DE2813784A1

DE2813784A1 - Elektromotorisches antriebssystem

Info

Publication number: DE2813784A1
Application number: DE19782813784
Authority: DE
Inventors: Rex Mountford Davis; William Frederick Ray
Original assignee: Chloride Group Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1977-03-30
Filing date: 1978-03-30
Publication date: 1978-11-16
Also published as: SE7803630L; JPS6215040B2; DE2813784C2; JPS53126117A; US4253053A; SE434323B; GB1591346A

Description

— ο—

Elektromotorisches Antriebssystem

Die Erfindung betrifft elektromotorische Antriebssysteme mit einem Motor veränderbaren magnetischen Widerstandes, der für jede von η-Phasen (n>2) entweder eine einzige Wicklung oder eine Hauptwicklung mit einer eng mit dieser gekoppelten Hilfswicklung sowie einen Stromversorgungskonverter aufweist, welcher dem Motor aus einer Gleichspannungsquelle abgeleitete, in einer Richtung verlaufende Stromimpulse zuführt.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung des Wirkungsgrades und/oder der Wirtschaftlichkeit einer solchen Anordnung. Insbesondere kann die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform die Kosten der Bauelemente verringern, die für die Abgabe einer gewünschten Ausgangsleistung erforderlich sind, welche der Anordnung über einen Drehzahlbereich bis zu einem vorgeschriebenen Maximum abgeben kann.

Gemäß einer Ausführungsbrm der Erfindung enthält das elektrische Antriebssystem einen Motor mit variablem magnetischen Nebenschluß (variable reluctance motor), der für jede von n-Phasen (n>2) mindestens eine Wicklung hat, deren Induktivität sich zyklisch bei der Drehung des Motors verändert, wobei der Bruchteil eines Zyklus, währenddessen sich die Wicklungsinduktivität einer Phase bei der Bewegung in einer Richtung vergrößert, größer als 1/n ist, und der Bruchteil eines Zyklus, währenddessen sich -die Wicklungsinduktivität einer Phase bei Bewegung in derselben Richtung verringert, ebenfalls größer als 1/n ist, ferner enthält die Anordnung einen Stromversorgungskonverter, welcher einer Wicklung jeder Phase in einer Richtung verlaufende Stromimpulse zuführt, die aus einer Gleichspannungsquelle abge-

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-I-

leitet sind, deren Strom von seinem Minimalwert zu im wesentlichen seinem Maximalwert anwächst, während die Wicklungsinduktivität im wesentlichen auf ihrem Minimalwert gehalten wird, und der wesentlich absinkt, ehe der Konverter die Wicklung von der Stromquelle abtrennt, dieser Augenblick wird als Kommutationspunkt bezeichnet.

Wie nachfolgend noch eingehender beschrieben werden wird, läßt sich dieser Zustand im allgemeinen durch geeignete Wahl der Winkelpositionen erreichen, in denen der Strom im Verhältnis zur Anstiegszeit der Induktivität vor dem Kommutationspunkt eingeschaltet und kommutiert wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält das elektrische Antriebssystem einen Motor veränderbaren magnetischen Widerstandes und einen Stromversorgungskonverter, der ihn mit aus einer Gleichspannungsquelle abgeleiteten, in einer Richtung verlaufenden Impulsen versorgt, wobei der Motor für jede von η-Phasen (n>2) mindestens eine Wicklung hat, deren Induktivität sich zyklisch mit der Motordrehung verändert, wobei der Bruchteil eines Zyklus, währenddessen die Windungsinduktivität einer Phase sich bei Drehung in einer Richtung verändert, größer als 1/n ist und der Bruchteil eines Zyklus, währenddessen die Windungsinduktivität einer Phase sich bei Drehung in derselben Richtung verringert, ebenfalls größer als 1/n ist, und wobei der Stromversorgungskonverter jeder Wicklung einen Stromimpuls pro Zyklus zuführt und der Strom bei vorbestimmten Positionen eingeschaltet und kommutiert wird, die zur Induktivitätsänderung so in Beziehung stehen, daß der Spitzenstrom ip bei maximaler Leistung und minimaler Drehzahl größer als I ist, wobei I = E/(R + dL/dt) ist; hierbei ist E die Spannung der Stromquelle, R der Wicklungswiderstand und dL/dt die maximale Anstiegsgeschwindigkeit der Induktivität vor dem Kommutationspunkt .

Die Bedingung, daß ip>I ist, kann möglicherweise nicht während

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des ganzen Drehzahlbereiches eingehalten werden, währenddessen die Leistungsabnahme des Motors einstellbar ist, aber sie sollte vorzugsweise über einen wesentlichen Drehzahlbereich von der Maximaldrehzahl bis herunter zu einer wesentlich niedrigeren Drehzahl (beispielsweise 75%, 50% oder sogar 25% der maximalen Drehzahl, bei maximaler Leistungsabgabe für jede Drehzahl eingehalten werden.

Zwischen den Zyklusabschnitten, wo die Induktivität ansteigt und abfällt, kann die Induktivität bei einem maximalen oder minimalen Wert im wesentlichen konstant bleiben, wobei die Bewegung entsprechend minimaler Induktivität vorzugsweise größer als diejenige entsprechend maximaler Induktivität ist.

Der Stromversorgungskonverter kann so ausgebildet sein, daß er die Wicklung von der Stromquelle im Kommutationspunkt abtrennt, wobei vorzugsweise der Stromwert im Kommutationspunkt wesentlich geringer als sein maximaler Wert ist.

