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DE2058091C3 - Steuerschaltung für die Impulssteuerung eines Gleichstrommotors - Google Patents

Steuerschaltung für die Impulssteuerung eines Gleichstrommotors

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DE2058091C3
DE2058091C3 DE2058091A DE2058091A DE2058091C3 DE 2058091 C3 DE2058091 C3 DE 2058091C3 DE 2058091 A DE2058091 A DE 2058091A DE 2058091 A DE2058091 A DE 2058091A DE 2058091 C3 DE2058091 C3 DE 2058091C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für die Impulssteuerung eines von einer Gleichstromquelle gespeisten Gleichstrommotors, insbesondere eines Reihenschlußmotors, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.
Eine derartige Steuerschaltung ist aus der DE-OS 13 951 bekannt. Dort bildet der Kommutierungskondensator mit einer Drossel in der Ladungsumkehrschaltung einen Schwingkreis. Hierbei ist nachteilig, daß insbesondere bei Betriebsbeginn die Kommutierungsspannung unzureichend sein kann, aber auch während des Betriebs kann die vorhandene Kommutierungsspannung, die höchstens gleich der Batteriespannung ist, aber durch Verluste noch unter dieser liegt, eine sichere Kommutierung nicht immer gewährleisten.
Aus der US-PS 33 35 351 ist es bekannt, zur Zwangskommutierung des mit dem Motor in Reihe geschalteten Hauptthyristors einen Transformator vorzusehen, um den Motorstrom zu begrenzen. Wenn nämlich der Spitzenstrom zu groß wird, kann der Hauptthyristor durch die begrenzte im Kommutierungskondensator gespeicherte Energie nicht mehr sicher kommutiert werden. Hierbei besteht zusätzlich der Nachteil, daß der Ladungsumkehrstrom durch den Hauptthyristor fließt und dessen betrieblich nutzbares Stromführungsvermögen verkleinert. Darüber hinaus wird bei dieser Steuerschaltung der Kommutierungskondensator nur während der Sperrzeiten des Hauptthyristors geladen, wodurch ebenfalls der Aufbau einer ausreichenden Kommutierungsspannung gefährdet wird.
Es ist zwar in der Zeitschrift »Neues aus der Technik«, 1967, Nr. 2, Seite 2, eine Einrichtung zum Löschen eines Thyristors beschrieben, in der der Kommutierungskondensator in Reihe mit einem Widerstand der Gleich-Stromquelle parallel geschaltet ist Hierbei muß aber die Kapazität des Kommutierungskondensators sehr groß gewählt werden, wenn er bei allen Betriebsbedingungen für eine sichere Kommutierung des Thyristors sorgen soll.
ίο Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Steuerschaltung so auszubilden, daß die Schaltleistung des Hauptthyristors verringert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst
Die Trennung des Ladungsumkehrkreises von dem Kommutierungskreis hat den Vorteil, daß der Ladungsumkehrstrom, dessen Stromstärke im allgemeinen größer als 200 A und gelegentlich sogar mehr als 250 A beträgt, nicht über den Hauptthyristor fließen muß.
Dadurch erübrigt sich auch zusätzliche Wärmeableitung, des Thyristors.
Ein weiterer mit der Erfindung erzielbarer Vorteil besteht darin, daß in dem Eisenkerntransformator Energie gespeichert wird, die während der Kommutierung zusätzlich zur Energie des Kommutierungskondensators in den Kommutierungskreis »gepumpt« werden kann, um die insgesamt verfügbare Kommutierungsenergie zu vergrößern. Schließlich ist mit der Erfindung auch bei ungünstigen Betriebsbedingungen,
z. B. Übergang auf Impulsbetrieb, nachdem der Überbrückungsschalter geschlossen war, die Kommutierung sichergestellt.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispieles.
In der Figur ist eine Gleichstromquelle 10 als eine Batterie gezeigt. In Reihe mit der Batterie und einem Hauptschalter 11 liegt ein Gleichstrom-Reihenschlußmotor mit einem Anker 14 und einer Feldwicklung 16. In dem Kreis liegt außerdem eine Transformator-Primärwicklung 18 und ein erster Thyristor 20, dessen Anode mit der freien Seite der Primärwicklung 18 und dessen Kathode mit dem negativen Pol der Batterie 10 verbunden ist. Der Thyristor 20 enthält eine Steuerelektrode 21, der ein Steuerimpuls zugeführt werden kann, um den Thyristor 20 durchzuschalten.
Der Thyristor 20 ist der Hauptthyristor, wobei die
so effektive an den Motor abgegebene Leistung durch das Verhältnis der Einschaltzeit zur Ausschaltzeit des Thyristors 20 gesteuert ist. Parallel zur Primärwicklung 18 des Transformators und zum Thyristor 20 ist ein Überbrückungsschalter 28 angeordnet, der, wenn er geschlossen ist, dazu dient, den Motor direkt an die Batterie 10 zu schalten, um in bekannter Weise für eine maximale Motorleistung zu sorgen.
