DE3518926A1

DE3518926A1 - Verfahren und anordnung zur energierueckgewinnung in einem stromrichter fuer eine phasenwicklung eines geschalteten reluktanzmotors

Info

Publication number: DE3518926A1
Application number: DE19853518926
Authority: DE
Inventors: Timothy John Eastham Schenectady N.Y. Miller; Allan Barr Portland Oreg. Plunkett; Robert Louis Scotia N.Y. Steigerwald
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-05-31
Filing date: 1985-05-25
Publication date: 1985-12-05
Also published as: US4684867A; IT1184778B; IT8520481A0; GB8507065D0; JPS60257786A; FR2565435B1; FR2565435A1; GB2159672A

Description

9569.2-RD-15438

GENERAL ELECTRIC COMPANY

Verfahren und Anordnung zur Energierückgewinnung in einem Stromrichter für eine Phasenwicklung eines geschalteten

Reluktanzmotors

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Kommutierungsverfahren und eine Stromrichterschaltung für einen geschalteten Reluktanzantrieb und insbesondere auf eine regenerative Rückgewinnung von magnetischer Restenergie, die in einer Phasenwicklung am Ende eines Arbeitshubes des Antriebs gespeichert ist, und auf eine schnelle Verminderung des Phasenstroms auf Null nach einer Kommutierung .

Geschaltete Reluktanzmotoren haben üblicherweise Pole oder Zähne auf sowohl dem Stator als dem Motor (d.h. sie sind doppelt ausgeprägt) . Es gibt Phasenwicklungen auf dem Stator, aber keine Wicklungen auf dem Rotor. Jedes Paar diametral gegenüberliegender Statorpole ist in Reihe geschaltet, um eine Phase des geschalteten Reluktanzmotors zu bilden.

Drehmoment wird durch Einschalten des Stromes in jeder Phasenwicklung in einer vorbestimmten Folge erzeugt, die mit der Winkelstellung des Rotors synchronisiert ist, so daß eine magnetische Anziehungskraft zwischen den Rotor- und Statorpolen entsteht, die sich aneinander annähern. Der Strom wird in jeder Phase an dem Kommutierungspunkt abgeschaltet, bevor die Rotorpole, die den Statorpolen dieser Phase am nähesten gelegen sind, sich durch die fluchtende Position drehen, anderenfalls erzeugt die magnetische Anziehungskraft ein negatives oder Bremsmoment. Eine schnelle Verkleinerung des Phasenstroms auf Null unterstützt die Vermeidung eines negativen Moments.

Das entwickelte Drehmoment ist von der Richtung des Stromflusses unabhängig.- Unidirektionale Stromimpulse, die mit der Rotorbewegung synchronisiert sind, können in einem Stromwandler unter Verwendung eines einzelnen unidirektionalen Stromschaltelements erzeugt werden, wie beispielsweise einem Thyristor oder Transistor in jeder Phase.

Jedesmal, wenn eine Phase des geschalteten Reluktanzmotors eingeschaltet wird durch Schließen eines Schalters in einem Stromrichter, fließt Strom in der Statorwicklung, wobei Energie aus einer Gleichstromeinspeisung an den Motor geliefert wird. Die aus der Einspeisung entnommene Energie wird teilweise in mechanische Energie, indem der Rotor in Richtung auf eine minimale Reluktanzkonfiguration gedreht wird, und teilweise in ein magnetisches Feld umgewandelt. Wenn der Schalter geöffnet ist, wird ein Teil der gespeicherten magnetischen Energie in eine mechanische Ausgangsleistung umgewandelt,und der Rest der Energie wird vorzugsweise in die Gleichstromeinspeisung zurückgeführt.

In bekannten geschalteten Reluktanzmotoren wird der Wirkungsgrad verkleinert wegen der nicht zurückgewonnenen Energie in dem Magnetfeld. Es ist bekannt, einen gewissen Teil dieser Energie zurückzugewinnen, indem eine bifilare Wicklung verwendet wird, damit Strom in die Gleichstromeinspeisung zurückfließen kann, nachdem die Hauptschaltvorrichtung sperrt bzw. ausgeschaltet ist. Die bifilare Wicklung gestattet, daß diese Energie ohne Rückgriff auf alternative Schaltungsanordnungen zurückgewonnen wird, die zwei Schaltvorrichtungen und zwei Freilaufdioden in jeder Phase erfordern. Bifilare Wicklungen haben jedoch die Nachteile, daß sie teuer sind, eine schlechte Wicklungsraumausnutzung besitzen und eine Verdopplung der Anzahl von Klemmenverbindungen erfordern.

