ELECTRONIC COMMUTATING DEVICE FOR DIRECT CURRENT MACHINES WITH SEVERAL WINDING STRANDS

Abstract: 1. An electronic commutating device for direct current machines with a plurality of phase-windings having semiconductor switching elements which can be controlled into the blocking state via their control electrodes, and wherein each of the semiconductor switching elements is suddenly switched over to the conducting or blocking state, as the case may be, by "on" and "off" signals derived from the position of the rotor, characterised in that the "off" signal for the respective semiconductor switching element (4 to 6) of the phase-winding (1 to 3) which is to be disconnected is delayed compared with the "on" signal for the respective semiconductor switching element (4 to 6) of the superseding phase-winding (1 to 3) the delay being so calculated that the current in the phase-winding to be disconnected is completely or partially damped as a result of the equalizing current caused by the machine EMF.

Description: Elektronische Kommutierungseinrichtung für Gleichstrommaschinen mit einem oder mehreren Wícklungssträngen Die Erfindung betrifft eine elektronische Kommutierungseinrichtung für Gleichstrommaschinen mit einem oder mehreren Wicklungssträngen, die aus über ihre Steuerelektrode in den Sperrzustand steuerbaren Halbleiterelementen besteht und bei der die Iialbleiterschalteleinente durch von der Lage des Rotors abgeleitete Ein- und Aus-Signale jeweils sprunghaft in den leitenden bzw sperrenden Zustand geschaltet sind. Eine solche .Xommutierungseinrichtung ist durch die US-PS 35 84 280 bekannt. Diese bekannte Kommutierungseinrichtung weist als Halbleiterschaltelemente Transistoren auf, die jeweils schlagartig in den leitenden oder den sperrenden Zustand gesteuert werden. Beim Kommutieren wird der dem jeweils abzulösenden Wicklungsstrang zugeordnete Transistor gesperrt und gleichzeitig der dem einzuschaltenden Wicklungsstrang zugeordnete Transistor voll durchgesteuert. Durch das schlagartige Sperren des dem abzalösenden Wicklungsstrang zugeordneten Transistors kann eine Selbstinduktionsspannung auftreten, deren Grösse die Sperrspannung der Transistoren überschreitet und damit zu einem Durchbruch an den Transistoren führt. Aus diesem Grunde ist bei dem bekannten Gleichstrommotor ein spannungsabhängig wirkender Verbindungskreis zwischen dem Sternpunkt der Wicklungsstränge und dem mit den Transistoren verbundenen Enden der Wicklungsstränge angeschlossen. Durch diesen Verbindungs- kreis werden die Induktionsspannungen auf einen für die Transistoren zulässigen Wert begrenzt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Kommutierungseinrichtung zu schaffen, bei der die Zerstörung der steuerbaren Halb#eiterschaltelemente durch eine zu hohe Selbstinduktionsspannung ohne zusätzliche Schutzelemente vermieden wird. Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, dass das Aus-Signal für das Haibleiterschalt- element des jeweils abzulösenden Wicklungsstranges gegen über dem Ein-Signal für das Halbleiterschaltelement des jeweils ablösenden Wicklungsstranges verzögert ist, wobei die Verzögerung so bemessen ist dass der Strom im abzulösenden Wicklungsstrang infolge des durch die Maschinen-EMK hervorgerufenen Ausgleichstrom. ganz oder teilweise abgeklungen ist. Das dem. abzulösenden Wicklungsstrang zugeordnete Halbleiterschaltelement wird somit praktisch nach Beendigung des natürlichen Kommutierungsvorganges gesperrt, so dass wegen des nicht mehr vorhandenen Stromflusses weder eine Selbstinduktionsspannung noch Schaltverluste auftreten. Eine nachträgliche Umrüstung von elektronischen Kommutierungseinrichtungen ist dadurch möglich, dass zur Verzögerung des Aus-Signales ein Verzögerungsglied vorgesehen ist, welches durch das Ein-Signal des dem ablösenden Wicklungsstrang zugeordneten Halbleiterschaltelementes gesteuert ist. Eine Anpassung der Verzögerungszeit infolge von Drehzahl änderungen der Gleichstrommaschine erübrigt sich dadurch, dass die Ein- und Aus-Signale von einem Rotorlagegeber erzeugt werden, dessen mit dem Rotor verbundener Geberteil so ausgebildet ist, dass die Einschaltabschnitte einen Winkel aufweisen, der grösser als 27t/p.m ist, wobei p der Polpaar zahl und m der Phasenzash; der Maschine entspricht. Die Anpassung der Verzögerungszeit gelingt in besonders einfacher Weise dadurch, dass der Rotorlagegeber aus einem leitfähigen Segment besteht, dessen Bogenlänge grösser als 2E r/pem ist, wobei r dem Segmentradius entspricht. Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei spiels wird der Anmeldungsgegenstand nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 das Schaltbild einer elektronischen Kommutierungs einrichtung, bei der die Yerzögerung zwischen dem Ein- und Aus-Signal durch gesonderte Verzögerungs glieder erfolgt, Fig. 2 einen Rotorlagegeber mit einem Verlängerten Schleif ringsegment. Mit 1 bis 3 sind drei Wicklungsstränge eines kollektorlosen Gleichstrommotors,bezeichnet. Diese Wicklungsstränge 1 bis 3 sind an ihrem einen Wicklungsende in Stern geschaltet und mit dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle verbundene Das andere Wicklungsende jedes Wicklungsstranges 1 bis 3 ist jeweils über die Kollektor-Bmitter-Strecke eines Transi stors 4 bawt 5 bzw. 6 an den Pluspol der Gleichspannungs quelle schaltbar. In schematischer Weise ist ein zweipoliger Rotor 7 des Gleichstrommotors dargestellt, mit dem ein Rotorlagegeber 8 gekoppelt ist. Dieser Rotorlagegeber 8 weist ein sich ent sprechend den drei Wicklungssträngen über ein Drittel seines Umfanges erstreckendes Segment 9 auf, das aus elektrisch leitfähigem Material besteht und mit dem Minuspol einer Steuerspannungsquelie Ust verbunden ist. Am Umfang des Rotorlagegebers 8 sind der Anzahl der Wicklungsstränge ent sprechend drei Bürsten 10, 11 und 12 angeordnet. Die Bürsten 10 bis 12 sind mit den BasisanschQüssen der Transistoren 4 bis 6 verbundene aber das leitfähige Segment 9 und die je weilige Bürste 10, ll oder 12 wird der Minuspol der Steuer spannungsquelle Ust An die Basis des betreffenden Transi stors 4, 5 oder 6 geschaltet und dieser somit voll durch gesteuert An jede der Bürsten 10 bis 12 ist ausserdem ein Verzögerungsglied 13 bis 15 mit seinem Steuereingang angeschlossen. Der Ausgang der Veyzögerungsglieder i'3 bis 15 ist jeweils mit der Basis des dem abzulösenden Wicklungsstrang 1, 2 oder 3 zugeordneten Transistors 4, 5 bzw. 6 verbundene Unter der Annahme, dass die Wicklungsstränge 1 bis 3 in der Reihenfolge 1, 2, 3 angesteuert werden, ist also das mit der Bürste 10 und der Basis des Transistors 4 verbundene Verzögerungsglied 13 mit seinem Ausgang an die Basis des Transistors 6 angeschlossen. Dementsprechend ist das Verzögerungsglied 14 mit der Basis des Transistors 4 und das Verzögerungsglied 15 mit der Basis des Transistors 5 verbunden. Durch Entkopplungsdioden 16 bis 18 wird eine Beeinflussung der Verzögerungsglieder 13 bis t5 durch die Ausgangssignale des jeweils anderen Verzögerungsgliedes. verhindert. Uber den Rotorlagegeber 8 werden die einzelnen Transistoren 4 bis 6 jeweils angesteuert und damit die betreffenden Wicklungsstränge 1 bis 3 an die Gleichspannungsquelle geschaltet. Das Ansteuern der Transistoren 4 bis 6 erfolgt hierbei zu einem Zeitpunkt, der gegenüber dem Nulldurchgang der verketteten Maschinen-EMK soweit vorverlegt ist, dass diese noch einen zum Abklingen des Stromes in dem abzulösenden Wicklungsstrang ausreichend grossen Ausgleichstrom zu treiben vermag. Entsprechend der Darstellung des Rotorlagegebers 8 wird bei der durch einen Pfeil 19 angedeuteten Drehrichtung gerade über die Bürste 10 die Basis des Transistors 4 an den Minuspol der Steuerspannungsquelle Ust gelegt. Der Transistor 4 wird daraufhin voll durchgesteuert und der Wicklungsstrang I an die Gleichspannungsquelle geschaltet. Gleichzeitig mit dem Transistor 4 wird auch das Verzögerungsglied 13 angesteuert, welches über seinen Ausgang noch das Steuersignal an dem Transistor 6 für eine bestimmte Zeit aufrechterhält.. Der Transistor 6 bleibt somit noch durchgesteuert, bis sein Steuersignal durch das Ver- zögerungsglied 13 abgeschaltet wird. Entsprechend wird beim Ansteuern des Transistors 5 über das Verzögerungs glied 14 noch das Steuersignal am Transistor 4 und anschliessend beim Ansteuern des Transistors 6 über das Ver zögerungsglied 15 das Steuersignal an dem Transistor 5 aufrechterhalten. Die Verzögerungszeit vom Einschalten des dem ablösenden Wicklungsstrang zugeordneten Transistors bis zum Ausschalten des dem abzulösenden Wicklungsstrang zugeordneten Transistors wird entsprechend der Zeit bemessen in der der in dem abzulösenden