Der Konverter kann auch so ausgebildet sein, daß er eine alternative Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle und der Wicklung herstellt, durch welche Wicklungsenergie nach dem Kommutationspunkt zur Stromquelle übertragen wird, so daß beim Stromzusammenbruch Energie entweder von der einzigen Wicklung jeder Phase oder mit Hilfe einer eng gekoppelten Hilfswicklung rückübertragen wird. Nach dem Kommutationspunkt kann der Strom weiter abfallen, ehe die Induktivität ihren maximalen Wert erreicht.

Der Konverter kann in bekannter Weise unterschiedlich ausgebildet sein. Die Erfindung eignet sich jedoch vornehmlich, wenn auch nicht ausschließlich für Konverter, welche für jede Phasenwicklung ein oder zwei steuerbare Festkörperschalter enthalten, die periodisch eingeschaltet werden und durch die dann die Phasenwicklungsströme fließen und Energie von der Gleichspannungsquelle zur Wicklung übertragen, ohne daß die Energie dabei

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über einen Kondensator geführt würde.

Bei einer Ausführungsform hat der Motor eine Wicklung und zwei steuerbare Festkörperschalter für jede Phase, und ein Wicklungsstrom wird weiter auf seinen Minimalwert verringert, wenn beide steuerbaren Festkörperschalter gesperrt werden, so daß die Wicklung (Strom) zu zwei Dioden überträgt, welche mit gegenläufiger Polarität die Wicklung mit der Gleichspannungsquelle verbinden und auf diese Weise ermöglichen, daß die Wicklung einen Teil ihrer Energie zur Gleichspannungsquelle zurückspeist.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine einzige Gleichspannungsquelle verwendet, und der Motor hat eine Hauptwicklung und eine eng mit dieser gekoppelte Hilfswicklung für jede Phase, und ein Wicklungsstrom, der von der Stromquelle zur Hauptwicklung über einen in Reihe damit liegenden steuerbaren Festkörperschalter fließt, wird schnell in einen äquivalenten Strom in der Hilfswicklung umgewandelt, wenn der Festkörperschalter gesperrt wird, und dieser äquivalente Strom fließt durch eine Schaltung, die eine Diode und die Gleichstromquelle enthält, wobei die Polarität der Spannung beider Wicklungen umgekehrt wird und die Hilfswicklung einen Teil ihrer Energie zur Gleichstromquelle zurückführt, wenn die Diode leitet.

Es versteht sich, daß in Fällen, wo der Motor solche Hilfswicklungen enthält, bei der Erwähnung eines Phasenstromes auch die Summe desStromes in der Hauptwicklung mit dem m-fachen des Stromes in der Hilfswicklung gemeint sein soll, wobei m das Windungszahlenverhältnis von Hilfs- zu Hauptwicklung ist.

Weitere Eigenschaften und Einzelheiten der Erfindung seien in der nachfolgenden Beschreibung eines bestimmten Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 bis 10 graphische Darstellungen typischer Kurvenformen

zur Veranschaulichung des Induktivitäts- und/oder Stromverlaufs über der Rotordrehung oder der Zeit (einschließlich einiger Kurven, die sich auf bekannte Anordnungen beziehen) und

Fig.11 und 12 Schaltbilder zweier Ausführungsformen des Antriebssystems mit Motor veränderlichen magnetischen Widerstandes.

Zweckmäßigerweise seien zunächst in allgemeiner Weise die Eigenschaften und die Funktionsweise von Antriebsmotoren mit variablem magnetischen Widerstand beschrieben, für welche sich die Erfindung eignet und welche einen Motor variablen magnetischen Widerstandes und einen Stromversorgungskonverter aufweisen, welcher den Motorwicklungen aus einer Gleichspannungsquelle abgeleitete, in einer Richtung verlaufende Impulse zuführt.

Anordnungen gemäß der Erfindung benutzen mindestens drei Phasen, so daß sich vernünftige Bruchteile eines Zyklus ergeben, während derer die Induktivität bei einer Vorwärtsdrehrichtung oder auch bei einer Rückwärtsdrehrichtung ansteigt, so daß man das System so entwerfen kann, daß der Motor nicht nur in beiden Drehrichtungen betrieben werden kann, sondern auch in beiden Drehrichtungen von selbst anläuft.

Wird der Motor so ausgebildet, daß sich ausgeprägte Rotorpole auf ausgeprägte Statorpole zu und von diesen weg bewegen, dann wird eine Anzahl magnetischer Kreise gebildet, deren Induktivität sich jeweils abwechselnd erhöht, wenn die Pole sich einander nähern, und erniedrigt, wenn sie sich entfernen. Zur Erzeugung eines treibenden Drehmomentes soll die Anziehung zwischen den Polen, also der mit dem Magnetkreis verkettete Strom, groß sein, wenn sich die Pole einander nähern, also im Bereich anwachsender Induktivität, wo die Anziehungskräfte eine Beschleunigung hervorrufen, dagegen soll die Anziehung dort wo

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sie bremsend wirkt, also im Bereich der abnehmenden Induktivität, klein sein.