Es ist ferner bekannt, eine einzige Wicklung mit einer bipolaren Leistungseinspeisung zu verwenden. Eine bipolare Einspeisung ist jedoch unerwünscht, da die verfügbare Gleichspannung nicht effizient ausgenutzt werden kann, und da die Basisansteuerung und

andere Steuerschaltungen durch Trenntransformatoren gespeist werden müssen, die die Gesamtkosten vergrößern.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren zum Kommutieren eines geschalteten Reluktanzantriebs zu schaffen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden sind. Dabei soll eine maximale Energierückgewinnung aus einem geschalteten Reluktanzantrieb erhalten werden, indem eine einzige Schaltvorrichtung und eine einzige Freilaufvorrichtung pro Phase mit einer nicht-bifilaren Wicklung in jeder Phase und einer unipolaren Einspeisung verwendet wird. Insbesondere soll ein Verfahren geschaffen werden für eine regenerative Rückgewinnung der gespeicherten Restmagnetenergie, die in einer Phasenwicklung eines geschalteten Reluktanzantriebs am Ende eines Arbeitshubs enthalten ist. Ferner soll ein Verfahren geschaffen werden zum schnellen Verkleinern des Phasenstroms eines geschalteten Reluktanzantriebs auf Null nach dem Kommutierungspunkt, um ein negatives Drehmoment zu eliminieren. Dabei soll auch eine neue und verbesserte Stromrichterschaltung zum Rückgewinnen gespeicherter, magnetischer Energie geschaffen werden. Diese Stromrichterschaltung für einen geschalteten Reluktanzantrieb soll die Abfallgeschwindigkeit des Stroms in einer Phase nach dem Kommutierungspunkt vergrößern.

Erfindungsgemäß wird ein Kommutierungsverfahren für einen geschalteten Reluktanzantrieb und.eine Stromrichterschaltung dafür angegeben, wobei die Abklinggeschwindigkeit des Stromes vergrößert wird, indem der Freilaufstrom auf eine Ladungsspeichervorrichtung mit einer Spannung übertragen wird, die größer als die Spannung der Gleichstromversorgung ist. Die Ladung kann dann dadurch zurückgewonnen werden, daß selektiv wenigstens ein Teil der Ladung zur Gleichstromquelle zurückgeleitet wird.

Ferner wird erfindungsgemäß eine Rückgewinnungsschaltung angegeben, die eine Ladungsspeichervorrichtung aufweist, die mit

jeder Phase über eine unidirektionale Phasenvorrichtung verbunden ist. Die Rückgewinnungsschaltung kann auch Mittel enthalten, um Ladung zur Gleichstromquelle zurückzuleiten.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen bekannten geschalteten Reluktanzantrieb.

Fig. 2 zeigt eine typische Flußverkettungs-Stromkurve für eine Phasenwicklung eines bekannten geschalteten Reluktanzantriebs.

Fig. 3A

und 3B zeigen Beispiele für bekannte Stromrichterschaltungen, die nur eine Hauptschaltvorrichtung pro Phase verwenden.

Fig. 4 ist eine Kurvenbilddarstellung, in der die Phasenstromkurven gemäß der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik dargestellt sind.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Stromrichterschaltung gemäß der Erfindung.

Fig. 6 zeigt die Spannungskurve des Überschußkondensators der Stromrichterschaltung gemäß Fig. 5.

Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Stromrichterschaltung gemäß der Erfindung.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Stromrichterschaltung gemäß der Erfindung.

Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems, das zur Steuerung der Stromrichterschaltung gemäß der Erfindung verwendet ist.

Fig. 10 zeigt den Schaltwinkelrechner gemäß Fig. 9 mit mehr Einzelheiten.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines geschalteten Reluktanzmotors im Schnitt und eine Stromrichterschaltung für eine Phase des Motors. Ein geblechter Eisenstator 100 weist mehrere Statorpolpaare auf, von denen ein Paar durch die Statorpole 110 und 111 gebildet ist. Ein Primärspule 11 und eine Sekundärspule 12 sind jeweils in Reihe auf die Statorpole 110 und 111 gewickelt. Die Spulen werden durch einen Stromrichter 65 gespeist, wie es an sich bekannt und in Verbindung mit Fig. 3A beschrieben wird.

Ein geblechter Eisenrotor 101 weist mehrere Rotorpolpaare auf, wobei ein Paar durch die Rotorpole 113 und 114 gebildet ist. Der Rotor 101 ist an einer Welle 105 befestigt und treibt einen Wellenpositionssensor 61 an.

Obwohl sich die folgenden Erläuterungen nur auf eine Motorphase beziehen, so sei darauf hingewiesen, daß alle Phasen das gleiche Verhalten zeigen, außer daß deren Speisung durch den Stromrichter um gleiche Inkremente der Rotordrehung phasengesteuert sein können.

