DE1488677A1

DE1488677A1 - Anordnung zur elektronischen Ankerstromwendung fuer Gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE1488677A1
Application number: DE19651488677
Authority: DE
Inventors: Erich Rainer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1965-06-16
Filing date: 1965-06-16
Publication date: 1969-12-11
Also published as: CH446502A; NL6606373A; DE1488677B2; GB1127206A; DE1488677C3

Description

Anordnung zur elektronischen Ankerstromwendung für Sieichstrommotoren

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur elektronischen Ankerstromwendung für Gleichstrommotoren mit einer mehrphasigen Ankerwicklung in Mittelpunktschaltung, bei der die stromführenden Wicklungsstränge der einzelnen Phasen über von Hallgeneratoren in Abhängigkeit vom Erregerfeld gesteuerte Transistoren in Reihe geschaltet sind, derart, daß die in diesen Wicklungen induzierte Spannung der Betriebsgleichspannung entgegengerichtet ist und die Transistoren über 180° el. Strom führen.

Bekanntlich hängt der Wirkungsgrad von Gleichstrommotoren wesentlich bom Widerstand der Ankerwicklungen und der Welligkeit der vom Motor durch die Drehung erzeugten Gegenspannung ab. Die Welligkeit der erzeugten Gegenspannung von Gleichstrom-Kollektormaschinen ist auf Grund der Vielzahl der Kollektorlammelen und der sehaltungstechnischeη Wirkungsweise des Ankerkreises vernachlässigbar klein.

Bei Gleichstrommaschinen mit elektronischer Ankerstromwendung soll jedoch zur Begrenzung des Aufwandes an elektronischen Steuermitteln und Ventilen die Anzahl der Teilwicklungen auf dem Anker möglichst klein sein.

Wenn die einzelnen ventilgesteuerten Ankersysteme in bekannter Weise parallel geschaltet und an einer gemeinsamen Versorgungsspannung angeschlossen sind, darf der Stromflußwinkel bei den einzelnen Ventilen auf keinen Pail 180° el. groß sein, da in den Spannungsnulldurchgängen der Gegenspannung der Strom durch

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die Wicklung nur durch deren ohmschen Widerstand begrenzt wird. Der Strom J durch eine Wicklung ist durch die Beziehung gegeben:

U - u (α, η)

„—τ;—

'„-—τ;

U bedeutet die Versorgungsspannung, u (et, n) die Segens pannung, von der Winkelstellung α des Läufers und von der Drehzahl η abhängig.

Die Verluste N in den Wicklungen sind dann

2 (U- u (α, η)² ^Hv - ^Jw* * iF

Die momentan abgegebene mechanische Leistung N_ ist aber den Produkt aus Gegenspannung und Wicklungsstrom proportional.

\ = k · J_w · u_g (n) (3)

Aus den Gleichungen (2) und (3) sieht man, daß bei Gegenspannung

u_ =» 0 die abgegebene Leistung H_Q = 0 ist, aber die Verluste in g a

den Wicklungen ihren Höchstwert erreichen.

Genaue Rechnungen zeigen, daß bei sinusförmigem Verlauf der Gegenspannung der Stromflußwinkel bei den einzelnen Ventilen höchstens 120 el. betragen darf, wenn man erhebliche Wirkungsgradverminderungen und unzulässig hohe Wicklungeströme vermeiden möchte.

Bine 120°-Steuerung der Ventile mit Hallgeneratoren erfordert aber eine auf die Motorwelle gesetzte Steuerscheibe. Es ist also hier die vorteilhafte Ansteuerung der Hallgeneratoren durch das feld im Luftspalt der Maschine nicht möglich.

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ORJGfNAL INSPECTED

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Ankerstromwendung für Gleichstrommotoren mit einer mehrphasigen Ankerwicklung zu schaffen, die die obengeschilderten Nachteile der bisher bekannten elektronischen AnkerStromwendungen nicht mehr aufweisen. Weiterhin soll durch die. erfindungsgemäße elektronische Ankerstromwendung der Wirkungsgrad bei 180° el. Stromflußwinkel der Ventile vergleichbar sein alt dem Wirkungsgrad von entsprechenden Gleichstrom-Kollektormotoren.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, daß die Mittelpunkte einer Zvreiphasenwicklung miteinander verbunden sind, daß ferner am freiem Ende der Teilwicklungen jeder Phase der Kollektor eines Transistors angeschlossen ist, daß weiterhin die Emitter der zu einer Phase gehörenden Transistoren an einem Pol der Betriebsgleichspannung liegen, daß die Basen der zu einer Phase gehörenden Transistoren über die Hallelektroden eines Hallgenerators miteinander verbunden sind und daß die Hallgeneratoren mit je einer Steuerelektrode an einen Widerstand angeschlossen sind.