Ein Motor variablen magnetischen Widerstandes, der sich für die hier beschriebene Erfindung eignet, hat also η-Phasen, wobei n>2 ist, und hat für jede Phase eine Hauptwicklung, die eng mit einer Hilfswicklung gekoppelt sein kann. Ein vollständiger Zyklus der Induktivitätsveränderung für jede Hauptwicklung infolge fortschreitender Motordrehung enthält einen Teil mit der Rotorposition zunehmender Umdrehung, der bis mindestens 1/n-tel des Zyklus dauert und dem ein Teil relativ konstanter maximaler Induktivität folgt, welcher vorzugsweise wesentlich weniger als 1/n-tel des Zyklus beträgt; hierauf wiederum folgt ein Teil abnehmender Induktivität, der mindestens 1/n-tel des Zyklus dauert und dem ein Teil relativ konstanter minimaler Induktivität folgt, der den Rest des Zyklus einnimmt. Auf diese Weise wächst in jeder Rotorstellung die Induktivität mindestens einer Wicklung, so daß der Motor in Vorwärtsrichtung gestartet werden kann, indem ein Strom durch diese Wicklung fließt, und die Induktivität mindestens einer Wicklung nimmt ab, so daß der Motor auch in der Gegenrichtung gestartet werden kann.

Der Motor erzeugt ein Antriebsdrehmoment oder eine Antriebskraft, wenn man einer Motorphasenwicklung einen Strom während desjenigen Teils seines Induktiv!tätsänderungszyklus zuführt, wo sich die Induktivität vergrößert. In der Stromzuführung liegt der Sinn des Stromversorgungskonverters oder Schälterkreises, der sich zwischen der Gleichspannungsquelle und den Motorwicklungen befindet.

Dieser Schalterkreis muß zwei Funktionen erfüllen. Zunächst muß er die Gleichspannungsquelle mit der Hauptwicklung einer Motorphase verbinden, damit dieser Wicklung Energie zugeführt wird und der Strom sich aufbauen kann. Außerdem muß er die Gleichspannungsquelle wieder abtrennen, damit sich an der Hauptwicklung eine umgekehrte Spannung aufbauen kann und der Strom zu-

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sairanenbricht und Energie von dieser Wicklung zurückspeist.

Bekannte Schalteranordnungen verwenden Transistoren und/oder Thyristoren. Die Vorteile der Erfindung beziehen sich vorzugsweise auf Schaltungen mit Thyristoren. Zur Abtrennung der Gleichspannungsquelle von der Motorwicklung kann der Verbindungsthyris^or gesperrt werden, indem man das Resonanzverhalten eines in Reihe mit der Wicklung und dem Thyristor geschalteten Kondensators ausnutzt. Die Erfindung läßt sich jedoch mit größerem Vorteil bei einer Schaltung anwenden, bei der ein aufgeladener Kondensator parallel zum leitenden Thyristor geschaltet wird und diesem eine Gegenspannung aufprägt, durch welche der Thyristor gesperrt wird.

Wird eine Gleichspannungsquelle von E-VoIt über einen Schalterkreis an einen Motor veränderbaren magnetischen Widerstandes geschaltet, der eine sich zyklisch verändernde Induktivität von L Henry und einen Widerstand von R Ohm hat, dann gilt für den Strom i in Ampere in Abhängigkeit von der Zeit t die folgende Gleichung

E = Ri + L di/dt + i dL/dt. Der Momentanwert der zum Rotor übertragenen Leistung ist

1/2 i² dL/dt,
und der Augenblickswert des erzeugten Drehmomentes ist

1/2 i² dL/de ,
wobei θ die Winkelstellung des Rotors ist.

Wenn in einem beliebigen Augenblick während der Periode anwachsender Induktivität E = Ri + i dL/dt ist, dann ist di/dt=O und der Strom bleibt konstant. Während die Induktivität mit

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einer etwa konstanten Geschwindigkeit dL/dt ansteigt, dann gibt es einen Stromwert I (wobei I = E/(R + dL/dt)), dem sich der Strom i asymptotisch nähert, oder wenn zu Beginn der Periode anwachsender Induktivität der Strom i gleich I ist, dann bleibt i gleich I für den Rest dieser Periode, bis die Gleichspannungsquelle abgetrennt wird. .Ist zu Beginn der Periode anwachsender Induktivität i kleiner als I, dann wächst i asymptotisch gegen den Wert I (diese Kurvenform wird nachfolgend als flache Kurve bezeichnet und findet sich bei bekannten Systemen); ist zu Beginn der erwähnten Periode i größer als I_f dann sinkt i asymptotisch gegen den Wert I ab (diese Kurvenform wird nachfolgend als spitze Kurve bezeichnet und findet sich bei der Erfindung).

Für relativ kleine Widerstandswerte R gilt für I näherungsweise

I =

(dL) (de)
(de) (dt)

und daher ist für näherungsweise konstantes dL/de, was von der Ausbildung des Motors und der sich daraus ergebenden Induktivitätsänderung mit der Rotorstellung abhängt, I umgekehrt proportional der Motordrehzahl d6/dt.

Fig. 1 zeigt typische Stromkurven für die oben erläutertem Typen. Der in den Kurven gezeigte Punkt C ist der Kommutationspunkt, bei welchem die Gleichspannungsquelle E von der Wicklung abgetrennt wird und eine umgekehrte Spannung entweder direkt oder über die eng gekoppelte Hilfswicklung an die Motorwicklung gelegt wird, so daß der Strom i oder sein entsprechender Wert in der Hilfswicklung auf 0 oder einen geeigneten niedrigen Wert verringert wird.

