DE69206603T2 - Vorrichtung zur stromregelung in einer induktanzspule. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromversorgungssteuergerät, das dazu geeignet ist, eine Stromversorgungssteuerung einer Induktionsspule ohne die Verursachung eines Zeitabstandes durchzuführen, beispielsweise in einem solchen Fall, bei dem die Stromversorgungssteuerung mit einer bestimmten Kurvenform für eine Ankerspule eines Motors benötigt wird, der eine Ausgangsleistung von 30 Watt oder mehr aufweist, während sich der Motor im Hochgeschwindigkeitsbetrieb befindet.
• Bei einem Elektromagneten, der einen Magnetständer bildet, weist die Erregerspule eine hohe Induktivität auf, und daher wird es schwierig, eine Ändernng des Erregerstroms zu bewirken, der schnell genug zugeführt wird, um ein Freikommen des Rotors zu bewirken.
• In dem Fall, bei dem eine Chopperschaltung vorgesehen ist, um einen Erregerstrom zu steuern, der eine Induktionsspule zugeführt wird, ist, wenn die Induktionsspule eine große Induktivität aufweist, die Ansprechgeschwindigkeit der Chopperschaltung üblicherweise einfach verbessert und entsprechend steigt die Spannungsquellenspannung für den schnellen Aufbau des Erregerstroms an, wodurch die magnetische Energie, die in der Induktionsspule gespeichert ist, zur Spannungsquelle für den schnellen Abbau des Erregerstrom zur Spannungsquelle rückführbar ist, wodurch ein schnelleres Ansprechen der Versorgungsstromregelung erhalten wird.
• Wie im vorangegangenen erklärt ist, ist ein Verfahren zum Verbessern des Ansprechens eines Bewegungsstromes, der über eine Chopperschaltung einer großen Induktionsspule zugeführt wird, um eine Spannung einer elektrischen Spannungsversorgung zu erhöhen. Ein Erhöhen der Spannung einer elektrischen Spannungsversorgungsquelle für ein schnelleres Ansprechen bewirkt weiterhin jedoch, daß die Spannung der Sparnungsversorgungsquelle für die praktische Anwendung zu hoch wird.
• Für den Fall eines Induktionsmotors oder eines Reluktanzmotors mit 500 Watt Ausgangsleistung ist es beispielsweise notwendig, die Spannung der elektrischen Spannungsversorgungsquelle um das fünf- bis zehnfache der angelegten Spannung für das Erhalten eines Drehmomentes zu erhöhen, um eine Pulsweite, die in einer Choppersteuerung für einen Ankerstrom verwendet wird, auf etwa einige Mikrosekunden zu vermindern, und dies ergibt das Problem der Nicht- Durchführbarkeit.
• Die zuvor beschriebenen Probleme treten im selben Maße wie die Nachteile der Steuerung einer Erregerspule eines Elektromagnetes für eine Magnetstütze auf.
• Ein anderes Verfahren ist in der WO-A-91 03 870 offenbart.
• Somit ist es Aufgabe der Erfindung, ein Gerät vorzusehen, das geeignet ist, eine Stromversorgungssteuerung für eine Induktionsspule ohne Zeitabstand genau auszuführen.
• Die Erfindung sieht ein Stromversorgungssteuergerät für eine Induktionsspule vor mit:
• einer in Serie verbundenen Komponente, die eine Induktionsspule, die um einen Magnetkern gewickelt ist und ein erstes Halbleiter-Schaltelement aufweist,
• einer elektrischen Gleichspannungsquelle, deren positiver Anschluß, mit welcher der Induktionsspule der seriell verbundenen Komponente verbunden ist, und dessen negativer Anschluß mit dem ersten Halbleiter-Schaltelement verbunden ist,
• einer ersten Diode die zu der seriell verbundenen Komponente umgekehrt gerichtet verbunden ist,