Wicklungsstrang fliessende Strom infolge des durch die EMK hervorgerufenen Ausgleichstromes möglichst auf den Wert Null abgeklungen ist, Der dem jeweils abzulösenden Wicklungsstrang 1, 2 oder 3 zugeordnete Transistor 4, 5 oder 6 wird somit praktisch im stromlosen Zustand seiner Kollektor-#Emitter-Strecke gesperrt. Damit treten an dem betreffenden Transistor keine nennenswerten Schaltverluste und auch keine Selbstinduktionsspannungen mehr auf. Bei einer Kommutierungseinrichtung mit Transistoren als Schaltelementen ergibt sich das Aus-Signal durch die Abschaltung des Ein-Signals. Die Verzögerung zwischen dem Aus- und Ein-Signal für den abzulösenden und den ablösenden Wicklungsstrang kann bei solchen Kommutierungseinrichtungen durch den Rotorlagegeber selbst bewirkt werden. Hierzu ist es notwendig, dass das vom Rotorlagegeber gelieferte Signal über einen Winkel ansteht, der grösser als der Wert 25r/p m ist. Mit p ist hierbei die Polpaarzahl und mit m die Phasenzahl bzw. Anzahl der Wicklungsstränge bezeichnet. In besonders einfacher Weise lässt sich die gewünschte Ver- zögerung mit einem in Fig. 2 dargestellten Rotorlagegeber 8 erreichen. Bei diesem Rotorlagegeber 8 ist im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dargestellten Rotorlagegeber 8 die Bogenlänge des leitfähigen Segmentes 9 grösser als 2R r1p m. Damit sind während des Kommutierungsvorganges für eine bestimmte, der jeweiligen Drehzahl umgekehrt proportionale Zeit zwei Bürsten gleichzeitig mit dem Minuspol der Steuerspannungsquelle verbunden. Damit sind auch die mit ihrer Basis an die betreffenden Bürsten angeschlossenen Transistoren gleichzeitig durchgesteuert. Entsprechend der Darstellung in Fig. 2 ist das leitfähige Segment 9 gerade unter die Bürste 10 gelangt. Infolgedessen ist der dem Wicklungsstrang 1 zugeordnete Transistor 4 gerade durchgesteuert worden. Da die Bogenlänge des Segmentes 9 grösser als 2t r/p-m ist, ragt das Segment auch noch unter die Bürste 12, so dass der mit seiner Basis mit der Bürste 12 verbundene Transistor 6 noch durchgesteuert bleibt, bis das Segment 9 die Bürste 12 nicht mehr berührt. Die Verlängerung des Segmentes 9 wird so gewählt, dass der in dem abzulösenden Wicklungsstrang 3 fliessende Strom infolge de-s von der-EMK getriebenen Ausgleichstromes mög- lichst auf den Wert Null abgeklungen ist, Wird dann das Steuersignal von der Basis des Transistors 6 weggenommen, sperrt dieser Transistor im stromlosen oder nahezu stromlosen Zustand. 4 Patentansprüche 2 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Elektronische Kommutierungseinrichtung für Gleichstromt maschinen mit einem oder mehreren Wicklungssträngen, die aus über ihre Steuerelektrode in den Sperrzustand steuerbaren Halbleiterschaltelementen besteht und bei der die Halbleiterschaltelemente durch von der Lage des Rotors abgeleitete Ein- und Aus-Signale jeweils sprunghaft in den leitenden bzw. sperrenden Zustand geschaltet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Aus Signal für das Halbleiterschaltelement (4 bis 6) des jeweils abzulösenden Wickl#ngsstranges (1 bis 3) gegenüber dem Ein-Signal für das Halbleiterschaltelement (4 bis 6) des jeweils ablösenden Wicklungsstranges (1 bis 3) verzögert ist, wobei die Verzögerung so bemessen ist, dass der Strom im abzulösenden Wicklungsstrang infolge des durch die Maschinen-EMK hervorgerufenen Ausgleichstromes ganz oder teilweise abgeklungen ist 2. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Verzögerung des Aus Signales ein Verzögerungsglied (13 bis 15) vorgesehen ist, welches durch das Ein-Signal des dem ablösenden Wicklungsstrang (1 bis 3) zugeordneten Halbleiterschaltelementes (4 bis 6) gesteuert ist. 3. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ein- und Aus-Signale von einem Rotorlagegeber (8) erzeugt werden, dessen mit dem Rotor verbundener Geberteil so ausgebildet ist, dass die Einschaltabschnitte einen Winkel aufweisen, der grösser als 2#/p#m ist, wobei p der Polpaarzahl und M der Phasenzahl der Maschine entspricht 4. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Rotorlagegeber (8) aus einem leitfähigen Segment (93 besteht, dessen Bogenlänge grösser als 27Cr/p¯m ist, wobei r dem Segmentradius entspricht.

Inventors: LEITGEB, WILHELM, DR.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: H02K29
IPC codes: H02P6, H02K29