Für den größeren Teil des Drehzahlbereiches, über welchen der Motor arbeiten soll, besteht nur eine Verbindung von der Gleichspannungsquelle zur Wicklung, und es ist nur eine Kommutation

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für jeden Zyklus der Wicklungsinduktivitätsänderung in Fig. 1 dargestellt. Während der Periode anwachsender Induktivität erzengt: der Motor eine mechanische Kraft, und wenn dL/dt näherungsweise konstant ist, dann ergibt sich die über diese Periode erzeugte mechanische Energie aus der Gleichung W₁ = 1/2 -rr /i dt. Sollte in der Wicklung irgendein Strom während der Periode abnehmender Induktivität fließen, dann ergibt sich die über diese Periode erzeugte mechanische Energie durch die

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Gleichung ΐ?₂ ⁼ V2 3-r / i dt, und ist negativ, da dL/dt negativ ist. Die gesamte pro Phase in einem Zyklus der Induktivitätsänderung erzeugte mechanische Energie ist W = W₁ + w~. Man erhält einen negativen Wert für W, der bedeutet, daß ein regeneratives Bremsen auftritt, wenn der Strom überwiegend in die Periode abnehmender Induktivität fällt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Stromformen für jeweils zwei Motoren, die mit der gleichen Drehzahl laufen, von derselben Gleichspannungsquelle aus gespeist werden und dieselbe Periode anwachsender Induktivität und das gleiche Verhältnis maximaler zu minimaler Windungsinduktivität haben, deren Induktivitätswerte sich jedoch um einen Paktor von 2,5 unterscheiden. Auch die Winkelpositionen, bei denen ein Hauptthyristor gezündet wird, unterscheiden sich so, daß die Stromkurven näherungsweise denselben Wert für /i dt über der Periode anwachsender Induktivita: abzüglich /i dt über der Periode abnehmender Induktivität ergeben. Der Motor gemäß Fig. 3 macht also von der Erfindung Gebrauch, während das für Fig. 2 nicht gilt.

Da I für die spitze Kurve um einen Faktor 2,5 kleiner ist, ist dli/dfc entsprechend um den gleichen Faktor größer, und die Ausgangsleistung für die spitze Kurve gemäß Fig. 3 ist 2,5 mal größer als im Falle der Fig. 2.

Um die gleiche Ausgangsleistung für die spitze Kurve gemäß Fig. 3 wie für die flache Kurve gemäß Fig. 2 zu erhalten und um denselben Wert E=I dL/dt = 125 V beizubehalten, müssen also

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die Stromwerte gemäß Fig. 3 um den Faktor 2,5 verkleinert und die Induktivitätswerte um denselben Faktor vergrößert werden, wie dies die Stromkurve i~ und das entsprechende Induktivitätsprofil L₂ in Fig. 4 zeigt, wo die Stromkurvep... und das Induktivitätsprofil L. wie bei dem nicht bevorzugten Fall gemäß Fig.2 sind. Man sieht, daß die spitzen Kurven die Erzeugung derselben Ausgangsleistung bei erheblich niedrigeren Stromwerten als die flachen Kurven erlauben, insbesondere hinsichtlich des Stromes im Kommutationspunkt.

Zur Ausnutzung der Vorteile von spitzen Stromkurven im Sinne der Erreichung einer bestimmten Ausgangsleistung über einen bestimmten Anteil des Arbeitsdrehzahlbereiches des Motors benötigt man Stromformen mit einem zunehmenden Verhältnis i /I mit zunehmender Geschwindigkeit, wobei i der Spitzen-oder Maximalwert des Stromes ist. Um den Strom auf den gewünschten Spitzenwert i aufzubauen, ehe die Wicklungsinduktivität anzuwachsen beginnt, ist es vorzuziehen, daß ein größerer Anteil des praktisch konstanten Bereiches des Induktivitätsprofils bei minimalem Induktivitätswert und ein kleinerer Teil beim maximalen Induktivitätswert liegt, wie dies in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist.

Wenn das Verhältnis i„/I anwächst, dann nimmt die Stromkurve einen zunehmenden Anteil des Rotorwinkels ein entsprechend einem vollständigen Zyklus der Phaseninduktivität L. In Fig. 4 entspricht dieser Winkel einer Periode von 5,6 ms. Vorzugsweise macht man bei der höchsten Drehzahl, bei welcher der Motor eine bestimmte Ausgangsleistung erreichen soll, das Verhältnis i /I so groß wie möglich, indem man den Stromimpuls vollständig oder nahezu vollständig über den gesamten Zyklus der Phaseninduktivität L verlaufen läßt. Die Stromkurve i2 in Fig. 4 würde daher vorzugsweise der Drehzahl nahe dem oberen Drehzahlbereich entsprechen, wo der Motor seine vorbestimmte Ausgangsleistung erreichen soll.

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— Ί ο —

Fig. 5 zeigt den Verlauf des Drehmomentes über der Drehzahl, aus welchem eine konstante Leistung über einen Drehzahlbereich ersichtlich ist. Es sind sechs Geschwindigkeiten an den Punkten A, B, C, D, E und F ausgewählt worden, und die diesen Geschwindigkeiten entsprechenden Stromkurven, welche die gleiche Leistung ergeben, sind über dem Rotorwinkel in Fig. 6 aufgetragen. In diesem Beispiel entspricht der Fall E der Stromkurve i2 in Fig. 4.

Die Stromkurven erhält man durch sorgfältige Beobachtung des Rotorwinkels und der Rotordrehzahl des Motors in sämtlichen Zeitpunkten mit Hilfe von in bekannter Weise arbeitenden Wandlern und durch Schalten der Stromversorgungskonverterschaltung in den zugehörigen Rotorwinkeln bei der jeweiligen Drehzahl.

Aus den Fig. 5 und 6 kann man sehen, daß bei zunehmender Motordrehzahl der Rotorwinkel, bei dem der Stromimpuls beginnt, vorzugsweise vorverlegt werden muß. Man sieht auch, daß bei abnehmender Drehzahl die Stromformen zunehmend weniger spitz werden. Jedoch kann man die Vorteile der spitzen Kurven über einen erheblichen Drehzahlbereich ausnützen, während die gewünschte Motorleistung erzeugt wird.