• einer zweiten Diode, deren Eingangsanschluß mit einem Knotenpunkt zwischen dem ersten Halbleiter-Schaltelement und der Induktionsspule verbunden ist,
• einer dritten Diode, die zwischen dem positiven Anschluß der elektrischen Gleichspannungsquelle und der Induktionsspule in Vorwärtsrichtung zwischengesetzt ist,
• einer Stromerfassungsschaltung, um einen Stromwert, der in der Induktionsspule fließt, zu erfassen, um ein Erfassungssignal zu erzeugen,
• einer Vorrichtung, um eine Standardspannung, die eine vorbestimmte Kurvenform aufweist, zuzuführen,
• einen Kleinkapazitätskondensator, der mit einem Ende entweder mit dem positiven Anschluß oder dem negativen Anschluß der elektrischen Gleichspannungsquelle verbunden ist, und dessen anderes Ende mit einem Ausgangsanschluß der zweiten Diode verbunden ist, so daß die in der Induktionsspule gespeicherte magnetische Energie über die erste und zweite Diode entladen wird, um den Kleinkapazitätskondensator zu laden, wenn das erste Halbleiter-Schaltelement ausgeschaltet ist, und
• einer Chopperschaltung, die zum Ausschalten des ersten Halbleiter-Schaltelementes arbeitet, wenn die in der Stromerfassungsschaltung erfaßte Signalspannung die Standardspannung übersteigt, so daß ein Erregerstrom, der der Induktionsspule zugeführt wird, steil abnimmt, wodurch bewirkt wird, daß die magnetische Energie, die in der Induktionsspule gespeichert ist, sich über die zweite Diode entlädt, um den Kleinkapazitätskondensator auf eine hohe Spannung aufzuladen, wobei die Chopperschaltung weiterhin arbeitet, um das erste Halbleiter-Schaltelement einzuschalten, wenn die in der Stromerfassungsschaltung erfaßte Signalspannung auf einen vorbestimmten Wert absinkt, so daß ein der Induktionsspule zugeführter Erregerstrom, durch Anwendung der Hochspannung, die in dem Kleinkapazitätskondensator gespeichert ist, über das zweite Halbleiter-Schaltelement zu einem Knotenpunkt zwischen einem Ausgangsanschluß der dritten Diode und der Induktionsspule, stark erhöht ist, und
• einer Vorrichtung um die Einschaltzeiten des ersten und zweiten Halbleiter- Schaltelementes zu synchronisieren.
• Der Betrieb der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnähme auf Fig. 1 erläutert. Wenn ein Transistor 3 ausgeschaltet ist, wird die in einer Induktionsspule 1 gespeicherte magnetische Energie über Dioden 4a und 4b in einen Kondensator 5 entladen, um ihn mit der in der Zeichnung dargestellten Polarität aufzuladen.
• Durch Auswählen der Kapazität des Kondensators 5, entsprechend der Induktivität der Induktionsspule 1, kann der Kondensator 5 bis zu einem Grenzwert aufgeladen werden, der durch die Spannungsfestigkeit von jeder Komponente bestimmt ist, (üblicherweise bis etwa 600 Volt). Somit ist der Erregerstrom scharf abgeschnitten. In diesem Fall ist SCR 7 in einem ausgeschalteten Zustand gehalten.
• Wenn der Erregerstrom um ein vorbestimmtes Ausmaß abnimmt, wird der Transistor 3 ausgeschaltet. In diesem Fall wird, wenn SCR 7 gleichzeitig eingeschaltet wird, der Erregerstrom scharf durch die Wirkung der in dem Kondensator 5 geladenen Spannung aufgebaut.
• Die Chopperschaltung ist so ausgelegt, um den zuvor beschriebenen Zyklus zu wiederholen, so daß sie geeignet ist, die Stromversorgungssteuerung für die Induktionsspule 1 gemäß der Standardspannung ohne Zeitverzögerung durchzuführen. Somit wird das oben angegebene Problem gelöst.
