netztransformators angeschlossenen Ent-¹ ladungsstrecken jeder Gruppe, erst mit einer derartigen Verzögerung nach der iao Unterbrechung bzw. Umschaltung für Wechselrichterbetrieb der anderen vorher

   nach Art einer Gleichrichtersteuerung arbeitenden Teilsteuerung abgeschaltet wird, daß die treibende Spannung für die als Wechselrichter arbeitenden Entladungsstrecken bzw. Gruppen von Entladungsstrecken bereits verschwunden ist und daß anschließend die betreffenden Entladungsstrecken bzw. Gruppen von Entladungsstrecken nach Art eines Gleichrichters gesteuert werden.
2. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, gekennzeichnet durch einen Umschalter, mittels dessen bei Übergang von einer Betriebsart in die andere die netzfrequente Gleichrichtersteuerungseinrichtung mit der netzfrequenten Wechselrichtersteuerungseinrichtung und die motorfrequente Wechselrichtersteuerungseinrichtung mit der motorfrequenten Gleichrichtersteuerungseinrichtung vertauscht wird, oder umgekehrt und der so ausgebildet ist, daß bei Umschaltung von Motor- auf Generatorbetrieb die motorfrequenten Steuereinrichtungen erst umgeschaltet werden, wenn die netzfrequenten Steuereinrichtungen auf Wechselrichterbetrieb umgestellt sind bzw. umgekehrt.
3. 3. Einrichtung nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter mit einer unabhängigen oder einer von einer Betriebsgröße, vornehmlich der Motordrehzahl, abhängigen Zeitverzögerungseinrichtung versehen ist.
4. 4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur je eine netzfrequente bzw. motorfrequente Steuereinrichtung,

   ..v-gt?.*B. ein Drehregler bzw. ein Steuerkom-■■\',"^mutator, vorgesehen ist, daß bei Übergang '■^ν"·'νοη Motorbetrieb auf Generatorbetrieb der zur netzfrequenten Steuerung dienende Drehregler im Sinne einer Nacheilung so lange verstellt wird, bis die erzeugte Spannung verschwindet bzw. sich umkehrt (Wechselrichtersteuerung), und daß erst dann, gegebenenfalls mit einer unabhängigen oder betriebsgrößenabhängigen Verzögerung, die motorfrequente Steuerung, z. B. die Bürsten des Steuerkommutators, im Sinne einer Voreilung stetig verschoben werden, bis die motorfrequente Wechselrichtersteuerung in eine Gleichrichtersteuerung übergegangen ist, und umgekehrt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung bzw. Verstellvorrichtung in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße, z. B. der Spannung oder Leistung des Motors, betätigt wird.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstellvorrichtung je ein Asynchronmotor dient, der für die netzfrequente Steuereinrichtung von der Netzspannung, für die motorfrequente Steuereinrichtung von der Motorspannung gespeist wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   BERLIN'. GEDRfC[CT IN DKH