Wenn bei irgendeiner Drehzahl innerhalb des obigen Bereiches weniger Motorleistung erforderlich ist, dann kann man dies durch Verringerung der Größe der Stromimpulse erreichen, entweder indem man den Punkt des Stromimpulsbeginnes verzögert oder indem man den Kommutationspunkt vorverlegt oder auch durch beide Maßnahmen gemeinsam.

Bei niedrigen Drehzahlen, beispielsweise unterhalb des Punktes A in Fig. 5, ist es im allgemeinen nicht einfach, dieselbe Motorleistung wie bei höheren Drehzahlen zu erhalten, und im allgemeinen ist es erforderlich, ein bestimmtes Drehmoment, wie in Fig. 5 gezeigt, zu erzeugen. Bei sehr niedrigen Drehzahlen würde der als Ausgleichsstrom zu bezeichnende Strom I sehr groß,

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und man kann nicht zulassen, daß der Motorwicklungsstrom diesen Wert erreicht.

Um zu verhindern, daß der Strom zu groß wird, kann man die Wicklung von der Stromquelle abtrennen, wenn der Strom einen vorgegebenen Wert erreicht,.und dann wieder anschließen, wenn der Strom unter einen vorgegebenen niedrigeren Wert gefallen ist, so daß ein oder mehrere weitere Stromimpulse zugeführt werden. Ein solches Zünden und Kommutieren von Thyristoren kann oder muß durch den Strom über einen Bereich niedrigerer Drehzahlen bis herunter zum Stillstand, wie dies bekannt ist, gesteuert werden, damit man den Strom innerhalb praktischer Grenzen halten kann. Fig. 7 zeigt typische Stromformen für niedrige Drehzahlen.

Die Hauptvorteile der spitzen Kurven sind nun gezeigt worden. Erstens wird der von der Kommutatorschaltung zu verarbeitende Strom erheblich verringert, so daß sich auch die Kosten und der Leistungsverbrauch der Kommutatorschaltung verringern, ob sie nun Thyristoren und einen Kommutatorkondensator verwendet oder ob sie einen Transistor und eine Hilfsspannung benutzt.

Zweitens werden die Effektiv- und mittleren Ströme, die durch die Hauptschaltelemente zu verarbeiten sind, wesentlich verringert. Dies gilt auch für die Stromformen bei niedriger Drehzahl (wie in Fig. 7 veranschaulicht), da höhere Motorwindungsinduktivitäten benutzt werden, um spitze Stromkurven bei höheren Drehzahlen zu ermöglichen, wie dies Fig. 4 zeigt. Sind die Schalterelemente Thyristoren, so ergeben sich erhebliche Kosteneinsparungen; sind sie dagegen Transistoren, dann kann wegen ihres begrenzten zulässigen Spitzenstroms dieser Vorteil nicht automatisch für spitze Kurvenformen eintreten.

Der dritte Vorteil der spitzen Kurvenform ergibt sich daraus, daß sie sich über einen größeren Rotorwinkel erstreckt als eine äquivalente flache Kurve, und daher überlappen sich die Ströme

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in den η-Phasen des Motors in einem größeren Ausmaß, und ein Strom, der durch eine Phase entnommen wird, kann in größerem Ausmaß teilweise durch einen Strom geliefert werden, der von einer anderen Phase zurückfließt. Dadurch ergibt sich eine Reduzierung der Wechselstromkomponente die dem der Gleichspannungsquelle entnommenen Gleichstrom überlagert ist. Wenn die Gleichspannungsquelle einen nennenswerten Innenwiderstand hat, also beispielsweise im Falle einer Akkumulatorenbatterie, dann erzeugt die Wechselstromkomponente des Stromes zusätzliche Verluste am Innenwiderstand der Gleichstromquelle. Daher ergibt also eine Verringerung der Wechselstromkomponente insgesamt weniger Verluste und einen höheren Wirkungsgrad. Man kann Kondensatoren, üblicherweise polarisierte Elektrolytkondensatoren, parallel zu der Batterie schalten, um eine Ableitung für die Wechselstromkomponenten zu schaffen, und in diesem Falle verringern sich die Kosten für die Kondensatoren, wenn die von ihnen abzuleitende Wechselstromkomponente niedriger ist, so daß sich ein wirtschaftlicher Vorteil ergibt.

Ein vierter Vorteil der spitzen Kurven besteht darin, daß bei Erreichen des Kommutationspunktes der Strom absinkt. Tritt ein Kommutierungsfehler ein, dann kann man einen zweiten Versuch machen, den Strom in der Hauptwicklung bei einem niedrigeren Stromwert zu kommutieren.

In den Fig. 1 bis 5 ist das Induktivitätsprofil aus Gründen der Klarheit der Erläuterung trapezförmig dargestellt, in Wirklichkeit liegt nur eine Näherung dieser Form vor. Weiterhin wurde angenommen, daß die Induktivitätswerte einzig von der Rotorstellung abhängen, jedoch wird die Induktivität auch durch die Größe des Stromes beeinflußt, und das Induktivitätsprofil ändert sich entsprechend dem Grad der auftretenden magnetischen Sättigung. Jedoch bleiben die generellen Prinzipien, aus welchen sich die Vorteile der spitzen Stromkurven ergeben, erhalten. Diese Prinzipien gelten nicht nur, wenn der Motor veränderbaren magnetischen Widerstandes ein umlaufender

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Motor ist, sondern auch für einen Linearmotor. Im ersten Falle bewirkt das treibende Drehmoment eine Winkelbewegung, im letzten Falle erzeugt die treibende Kraft eine lineare Bewegung. In beiden Fällen ändert sich die Induktivität für jede Wicklung zyklisch, und es werden Stromimpulse der erläuterten Art verwendet.