• Wie in dem Vorangegangenen erläutert ist, benötigt eine große induktive Last üblicherweise eine lange Zeit, um magnetische Energie zu speichern oder zu entladen. Somit wird ein Mittel zum Verbessern des Ansprechens der Stromversorgungssteuerung benötigt. Um diese Anforderung zu treffen, schlägt ein übliches Verfahren vor, eine Chopperschaltung zum Erhöhen der angelegten Spannung der elektrischen Spannungsquelle zu verwenden. Ein derartiges Verfahren ist durch die begrenzte Ansprechgeschwindigkeit bei einer tatsächlichen Stromversorgungssteuerung nicht in die Praxis umgesetzt.
• Gemäß der erfindungsgemäß ausgeführten Mitteln wird es jedoch möglich, eine Stromversorgungssteuerung für eine Induktionsspule mit gutem Ansprechen durchzuführen, ohne eine angelegte Spannung zu erhöhen.
• Insbesondere ist es besonders geeignet, die technische Lehre der Erfindung für eine Servosteuerung für einen großen Motor mit hoher Induktion oder eine Stromversorgungssteuerung für Erregerspulen von Elektromagneten geeignet, der eine Magnetständer bildet, die bei der Steuerung ein schnelles Ansprechen erfordert.
• Gemäß üblicher Mittel ist ein Paar von Halbleiter-Schaltelementen mit beiden Enden der Induktionsspule 1 verbunden. Das erfindungsgemäß ausgeführte Gerät benötigt jedoch nur ein Halbleiter-Schaltelement, das auf der Seite des negativen Anschlusses der elektrischen Spannungsquelle angeordnet ist. Somit kann die Schaltung vereinfacht und mit geringen Kosten hergestellt werden. Da die SCR 7 nur für einen geringen Zeitraum verwendet wird, kann ihre Kapazität einen verhältnismäßig geringen Wert aufweisen, wodurch keine besonderen Probleme entstehen.
• Fig. 1 ist ein elektrisches Schaltbild, das ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel darstellt, und
• Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm, das elektrische Signale, die an verschiedenen Komponenten der Schaltung von Fig. 1 erhalten werden, darstellt.
• Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine Induktionsspule 1 beispielsweise eine Erregerspule, um einen Magnetkern, der eine Magnet-Stütze bildet, zu erregen. Der Magnetkern ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Transistor 3 ist mit einem unteren Ende der Induktionsspule 1 verbunden, und die Diode 4b ist entgegengesetzt zu einer seriell verbundenen Komponenete angeschlossen, die aus der Induktionsspule 1 und dem Transistor 3 besteht. Ein Erregerstrom der Induktionsspule 1 ist als Spannungsabfall in dem Widerstand 9 erfaßt und sein Ausgangssignal wird einem positiven Anschluß des Operationsverstarkers 11 zugeführt. Ein negativer Anschluß des Operationsverstärkers 11 ist mit einem Anschluß 10 verbunden, an dem die Standardspannung vorgesehen ist.
• Ein Beispiel der Standardspannung ist als Kurve 14 im Zeitdiagramm von Fig. 2 dargestellt. Anschlüsse 2a und 2b der elektrischen Gleichspannungsquelle geben über eine Diode 6, die in Flußrichtung zwischengesetzt ist, einen Strom an die Induktionsspule 1 ab.
• Wenn die durch die Kurve 14 in Fig. 2 dargestellte Vergleichsspannung dem Operationsverstarker 11 zugeführt ist, geht ein Ausgangsanschluß des Operationsverstarkers 11 auf einen "LOW"-Pegel über. In diesem Fall geht ein Ausgangssignal einer monostabilen Schaltung 13 auf einen "LOW"-Pegel über, so daß das Ausgangssignal von einer Inverterschaltung 13a auf einen "HIGH"-Pegel übergeht. Dies bedeutet, daß der Transistor 3 eingeschaltet wird, und ein Erregerstrom anwächst.