Die Stromrichterschaltung gemäß Fig. 3A für eine Phase des in Fig. 1 gezeigten Motors weist eine bifilare Wicklung 10 mit einer Primärspule 11 und einer Sekundärspule 12 auf, die beide auf Statorpole 110 und 111 gewickelt sind, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, wobei ein mit der Zeit stärker positiv werdender Strom, der an dem mit einem Punkt versehenen Anschluß einer Spule eintritt, eine Leerlaufspannung über der zweiten Spule erzeugt, die an dem mit einem Punkt versehenen Anschluß der zweiten Spule positiv ist. Die Sekundärspule 12 ist mit einer Diode 22 und einer Gleichstromquelle 15 in Reihe geschaltet, wobei die Gleichstromquelle und die Diode in Gegenreihenschaltung geschaltet sind. Der Kollektor eines bipolaren Transistors 20 ist mit dem mit einem Punkt versehenen Anschluß der Spule 11 verbunden,und der Emitter des Transistors 20 ist mit der Anode

der Diode 22 verbunden, während der nicht mit einem Punkt versehene Anschluß der Spule 11 mit der Gleichstromquelle 15 und dem mit einem Punkt versehenen Anschluß der Spule 12 verbunden ist. Die Basis des Transistors 20 ist mit einer nicht-gezeigten Steuerschaltung verbunden.

Der Verlauf der Flußverkettungs-Stromkurve für den in Fig. 3A gezeigten Stromrichter ist in Fig. 2 gezeigt. Die Kurven OX und OY stellen die Magnetisierungscharakteristiken von einer Phase des in Fig. 1 gezeigten Motors dar, wenn der Rotor in Positionen mit minimaler bzw. maximaler Induktivität steht. Die Kurve OA ist der Verlauf bei einem laufenden Motor aufgrund eines Stromflusses in der Primärspule 11 der bifilaren Wicklung 10, wenn das Schaltelement 20 durchgeschaltet ist. Wenn das Schaltelement 20 leitend ist, verhindert die unidirektional leitende Vorrichtung 22 einen Stromfluß in der Sekundärspule 12. Am Kommutierungspunkt A fließt ein Strom in die Primärspule 11 aus der Gleichstromquelle 15. Am Punkt A wird der Transistor 20 durch eine nicht-gezeigte Schaltungsanordnung, die mit der Basiselektrode verbunden ist, in bekannter Weise gesperrt, wie es im folgenden in Verbindung mit Fig. 9 noch beschrieben wird. Dadurch wird der Stromfluß in der Primärspule 11 unterbrochen. Die dabei in der Sekundärspule 12 induzierte Spannung erzeugt einen Stromfluß an dem Punkt aus der Sekundärspule 12 heraus, wobei dieser Strom durch die in Vorwärtsrichtung geschaltete Diode zur Gleichstromquelle 15 zurückgeleitet wird. Da der Strom und die Flußverkettung abnimmt, kehrt die Flußverkettungs-Stromkurve zum Punkt 0 zurück.

Die Stromrichterschaltung gemäß Fig. 3B weist zwei Phasenwicklungen 13 und 14 und eine bipolare Gleichstromquelle 16 auf. Der Kollektor eines bipolaren Transistors 23 ist mit dem positiven Pol eines ersten Versorgungsabschnitts 17 der bipolaren Quelle 16 verbunden. Die Phasenwicklung 13 ist zwischen den Emitter des Transistors 23 und einen Knotenpunkt des negativen Pols des ersten Versorgungsabschnitts 17 und den positiven Pol eines zweiten Versorgungsabschnitts 18 geschaltet. Der Emitter

Al

eines bipolaren Transistors 24 ist mit dem negativen Pol des zweiten Versorgungsabschnitts 18 verbunden. Die Phasenwicklung 14 ist zwischen den Kollektor des Transistors 24 und den positiven Pol eines zweiten Versorgungsabschnitts 18 geschaltet. Eine Diode 26 verbindet den Kollektor des Transistors 24 mit dem positiven Pol des ersten Versorgungsabschnitts 17. Eine Diode 25 verbindet den Emitter des Transistors 23 mit dem negativen Pol des zweiten Versorgungsabschnitts 18. Die beiden Dioden 25 und 26 sind entgegengesetzt zur Gleichstromquelle 16 geschaltet.

Jede Phase 13 und 14 erreicht den gleichen Kurvenverlauf, wie er in Fig. 2 gezeigt ist. Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3B unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3A dahingehend, daß, wenn ein Transistor sperrt, immer noch ein Strom in der entsprechenden Wicklung fließt, aber nun fließt er durch die Freilaufdiode 24 oder 25 in einen Abschnitt der bipolaren Gleichstromquelle 16, der ein anderer ist, als derjenige, der zunächst Strom zugeführt hat.

Bei Verwendung eines der Stromrichter gemäß Fig. 3 wird an dem Kommutierungspunkt A in der Phasenwicklung magnetische Energie gespeichert, die gleich der Summe der Flächen F und W ist, die in Fig. 2 schraffiert dargestellt sind. Die Größe der Fläche W steht in Beziehung zu der mechanischen Ausgangsenergie des Arbeitshubes, d.h. ein Durchlauf der Bahn. Die Fläche F stellt die Energie dar, die zurückgewonnen und zur Gleichstromeinspeisung zurückgeleitet werden kann. Zwar gewinnen die in den Fig. 3A und 3B gezeigten Stromrichterschaltungen den größten Teil dieser Energie zurück, sie weisen jedoch die eingangs erläuterten Nachteile auf.