Das Problem bei der Erfindung besteht nun darin, durch eine geeignete Wahl der Motorwicklungsinduktivität und der Motorgeometrie eine erwünschte zyklische Induktivitätsänderung zu realisieren und durch geeignete Wahl der Schalterkreise und der An- und Abschaltaugenblicke der Gleichspannungsquelle an die und von den Wicklungen Stromformen der erwähnten Art zu verwenden, um eine gewünschte Ausgangsleistung über einen vorgegebenen Geschwindigkeitsbereich bei einer vorgegebenen Speisegleichspannung zu erreichen und gleichzeitig die Kosten aller in diesem System verwendeten Komponenten minimal zu halten.

Das erfindungsgemäße System unterscheidet sich von anderen bekannten Systemen durch die relativ größere Anstiegsgeschwindigkeit der Wicklungsinduktivität dL/dt, gekoppelt mit dem relativ höheren Wert des erwähnten Stromverhältnisses ip/I. Für jeglichen Betrieb bei voller Leistung - mit Ausnahme niedriger Drehzahlen - haben dL/dt und i bei der Erfindung Werte, welche der Bedingung i >I genügen, wobei

I =

R + dL
dt

Ein Beispiel einer Anordnung, welche entsprechend der Erfindung ausgebildet ist und erfindungsgemäß arbeitet, sei nun anhand der Fig. 11 beschrieben.

Der Motor veränderlichen magnetischen Widerstandes hat vorzugsweise drei oder vier Phasen, für deren jede eine Hauptwicklung und eine eng mit dieser gekoppelte Hilfswicklung vorge-

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sehen ist. Die Haupt- und die Hilfswicklungen eines Dreiphasenmotors sind in Fig. 11 mit 11, 21, 31 bzw. 13 23, 33 bezeichnet. Die Hauptwicklungen werden nacheinander an die Gleichspannungsquelle 50, welche eine Spannung E liefert, durch eine entsprechende Zündfolge der Hauptthyristoren 12, 22 und 32 in Synchronismus mit der Motordrehung angeschlossen. Wenn die Zeit für das Abschalten beispielsweise des Hauptthyristors 12 kommt, dann wird ein Kommutierungsthyristor 16 mit Hilfe eines negativ vorgeladenen Kondensators 61 gezündet. Der Strom im Hauptthyristor 12 geht auf den Kondensator 61 in einem durch die Induktivität 64 gesteuerten Maße über, und wenn dieser Stromübergang vollendet ist, erscheint die am Kondensator 61 bleibende negative Spannung über dem Thyristor 12. Die Kapazität des Kondensators 61 wird so gewählt, daß der Thyristor 12 langer als seine Abschaltzeit in Sperrichtung vorgespannt wird. Der Strom in der Hauptwicklung 11 fließt weiter durch den Kommutierungsthyristor 16, die Induktivität 64 und den Kondensator 61, bis die Spannung an der Anode des Thyristors 12 den Wert E(1 + —) gegenüber seiner Kathode erreicht, so daß eine Durchlaßspannung an der Diode 14 induziert wird (m ist das WindungsZahlenverhältnis von Hilfswicklung zu Hauptwicklung). Jegliches weitere Anwachsen der Kondensatorspannung geht mit einer Stromübertragung von der Hauptwicklung 11 auf die Hilfswicklung 13 einher, so daß die Diode 14 leitet und die Hilfswicklungsspannung auf den Wert E der Gleichspannungsquelle

in fixiert. Der Strom im Kondensator 61 und*der Wicklung 11 fällt auf 0 ab, während der Strom in der Hilfswicklung 13 Energie zur Gleichspannungsquelle 50 über die Diode 14 rücküberträgt. Sobald der Kommutierungsthyristor 16 wieder seinen Sperrzustand erreicht hat, kann ein Rückstellthyristor 62 gezündet werden, so daß die Polarität der Kondensatorspannung über eine Induktivität 63 zur Vorbereitung der nächsten Kommutierung umgekehrt wird.

Die Motorwicklungsinduktivität für die drei Hauptwicklungen ändert sich gemäß Fig. 8 mit dem Rotorwinkel und entspricht

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einem "single stack"-Motor mit sechs Statorpolen und vier Rotorpolen. Für jeglichen Rotorwinkel θ zeigt eine Wicklung eine anwachsende Induktivität dL/dö und eine andere Wicklung eine abnehmende Induktivität -dL/de. Er kann daher aus jeder Stellung in beiden Richtungen anlaufen. Es sei angenommen, daß der Motor so entw.orfen ist, daß er einstellbare Leistung bei oder oberhalb einer Drehzahl von N-Umdrehungen pro Sekunde aber unterhalb einer höheren Drehzahl N max Umdrehung pro Sekunde abgibt, daß die Gleichspannungsquelle E Volt Spannung liefere und daß die Induktivität L so gewählt ist, daß sie erfindungsgemäß die folgende Ungleichung erfüllt

