-
Schaltungsanordnung zur Versorgung eines Synchronmotors
-
aus einem Gleichspannungsnetz Stand der Technik Die Erfindung geht
aus von einer Schaltungsanordnung nach der Gattung des Hauptanspruches.
-
Synchronmotoren werden üblicherweise aus einem Wechselspannungsnetz
gespeist, wobei die vom Netz gespeiste Drehstromwicklung ein Drehfeld erzeugt, von
dem das Polsystem des Läufers mitgenommen wird. Das Polsystem des Läufers wird dabei
entweder über Schleifringe mit Gleichstrom gespeist oder ist als Pemanentmagnetsystem
ausgebildet.
-
Steht zur Speisung des Synchronmotors nur ein Gleichspannungsnetz
zur Verfügung, ist es bekannt, die Ständerwicklungen des Synchronmotors zyklisch
an die Gleichspannung zu schalten. So ist beispielsweise aus der Druckschrift Intermetall,
100 typische Schaltungen mit Halbleiterbauelementen, Freiburg 1967, Beispiel Nr.
30 ein Drehstromgenerator ohne Transformator bekannt, wie
er in
Verbindung mit Synchronmotoren eingesetzt werden kann, wenn die Drehzahl von örtlich
getrennten Antrieben untereinander exakt gleich und außerdem veränderlich sein sollen.
-
Dies ermöglicht die Realisierung einer sogenannten "elektrischen Welle.
Es lassen sich damit aber auch 'selektrische Getriebe aufbauen, wenn man die Frequenz,
mit der der erste Generator gesteuert wird, elektronisch untersetzt und damit einen
zweiten Generator steuert. Man erhält dann Antriebe mit festem Drehzahlverhältnis.
-
Die bekannte Schaltungsanordnung offenbart jedoch keine Mittel zum
zyklischen Weiterschalten der Ständerwicklungen des Synchronmotors. Außerdem ist
den Problemen des Anlaufes des Motors, der Strombegrenzung und der Drehzahlregelung
nicht Rechnung getragen.
-
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil,
daß das Weiterschalten der Ständerwicklungen von der Lage des Läufers gesteuert
wird, so daß sich der Synchronmotor insgesamt wie ein permanent erregter Gleichstrommotor
verhält.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Schaltungsanordnung möglich.
-
So wird die jeweils zugeschaltete Wicklung während eines elektrischen
Winkels von 3600 dividiert durch die Phasenzahl des Motors zugeschaltet, der symmetrisch
zum Scheitelpunkt der negativen Halbwelle der induzierten Wechselspannung liegt.
Hierdurch liefert der Synchronmotor sein maximales Drehmoment und hat den höchsten
Wirkungsgrad.
-
Durch Verwendung eines Ringzählers zum zyklischen Weiterschalten der
Ständerwicklungen mit einer Klemmschaltung am Zähleingang wird erreicht, daß sich
beim Umschalten der Ständerwieklungen auftretende Störsignale nicht auf das Weiterschalten
des Ringzählers auswirken.
-
Weiterhin sind in bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung Mittel vorgesehen, die eine Anlauf-Strombegrenzung bewirken,
soie weitere Mittel, die eine Drehzahlregelung des Synchronmotors ermöglichen.
