DE2433619B2 - Bürstenloser Synchronmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen biirstenlosen Synchronmotor, bei dem die Erregerenergie kontaktlos auf den Rotor übertragen und über einen Thyristorschalter der Erregerwicklung zugeführt wird, und der parallel zur Erregerwicklung einen Anlaufwiderstand aufweist, wobei der Thyristorschalter mit einer Zündschaltung verbunden ist, die einen schwellenabhängigen Frequenzmeßkreis für die Frequenz der Polradspannung aufweist.

Durch die Entwicklung leistungsstarker Halbleiterschalter ist es möglich geworden, die Erregerenergie eines Synchronmotors ohne Schleifringe und Bürsten über rotierende Übertrager auf den Rotor zu bringen, wobei auch die Gleichrichter auf dem Rotor befestigt sind. Halbleiterschalter, insbesondere Thyristorschalter, sorgen dafür, daß die Erregerenergie während des Anlaufens von der Erregerwicklung ferngehalten wird, so daß der Motor asynchron hochläuft. Weitere Thyristoren können vorgesehen werden, um den Anlaufwiderstand, der parallel zur Erregerwicklung angeordnet ist, nach dem Erreichen des Synchronzustands zu entfernen.

Anordnungen der eingangs genannten Art sind z. B. aus der DE-AS 19 45 801 bekannt. Sie ermöglichen ein asynchrones Hochlaufen der Maschine und eine Umschaltung in den Synchronbetrieb ohne allzu große Pendelmomente, falls die Maschine unbelastet ist. Bei Schweranlauf stellt diese Anordnung jedoch keine hinreichend genaue Zuordnung der Umschaltvorgänge zu den erreichten Betriebsdaten der umlaufenden Maschine sicher. Es reicht dann nicht aus, daß eine bestimmte Schlupfgrenze vor der Umschaltung unterschritten wird.

Eine weitere Bedingung ist, daß die Erregerspannung möglichst genau im positiven Nulldurchgang der Polradspannung zugeschaltet werden soll. Nur wenn

to beide Bedingungen erfüllt sind, erfolgt der Obergang in den Synchronbetrieb zuverlässig, das heißt, ohne allzu große störende Pendelmomente am rotierenden System.

Bei der oben erwähnten bekannten Anordnung

erfolgt in der Praxis die Zündung des Thyristorschalters nicht im Nulldurchgang der Polradspannung, sondern danach.

Aufgabe der Erfindung ist es also, die bekannte Anordnung ohne wesentlich vergrößerten Aufwand so zu verbessern, daß die Umschaltung mit hoher Sicherheit auch bei Schweranlaufbedingungen im Nulldurchgang der Polradspannung erfolgt Eine hohe Betriebssicherheit ist von außerordentlicher Bedeutung, da große mechanische und elektrische Leistungen zu steuern sind und ein geringfügiger Schaden in der Steuereinrichtung bereits zur Zerstörung des ganzen Antriebssystems führen kann.

Diese Aufgabe wird durch den Im Anspruch 1 gekennzeichneten Synchronmotor gelöst

Sollte der Motor schnell hochlaufen und sich über sein Reaktionsmoment synchronisieren, ohne daß die frequenz- und phasenabhängige Schaltung anspricht, so wird durch die oben beschriebenen zeitabhängigen Schaltungen der Synchronmotor erregt

Zu diesem Zweck wird das Zeitglied so eingestellt, daß diese Zündschaltung beispielsweise nach dem Dreifachen der Periodenzeit aktiviert wird, die der oben erwähnten Frequenzschwelle entspricht.