^{(E +} i» S >^E

wobei i der Spitzenstrom in der Hauptwicklung ist, wenn die übertragene bemessene Leistung innerhalb des erwähnten Drehzahlbereiches liegt, R der Wicklungswxderstand ist und dL/dt die maximale Anstiegsgeschwindigkeit der Induktivität vor der Kommutierung ist. Weil ein wichtiger Vorteil der Erfindung in der Reduzierung der Strombelastbarkeit der Elemente liegt, wird die obige Ungleichung hauptsächlich bei der Wahl eines großen Wertes für L erfüllt. Eine Grenze für die Größe von L ergibt sich bei N , da die Dauer der Periode minimaler Induktivität, während welcher der Strom auf einen Spitzenwert i anwachsen kann, der für die Erzeugui Leistung gehört, erheblich kürzer ist.

i anwachsen kann, der für die Erzeugung der erforderlichen

Die Kurvenformen des Wicklungsstromes bei voller Leistung und einer Drehzahl von mindestens N-Umdrehungen pro Sekunde sind in Fig. 9 gezeigt; sie sind über der gleichen Horizontalachse aufgezeichnet, welche wie in Fig. 8 den Drehwinkel angibt. Es sind nur die Ströme der Phase 2 dargestellt, weil die Ströme der Phasen 1 und 3 bis auf eine Verschiebung um plus bzw. minus 30° identisch aussehen.

Die Zündimpulse für alle sieben Thyristoren sind in Fig. 10

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_₂₂_ 2B13784

auf derselben Abszisse für den Drehwinkel dargestellt.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf irgend eine besondere Form einer Stromversorgungsumkehrschaltung, und in einigen Fällen, insbesondere für Motoren für hohe Leistung und hohe Spannung kann es erwünscht sein, keine Hilfswicklungen zur Energierückführung zur Stromquelle zu verwenden. Eine derartige Schaltung gibt Fig. 12 wieder.

Die Induktivität des Motors ändert sich in gleicher Weise wie in Fig. 8, jedoch hat jede Phase nur eine einzige Wicklung 11, 21 oder 31. Diese Wicklung ist über zwei Thyristoren 12A und 12B an die Gleichspannungsquelle 50 angeschlossen. Wenn der Zeitpunkt zum Abtrennen der Wicklung 11 von der Stromquelle kommt, dann werden beide Thyristoren 12A und 12B gleichzeitig oder unmittelbar nacheinander gesperrt, so daß der Wicklungsstrom nun über die Dioden 17A und 17B fließt und die Wicklungspolarität umkehrt, so daß Wicklungsenergie zur Stromquelle 50 zurückgeführt wird.

Es ist eine Abschalt-Schaltung gezeigt, welche eine Hilfsquelle 57, zwei Kommutierungskondensatoren 51 und 52 und zwei Kommutierungsthyristoren 16A und 16B verwendet. Diese Kommutierungsschaltung kann für jede Phase vorgesehen sein, oder auch, wie dargestellt, allen Phasen gemeinsam sein.

Zur Vereinfachung der Beschreibung sind die Batterieanschlüsse mit Potentialen von E/2 und -E/2 dargestellt, und die Hilfsspannungsquelle liefert eine Potentialdifferenz F.

Zu Beginn ist das Potential am negativen Anschluß 59 der Betriebsspannungsquelle (genannt P 59)gleich E/2, und daher ist das Potential am positiven Anschluß 58 gleich E/2 + F.

Kommt der Zeitpunkt zum Abschalten der Thyristoren 12A und 12B, dann wird zuerst der Thyristor 16A gezündet, so daß über

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dem Thyristor 12A eine Sperrspannung der Größe F entsteht. Der Hauptwicklungsstrom geht über den Thyristor 16A auf die Kondensatoren 51 und 52 über, und P58 verringert sich von E/2+F auf -E/2, wodurch die Diode 17B leitet. P59 beträgt nun -E/2-F und der Thyristor 16B wird gezündet, um den unteren Thyristor 12B zu sperren. Der Strom in der Wicklung 11 überträgt sich von dem nun in Sperrichtung vorgespannten Thyristor 12B auf den Thyristor 16B und die Kondensatoren 51 und 52, wobei der Kondensator 52 von -E/2-F auf E/2 aufgeladen wird, was wiederum ein Leiten der Diode 17A zur Folge hat.

Auf diese Weise werden beide Thyristoren gesperrt, und Energie von der Wicklung 11 wird über die beiden Dioden 17 zur Stromquelle 50 rückübertragen.

Die Betrachtungen hinsichtlich des Motoraufbaus gelten hier in gleicher Weise wie im zuvor beschriebenen Beispiel.

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Claims

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Brit, Ann». Mr. 13415/77 Dipi. - In«. Pt-V-- Schütz

vom 30. März 1977 Dip!.-!ng. Wcvfgc^g t-iwuslor

8 München 8ö. Fo-tfacii 860668

CHLORIDE GROUP LIMITED London (Großbritannien)

Patentansprüche

( 1) Elektrisches Antriebssystem mit einem Motor veränderlichen 'magnetischen Widerstandes, der für jede von η-Phasen, mit n>2, mindestens eine Wicklung hat, deren Induktivität sich zyklisch mit der Bewegung des Motors verändert, dadurch gekennzeichnet , daß der Bruchteil eines Zyklus, währenddessen die Windungsinduktivität einer Phase sich bei der Bewegung in einer Richtung vergrößert, größer als 1/n ist und der Bruchteil eines Zyklus, währenddessen sich die Windungsinduktivität einer Phase bei Bewegung in derselben Richtung abnimmt, ebenfalls größer als 1/n ist und daß eine Stromversorgungskonverterschaltung vorgesehen ist, die einer Wicklung jeder Phase in einer Richtung verlaufende Gleichstromimpulse aus einer Gleichstromquelle zuführt, deren Strom von ihrem Minimalwert auf praktisch ihren Maximalwert anwächst, während die Windungsinduktivität im wesentlichen ihren Minimalwert hat, und danach wesentlich abfällt, ehe der Konverter die Wicklung (11,21,31) von der Stromquelle (50) im Kommutierungspunkt abtrennt.