-
Zeichnung Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das Prinzipschaltbild
eines Synchronmotors mit Schaltventilen in den Zuleitungen der Ständerwicklurgen;
Fig. 2 den Stromlaufplan einer elektronischen Schaltungsanordnung zum zyklischen
Weiterschalten der Ständerwicklungen; Fig. 3 verschiedene Signalverläufe, wie sie
in der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 auftreten; Fig. 4 bis 6 Stromlaufpläne von
Schaltungsanordnungen zur Anlauf-Strombegrenzung des Synchronmotors; Fig. 7 den
Stromlaufplan einer Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung und Drehzahlregelung
des Synchronmotors.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Fig. 1 ist der Stromlaufplan
einer Schaltungsanordnung dargestellt, die zur Versorgung eines Synchronmotors aus
einem Gleichspannungsnetz dient. Der Synchronmotor ist
dabei mit
10 bezeichnet und weist Ständerwicklungen W1, W2, W3, W4 auf, die im Stern geschaltet
sind, wobei der Sternpunkt an eine Klemme der Versorgungs-Gleichspannung UO geführt
ist. Die anderen Enden der Ständerwicklungen W1, W2, W3, Wq sind über elektrische
Ventile V1, V2, V3, V4 an eine Sammelleitung angeschlossen, die mit dem anderen
Pol der Versorgungs-Gleichspannung Uo verbunden ist. Die elektrischen Ventile V1,
V2, V3, V4 sind im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 als Transistoren dargestellt,
an deren Kollektor-Emitter-Strecken bei jeweils gesperrten Ventil die Steuerspannungen
Ul, U2, U3, Uq anliegen. Selbstverständlich sind jedoch auch andere elektrische
oder elektronische Schaltelemente als Ventile einsetzbar. Der Rotor des Synchronmotors
10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Permanentmagnet ausgebildet, dessen
Pole mit N und S bezeichnet sind.
-
Durch zyklisches Ansteuern der Ventile V1, V2, V3, V4 können nun die
Ständerwicklungen W1, W2, W3, W4 nacheinander an die Versorgungs-Gleichspannung
Uo geschaltet werden, wobei bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung jeweils
eine Wicklung zugeschaltet und die anderen abgeschaltet sind und die Weiterschaltung
der Ventile V1, V2, V3, V4 in Abhängigkeit von den Spannung«vorgenommen wird, die
sich aus der Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung und den in die Ständerwicklungen
induzierten Wechselspannungen ergeben und als U15 U2, U3, Uq abnehmbar sind.
-
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum
zyklischen Umschalten der Ständerwicklungen W1, W2, W35 W4 ist in Fig. 2 dargestellt.
Die Schaltungsanordnung wird eingangsseitig von den Spannungen U1, U2, U3, Uq beaufschlagt
und liefert ausgangsseitig Steuersignale für die Ventile V1, V2, V3, Vq. Die Spannungen
U1* U2, U3> werden jeweils auf positive Eingänge von Komparatoren 11,
12,
13, 14 geführt, deren negative Eingänge mit jeweils einem positiven Eingang eines
anderen Komparators so verschaltet sind, daß im ersten. Komparator 11 die Spannung
U1 mit der Spannung Uq, im zweiten Komparator 12 die Spannung U2 mit der Spannung
U1, im dritten Komparator 13 die Spannung U3 mit der Spannung U2 und im vierten
Komparator 14 die Spannung Uq mit der Spannung U3 verglichen wird. Die Ausgänge
der Komparatoren 11, 12, 13, 14 sind auf erste Eingänge von UND-Gattern 15, 16,
17, 18 geführt, deren weitere Eingänge an die Ausgangs-Steuerleitungen für die Ventile
V1, V2, V3, V4 geführt sind. Dabei ist das erste UND-Gatter 15 mit der Ausgangs-Steuerleitung
für V2, das zweite UND-Gatter 16 mit der für V3, das dritte UND-Gatter 17 mit der
für V4 und das vierte UND-Gatter 18 mit der für V1 verbunden. Die Ausgänge der UND-Gatter
15, 16, 17, 18 sind auf ein 4-Fach-ODER-Gatter 19 geführt, dessen Ausgang mit einem
Eingang eines UND-Gatters 20 verbunden ist. Der Ausgang des UND-Gatters 20 steht
mit einem dynamischen Setzeingang einer monostabilen Kippstufe 21, die die Standzeit
tV1 aufweist, in Verbindung.