Eine Stromkurve für die bekannten Stromrichterschaltungen gemäß Fig. 3 ist in Fig. 4 gezeigt. Die Kurve 30 stellt den Stromanstieg zum Kommutierungspunkt A dar. Der Stranabfall in den bekannten Stromrichterschaltungen ist durch die Kurve 31 gezeigt. Wenn dieser Strom nicht auf Null abgesenkt worden ist zu-der Zeit, zu der

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die Rotorpole mit den Statorpolen fluchten, dann wird die Snderungsgeschwindigkeit der Induktivität negativ, wodurch eine elektromotorische Kraft entsteht, die den Phasenstrom aufrechterhält oder sogar vergrößert. Diese Stromvergrößerung, die durch einen Hocker 32 in der Kurve 31 gezeigt ist, erzeugt ein noch größeres negatives Drehmoment.

Die verbesserte Stromabkling- oder abfallkurve 33 in Fig. 4 kann durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten werden, das die Erzeugung eines negativen Drehmoments verhindert, während die magnetische Restenergie auf wirksame Weise zurückgewonnen wird. Die Abfallgeschwindigkeit des Phasenstroms hinter dem Kommutierungspunkt wird vergrößert, um so den Phasenstrom schnell auf Null zu bringen durch den Schritt eines Freilaufs des Stroms in eine Ladungsspeichervorrichtung, deren Spannung größer ist als die Spannung der Gleichstromquelle entweder zu der Zeit, zu der der Freilauf beginnt,oder während des Freilaufs, wenn der Freilaufstrom die Spannung über der Ladungsspeichervorrichtung vergrößert. Die Rückgewinnung der magnetischen Restenergie wird durch den weiteren Schritt realisiert, daß in der Ladungsspeichervorrichtung gespeicherte Ladung selektiv zur Gleichstromquelle zurück abgeleitet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Stromrichterschaltung gemäß der Erfindung, das die Kurve 33 gemäß Fig. 4 erzeugt, ist schematisch in Fig. 5 gezeigt. Eine unipolare Gleichstromquelle 15 kann aus einer dort gezeigten Wechselstromquelle mit Vollweg-Gleichrichtung gebildet sein. Ein Gleichstrom-Koppelkondensator 35 ist der Quelle 15 parallel geschaltet. Phasenwicklungen

40, 42 bzw. 44 sind jeweils mit einem Transistor 41, 43 bzw. 45 in Reihe parallel zur Gleichstromquelle 15 geschaltet. Die Basen der Transistoren 41, 43 und 45 sind mit einem Zündimpulsgenerator 64 der im folgenden näher beschriebenen Steuerschaltung verbunden. Die Emitter der Transistoren 41, 43 und 45 sind mit dem negativen Pol der Quelle 15 verbunden. Die Transistoren

41, 43 und 45 bilden die Hauptschaltvorrichtungen der Stromrichterschaltung und können bipolare Transistoren, Feldeffekt-

transistoren, Thyristoren, Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (IG-FET), oder Vollsteuergatt-Thyristoren (GTO) sein.

Die Stromrichterschaltung enthält ferner eine Energierückgewinnungsschaltung. Die Ladungsspeichervorrichtung gemäß der Erfindung ist in Fig. 5 als ein Überschußkondensator 36 dargestellt, dessen erster Anschluß mit dem negativen Pol der Quelle 15 verbunden ist. Thyristoren 46, 47 bzw. 48 verbinden die Phasenwicklungen 40, 42 bzw. 44 mit einem zweiten Anschluß des Überschußkondensators 36. Von jedem Thyristor 46, 47 und 48 ist dessen Anode mit seiner entsprechenden Phasenwicklung verbunden, seine Kathode ist mit dem Überschußkondensator 36 verbunden und seine Steuerelektrode steht mit dem Pulsgenerator 64 in Verbindung. Der zweite Anschluß des Überschußkondensators 36 ist über eine Drossel 50 mit der Anode eines Thyristors 49 verbunden, dessen Kathode mit dem positiven Pol der Quelle 15 und dessen Steuerelektrode mit dem Pulsgenerator 64 verbunden ist.

Da die Arbeitsweise aller Phasen gleich ist, wird die erste Phase mit der Phasenwicklung 40 und dem Transistor 41 als ein Beispiel betrachtet. Wenn der Transistor 41 durchschaltet, baut sich ein Stromfluß in normaler Weise auf, wie es vorstehend in Verbindung mit den Fig. 2 und 3A beschrieben wurde. Wenn der Transistor 41 am Kommutierungspunkt sperrt, kann sein zugeordneter Phasenstrom im Freilauf über den Thyristor 46 in den Überschußkondensator 36 fließen. Der Thyristor 46 wird im gleichen Augenblick, in dem der Transistor 41 sperrt, oder etwas davor angesteuert. Alle Thyristoren und Transistoren werden durch den Zündimpulsgenerator 64 gesteuert, der in Verbindung mit den Fig. 9 und 10 beschrieben wird.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist der Kapazitätswert des Überschußkondensators 36 so gewählt, daß der Freilaufstrom den Überschußkondensator 36 auf eine Spannung auflädt, die etwa das 2- bis 3-fache der Spannung V der Gleichstromquelle

