FR2472873A1

FR2472873A1 - Collectorless DC motor with rectifier control - has switching transistors for current regulation by pulse width modulation

Info

Publication number: FR2472873A1
Application number: FR7932028A
Authority: FR
Inventors: Holger Krohn
Original assignee: Indramat Gesellschaft fuer Industrie Rationalisierung und Automatisierung
Current assignee: Rexroth Indramat GmbH
Priority date: 1979-12-28
Filing date: 1979-12-28
Publication date: 1981-07-03
Also published as: FR2472873B1

Abstract

The collectorless DC motor generates in four quadrants and with a rating of above 0.5 kilowatt. The stator windings are coupled to the DC source in dependence on the rotor position via a thyristor bridge network. This is connected to the DC source via two supply conductors each incorporating a switching transistor providing current regulation by pulse width modulation. The motor may comprise a 3-phase synchronous motor with a permanent magnet rotor. It can be used to rotate a machine tool, or as a servo motor and the use of the current regulation transistor prevents the possibility of the motor fuses being blown owing to thyristor misfiring, for greater reliability and simplification of the regulation circuit.

Description

L'invention concerne un moteur à courant continu sans collecteur pour fonctionnement à quatre cadrans et pour une puissance supérieure à 0,5 kilowatt, moteur comportant des enroulements statoriques susceptibles autre branchés en fonction de la position de l'induit à une source de tension continue par l'intermédiaire d'un dispositif de commutation constitué d'un branchement en pont avec des portes de courant à semiconducteurs, une autre porte de courant à semi-conducteurs étant disposée sur chacun des deux conducteurs d'alimentation venant de la source de courant continu au branchement en pont, tandis que les diodes zéro associées aux portes de courant à semiconducteurs du branchement en pont sont directement raccordées à la source de tension continue en contournant les portes de courant à semi-conducteurs disposées sur les conducteurs allant de la source de courant continu au branchement en pont. The invention relates to a direct current motor without collector for operation with four dials and for a power greater than 0.5 kilowatt, motor comprising stator windings capable of other connection depending on the position of the armature to a DC voltage source. by means of a switching device consisting of a bridge connection with semiconductor current gates, another semiconductor current gate being disposed on each of the two supply conductors coming from the current source continuous at the bridge connection, while the zero diodes associated with the semiconductor current gates of the bridge connection are directly connected to the DC voltage source bypassing the semiconductor current gates arranged on the conductors going from the direct current at the bridge connection.

Dans le cas de ces moteurs, il agit de servomoteurs, qui peuvent être réglés de façon précise dans les deux sens de rotation, aussi bien lor5quils fonctionnent en moteur que lorsqu'ils fonctionnent en générateur. Dune façon connue, le dispositif de commutation, dans le cas de tels moteurs, comporte des portes de courant à semi-conducteurs constituées
de thyristors disposés en branchement en pont, et qui peuvent être éteints par des portes de courant principales à semiconducteurs disposées sur le conducteur d'alimentation entre la source de courant continu et le branchement en pont, et constituées de thyristors avec un dispositif d'extinction (D'1'-AS 12 08 803). Scil survivent un allumage défectueux des thyristors dans le montage en pont, une extinction de sécurité n'est pas possible dans le cas de ce dispositif de commutation connut lorsque la charge du dispositif d'extinction pour les thyristors disposés sur le conducteur d'alimentation entre la source de courant continu et le montage en pont ne suffit pas à éteindre ces thyristors et donc également, les thyristors allumés de fa çon défectueuse dans le montage en pont. Afin que lors d'une perturbation de ce genre, le courant de court-circuit qui prend naissance ne détruise pas la commande du moteur, des fusibles de sécurité doivent autre prévus pour les semi-conducteurs.Avec l'apparition d'une telle perturbation et la mise en oeuvre des fusibles qui sty rattachent, le moteur à courant continu est mis hors service. Si ce moteur à courant continu est utilisé comme entrainement pour une machine-outil, un tel arrêt brutal du moteur d'entrainement peut provoquer non seulement la rupture de l'outil mais également un endommagement ou la destruction de la pièce à usiner. Indépendamment de ces dégâts, il est nécessaire dans chaque cas de procéder à une intervention sur le moteur à courant continu ainsi arrêté en mettant en place de nouveaux fusibles.En outre, avec ce dispositif de commutation connu, on ne peut obtenir qu'une régulation relativement paresseuse de la vitesse de rotation, car la régulation du courant résulte de l'intervalle de temps entre l'extinction des thyristors dans le montage en pont et l'allumage des thyristors dans les conducteurs d'alimentation entre la source de courant continu et le montage en pont. La commande nécessaire à cet effet est en outre d'une construction très complexe et, de ce fait, également très sujette à incidents.In the case of these motors, they act as servomotors, which can be precisely adjusted in both directions of rotation, both when they operate as a motor and when they operate as a generator. In a known manner, the switching device, in the case of such motors, comprises semiconductor current gates constituted
thyristors arranged in bridge connection, and which can be extinguished by main semiconductor current gates arranged on the supply conductor between the direct current source and the bridge connection, and consisting of thyristors with an extinguishing device (D'1'-AS 12 08 803). If there is a faulty ignition of the thyristors in the bridge assembly, a safety extinction is not possible in the case of this known switching device when the load of the extinguishing device for the thyristors arranged on the supply conductor the direct current source and the bridge assembly is not sufficient to switch off these thyristors and therefore also, the thyristors lit in a defective manner in the bridge assembly. So that during a disturbance of this kind, the short-circuit current which arises does not destroy the control of the motor, safety fuses must other provided for the semiconductors. With the appearance of such a disturbance and the implementation of fuses which sty attach, the DC motor is put out of service. If this DC motor is used as a drive for a machine tool, such a sudden stop of the drive motor can cause not only the breakage of the tool but also damage or destruction of the workpiece. Regardless of this damage, it is necessary in each case to carry out an intervention on the DC motor thus stopped by installing new fuses. In addition, with this known switching device, only regulation can be obtained. relatively lazy with the speed of rotation, because the current regulation results from the time interval between the extinction of the thyristors in the bridge assembly and the ignition of the thyristors in the supply conductors between the source of direct current and bridge mounting. The control required for this purpose is also very complex in construction and therefore also very prone to incidents.