-
Der nichtinvertierte Ausgang der monostabilen Kippstufe 21 ist einmal
über einen Inverter 22 mit dem weiteren Eingang des UND-Gatters 20 und weiterhin
mit dem dynamischen Zähleingang 230 eines Zählers 23 verbunden. Der Zähler 23 weist
entsprechend der Phasenzahl n = 4 des in Fig. 1 dargestellten Synchronmotors 10
vier Zählerzustände auf. Jeder Zählerzustand 1 bis 4 erzeugt ein Signal an einer
der Zählerausgangsleitungen 1 bis 4, wobei die Ausgangsleitung 1 mit dem Steuereingang
für das Ventil V1, die Ausgangsleitung 2 mit dem für das Ventil V2, Ausgangsleitung
3 mit dem für das Ventil V3 und die Ausgangs leitung 4 mit dem für das Ventil verbunden
ist. Bei jeder Ansteuerung des Eingangs 230 wird der Zähler um eine Stelle in der
Reihenfolge 1-2-3-4-1-weitergesetzt und die Ansteuerung der Ventile damit in der
gleichen Reihenfolge weitergeschaltet.
-
Die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten Schaltung soll nun anhand
der in Fig. 3 dargestellten Diagramme erläutert werden. Fig. 3a zeigt dabei die
in die Ständerwicklungen W1, W2, W3, W4 induzierten Spannungen U1, U2, U3, U4, die
auftreten, wenn keine Zuschaltung einer Ständerwicklung erfolgen würde. Um das maximale
Drehmoment und den höchsten Wirkungsgrad des Synchronmotors auszunutzen, wird erfindungsgemäß
jede Wicklung entsprechend einem Winkel von 900 (bei vierphasigem Motor) symmetrisch
zum Scheitelpunkt der negativen Halbwelle der induzierten Wechselspannung, d.h.
zum Minimum der Spannungen U1, U2, U3, U4 zugeschaltet.
-
Aus Fig. 3a folgt damit unmittelbar, daß beispielsweise der Zuschaltbeginn
für die Ständerwicklung W1 mit dem Zeitpunkt zusammenfällt, an dem die Spannung
U3 größer als U2 wird.
-
Entsprechend ist von der ersten Wicklung W1 auf die zweite Wicklung
W2 weiterzuschalten, wenn die Spannung Uq größer als U3 wird. Allgemein gesprochen
wird bei einem n-phasigem Synchronmotor (n geradzahlig) die i-te Wicklung zugeschaltet
und die (i-1)-te Wicklung abgeschaltet, wenn U. n > Uif n wird, wobei Ui die
in die i-te Wicklung induzierte Spannung bezeichnet und i = i + k a n für k = o,1,2
... ist.
-
(Beispiel: n = 4, Zuschaltung von W4 wenn U6> U5 bzw. mit k = 1
wenn U2> U1).
-
Dies drückt sich in Fig. 3b aus, wo der jeweilige Zustand Z des Zählers
23 aufgetragen ist. Wie ersichtlich, ist das Ansteuersignal während des vorerwähnten
Zuschaltzeitraumes für die Wicklung W1 mit dem Zählerstand 1 verknüpft.
-
Wenn die Spannung U4 größer als U3 wird, geht der Zähler in den Zustand
2, wodurch entsprechend der Schaltung nach Fig. 2 das Ventil V2 betätigt wird.
-
Das Weiterschalten des Zählers 23 wird, wie erwähnt, durch Ansteuerung
des Einganges 230 über die mono stabile Kippstufe 21 bewirkt. Hierzu werden zunächst
in den Komparatoren 11, 12, 13, 14 die Umschaltbedingungen entsprechend einem Vergleich
der Spannungen U1, U2, U3, U4 festgelegt und bei Erreichen eines Umschaltpunktes,
beispielsweise, wenn U3 größer als U2 wird, am Ausgang des Komparators 13 ein Steuersignal
an die UND-Gatter 15, 16, 17, 18, im Beispiel also das UND-Gatter 17, weitergegeben.