• Wenn die an dem positiven Anschluß des Operationsverstärkers 11 angegebene Spannung auf das Ansteigen des Erregerstroms hin die Standardspannung am negativen Anschluß übersteigt, wechselt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 11 auf einen "HIGH"-Pegel über. Dieses "HIGH"-Pegel-Signal wird einer Differenzialschaltung 12 zugeführt. Wenn ein Differenzialimpuls eines Anfangsabschnitts der monostabilen Schaltung 13 zugeführt wird, weist ein Ausgangssignal der monostabilen Schaltung 13 eine vorbestimmte Weite auf. Somit ändert sich der erhaltene elektrische Impuls über die Inverterschaltung 13a in ein "LOW"-Pegel-Signal, und daher wird während einer vorbestimmten Zeitperiode auf dieses "LOW"-Pegel-Impulssignal hin der Transistor 3 ausgeschaltet.
• Folglich wird die in der Induktionsspule 1 gespeicherte magnetische Energie über die Dioden 4a und 4b in den Kondensator 5 entladen. Da der Kondensator 5 eine geringe Kapazität aufweist steigt seine Ladespannung so schnell an, daß der Erregerstrom schrittweise abnimmt. Wenn der Erregerstrom auf einen vorbestimmten Wert abgesunken ist, kehrt ein Ausgangssignal der monostabilen Schaltung 13 auf einen "LOW"-Pegel zurück, so daß der Transistor 3 einschaltet, um den Erregerstrom zu erhöhen.
• Der Erregerstrom ist als ein Spannungsabfall am Widerstand 9 erfaßt und sein Ausgangssignal wird einem positiven Anschluß des Operationsverstärkers 11 zugeführt. Ein negativer Anschluß des Operationsverstärkers 11 wird mit der Standardspannung vom Anschluß 10 zugeführt.
• Ein Beispiel der Vergleichsspannung ist als Kurve 14 im Zeitdiagramm von Fig. 2 dargestellt. Anschlüsse 2a und 2b der elektrischen Gleichspannungsquelle geben über Diode 6, die in Flußrichtung zwischengesetzt ist, Strom an die Induktionsspule 1 ab.
• Wenn die durch die Kurve 14 in Fig. 2 dargestellte Standardspannung dem Operationsverstärker 11 zugeführt wird, gelangt ein Ausgangssignal des Operationsverstärkers 11 auf "LOW"-Pegel.
• In diesem Fall wird, wenn der Transistor 7a auf das Ausschalten des Transistors 3 hin einschaltet, ein Gatestrom des SCR 7 (gesteuerter Siliziumwiderstand) durch die aufgeladene Spannung am Kondensator 5 erhalten, um den SCR 7 einzuschalten. Somit liegt die Hochspannung des Kondensators 5 an, und der Erregerstrom wird steil aufgebaut. Durch das Beenden des Entladens des Kondensators 5, wird der SCR 7 automatisch ausgeschaltet.
• Wenn der Erregerstrom ansteigt, um den Transistor 3 wieder auszuschalten, wird der Transistor 3 während eines Zeitabschnitts ausgeschaltet, der der Ausgangssignalweite entspricht, die von der monostabilen Schaltung 13 zugeführt wird.
• Durch das derartige Arbeiten der Chopperschaltung ist bestimmt, daß die Schaltung in der Lage ist, entsprechend der Kurve 14 gemäß Fig. 2 zu arbeiten.
• In Fig. 2 stellt ein Pfeil 8 eine Weite von Kurve 14 dar, und eine gestrichelte Linie 15 stellt eine Erregerstromkurve dar. Stromkurven 15a und 15c stellen Anfangsabschnitte des Erregerstroms dar und Kurven 15b, 15d, --- stellen Stromendabschnitte des Erregerstroms dar.
• Eine gestrichelte Kurve 14a entspricht einem Teil der Kurve 14, die in der zeitlichen Skalierung vergrößert ist.
• Eine Kurve 15 ist eine Kurve, die durch Glätten der Kurven 15a, 15b, --- erhalten ist.