beträgt. Der Kapazitätswert des Verbindungskondensators 35

beträgt etwa das 5- bis 10-fache dieses Wertes. Die dabei entstehende Spannungskurve des Überschußkondensators 36 ist in Fig. 6 gezeigt. Am Kommutierungspunkt A ist der Überschußkondensator 36 auf eine gewisse Spannung aufgeladen, die kleiner als die Quellenspannung V ist. Bei einem Freilauf des Phasen-Stroms steigt die Spannung des Überschußkondensators an. Wenn der Phasenstrom am Punkt Z auf Null abfällt, ist die Spannung des Überschußkondensators auf einem Maximum, d.h. das 2- bis 3-fache der Quellenspannung V und der Thyristor 46 wird ausgesteuert.

Weiterhin wird am Punkt Z der Thyristor 49 durchgeschaltet, um die erhöhte Ladung aus dem Überschußkondensator 36 auf den Verbindungskondensator 35 umzuladen. Die Ladung wird in dem Reihenschwingkreis, der den Überschußkondensator 36, die Drossel 50 und den Koppelkondensator 35 enthält, in Resonanz übertragen. So fällt die Spannung des Überschußkondensators auf einen Wert, der ein gutes Stück unter der Quellenspannung V ist, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Der Thyristor 49 wird gesperrt, wenn der in Resonanz schwingende Strom auf Null abfällt. Die Thyristoren 46, 47 und 48 verhindern, daß die entsprechenden Phasenwicklungen Strom leiten, sobald die Spannung des Überschußkondensators unter V abfällt. An diesem Punkt ist der Überschußkondensator

36 bereit, Freilaufstrom aus einer anderen Phase aufzunehmen.

Das Ausführungsbeispiel einer in Fig. 7 gezeigten Stromrichterschaltung ist eine Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5. Dioden 51, 52 und 53 verbinden Phasenwicklungen 40, 42 bzw. 44 mit dem Überschußkondensator 36. Von einem Feldeffekt-Transistor (FET) 55 ist die Drain mit dem Überschußkondensator 36 verbunden, seine Source ist mit der Drossel 50 verbunden und sein Gate ist mit einer Steuerung verbunden, die einen Komparator 57 aufweist, dessen einer Eingangsanschluß mit einem Widerstand 58 und dessen anderer Eingangsanschluß mit einem Potentiometer 59 verbunden ist. Ferner ist eine Diode 54 vorgesehen, deren Kathode mit der Drossel 50 und deren Anode mit dem negati-

/PoI
vender Gleichstromquelle 15 verbunden ist, wie es in Fig. 7 gezeigt ist.

Wenn die Schaltunganordnung gemäß Fig. 7 das erste Mal durch die Gleichstromquelle 15 gespeist wird, fließt Strom durch jede Phasenwicklung und deren entsprechende Diode in den Überschußkondensator 36. Die Spannung über dem Überschußkondensator 36 steigt im wesentlichen auf 2V an aufgrund der Resonanz. Der Überschußkondensator 36 wird in wenigen Millisekunden aufgeladen. Die Dioden 51, 52 und 53 werden in Rückwärtsrichtung vorgespannt, wenn der Stromfluß in den Phasenwicklungen 40, 42 und 44 abfällt. Dioden können anstelle von Thyristoren verwendet werden, weil die Spannung des Überschußkondensators immer größer als V₃ ist.

Die weitere Arbeitsweise des Stromrichters gemäß Fig. 7 ist ähnlich wie diejenige der zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung. Ein Freilaufstrom lädt den Überschußkondensator 36 in der Energie-Rückgewinnungsschaltung. Anstelle einer periodischen resonanten Entladung des Überschußkondensators 36 wird jedoch eine Zerhackerschaltung, die den FET 55, die Drossel 50 und die Diode 54 umfaßt, verwendet, um überschüssige Energie vcn dem Überschußkondensator 36 zurück zum Verbindungskondensator 35 abzuleiten, wobei eine im wesentlichen konstante auf dem Überschußkondensator 36 beibehalten wird. 'Spannung

Wenn die Spannung des Überschußkondensators einen vorbestimmten Wert (in der Größenordnung der doppelten V und einstellbar

durch das Potentiometer 59) überschreitet, wird der FET 55 durch den Komparator 57 durchgeschaltet, und es fließt Strom von dem Überschußkondensator 36 durch die Drossel 50 und in den Koppelkondensator 35. Wenn der Strom ein Maximum erreicht, sperrt der FET 55, wodurch ein Abfall der Spannung über dem Überschußkondensator 36 unter V verhindert und gestattet wird, daß sie nur leicht unter den vorbestimmten Wert abfällt. Nachdem der FET 55 sperrt, leitet die Drossel 50 weiterhin durch die Diode 54, bis die gesamte Energie zum Koppelkondensator 35

zurückgeleitet ist, der dann die Energie zur Verfügung stellt für eine Umwandlung in nutzbare Arbeit. In der Zwischenzeit können andere Phasen einen Freilauf durchführen, wodurch mehr Energie zum Überschußkondensator 36 geliefert wird.