Die besonderen technischen Vorteile der erfindungsgemäßen elektronischen Ankerstromwendung liegen in einer 180° el. Steuerung der elektronischen Schaltelemente, in einem Wirkungsgrad der Haschine, der vergleichbar ist mit dem einer Kollektormaschine, und weiterhin in einer wesentlich vereinfachtext Schaltung und einem geringeren Aufwand an elektronischen Bauteilen.

Im nachfolgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung und der dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher erläutert werden. Is zeigen»

Figur 1 in einer schematischen Darstellung die erfindungsgemäße Ankerstromwendung für ein Zweiphasenwicklungasystem des Ankers in Mittelpunktsschaltung,

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Figur 2 in einer schematischen Darstellung den zeitlichen Verlauf der induzierten Gegenspannungen gegenüber der ange- · legten Betriebsgleichspannung bei einer Ankerstromwendung gemäß Pj-gur 1.

In Figur 1 ist eine elektronische Ankerstromwendung gemäß der Erfindung für einen Gleichstrommotor dargestellt, dessen Ankerwicklung aus einer Zweiphasenwicklung mit Mittelpunktsschaltung ausgeführt ist. Mit 1 und 2 sind die Teilwicklungen der einen Phase und mit 3 und 4 die Teilwicklungen der anderen Phase bezeichnet. Die Mittelpunkte sind bei 12 und 13 angedeutet. Durch die Bezugsziffern 5, 6, 7 und 8 sind Schalttransistoren, durch und 10 Hallgeneratoren und durch 11 ein Widerstand dargestellt. Mit U ist die angelegte Betriebsgleichspannung bezeichnet.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, sind die Mittelpunkte 12 und der Zweiphasenwicklung miteinander verbunden. Am freien Ende jeder der Teilwicklungen 1, 2, 3 und 4 ist der Kollektor eines Transistors angeschlossen. Die Emitter der zu einer Phase gehörenden Transistoren liegen an einem Pol der Betriebsgleichspannung U. Die Basen der zu einer Phase gehörenden Transistoren 5* 6 bzw. 7, 8 sind über die Hallelektroden der Hallgeneratoren 9 und 10 miteinander verbunden. Die Hallgeneratoren sind mit je einer Steuerelektrode an einen Widerstand 11 angeschlossen. Bei Verwendung zweier auf den entsprechenden Phasen angeordneten Hilfswicklungen liegen die Basen der zu einer Phase gehörenden Transistoren an den freien Enden der entsprechenden Hilfswicklung., Der Widerstand 11 verbindet die beiden Hilfswieklungen in ihren Mittelpunkten.

Die beiden Hallgeneratoren 9 und 10 liegen um 90° el. gegeneinander versetzt im Luftspalt der Gleichstrommaschine. Die Steuerfelder der beiden Hallgeneratoren und damit, die Spannungen an den Hallelektroden sind daher auch um 90° el. gegeneinander versetzt. Die Polung der Ausgangsspannung der Hallgeneratoren ist derart, daß die Transistoren eines jeden Systems entsprechend der

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gewünschten Drehrichtung des Läufers wechselweise über je eine volle Halbwolle der induzierten Gegenspannung u aufgesteuert werden. Die Ansteuerung erfolgt in einer Weiae, daß immer diejenige Teilwicklung Strom führen kann, deren induzierte Spannung der angelegten Betriebsgleichspannung U entgegengerichtet ist.

Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Gegenspannungen der einzelnen Systeme und deren Summenspannung, die der angelegten Betriebsgleichspannung U entgegenwirkt, einer Ankerstromwendung Figur 1. Auf der Abszisse ist die Zeit t und auf der

Ordinate die Gegenspannung u aufgetragen. Die Kurve 21 zeigt den zeitlichen Verlauf der in der Teilwicklung 1 induzierten Gegenspannung U₁, Kurve 22 zeigt den zeitlichen Verlauf der in der Teilwicklung 2 induzierten Gegenspannung u ₂, Kurve 25 zeigt den zeitlichen Verlauf der in der Teilwicklung 3 induzierten Gegenspannung u ,, Kurve 24 zeigt den zeitlichen Verlauf der in der Teilwicklung 4 induzierten Gegenspannung u .. Durch die Kurve 25 wird der zeitliche Verlauf der Summenspannung u dargestellt. Die Summenspannung u 3etzt sich in dem Bereich a aus der Summe u , + u_ff., im Bereich b -ius der Summe u + Uj, im Bereich c aus der Summe U₂ *- ^u _äa» ^im Bereich d aus der Summe U₂ + u ,, im Bereich e auo der Summe u . + u , und im Bereich f aus der Summe u . + u . zμsammen. JtLt I und II sind die Umwehaltpunkte der Systeme bezeichnet. Die Kurve 26 zeigt den Verlauf der Hallspannung des Hallgeneratoru ϊθ und Kurve 27 den Verlauf der Hallspannung des HaIl-9.