• Wenn der Induktivitätswert der Induktionsspule 1 konstant ist, sind die Zeitweiten der Kurven 15b, 15d, --- mittels einer Ausgangsimpulsweite der monostabilen Schaltung 13 reguliert, während Zeitweiten der Kurven 15a, 15c, --- gemäß der Kapazität des Kondensators 5 verändert wird, und wobei derartige Zeitweiten zum Kleinerwerden neigen, wenn die Kapazität abnimmt.
• Dem Auftreten des zuvor beschriebenen Phänomens kann von der Tatsache aus entgegen getreten werden, daß eine Ansprechfrquenz zunimmt, wenn die Kapazität des Kondensators 5 abnimmt, da die Induktionsspule 1 und der Kondensator 5 Eigenschaften aufweisen, die einem Serienschwingkreis entsprechen.
• Aufgrund des Widerstandes der Induktionsspule 1 sind die auftretenden joulischen Wärmeverluste und Eisenverluste zum Ende des Anfangsabschnitts des zugeführten Stromes, der von der elektrischen Gleichspannungsquelle zugeführt ist, kompensiert.
• Im Fall eines bekannten Gerätes ist die elektrische Gleichspannungsquellenspannung erhöht, um das Speichern von magnetischer Energie zu beschleunigen, wodurch der Beginn des Stromfluß beschleunigt ist und weiterhin wird die gespeicherte magnetische Energie der elektrischen Spannungsquelle zurückgeführt, um ein steiles Abklingen des Stromes zu erzeugen.
• Eine angelegte Spannung wird somit so hoch, daß die Verminderung der Chopperfrequenz (d.h. die Zeitlänge der Kurven 15a, 15b, ---) begrenzt ist.
• Falls die Weite des Pfeiles 8 beispielsweise entsprechend der Standardspannungskurve 14 auf ungefähr 100 Mikrosekunden vermindert ist, wird es unmöglich ein schnelles Ansprechen mit geringer Zeitkonstante entsprechend der Ungleichmäßigkeit von Kurve 14 zu erzeugen, wodurch ein Nachteil in einem solchen Fall gegenübersteht.
• Ein erfindungsgemäß ausgeführtes Gerät ist jedoch darin vorteilhaft, daß das Ansprechen durch Vermindern der Kapazität des Kondensators 5 schneller erfolgen kann, auch wenn die angelegte Spannung gering ist.
• Im Fall einer Stromversorgungssteuerung für Erregerspulen von Magnetpolen in einem Reluktanzmotor von etwa 300 Watt Ausgangsleistung, betragen gemäß tatsächlicher Messungen, die Weite der Kurven 15a, 15b, --- 0,5 Mikroselwnden, wenn 100 Volt Gleichspannung angelegt sind. In diesem Fall beträgt die Kapazität des Kondensators 5 0,1 uF.
• Auch im Falle einer großen induktiven Last wird es daher möglich, eine Stromversorgungssteuerung mit gutem Ansprechen beim Ändern des Erregerstromes durchzuführen. Somit wird durch die Stromversorgungssteuerung für Erregerspulen eines Elektromagnetes in einen Magnetständer das magnetische Freikommen des Rotors mit höherer Genauigkeit erfüllt.
• Eine Ausgangsimpulsweite, die von der monostabilen Schaltung 13 zugeführt wird und die Kapazität des Kondensators 5 muß gemäß dem Induktivitätswert der Induktionsspule 1 eingestellt sein.
• Falls ein Hochgeschwindigkeits-Schaltelement, wie z.B. eine IGBT für den Transistor 3 eingesetzt ist, kann das zuvor beschriebene Ansprechen weiterhin verbessert werden.
• Falls die Kurvenform der Kurve 14, die in Fig. 2 dargestellt ist, zur Sinusform geändert ist, kann das erfindungsgemäß ausgeführte Gerät für einen Inverter eingesetzt werden. Somit wird es möglich, einen Hochgeschwindigkeits-Induktionsmotor mit geringer Vibration zu erhalten.
• Nach Fig. 1 kann auch, wenn der Kondensator 5 neben dem positiven Anschluß 2a der elektrischen Spannungsversorgungsquelle angeordnet ist, anstatt neben dem negativen Anschluß 2b der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, dieselbe Funktion und Wirkung erzielt werden.