Die Maßnahme, die Spannung V __dumD des Überschußkondensators größer als die Quellenspannung V zu halten, hat den Vorteil, daß dadurch der Phasenstrom in einer kürzeren Zeit auf Null abgesenkt werden kann. Während des Freilaufs des Phasenstroms in den Überschußkondensator 36 gilt

άψ /dt = V - V , / T s c-dump

wobei ψ die Phasenflußverkettung darstellt. Je größer also die Spannung des Überschußkondensators ist, desto größer ist die Geschwindigkeit des Abfalls der Phasenflußverkettung. Somit erreicht die beschriebene Stromrichterschaltung eine schnelle Löschung des Phasenstroms.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Stromrichterschaltung, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, wird dadurch erhalten, daß die in Fig. 5 gezeigte Drossel 50 durch einen Widerstand 56 ersetzt und die Thyristoren 46, 47 bzw. 48 in jeder Phase durch Dioden 51, 52 bzw. 53 ersetzt werden. In diesem Fall ist die Entladung des Überschußkondensators 36 über den Widerstand 56 in dem Koppelkondensator 35 nicht resonant. Deshalb bleibt die Spannung V _, größer als oder gleich der Quellenspannung V , wodurch Dioden in jeder Phase verwendet werden können. Der Wirkungsgrad wird aufgrund des Leistungsverlustes im Widerstand verkleinert, aber die Kosten des Stromrichters werden gesenkt und seine Steuerung wird vereinfacht.

Die Steuerung der Hauptschaltvorrichtungen in jeder Phase wird nun anhand der Fig. 9 und 10 beschrieben. Dabei können die Steuersignale für die Schalttransistoren oder -thyristoren in den verschiedenen Ausführungsbeispielen der Stromrichterschaltung auf einfache Weise von den im folgenden beschriebenen Schaltsignalen abgeleitet werden.

Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm von einer Einrichtung, die die Rotorposition abtastet, Schaltwinkel berechnet und Phasenzündsignale erzeugt. Die Schaltwinkel werden berechnet, wenn erstens die Hauptschaltvorrichtung oder die Vorrichtungen durchschalten, um die Phasenwicklungen zu erregen,und zweitens die Hauptvorrichtung oder Vorrichtungen sperren, wodurch ein Freilauf des Motorstroms gestattet wird.

Der Wellenpositionssensor 61 kann eine Vorrichtung sein, die mechanisch mit der Welle 105 verbunden ist und die eine feste Anzahl elektrischer Pulse bei jeder Rotorumdrehung liefert. Die Position des Rotors wird durch Zählen der Pulse ermittelt. Es kann ein Indexpuls vorgesehen sein, so daß die absolute Position bestimmt werden kann.

Eine Interface-Schaltung 62 ist ein Pufferverstärker, der die Impulse von dem Positionsfühler 61 formt und in Rechteckimpulse umwandelt, üblicherweise kann die Schaltungsanordnung 62 eine Schmitt-Trigger-Schaltung sein.

Der Schaltwinkelrechner (SAC) 63, der in Fig. 10 im Detail gezeigt ist, ist aus Zählern aufgebaut, die die von dem Interface 32 empfangenen Sensorimpulse teilen. Wenn beispielsweise der Positionssensor 61 gemäß Fig. 9 2400 Impulse pro Umdrehung erzeugt und der Rotor sechs Pole hat, dann teilt ein erster Zähler 70 im SAC 63 durch 400, um sechs Rotorpositionsxmpulse pro Umdrehung zu erhalten. Jeder dieser sechs Impulse stellt einen Referenzimpuls dar, der einem entsprechenden Rotorpol zugeordnet ist, und er wird dazu verwendet, einen entsprechenden von mehreren zweiten Zählern 71a, 71b und 71c zurückzustellen, die jeweils einer getrennten Phase zugeordnet sind. Jeder zweite Zähler zählt rückwärts mit einem Intervall, das dem Winkel entspricht, über den der Rotor sich bewegen muß, bevor der entsprechende Phasenstrom eingeschaltet wird. Dieser Winkel wird in einem nicht-gezeigten Speicher gespeichert, der üblicherweise ein Speicher eines Mikroprozessors ist. Die Rücksetzsignale für die entsprechenden Phasen, die von den Rotorpositionsimpul-

sen kommen, werden um entsprechende Beträge in Verzögerungen 74 und 75 verzögert, die den Winkelverschiebungen zwischen den Phasen entsprechen, wobei sich eine einzelne (nicht-bifilare) Motorphasenwicklung in jeder Phase befindet.