Das UND-Gatter 17 schaltet dann durch, wenn gleichzeitig im Zähler 23 der Zustand
"4" eingeschrieben ist, was, wie FIg. 3b zeigt vor Erreichen der Umschaltbedingung
U3 größer U2 der Fall ist. Durch Beschalten der UND-Gatter 15, 16, 17, 18 mit dem
Zählerausgangssignal wird damit eine Vorbereitung der UND-Gatter 15, 16, 17, 18
derart bewirkt, daß ein Signal zum Weiterschalten des Zählers 23 über die UND-Gatter
15, 16, 17, 18 nur dann weitergegeben wird, wenn einerseits der Zähler 23 in dem
vorausgehenden Zählerzustand war und andererseits die aus den Spannungen U1, U2,
U3, U4 festgelegte Umschaltbedingung erreicht ist.
-
Jedes der Ausgangssignale der UND-Gatter 15, 16, 17, 18 steuert über
das ODER-Gatter 19 einen Eingang des UND-Gatters 20 an, das seinerseits auf den
Steuereingang der monostabilen Kippstufe 21 einwirkt. Die Verknüpfung des nichtinvertierten
Ausganges der monostabilen Kippstufe 21 über den Inverter 22 mit dem weiteren Eingang
des UND-Gatters 20 hat dabei den Sinn, den Eingang 230 des Zählers 23 während der
Dauer der Standzeit der monostabilen Kippstufe 20 auf positivem Signal zu halten,
wie dies in Fig. 3c dargestellt ist. Damit wird bewirkt, daß die beim Umschalten
der Wicklungen auftretenden Störspannungen nicht zu einem unbeabsichtigten Weiterschalten
des Zählers 23 führen, bevor die nächst definierte Umschaltbedingung erreicht ist.
Fig. 3c stellt dabei die
Ausgangsspannung am nichtinvertierten
Ausgang der monostabilen Kippstufe 21 dar, wobei mit tvl die Standzeit bezeichnet
ist. Diese Standzeit ist dabei so bemssen, daß alle Einschwingvorgänge nach dem
Umschalten der Ständerwicklung während der Stand zeit abgeklungen sind und die monostabile
Kippstufe 21 und damit der Zähler 23 für den nächsten Umschaltvorgang freigegeben
werden kann.
-
Fig. 3d, 3e, 3f, 3g zeigen die an den Ausgangsklemmen für die Ventile
V1, V2, V3, V4 anliegenden Steuersignale. Bei dem oben erwähnten Beispiel, bei dem
auf die Ständerwicklung W1 dann umgeschaltet wird, wenn U3 größer als U2 wird, bedeutet
dies, daß bis zum Erreichen der nächsten Umschältbedingung (U4 größer als U3) das
Ventil V1 an gesteuert bleibt. Danach wird auf V2, dann auf V3 usf. weitergeschaltet.
-
In Fig. 3h ist schließlich beispielsweise die Spannung U1 für die
Ständerwicklung W1 dargestellt, wobei im Gegensatz zu Fig. 3a die Zu- und Abschaltung
der Ständerwicklungen vorgenommen wird. Dies bedeutet, daß zum Zuschaltzeitpunkt
der Ständerwicklung W1 die Spannung U1 wegen der Ansteuerung des Ventils V1 auf
Null absinkt, bis auf die Ständerwicklung W2 weitergeschaltet wird. Wie weiter unten
ausgeführt, ist es in einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
möglich, den Zuschaltzeitpunkt für die einzelnen Wicklungen, im dargestellten Beispiel
also für die Ständerwicklung W1 um einen vorgebbaren Betrag tV2 zu verzögern, um
auf diese Weise eine Drehzahlregelung des Synchronmotors zu bewirken.