Pour simplifier cette régulation de vitesse de rotation connue, il a déjà été proposé, d'utiliser à la place de thyristors des transistors pour le dispositif de commutation (D-AS 25 08 546). L'utilisation exclusive de transistors dans le cas de ce dispositif de commutation connu, est très onéreuse pour des puissances supérieures à 0,5 kilowatt. En outre, elle n'offre aucune possibilité pour l'alimentation d'énergie en retour nécessaire dans le cas du fonctionnement en générateur. Ce dispositif de commutation connu est, de ce fait, malgré sa réalisation c-teuse, inadapté au fonctionnement en quatre cadrans. To simplify this known speed control, it has already been proposed to use transistors for the switching device in place of thyristors (D-AS 25 08 546). The exclusive use of transistors in the case of this known switching device is very expensive for powers greater than 0.5 kilowatt. In addition, it offers no possibility for the return energy supply necessary in the case of generator operation. This known switching device is, therefore, despite its costly embodiment, unsuitable for operation with four dials.

Le but de l'invention est de créer un moteur à courant continu sans collecteur pour fonctionnement à quatre cadrans et pour une puissance supérieure à 0,5 kilowatt, moteur comportant des enroulements statoriques susceptibles d'être bran
chés en fonction de la position de l'induit à une source de tension continue par l'intermédiaire d'un dispositif de commutation constitué d'un branchement en pont avec des portes de courant à semi-conducteurs, une autre porte de courant à semi-conducteurs étant disposée sur chacun des deux conducteurs d' alimentation venant de la source de courant continu au branchement en pont, tandis que les diodes zéro associées aux portes de courant à semiconducteurs du branchement en pont sont directement raccordées à la source de tension continue en contournant les portes de courant à semi-conducteurs disposées sur les conducteurs allant de la source de courant continu au branchement en pont, moteur qui pour une dépense réduite garantisse un fonctionnement sflr dans le cas d'un!allumage défectueux des portes de courant à semiconducteurs dans le montage en pont ainsi qu'une régulation de vitesse de rotation qui soit dans une large mesure sans inertie.The object of the invention is to create a direct current motor without collector for operation with four dials and for a power greater than 0.5 kilowatt, motor comprising stator windings capable of being broken
chés depending on the position of the armature to a DC voltage source via a switching device consisting of a bridge connection with semiconductor current gates, another semi current gate -conductors being arranged on each of the two supply conductors coming from the direct current source at the bridge connection, while the zero diodes associated with the semiconductor current gates of the bridge connection are directly connected to the direct voltage source in bypassing the semiconductor current gates arranged on the conductors going from the direct current source to the bridge connection, motor which for a reduced expenditure guarantees a sflr operation in the event of a defective ignition of the semiconductor current gates in bridge mounting as well as a speed control which is largely inertial.

A cet effet, l'invention concerne un moteur à courant continu caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison des thyristors comme portes de courant à semi-conducteurs pour le branchement en pont du dispositif de commutation et des transistors comme portes de courant à semi-conducteurs sur les deux conducteurs d'alimentation allant de la source de courant continu au branchement en pont, les transistors assurant la régulation de courant par modulation de la largeur des impulsions. To this end, the invention relates to a direct current motor characterized in that it comprises, in combination, thyristors as semiconductor current gates for bridging the switching device and transistors as semi current gates -conductors on the two supply conductors going from the direct current source to the bridge connection, the transistors ensuring the current regulation by modulation of the width of the pulses.