Jeder entsprechende Zähler von mehreren dritten Zählern 72a bis 72c, die jeweils einer getrennten Phase zugeordnet sind, wird durch die Impulse zurückgesetzt, die die zweiten Zähler 71a, 71b bzw. 71c zurücksetzen. Die dritten Zähler zählen abwärts in Intervallen, die dem Winkel entsprechen, an dem jeder Phasenstrom abgeschaltet wird. Eine Logikschaltung 76 verwendet Impulse von Zählern 71-72,um einen Zündimpulsgenerator 64 zu steuern, wie er in Fig. 9 gezeigt ist. Die Logikschaltung 76 kann ein UND-Gatter für jede Phase sein, wobei die Eingangsgröße von den dritten Zählern 72a bis 72c invertiert ist, wie es für eine Phase in Fig. 10 gezeigt ist. Der Vorgang wird wiederholt in jeder Phase beim nächsten Auftreten eines Rotorpositionsimpulses, der die Zähler zurücksetzt.

Bei einer Mikroprozessor-gestützten Regelung können die Zählwerte, die in die verschiedenen Zähler eingegeben werden, in Speichern oder Registern gespeichert werden, und deren Werte können an regelmäßigen Intervallen geändert werden. Der Mikroprozessor kann mit einer Strategie programmiert sein, die Drehzahl, Last und Steuersignale berücksichtigt.

Der Zündimpulsgenerator 64 ist eine übliche Schaltungsanordnung, wie sie als ein einzelner Feldeffekt-Transistor in jeder Phase verfügbar ist, der die logischen Signale, die von dem SAC 63 erhalten werden, verstärkt, um den Stromrichter-Schaltvorrichtungen eine ausreichende Leistung zuzuführen, um diese zum Antrieb des Motors 60 durchzuschalten und zu sperren. Bei Antrieben mit kleiner Leistung (üblicherweise weniger als 100 W) ist die Leistungsverstärkung, die durch den Zündimpulsgenerator 64 geliefert wird, nicht notwendig, und die Schaltvorrichtungen des Stromrichters können direkt durch die logischen Signale von der SAC 63 durchgeschaltet und gesperrt werden.

Erfindungsgemäß wird also ein Kommutierungsverfahren mit Stromrichterschaltungen für einen geschalteten Reluktanzantrieb geschaffen. Es werden eine generatorische Rückgewinnung von magnetischer Restenergie und ein rascher Abfall des Phasenstroms dadurch erhalten, daß ein Freilaufstrom einen Überschußkondensator auflädt und dann die gespeicherte Ladung selektiv zur Gleichstromquelle zurück abgeleitet wird. Dies wird erreicht mit einer unipolaren Gleichstromquelle, nicht-bifilaren Wicklungen und nur einer Hauptschaltvorrichtung pro Phase.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Vergrößern der Abklinggeschwindigkeit des Stromes in einer Phasenwicklung eines geschalteten Reluktanzantriebs, der durch eine Gleichstromquelle gespeist ist, während des Freilaufs nach dem Kommutierungspunkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom aus der Phasenwicklung während des Freilaufs auf eine Ladungsspeichervorrichtung übertragen wird, dessen Spannung größer ist als die Spannung der Gleichstromquelle.

2. Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus einer Phasenwicklung eines geschalteten Reluktanzantriebs während des Freilaufs der Phasenwicklung nach dem Kommutierungspunkt, wobei die Phasenwicklung mit einer Gleichstromquelle verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die von der Phasenwicklung während des Freilaufens freigegebene Energie auf eine Ladungsspeichervorrichtung übertragen wird und wenigstens ein Teil der Ladung in der Ladungs-

speichervorrichtung selektiv zur Gleichstromquelle zurück abgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung über der Speichervorrichtung zu allen Zeiten größer als die Spannung über der Gleichstromquelle ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung über der Speichervorrichtung größer als die Spannung über der Gleichstromquelle ist, wenn die Ladungsableitung begonnen wird.

5. Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus mehreren Phasenwicklungen eines geschalteten Reluktanzantriebs während des Freilaufs jeder einzelnen Phasenwicklung nach deren Kommutierungspunkt, wobei die Phasen parallel zueinander geschaltet und mit einer Gleichstromquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die von jeder der Phasenwicklungen während ihres entsprechenden Freilaufintervalls freigegebene Ladung auf eine Ladungsspeichervorrichtung übetragen wird und wenigstens ein Teil der Ladung in der Speichervorrichtung selektiv zur Gleichstromquelle zurück übertragen wird.

6. Rückgewinnungsschaltung in einem Stromrichter für eine Phasenwicklung eines geschalteten Reluktanzantriebs, wobei die erste Seite der Wicklung mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle verbunden ist,

gekennzeichnet durch eine unidirektional leitende Vorrichtung (46, 47, 48), deren Anode mit der zweiten Seite der Phasenwicklung (40, 42, 44) verbunden ist, und eine Ladungsspeichervorrichtung (36)^deren erste Seite mit der Kathode der unidirektional leitenden Vorrichtung und deren zweite Seite mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle (15) verbunden ist.

7. Rückgewinnungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unidirektional leitende Vorrichtung (46, 47, 48) einen Thyristor aufweist, der nur während des Freilaufens der Phasenwicklung durchgeschaltet ist, und daß eine Drossel (50) mit dem selektiv ansteuerbaren Thyristor in Reihe geschaltet ist, wobei die Drossel (50) zwischen die eine Seite der Ladungsspeichervorrichtung (36) und den positiven Pol der Gleichstromquelle (15) geschaltet ist.

8. Rückgewinnungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihenschaltung eines selektiv steuerbaren Rückgewinnungsthyristors und eines Widerstandes (56) vorgesehen ist, der zwischen die erste Seite der Ladungsspeichervorrichtung und den positiven Pol der Gleichstromquelle geschaltet ist.

9. Rückgewinnungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückgewinnungsthyristor angesteuert wird, wenn die Spannung über der Ladungsspeichervorrichtung einen vorbestimmten Wert überschreitet.

10. Rückgewinnungsschaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine unidirektional leitende Vorrichtung mit ihrer Anode mit einer zweiten Seite der Phasenwicklung verbunden ist, eine erste Seite der Ladungsspeichervorrichtung mit der Kathode der unidirektional leitenden Vorrichtung verbunden ist und eine zweite Seite mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle verbunden ist, eine erste Seite eines Zerhackerschaltelements mit der ersten Seite der Ladungsspeichervorrichtung verbunden ist, ein unidirektional leitendes Zerhackerelement mit seiner Kathode mit einer zweiten Seite des Zerhackerelements verbunden ist und mit seiner Anode mit dem negativen Pol verbunden ist und eine Drossel zwischen die zweite Seite des Zerhackerschaltelements und den positiven Pol der Gleichstromquelle geschaltet ist.

11. Rückgewinnungsschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle ferner einen parallel geschalteten Kondensator (35) aufweist.

12. Rückgewinnungsschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerhackerschaltelement durch eine Zerhackersteuerung derart gesteuert ist, daß das Zerhackerschaltelement Ladung von der Ladungsspeichervorrichtung (36) über die Drossel (50) zum positiven Pol der Quelle leitet, wenn die Spannung über der Ladungsspeichervorrichtung größer als ein vorbestimmter Wert ist, und nicht-leitend wird, bevor die Spannung über der Ladungsspeichervorrichtung unter den Wert der Spannung über der Gleichstromquelle abfällt.

13. Rückgewinnungsschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerhackerschaltelement durch eine damit verbundene Zerhackersteuerung gesteuert wird, derart, daß das Zerhackerschaltelement Ladung von der Ladungsspeichervorrichtung über die Drossel zu dem Kondensator leitet, wenn die Spannung über der Ladungsspeichervorrichtung größer als ein vorbestimmter Wert ist, und nicht-leitend wird, bevor die Spannung über der Ladungsspeichervorrichtung unter den Wert der Spannung über der Gleichspannungsquelle fällt.

14. Rückgewinnungsschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerhackerschaltelement einen Feldeffekt-Transistor (FET) aufweist, dessen Drain und Source mit den ersten und zweiten Seiten des Schaltelements verbunden sind, wobei die Zerhackersteuerung einen Komparator aufweist, dessen einer Eingang mit der Ladungsspeichervorrichtung und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang eines Spannungsteilers verbunden ist, der der Gleichstromquelle parallel geschaltet ist, wobei die Ausgangsgröße des Komparators dem Gate des FET zugeführt wird.

15. Rückgewinnungsschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die unidirektional leitende Vorrichtung eine Diode aufweist.

16. Rückgewinnungsschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche unidirektional leitende Phasenvorrichtungen vorgesehen sind, die jeweils eine zusätzliche Phasenwicklung mit der Ladungsspeichervorrichtung verbinden.

17. Geschalteter Reluktanzantrieb mit mehreren Statorpolpaaren, wobei jeder Pol jedes Paares mit einer einzelnen Wicklung bewickelt ist und die einzelnen Wicklungen jedes Paares in Reihe geschaltet sind zur Bildung einer Phasenwicklung, mit einem Pole aufweisenden Rotor, einer unipolaren Gleichstromquelle und einem Stromrichter zum Speisen jeder Phasenwicklung,

dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter mehrere Hauptschaltvorrichtungen aufweist, wobei jede der Hauptschaltvorrichtungen auf entsprechende Weise mit einer der Phasenwicklungen in Reihe geschaltet ist, eine Energierückgewinnungsschaltung einen Überschußkondensator aufweist und der Gleichstromquelle parallel geschaltet ist und mehrere unidirektional leitende Freilaufvorrichtungen jeweils eine der Phasenwicklungen mit dem Überschußkondensator verbinden, derart, daß magnetische Restenergie auf wirksame Weise an die unipolare Gleichstromquelle zurückführbar ist.