Es ist günstig, mindestens eine, vorzugsweise beide

Zündschaltungen mit Betriebsspannungen zu versorgen, die unmittelbar aus der Pclradspjcnung über spannungsstabilisierende Elemente abgeleitet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand seines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Einzelnen unter

Zuhilfenahme der F i g. 1 bis 4 erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltbild eines Dreiphasen-Synchronmotors mit bürstenloser Erregung,

Fig.2 ein Blockschaltbild der zu diesem Synchronmotor gehörenden erfindungswesentlichen Steuerschaltungen,

F i g. 3 ein detailliertes Schaltbild dieser Steuerschaltungen in einer Ausführungsform und
F i g. 4 ist eine Variante zu F i g. 3.
Ein Synchronmotor 1 gemäß Fig. 1 wird aus einem Dreiphasendrehstromnetz gespeist, dessen Klemmen mit 2 bezeichnet sind. Auf dem Rotor dieses Motors befindet sich eine Erregerwicklung 3, der im stationären Betrieb eine Gleichspannung, die Erregerspannung, zugeführt wird. Als Spannungsquelle für die Erregerspannung wird eine Drehstromerregermaschine 4 mit einer Drehstrombrücke 28 vorgesehen. In Serie mit dieser Drehstrombrücke befindet sich im Erregerkreis ein Thyristorschalter 5, dessen Aufgabe darin besteht, die Erregerspannung von der Erregerwicklung 3 während des Anlaufvorgangs fernzuhalten und sie dann zuzuschalten. Zu diesem Zweck ist die Zündelektrode dieses Thyristors mit der Sekundärspule mindestens eines Übertragers für Zündimpulse verbunden. Im

vorliegenden Beispiel sind, wie später noch im einzelnen erläutert werden wird, die Sekundärspulen zweier derartiger Übertrager 6 und 7 zueinander parallel geschaltet und über Dioden 8 und 9 entkoppelt.

Während des Anlaufens der Synchronmaschine ist ein Schutzwiderstand 10 zur Erregerwicklung 3 parallel geschaltet, und zwar über eine Diode 11 und einen zu dieser antiparallel geschalteten Thyristor 12, derart, daß Ströme beider Polaritäten den Anlaufwiderstand durchfließen können und unzulässig hohe Spannungen, die beim asynchronen Anlauf von der Synchronmaschine auf die Erregerwicklung 3 induziert werden könnten, abgebaut werden. Die Steuerelektrode des Thyristors 12 ist über einen Widerstand 13 mit dem Leistungskreis eines Vorthyristors 14 verbunden, dessen Steuerelektrode wiederum über einen Widerstand 15 und eine Spannungsstabilisierende Zener-Diode 16 mit der Kathode des im Erregerkreis liegenden Thyristors 5 verbunden ist

Die lfrimärspulen 17 und 18 der Übertrager, deren Sekundärspulen im Steuerkreis des Thyristors 5 liegen, werden aus zwei getrennten Zündschaltungen 19 und 20 gespeist, die die wesentlichen Merkmale der Erfindung enthalten und nachfolgend an Hand der F i y. 2,3 und 4 näher erläutert werden.