Claims (1)

1. Stromversorgungssteuergerät für eine Induktionsspule mit:

einer in Serie verbundenen Komponente, die eine Induktionsspule (1), die um einen Magnetkern gewickelt ist und ein erstes Halbleiter-Schaltelement (3) aufweist,

einer elektrischen Gleichspannungsquelle, deren positiver Anschluß (2a), mit welcher der Induktionsspule der seriell verbundenen Komponente verbunden ist, und dessen negativer Anschluß (2b) mit dem ersten Halbleiter-Schaltelement verbunden ist,

einer ersten Diode (4b) die zu der seriell verbundenen Komponente umgekehrt gerichtet verbunden ist,

einer zweiten Diode (4a), deren Eingangsanschluß mit einem Knotenpunkt zwischen dem ersten Halbleiter-Schaltelement und der Induktionsspule verbunden ist,

einer dritten Diode (6), die zwischen dem positiven Anschluß der elektrischen Gleichspannungsquelle und der Induktionsspule in Vorwärtsrichtung zwischengesetzt ist,

einer Stromerfassungsschaltung (9), um einen Stromwert, der in der Induktionsspule fließt, zu erfassen, um ein Erfassungssignal zu erzeugen,

einer Vorrichtung (10), um eine Standardspannung, die eine vorbestimmte Kurvenform aufweist, zuzuführen,

ein Kleinkapazitätskondensator (5, 5a), der mit einem Ende entweder mit dem positiven Anschluß oder dem negativen Anschluß der elektrischen Gleichspannungsquelle verbunden ist, und dessen anderes Ende mit einem Ausgangsanschluß der zweiten Diode verbunden ist, so daß die in der Induktionsspule gespeicherte magnetische Energie über die erste und zweite Diode entladen wird, um den Kleinkapazitätskondensator zu laden, wenn das erste Halbleiter-Schaltelement ausgeschaltet ist, und

einer Chopperschaltung (11, 12, 13, 13a), die zum Ausschalten des ersten Halbleiter- Schaltelementes arbeitet, wenn die in der Stromerfassungsschaltung erfaßte Signalspannung die Standardspannung übersteigt, so daß ein Erregerstrom, der der Induktionsspule zugeführt ist, durch Verursachen der magnetischen Energie, die in der Induktionsspule gespeichert ist, um über die zweite Diode zu entladen, um den Kleinkapazitätskondensator auf eine hohe Spannung aufzuladen, stark vermindert ist, wobei die Chopperschaltung weiterhin arbeitet, um das erste Halbleiter-Schaltelement einzuschalten, wenn die in der Stromerfassungsschaltung erfaßte Signalspannung auf einen vorbestimmten Wert absinkt, so daß ein der Induktionsspule zugeführter Erregerstrom, durch Anwendung der Hochspannung, die in dem Kleinkapazitätskondensator gespeichert ist, über das zweite Halbleiter-Schaltelement (7) zu einem Knotenpunkt zwischen einem Ausgangsanschluß der dritten Diode und der Induktionsspule, stark erhöht ist, und

einer Vorrichtung (7a) um die Einschaltzeiten des ersten und zweiten Halbleiter- Schaltelementes zu synchronisieren.