Parallel zu dem Hauptthyristor 20 liegt ein Kommutierungskreis mit einer Induktivität 30, einem zweiten Thyristor 32, mit einer Steuerelektrode 33 und mit einem Kommutierungskondensator 34. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sorgt die Induktivität 30 für eine Drosselwirkung, um den ersten Stromstoß zu begrenzen, wenn dieser Teil der Schaltung Strom führt.
Die Thyristoren 32 und 20 sind über ihre jeweiligen Anoden miteinander verbunden. Die Kathode des Thyristors 32 ist mit der oberen Platte des Kondensators 34 verbunden. Die untere Platte des Kondensators
34 steht mit dem negativen Pol der Batterie 10 in Verbindung. Ein Widerstand 36 stellt eine Verbindung der positiven Sammelleitung des Systems mit einem Knotenpunkt zwischen dem Thyristor 32 und dem Kondensator 34 her. Dieser Widerstand dient als ein Zwischenstück für eine dauernde Verbindung zwischen dem positiven Pol der Batterie und der oberen Platte des Kondensators 34, so daß der Kondensator 34 unter besonderen Betriebsbedingungen eine minimale Ladung beibehält wie im folgenden noch beschrieben wird.
Parallel zum Kondensator 34 liegt eine Ladungsumkehrschaltung, welche eine Transformator-Sekundärwicklung 38 (die Sekundärwicklung zur Primärwicklung 18) und einen dritten Thyristor 40 mit einer Steuerelektrode 41 umfaUt Die Primärwicklung 18 und die Sekundärwicklung 38 sind getrennte Wicklungen, die induktiv gekoppelt sind.
Die Steuerelektroden 21, 33 bzw. 41 der Thyristoren 20, 32 bzw. 40 sind mit einem Impul" generator 42 verbunden, der als Block dargestellt ist Der Impulsgenerator 42 wird über Leitungen 44 und 46 aus der Batterie 10 gespeist. Zusätzliche Eingänge zu dem Impulsgenerator 42 werden durch Leitungen 48 und 50 gebildet, die mit den beiden Enden der Transformator-Sekundärwicklung 38 verbunden sind. Die dadurch hervorgerufenen Eingangssignale für den Impulsgenerator 42 werden im folgenden noch näher beschrieben.
Zur Darstellung der Wirkungsweise der Schaltung wird festgelegt daß die an den Leitungen 48 und 50 abgegriffene Spannung positiv ist, wenn ein Strom durch die Wicklung 38 zu den eingezeichneten Punkt hinfließt
Für diese Erörterung sei zunächst angenommen, daß es sich um eine Inbetriebsetzung handelt daß sich keine Restladung auf dem Kondensator befindet und daß alle Thyristoren gesperrt sind. Beim Schließen des Hauptschalters 11 wird dem Impulsgenerator 42 Leistung aus der Batterie 10 über die Leiter 44 und 46 und dem Kondensator 34 über den Widerstand 36 zugeführt, so daß sich der Kondensator 34 auf Batteriespannung aufladen kann, wobei seine obere Platte positiv ist. Da alle Thyristoren noch immer gesperrt sind, fließt zu dieser Zeit jedoch noch kein Strom durch den Motor. Nun wird durch den Impulsgenerator 42 der Steuerelektrode 21 ein Impuls zugeführt, um den Thyristor 20 durchzuschalten. Nach einer kurzen Verzögerung wird über die Steuerelektrode 41 der Thyristor 40 durchgeschaltet. Zu dirsem Zeitpunkt liegt eine Spannung, die nahezu gleich der Batteriespannung ist, an dem Motoranker 14 und dem Feld 16, so daß ein Motorstrom entsteht, dessen Anstieg nahezu vollständig durch die Motorinduktivität und den Widerstand bestimmt ist. (Falls der Motor aufgrund eines vorhergehenden Betriebes umläuft, beeinflußt auch die erzeugte Spannung des Motors die Geschwindigkeit bzw. die Steilheit, mit der der Motorstrom ansteigt).