-
Bei dem erfindungsgemäß betriebenen Synchronmotor baut sich wie bei
einem Gleichstrommotor eine mit zunehmender Drehzahl wachsende Gegenspannung auf,
so daß der Strom abnimmt. Will man nun die Schaltelemente für den Strom bei höherer
Drehzahl dimensionieren, so ist es erforderlich, in der Anlaufphase des Motors den
Strom zu begrenzen.
-
In einer ersten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
wird hierzu ein an sich bekannter Vorwiderstand 24 in die Zuleitung des Sternpunktes
der Ständerwicklungen W1, W2, W3, W4 geschaltet, wie dies in Fig. 4 dargestellt
ist. Der Vorwiderstand 24 ist dabei entweder strom- oder drehzahlabhängig mit einem
elektromechanischen oder elektronischen Schalter 25 überbrückbar.
-
emäß einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist der Synchronmotor 10 an dem Abgriff eines Spannungsteilers geschaltet, der aus
einem Längselement 26 und einem Kondensator 27 besteht. Durch das einstellbare Längselement
26, beispielsweise einen Längstransistor, wird dabei die Spannung UO und dadurch
indirekt der Motorstrom begrenzt. Der Kondensator 27 dient bei dieser Ausführungsform
dazu, für einen Ausgleich der in den Freilaufphasen auftretenden Spitzen zu sorgen
und damit insgesamt eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Synchronmotors zu bewirken.
-
Schließlich ist in Fig. 6 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung dargestellt, bei der die Gleichspannung zur Speisung des Synchronmotors
10 aus einer Wechselspannung U, gewonnen wird, wobei die Versorgungs-Gleichspannung
UO am Kondensator 27 durch einen steuerbaren Gleichrichter 28 einstellbar ist.
-
Schließlich kann der Anlaufstrom noch dadurch begrenzt werden, indem
das durch den Zähler 23 jeweils angesteuerte Ventil V1, V2, V3, V4 getaktet und
so beispielsweise der Maximalwert oder der Mittelwert des Stromes begrenzt wird.
Geht man so vor, ist jedoch durch das Takten ein sicherer Vergleich der Spannungen
U1, U2, U3, U4 nicht mehr möglich. Deshalb muß kurz vor einem zu erwartenden
Schnittpunkt
der Spannungswerte das Takten eingestellt werden. In Fig. 7 ist eine Anordnung dargestellt,
bei der sowohl der Anlaufstrom durch Takten begrenzt wie auch die Drehzahl des Synchronmotors
10 eingestellt werden kann. Hierzu wird das Steuersignal für ein Ventil V in ein
modifiziertes Steuersignal V' umgewandelt. Das Steuersignal V' ist am Ausgang eines
UND-Gatters 30 abnehmbar, dessen Eingänge mit einem UND-Gatter 31 bzw.
-
einem ODER-Gatter 32 beschaltet sind. Das UND-Gatter 31 ist eingangsseitig
einerseits an das Steuersignal für das Ventil V angeschlossen, andererseits an den
invertierten Ausgang einer monostabilen Kippstufe 33, die eine Standzeit tV2 aufweist,
die in Abhängigkeit von der Differenz einer Soll-Drehzahl nsoll und einer Ist-Drehzahl
nist einstellbar ist, wie dies durch den Summenpunkt 35 angedeutet ist. Das ODER-Gatter
32 ist eingangsseitig an den invertierten Ausgang einer monostabilen Kippstufe 34,
die vom Steuersignal für das Ventil V angesteuert wird sowie an den Ausgang einer
Takteinrichtung 36 angeschlossen, die in Abhängigkeit von der Differenz eines Maximalstroms
imax und eines Ist-Stroms ist steuerbar ist, wie dies durch den Summenpunkt 37 dargestellt
ist.
-
Um eine Strombegrenzung in der oben beschriebenen Weise zu bewirken,
wird am Summenpunkt 37 zunächst die Differenz von Ist-Strom iist und Maximalstrom
i gebildet und in Abhängigkeit von dieser Differenz die Takteinrichtung 36 gesteuert.