In F i g. 2 sind diese Zündschaltungen in Form eines Blockdiagramms dargestellt Als Eingangsgröße wird diesen Zündschaltungen lediglich die Polradspannung der Erregerwicklung 3 zugeführt, die an einem Eingang 21 anliegt Dieser Eingang speist beide Zündschaltungen, von denen die frequenz- und phasenabhängige 19 im oberen Teil der Figur dargestellt ist und die zeitabhängige Zündschaltung 20 im unteren Teil. Die im Normalbetrieb wirksame erste Zündschaltung 19 besitzt eingangsseitig ein Integrierglied 22, in dem eine Halbwelle der Polradspannung integriert wird. Je höher die Frequenz der Polradspannung ist, umso geringer ist die über die Zeit integrierte Spannung; bei einer bestimmten Grenzfrequenz, bzw. wenn diese Grenzfrequenz unterschritten wird, sind die für die Synchronisation wichtigen Schlupfbedingungen erfüllt. Diese Grenzfrequenz wird hier durch einen Schwellverstärker 23 definiert, der dem Integrierglied 22 nachgeschaltet ist. Nur wenn die Frequenz der Polradspannung hinreichend niedrig ist, liefert der Schwellverstärker eine logische Ausgangsspannung, die ein nachgeschaltetes Gatter 24 zu öffnen vermag. Diesem Gatter wird auf einem zweiten Eingang nochmals die Polradspannung zugeführt. Ist das Gatter durchlässig, dann wird auf einen Impulsformer 25 eine Halbwelle der Polradspan- so nung übertragen, woraus der Impulsformer eine Rechteckspannung erzeugt und ein diesem nachgeschaltetes Differenzierglied 26 zwei Nadelimpuise. Der positive Nadelimpuls, der genau zum Zeitpunkt des positiven Null-Durchgangs der Polradspannung auftritt, d. h. wenn die Polradspannung einen mit dem Erregergleichstrom gleichgerichteten Strom treibt, wird einem ZUndimpulsgenerator 27 zugeführt, so daß ein Zündimpuls auf die Primärspule 17 des Impulsübertragers gemäß Fig. 1 bei jedem positiven Null-Durchgang der μ Polradspannung gegeben wird, sofern die Frequenz der Polradspannung den Grenzwert unterschritten hat. Damit ist ein frequenz- und phasenrichtiges Zuschalten der Erregerspannung nach dem asynchronen Hochlauf gewährleistet. es

Die das Zeitglied enthaltende weitere Zündschaltung 20, die die Primärwicklung 18 speist, besitzt eingangsseitig ein Integrierglied 29. Die Integrationskonstante dieses Gliedes ist so gewählt, daß eine bestimmte Grenzspannung am Ausgang nach einer vorgegebenen Zeit erreicht wird. Diese Grenzspannung wird in einem Schwellenverstärker 30 definiert und dient dazu, der Primärspule 18 einen Zündimpuls zuzuführen.

Nunmehr soll an Hand von Fig,3 eine praktisch erprobte Ausführungsform der in Fig.2 schematisch dargestellten Zündschaltungen näher erläutert werden. Die Betriebsspannungen für diese mit Transistoren bestückte Schaltung werden alleine von der Polradspannung abgeleitet, die an der Erregerwicklung 3 in F i g. I abgreifbar ist Parallel zur Erregerwicklung liegen in Reihe ein Vorwiderstand 31 und mehrere Zenerdioden 32, die so gewählt sind, daß an einem Punkt 33 der über eine Diode 34 mit dem Verbindungspunkt des Vorwiderstandes 31 und der Zenerdioden verbunden ist, eine stabile Spannung von beispielsweise 36 Volt zu Verfügung steht Ein Kondensator großer Kapazität 35 sorgt für eine ausreichende Giättung auch bei kleiner Polradfrequenz.

Die zenerstabi'isierte Polradspannung wird der ersten Zündschaltung über einen Vorwiderstand 36 zugeführt und gelangt von dort zu einem als Integrierglied wirkenden Kondensator 37. Eine an diesem Kondensator 37 angeschlossene weitere Zenerdiode 38 mit einer Schwellspannung von beispielsweise 18 Volt erfüllt die Funktion des Schwellenglieds 23 aus F i g. 2 zusammen mit einem Verstärkungstransistor 39. Nur wenn die Schwellenspannung dieser Diode 38 erreicht ist wird der Transistor 39 leitend. Diesem Transistor folgt über eine Diode 40 ein weiterer Transistor 41 als Umkehrstufe sowie ein Transistor 42, in dem Rechteckimpulse erzeugt werden. Hinter einer Umkehrverstärkerstufe mit dem Transistor 43 folgt dann der Zündspannungsgenerator mit einem Unijunctiontransistor 44, in dessen Ausgangskreis die Primärspule 17 liegt, die schon in F i g. 1 und F i g. 2 zu sehen war.