Da der Thyristor 40 nun durchgeschaltet ist, erzeugt die Ladung auf dem Kondensator 34 (der an seiner oberen Platte positiv ist) einen Strom durch die Transformator-Sekundärwicklung 38 und treibt den Transformator in Richtung auf eine negative Sättigung (definitionsgemäß negativer Strom fließt von dem Polaritätspunkt in Richtung Wicklung). Wenn der Transformator seine negative Sättigung erreicht und seine Impedanz im wesentlichen gleich derjenigen einer Luftspuleninduktivität ist, steigt der Strom in der Schleife mit dem Kondensator 34. der Sekundärwick-
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60 lung 38 und dem Thyristor 40 steii an und kehrt resonant die übrige erste Kondsnsatorladung urn, so daß eine Kondensatorladung entsteht die an der unteren Platte positiv ist Zu dieser Zeit hat der Motorstrom zugenommen und sein Fluß durch die Primärwicklung 18 treibt den Transformator in Richtung auf seine positive Sättigung. Während sich der Transformator auf seine positive Sättigung zubewegt zwingt die Spannung an der Sekundärwicklung 38, die an dsm Punkt positiv ist die an dem Kondensator (der nun an der unteren Platte positiv ist) bestehende Ladung auf einen höheren Wert Die Ladung auf dem Kondensator überschreitet in diesem Zeitraum des Betriebes normalerweise die Batteriespannung, wobei die untere Platte positiv ist.
Wenn infolge des Motorstroms der Transformator in positiver Richtung gesättigt ist bricht die an der Sekundärwicklung 38 induzierte Spannung zusammen, und der Kondensator 34 versucht seine Ladung zu neutralisieren, indem er einen Sperrstrom in Sperrichtung (im Uhrzeigersinn) durch den Thyristor 40 drückt Dadurch wird der Thyristor 40 gesperrt Die Umkehr der Spannung an der Sekundärwicklung 38, welche in dem kurzen Zeiraum auftritt, in dem der Strom in Uhrzeigerrichtung fließt wird über die Leitungen 48 und 50 von dem Impulsgenerator 42 abgetastet, der daraufhin einen Impuls entwickelt, der der Steuerelektrode 33 des Thyristors 32 zugeführt wird, wodurch dieser Thyristor durchgeschaltet wird. Die Spannung am Kondensator 34 (positiv an der unteren Platte) wird nun dem Hauptleistungsthyristor 20 in Sperrichtung aufgedrückt, so daß der Thyristor gesperrt wird.
Wenn der Thyristor 20 sperrt, wird der Motorstrom über den Thyristor 32 und den Kommutierungskondensator 34 umgeleitet Die Lastinduktivität plus die Luftkerninduktivitat der gesättigten Primärwicklung 18 bilden einen schv ach gedämpften Kreis, was zur Folge hat, daß der Kondensator in Resonanz schwingt, so daß der Kondensator über die Batteriespannung hinaus aufgeladen wird (positiv an seiner oberen Platte). Da die Ladung auf dem Kondensator 34 die Batteriespannung überschreitet und dieser entgegengerichtet ist, wird der Kondensator versuchen, sich über den Kommutierungsthyristor 32 zurückzuentladen, so daß dessen Kathode positiv wird und der Thyristor 32 gesperrt wird.
Wenn wieder jeder der Thyristoren gesperrt ist beginnt sich der Kondensator 34 mit einer Geschwindigkeit über den Widerstand 36 auf Batteriespannung zu entladen, die durch die ÄC-Zeitkonstante des Kreises bestimmt ist. Die Höhe der Entladung des Kondensators 34 hängt selbstverständlich von dem Zeitraum zwischen der Kommutierung des Thyristors 32 und der nächsten Ansteuerung des Thyristors 40 ab. Die Anordnung hat nun einen vollständigen Leistungszyklus durchlaufen und der Impulsgenerator 42 wird nunmehr die nächsten Impulse für die Thyristoren 20 und 40 liefern, um den nächstfolgenden Zyklus zu beginnen. Wie bereits angegeben wurde, hängt die Zeitsteuerung des nächsten Zyklus von der gewünschten Leistung ab, die der Last zugeführt werden soll. Im Falle einer Motorlast, wie beispielsweise bei einem elektrischen Fahrzeug, würden die Impulsfrequenz und/oder die Impulsbreite durch eine Geschwindigkeitsregeleinrichtung bestimmt.
Während der Impulspause, wenn dem Motor kein Batteriestrom zugeführt wird, wird der Strom des Motors infolge der im Anker erzeugten Spannung zwei Leerlaufdioden 54 und 56 geleitet, die folgendermaßen geschaltet sind. Ein Widerstand 58 ist mit der oberen Klemme des Motorankers 14 verbunden und das andere
Ende des Widerstandes 58 steht mit den Kathoden der Dioden 54, 56 in Verbindung. Die Anode der Diode 54 ist an die andere Klemme des Ankers 14 angeschlossen, während die Anode der Diode 56 mit dem freien Ende des Feldes 16 verbunden ist. Wenn somit der Motor von der Streuquelle 10 getrennt ist, führt die Diode 54 den Ankerstrom, während die Diode 56 den Motorstrom abzüglich des Ankerstromes führt. Während der Perioden, in denen dem Motor kein Batteriestrom zugeführt ist, beginnt der Motorstrom mit der natürlichen Zeitkonstante des Feldes und des Ankers abzufallen. Während des normalen Betriebes ist jedoch die Frequenz der Stromzuführung im Vergleich zur Zeitkonstante des Motors groß genug, damit der Abfall des Motorstromes klein ist, daß die Welligkeit möglichst klein gehalten wird.