Das Steuersignal für das Ventil V setzt die monostabile Kippstufe 34 für eine vorbestimmte
Zeit, die beispielsweise das 0,8-fache der Zuschaltzeit einer Wicklung beträgt.
Dann ist durch die Verknüpfung der Ausgangssignale der Elemente 34, 36 im ODER-Gatter
32 sichergestellt, daß nach Ablauf der Standzeit der monostabilen Kippstufe 3>4
das ODER-Gatter 32 auf jeden Fall durchgesteuert wird, d.h. daß die Takteinrichtung
36 nur während
eines ersten Teiles der Zuschaltzeit der jeweiligen
Wicklung wirksam wird. Daran schließt sich eine Beruhigungszeit an, in der die durch
die Taktung verursachten über gangserscheinigungen abgeklungen sind, so daß der
Ringzähler 23 für das nächste Weiterschalten vorbereitet werden kann.
-
Um die Drehzahl des Synchronmotors 10 einzustellen, ist es einerseits
möglich, entweder das Längselement 26 gemäß Fig. 5 oder den steuerbaren Gleichrichter
28 gemäß Fig. 6 derart einzustellen, daß sich die Spannung UO verändert, bis sich
die gewünschte Drehzahl einstellt. Es ist jedoch andererseits auch möglich, eine
Drehzahlregelung durch Pulslängensteuerung vorzunehmen. Hierzu wird im Summenpunkt
35 gemäß Fig. 7 die Differenz der Ist-Drehzahl nist und einer Soll-Drehzahl n5011
gebildet und in Abhängigkeit von dieser Differenz die Standzeit der monostabilen
Kippstufe 33 eingestellt. Solange sich die monostabile Kippstufe 33 im gesetzten
Zustand befindet, wird das Steuersignal für die Ventile V nicht über das UND-Gatter
31 und das UND-Gatter 30 weitergeleitet. Wie bereits oben bei der Beschreibung von
Fig. 3h erwähnt, bewirkt diese Verzögerung des Steuersignales V eine Veränderung
des Spannungsverlaufes von beispielsweise U1 in der Weise, wie dies gestrichelt
in Fig. 3h dargestellt ist. Die wirksame Zuschaltzeit der Ständerwicklung W1 im
Beispiel wird dadurch verkürzt und die Drehzahl entsprechend vermindert. Im Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 7 wird die Drehzahl des Synchronmotors 10 aufgrund des Vergleiches von
Soll- und Ist-Drehzahl geregelt.
-
Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, durch Einspeisung eines
Steuersignales am Summenpunkt 35 statt einer Regelung eine Steuerung des Synchronmotors
10 einzusetzen.
-
Da im Stillstand des erfindungsgemäß betriebenen Synchronmotors keine
Information über die Position des Läufers vorliegt, ist für den Anlauf eine besondere
Steuerung.notwendig. Hierzu wird erfindungsgemäß entweder zunächst ein Drehfeld
sehr niedriger, vorzugsweise über der Zeit leicht ansteigender Frequenz erzeugt
und dann auf die oben im einzelnen beschriebene Selbstführung umgeschaltet. Die
Umschaltung kann dabei entweder bei einer bestimmten Drehzahl erfolgen oder in Abhängigkeit
von Schaltmitteln, die erkennen, wann die induzierten Spannungen Ul, U2, U3, U4
eine Lageerkennung ermöglichen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird eine Anlaufsteuerung dadurch bewirkt, daß der Läufer vor dem Anlaufen
durch längeres Einschalten eines Ventils in eine definierte Lage gebracht, das Ventil
dann abgeschaltet und gleichzeitig das zyklisch nächste Ventil eingeschaltet wird.
Dies bewirkt bei entsprechender Auslegung der Komparatoren 11, 12, 13, 14, daß das
übernächste Ventil bereits selbstgeführt einschaltet.