Figur 2 läßt erkennen, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung dor einzelnen Ankersysteme die induzierte Gegenspannung u des Motors trotz der 180°-Steuerung der Transistoren niemals den , Wert Null erreichen kann. Der zeitliche Verlauf der Gegenipannung u der Maaohine entspricht einer 90 -Steuerung der Tranai.itoren bei parallel geschalteten Wicklungssystemen, wobei dio einzelnen Teilwicklungen dann nur von α = 45 el. bis α = 135 el. Strom führen dürfen. Weiterhin kann man in Figur 2

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die Schaltfolge der Transistoren erkennen. Die einzelnen Teilwicklungen führen nach dem Schema: 1-3, 1-4, 2-3, 2-4 Strom, Die Schaltfolge der entsprechenden Transistoren iot dann: 5-7, 5-8, 6-7, 6-8.

Weiterhin zeigt Figur 2, daß die einzelnen Teilwicklumgen der Systeme I bzw. II während des Nulldurchganges der steuernden Hallspannung den vollen Strom führen müssen, wenn der Motor den bestmöglichen Wirkungsgrad haben soll. Erfindungsgemäß wird dies durch den Widerstand 11 in Figur 1 zwischen den Steuerelektroden der beiden Hallgeneratoren 9 und 10 gewährleistet. Der Strom durch den Widerstand 11 .fließt vom Pluspol sich aufteilend über die Emitter und Basen der Transistoren 7 und 8 in die Hallelektroden vom Hallgenerator 10. Die beiden Basisteilströme fließen dann als Summe über die Steuerelektrode in den Widerstand 11 und von diesem dann in die Steuerelektrode der Hallsonde 9. Der Summenstrom teilt sich dann schließlich wieder über die Hallelektroden der Sonde 9 auf die beiden Basen der Transistoren 5 und 6 auf.

Rechnungen haben gezeigt, daß der durch die Hallsonde erzeugte Basisateuerstrom, der sich dem über den Widerstand 11 vorgegebenen Anteil überlagert, nur durch die Hallspannung und den differentiellen Innenwiderstand des Steuerkreises gegeben ist, aber nicht von der Schwellspannung der Basis-Emitterstrecke der Translatoren abhängt. Da die Spannung der Hallsonde und die Schwellspannungen zwischen Basis und Emitter der Transistoren verhältnismäßig klein gegen die Betriebsgleichspannung U sind, kann der Strom durch den Widerstand 11 praktisch als eingeprägt betrachtet werden. Dieses bedeutet, daß Änderungen der Schwellspannungen infolge Temperaturschwankungen auf die Empfindlichkeit und Nullpunktsgute der Steuerung praktisch keinen Einfluß haben. Dieses ist weiterhin ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ankerstromwendung.

1 Patentanspruch

2 Figuren

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Claims

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Patentanspruch

Anordnung zur elektronischen Ankerstromwendung für Gleichstrommotoren mit einer mehrphasigen Ankerwicklung in Mittelpunktsschaltung, bei der die stromführenden Wicklungsstränge der einzelnen Phasen über von Hallgeneratoren in Abhängigkeit vom Erregerfeld gesteuerte Transistoren in Reihe geschaltet sind, derart, daß die in diesen Wicklungen induzierte Spannung der Betriebsgleichspannung entgegengerichtet ist und die Transistoren über 180° elektrisch Strom führen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte (12, 13) einer Zweiphasenwicklung (I, II) miteinander verbunden sind, daß ferner am freien Ende der Teilwicklungen (1, 2, 3, 4) jeder Phase (I, II) der Kollektor eines Transistors (5» 6, 7, 8) angeschlossen ist, daß weiterhin die Emitter der zu einer Phase gehörenden Transistoren (5/6; 7/3) an einem Pol der Betriebsgleichspannung (U) liegen, daß die Basen der zu einer Phase (I, II) gehörenden Transistoren (5/6j 7/8) über die Hallelektroden eines Hallgenerators (9, 10) miteinander verbunden sind und daß die Hallgeneratoren (9, 10) mit je einer Steuerelektrode an einen Widerstand (11) angeschlossen sind.

— w.Vertagen (ai.7iiai*2NM8tt^*»Xn*ranp«M.v.4.9.1967} 909850/0150

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