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2) Elektrisches Antriebssystem mit einem Motor veränderlichen magnetischen Widerstandes, der für jede von η-Phasen, wqbei n>2 ist, mindestens eine Wicklung hat, tieren Induktivität sich zyklisch mit der Bewegung des Motors verändert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromversorgungskonverterschaltung zur Lieferung von in einer Richtung verlaufenden Stromimpulsen aus einer Gleichstromquelle (50) vorgesehen ist, daß der Bruchteil eines Zyklus, währenddessen die Windungsinduktivität einer Phase sich bei Bewegung in einer Richtung vergrößert, größer als 1/n ist und der Bruchteil eines Zyklus, währenddessen sich die Windungsinduktivität einer Phase bei Bewegung in derselben Richtung verkleinert, ebenfalls größer als 1/n ist, und daß die Stromversorgungskonverterschaltung jeder Wicklung (11,21,31) einen Stromimpuls pro Zyklus zuführt und die Einschaltung und Kommutierung des Stromes bei vorbestimmten Stellungen erfolgt, die zur Veränderung der Induktivität so in Beziehung stehen, daß der Spitzenstrom (Lp) bei maximaler Leistung und maximaler Geschwindigkeit größer als ein Wert I = E/(R + dL/dt) ist, wobei E die Betriebsspannung, R der Wicklungswiderstand und dL/dt die maximale Anstiegsgeschwindigkeit der Induktivität vor dem Kommutierungspunkt ist.
3) System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Geschwindigkeit (Drehzahl) über einen Bereich von maximaler Geschwindigkeit bis herunter zu 75% der maximalen Geschwindigkeit ip>I bei maximaler Leistung ist.
4) System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Geschwindigkeit über einen Bereich von maximaler Geschwindigkeit bis herab zu 50% der maximalen Geschwindigkeit bei Maximalleistung ip>I ist.
5) System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Geschwindigkeit über einen Bereich von maximaler Geschwindigkeit bis herab zu 25% der maximalen Geschwindigkeit bei Maximalleistung ip>I ist.

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6) System nach einem der Ansprüche.2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei maximaler Leistung und maximaler Geschwindigkeit ip>21 ist. -■■-;-
7)' System nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Arbeitsgeschwindigkeitsbereich von maximaler Geschwindigkeit bis herunter zu einer wesentlich niedrigeren Geschwindigkeit, in welchem die Leistung im wesentlichen konstant ist und durch einen niedrigeren Geschwindigkeitsbereich bis zum Stillstand, in welchem das Drehmoment praktisch konstant ist.
8) System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zyklusabschnitten steigender und fällender Induktivität die Induktivität auf einen praktisch konstanten Maximal- bzw. Minimalwert bleibt.
9) System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung entsprechend einer minimalen Induktivität größer als diejenige entsprechend einer maximalen Induktivität ist.
10} System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgungskonverter einen alternativen Strompfad zwischen der Gleichspannungsquelle (50) und derjenigen Wicklung (11,21,31) bildet, durch welche Energie nach dem Kommutierungspunkt zur Stromquelle rückzuübertragen ist.
11) System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie nur von einer Wicklung pro Phase rückgewonnen wird,
12) System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie mit Hilfe einer eng gekoppelten Hilfswicklung (13,23,33) rückgewonnen wird.
13) System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Kommutierungspunkt der Strom weiter abfällt, bis die Induktivität ihren maximalen Wert erreicht.
14) System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgungskonverter für jede Phasenwicklung einen oder mehrere steuerbare Festkörperschaltungen (12,22,32;12a,22a,32a,12b,22b,32b) enthält, die periodisch eingeschaltet werden und durch die die Phasenwicklungsströme fließen und Energie von der Gleichspannungsquelle (50), ohne einen Kondensator zu durchlaufen, auf die betreffende Wicklung übertragen wird.
15) System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor eine Wicklung (z.B. 11) und zwei steuerbare Halbleiterschalter (12a,12b) für jede Phase hat und daß ein Wicklungsstrom weiter auf seinen Minimalwert infolge des Sperrens beider steuerbarer Halbleiterschalter reduziert wird und auf zwei Dioden (17a,17b) übergeht, welche die Wicklung mit umgekehrter Polarität an die Gleichspannungsquelle (50) zur Rückübertragung eines Teiles ihrer Energie anlegen.
16) System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Gleichspannungsquelle (50) verwendet wird und daß der Motor eine Hauptwicklung (z.B. 11) und eine eng mit dieser gekoppelte Hilfswicklung (z.B. 13) für jede Phase hat und daß ein Wicklungsstrom von der Spannungsquelle (50) zur Hauptwicklung (11) über einen in Reihe liegenden steuerbaren Halbleiterschalter bei dessen Sperren schnell in einen äquivalenten Strom in der Hilfswicklung (13) übertragen wird, der durch eine eine Diode (14) und die Gleichspannungsquelle enthaltenden Stromkreis fließt, wobei die Spannung beider Wicklungen (11,13) sich umkehrt und die Hilfswicklung einen Teil der Wicklungsenergie bei leitender Diode (14) in die Gleichspannungsquelle rücküberträgt.

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17) Elektrisches Antriebssystem mit einem Motor veränderbaren magnetischen Widerstandes, wie es anhand der Fig. 3 bis 10 und 11 oder 12 der beiliegenden Zeichnungen erläutert ist.

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