Wie die frequenz- und phasenabhängiger Zündschaltung ist auch die zeitabhängige Zündschaltung von den aus der Polradspannung abgeleiteten Betriebsspannungen gespeist Diese Zündschaltung 20 (siehe F i g. 2) ist in ^rig. 3 links von den stabilisierten Zenerdioden 32 angeordnet. Sobald der Motor synchron läuft, wird der Speicherkondensator 35 nicht mehr genügend geladen. Ein Transistor 45 wird gesperrt und ein nachgeschaltetes Integrierglied, bestehend aus dem Widerstand 46 und Kondensator 47, wird vom Speicherkondensator 35 geladen. Sobald die Schwellspannung eines Unijunctiontransistors 48 erreicht ist, wird dieser niederohmig und liefert an der Primärspule 18 einen Impuls. Ein entsprechender Zündimpuls wird dem Thyristorschalter 5 zugeführt und der Motor wird erregt.

Diese Schaltung erregt den Motor nur dann, wenn der Thyristor 5 nicht bereits vorher über die frequenz- und phasenabhängige Zündschaltung in seinen leitenden Zustand gelangt ist

An Hand der F i g. 4 wird abschließend eine Variante zu der eben erläuterten zeitabhängigen Zündschaltung erläutert

Die zeitabhängige Zündschaltung liegt parallel zum Thyristorschalter 5, d. h. zwischen dem Anschluß 21 und der Drehstrombrücke 28, wobei die verarbeitete Spannung über eine Zenerdiode 49 stabilisiert ist.

Im asynchronen Lauf des Motors wird ein Integrierglied bestehend aus Widerstand 50 und Kondensator 51 rhythmisch auf- uni entladen. Die Zeitkonstante des Gliedes ist etwa 3 mal so groß wie die Schwingdauer der

Polradspannurig bei kleinstmöglichem Schlupf. Deshalb kann das Zettglied nur dann die Schwellspannung an einem Unijunctiontransistor 48' erreichen, wenn die Maschine synchron läuft und damit am Thyristorschalter 5 eine Gleichspannung liegt. Der Motor wird dann

nach etwa 4 Sek. erregt.

Die Lösung gemäß Fig.3 hat den Vorteil, daß man keine Parallelschaltung am Thyristorschalter benötigt und die Zenerdiode 49 sowie auch der Vorwiderstand 52 5 entfallen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   J, Bürstenloser Synchronmotor, bei dem die Erregerenergie kontaktlos auf den Rotor übertragen und über einen Thyristorschalter der Erregerwicklung zugeführt wird und der parallel zur Erregerwicklung einen Anlaufwiderstand aufweist, wobei der Thyristorschalter mit einer Zündschaltung' verbunden ist, die einen schwellenabhängigen Frequenzmeßkreis für die Frequenz der Polradspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Frequenzmeßkreis (22, 23) ein phasenabhängiger, von der Polradspannung exakt im Nulldurchgang der Polradspannung getriggerter Zündimpulsgenerator (27) nachgeordnet ist, der von dem Frequenzmeßkreis (22, 23) erst eingeschalter wird, wenn die Frequenz der Polradspannung einen Schwellenwert unterschreitet, und daß der Thyristorschalter (5) außerdem mit einer Zündschaltung (20) verbunden ist, die ein solches Zeitglied (29,30) enthält, daß der Thyristorschalter (5) nach Ablauf einer fest vorgegebenen Zeitspanne seit dem Synchronismus infolge des aufgetretenen Reaktionsmoments auf jeden Fall gezündet wird.
2. 2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Zündschaltungen (19, 20) ihre sämtlichen Betriebsspannungen aus der Polrachpannung über spannungsstabilisierende Elemente (32) abgeleitet erhält
3. 3. Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zündschaltung (19) ein Gatter (24) enthält, dem einerseits die Polradspanr.^ng und andererseits das Ausgangssignal des Frequenzmeßkreisc: ',22,23) zugeführt wird und von dessen Ausgangssignal die phasenrichtigen Triggerimpulse des Zündimpu·" generators (27) abgeleitet werden.