Grâce à l'utilisation de transistors avec modulation de la largeur des ir.iiu1.Io.ns comme portes de courant à semi-conducteurs sur les deux conducteurs d'alimentation allant de la source de courant continu au branchement en pont constitué de simples transistors, l'extinction des thyristors dans le branchement en pont pour permettre la commutation des enroulements rotoriquee, a lieu pour ainsi dire automatiquement par l'intermédiaire de la phase de déclenchement des transistors pour la régulation de courant.D'extinction des transistors pour la commutation est ainsi forcément liée à la régulation de courant obtenue grâce aux transistors, si bien qu'aucun élément de commande supplémentaire n'est nécessaire. SimultanémeEtt grâce à la disposition de transistors sur les deux conducteurs d'alimentation allant de la source de courant continu au branchement en pont constitué de transistors, une possibilité illimitée de blocage de ces transistors pour une extinction de sécurité en cas
d'allumage défectueux de deux transistors placés en série dans le montage en pont, est garantie. Comme de tels allumages défec tueuxpar exemple du fait de perturbations extérieures interviennent relativement fréquemment, cette possibilité illimitée de blocage des transistors prend une grande importance en ce qui concerne l'extinction de sécurité des thyristors.Thanks to the use of transistors with modulation of the width of the ir.iiu1.Io.ns as semiconductor current gates on the two supply conductors going from the direct current source to the connection in bridge made up of simple transistors , the extinction of the thyristors in the bridge connection to allow the switching of the rotor windings, takes place almost automatically by means of the triggering phase of the transistors for current regulation. is thus necessarily linked to the current regulation obtained by the transistors, so that no additional control element is necessary. SimultanemeEtt thanks to the provision of transistors on the two supply conductors going from the source of direct current to the connection in bridge made up of transistors, an unlimited possibility of blocking of these transistors for a safety extinction in case of
defective ignition of two transistors placed in series in the bridge assembly, is guaranteed. Since such faulty ignitions, for example due to external disturbances occur relatively frequently, this unlimited possibility of blocking the transistors takes on great importance with regard to the safety extinction of the thyristors.

Dans le cas d'un tel allumage défectueux, le dispositif de commande, du fait du courant de court-circuit prenant naissance, bloque pendant un bref instant les deux transistors, si bien que le transistor allumé de façon défectueuse dans le branchement en pont est à nouveau éteint et, contrairement à l'état de la technique précédemment connu, l'entrainement se poursuit sans interruption. I1 n'y a ainsi pas d'arrêt Se l'entrainement et aucune intervention de l'extérieur sur cet er traSnement n'est également nécessaire. In the case of such a defective ignition, the control device, due to the short-circuit current arising, blocks for a short time the two transistors, so that the transistor defective on in the bridge connection is again extinguished and, unlike the previously known state of the art, training continues without interruption. There is thus no stopping in training and no intervention from the outside on this training is also necessary.

Selon une autre forme avantageuse de l'ir.ven- tion, ce moteur à courant continu est constitué par un moteur synchrone triphasé avec un induit à aimants permanents. According to another advantageous form of the invention, this direct current motor is constituted by a three-phase synchronous motor with an armature with permanent magnets.

L'invention va être expliquée plus en détail en se référant à un exemple de réalisation représenté sur la figure unique ci-jointe montrant le schéma d'installation d'un moteur à courant continu sans collecteur, à réaction rapide, pour un fonctionnement à quatre cadrans. The invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment shown in the attached single figure showing the installation diagram of a DC motor without collector, rapid reaction, for operation with four dials.