Die Anordnung befindet sich nun im Betriebszustand für den zweiten Impuls, der mit einigen kleineren Unterschieden im wesentlichen gleich dem oben beschriebenen sein wird. Bei der nächsten Ansteuerung des Hauptleistungsthyristors 20 wird der Komrnutierungskondensator über die Batteriespannung hinaus aufgeladen, wobei angenommen sei, daß zwischen benachbarten Impulsen nicht genügend Zeit bestand, daß sich der Kondensator vollständig auf Batteriespannung entladen konnte. In dieser Situation erhöht sich bei erneuter Ansteuerung des Hauptthyristors 20 dessen Anodenstrom nahezu augenblicklich auf den Wert des Motorstromes, so daß sich der Motorstrom auf einen höheren Wert aufbauen kann als dies vorher erreichbar war. Dies führt dazu, daß an dem Kommutierungskondensator 34 eine etwas höhere Kommutierungsspannung entwickelt wird, wenn die untere Platte positiv ist.
Bei nachfolgenden Zyklen setzen sich diese Veränderungen fort, bis ein stabiler Zustand erreicht ist, z. B. durch die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Impulsbreite und die dem Thyristor 20 zugeführte Impulsfrequenz bestimmt ist.
Es wurde bereits kurz der Überbrückungsschalter 28 erwähnt, welcher geschlossen wird, wenn die volle Batteriespannung an den Motor angelegt werden soll. Wenn es sich um ein elektrisches Fahrzeug handelt, wird
ίο dieser Schalter normalerweise von der Geschwindigkeitssteuerung geschlossen, wenn es erwünscht ist, den Motor auf seine Höchstdrehzahl zu bringen oder zu halten, oder wenn beispielsweise das Fahrzeug in einem Schlagloch oder in einer sonstigen Fahrbahnvertiefung steckengeblieben und ein maximales Drehmoment erforderlich ist Der Schalter 28 ist bezüglich einer Zeitabhängigkeit nicht mit irgendwelchen anderen Komponenten der Schaltung verbunden. Es besteht deshalb bei bekannten Vorrichtungen keine Möglichkeit, sicherzustellen, daß zu der Zeit, zu der der Schalter 28 geöffnet und die Steuerung wieder auf den den Impulsgenerator umfassenden Schaltungsteil zurückgeführt ist, der Kommutierungskondensator soweit geladen ist, wie es zur sicheren Kommutierung des Thyristors 20 im richtigen Zeitpunkt erforderlich ist. Deshalb ist bei der Steuerschaltung gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung der Widerstand 36 vorgesehen, der die Batterie zu allen Betriebszeiten mit dem Kondensator 34 verbunden hält, so daß eine Kommutierung des Thyristors 20 auch während des ersten Zyklus nach der öffnung des Schalters 28 sichergestellt ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Steuerschaltung für die Impulssteuerung eines von einer Gleichstromquelle gespeisten Gleichstrommotors, insbesondere eines Reihenschlußmotors, mit einem ersten Thyristor, mit einer dem ersten Thyristor parallel geschalteten Kommutierungsschaltung, die einen Kommutierungskondensator und einen damit in Reihe geschalteten zweiten Thyristor aufweist, und mit einer Ladungsumkehrschaltung für den Kommutierungskondensator, die dem Kommutierungskondensator parallel geschaltet ist und eine Induktivität in Reihe mit einem dritten Thyristor aufweist, wobei die Ladungsumkehrschaltung und die Kommutierungsschaltung gesonderte Stromkreise bilden, die nur den Kommutierungskondensator in einem gemeinsamen Zweig enthalten, der Kommutierungskondensator in Reihe mit einem Widerstand der Gleichstromquelle parallel geschaltet ist und der der Ladungsumkehrschaltung zugeordnete dritte Thyristor mit einer geringen Zeitverzögerung gegenüber dem dem ersten Thyristor zugeführten Steuerimpuls ansteuerbar ist, gekennzeichnet durch einen einen Eisenkern aufweisenden sättigbaren Transformator, dessen Primärwicklung (18) in Reihe mit dem ersten Thyristor (20) außerhalb der Kommutierungsschaltung angeordnet ist und dessen Sekundärwicklung (38) die in Reihe mit dem dritten Thyristor (40) angeordnete Induktivität darstellt und so gepolt ist, daß die darin speicherbare Energie bei der Ladungsumkehr zusätzlich auf den Kommutierungskondensator (34) übertragbar ist.
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