Sur le dessin*M désigne le moteur synchrone triphasé avec un induit à aimants permanents et avec les enroulements statoriques W1, W2, W3. Le dispositif électronique de commutation est désigné par X. I1 comporte un montage en pont triphasé Br avec les thyristors Th+R, Th-R, Th+S, Th-S, Th+T, Th-T. La branche 1 du pont est en liaison par l'intermédiaire du point de jonction 4 avec le point de jonction 12 des enroulements statoriques W1, W2, la branche 2 du pont est en liaison par l'intermédiaire du point de jonction 5 avec le point de jonction 13 des enroulements statoriques W2, W3 et la branche 3 du pont est en liaison par l'intermédiaire du point de jonction 6 avec le point de jonction 14 des enroulements statoriques W3, W1. Les côtés
anodiques des branches du pont sont en liaison par l'interm6- diaire du conducteur 7 et du transistor T1 avec le trajet de courant positif 8 du redresseur triphasé G, tandis que les c8tés cathodiques des branches du pont sont en liaison par l'interm4- diaire du conducteur 10 du transistor 2 avec le trajet de courant négatif il du redresseur triphasé G. En outre, les points de jonction 12, 13, 14 des enroulements statoriques sont en liaison par l'intermédiaire des points de jonction 16, 17, 18 avec les paires de diodes D1, D2, D3, D4 et D5, D6 contournant les transistors T1, T2 et donc sont en liaison par l'intermédiaire de ces paires de diodes avec les trajets de courant 8, Il de la source de courant continu constituée par le redresseur G ou bien avec le condensateur-tampont associé 23. Ainsi, lors du fonctionnement du moteur synchrone triphasé en générateur, une alimentation d'énergie en retour s'effectue dans la source de courant continu.In the drawing * M designates the three-phase synchronous motor with an armature with permanent magnets and with the stator windings W1, W2, W3. The electronic switching device is designated by X. I1 comprises a three-phase bridge arrangement Br with the thyristors Th + R, Th-R, Th + S, Th-S, Th + T, Th-T. The branch 1 of the bridge is connected via the junction point 4 with the junction point 12 of the stator windings W1, W2, the branch 2 of the bridge is connected via the junction point 5 with the point 13 of the stator windings W2, W3 and the branch 3 of the bridge is connected via the junction point 6 with the junction point 14 of the stator windings W3, W1. The sides
anode of the branches of the bridge are connected via the conductor 7 and of the transistor T1 with the positive current path 8 of the three-phase rectifier G, while the cathode sides of the branches of the bridge are connected through the interm4- diary of the conductor 10 of the transistor 2 with the negative current path il of the three-phase rectifier G. In addition, the junction points 12, 13, 14 of the stator windings are connected via the junction points 16, 17, 18 with the pairs of diodes D1, D2, D3, D4 and D5, D6 bypassing the transistors T1, T2 and therefore are connected via these pairs of diodes with the current paths 8, Il of the direct current source constituted by the rectifier G or else with the associated back-up capacitor 23. Thus, during the operation of the three-phase synchronous motor as a generator, a return energy supply takes place in the direct current source.

Un générateur tachymétrique TG est couplé Sur l'arbre 20 du moteur, ce générateur délivrant sous la forme d'une tension un signal électrique représentant la vitesse de rotation du moteur. Ce signal est appliqué à l'appareillage de commande
St en tant que signal de valeur réelle (Vist) et y est comparé avec le signal de valeur de consigne (Vsoll) qui y est introduit pour la vitesse de rotation. Le signal différentiel qui en résulte constitue le signal de régulation pour les transistors T1, T2 s'ouvrant et se fermant avec une fréquence constantes
Ainsi, en influençant la durée de blocage et d'ouverture du tran sistor, on règle l'écoulement du courant et donc la vitesse de rotation. Un indicateur de position numérique 21 est en outre couplé sur l'arbre 20 du moteur, cet indicateur appliquant à l'ap- pareillage de commande St un signal représentant la position du moment de l'arbre moteur, pour l'allumage des thyristors dans le branchement en pont en fonction de la position de cet arbre moteur. A tachometer generator TG is coupled to the shaft 20 of the engine, this generator delivering in the form of a voltage an electrical signal representing the speed of rotation of the engine. This signal is applied to the control unit
St as actual value signal (Vist) and is compared with the setpoint signal (Vsoll) which is entered there for the speed. The resulting differential signal constitutes the regulation signal for the transistors T1, T2 opening and closing with a constant frequency
Thus, by influencing the duration of blocking and opening of the transistor, the current flow and therefore the speed of rotation are regulated. A digital position indicator 21 is also coupled to the motor shaft 20, this indicator applying to the control apparatus St a signal representing the current position of the motor shaft, for the ignition of the thyristors in the bridge connection depending on the position of this drive shaft.

Claims

R s V E N D I C A 2 I 0 N S

1.- DC motor without collector for operation with four dials and for a power greater than 0.5 kilowatt, motor comprising stator windings capable of being connected depending on the position of the armature to a DC voltage source by means of a switching device consisting of a bridge connection with semiconductor current gates, another semiconductor current gate being disposed on each of the two supply conductors coming from the source direct current at the bridge connection, while the zero diodes associated with the semiconductor current doors of the bridge connection are directly connected to the DC voltage source bypassing the semiconductor current doors arranged on the conductors from the direct current source to the bridge connection, direct current motor characterized in that it comprises, in combination with thyristors (h + R w Th + 8, Th + T , Th-R 'Th-S' Th-T) as semiconductor current gates for bridging (Br) of the switching device (g) and transistors T1, T2) as semiconductor current gates conductors on the two supply conductors (8, 11) going from the direct current source (G) to the bridge connection (Br), the transistors (T1, T2) ensuring current regulation by modulation of the pulse width - sions.

2.- DC motor without collector according to claim 1, characterized in that this DC motor (M) is constituted by a three-phase synchronous motor with induced flax with permanent magnets.