DE1463699C3 - Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines konstant erregten Gleichstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines konstant erregten Gleichstrommotors, dessen Ankerwicklung entweder unmittelbar über mindestens ein Stromrichterventil aus einer Stromquelle oder aus einem Gleichstromgenerator gespeist wird, dessen Erregerwicklung über mindestens ein Stromrichterventil an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist, mit einer über mindestens eine Diode mit der Wechselspannungsquelle verbundenen Zündeinrichtung, die parallel zum Stromrichterventil einen ersten ohmschen Widerstand und eine Zenerdiode in Reihenschaltung enthält und bei der parallel zur Zenerdiode ein Relaxationsoszillator mit einem einstellbaren /?C-Glied und mit einem Doppelbasistransistor mit ohmschen Vorwiderstand liegt, dessen erste Basis mit der Steuerelektrode des Stromrichterventils und dessen Emitter mit der gemeinsamen Klemme des i?C-Gliedes verbunden ist.

Eine derartige Anordnung ist im Prinzip bekannt aus der Zeitschrift »Control-Engineering«, August

ίο 1962, S. 79 und 80, sowie aus dem Buch »SESCO, Manuel (!'Applications, Semiconducteurs«, herausgegeben von Ceuterik, Louvain, Belgien, Mai 1962, S. 261 und 262. Die beiden bekannten Anordnungen dienen der Drehzahleinstellung oder Drehzahlsteuerung, wobei das gesteuerte Stromrichterventil in der Brückendiagonale einer Vollweggleichrichterbrücke liegt, die auch die über einen ohmschen Widerstand und eine Zenerdiode stabilisierte Versorgungsspannung für den Relaxationsoszillator liefert. Der Anker des

ao Gleichstrommotors ist in den Anodenkreis des Stromrichterventils geschaltet. Die Drehzahlsteuerung beruht bei diesen beiden bekannten Anordnungen darauf, daß der durch die Netzfrequenz synchronisiert^ Relaxationsoszillator in jeder Halbwelle an das

as Stromrichterventil einen Steuerimpuls abgibt, dessen zeitliche Stellung in bezug auf den Nulldurchgang der Speisespannung abhängig von der Einstellung des i?C-Gliedes des Relaxationsoszillators ist, wodurch ein bestimmter Stromflußwinkel für das Stromrichterventil vorgegeben wird. Die beiden bekannten Anordnungen schützen jedoch weder den Motor noch das Stromrichterventil vor Überströmen oder Kurzschlüssen, wie sie insbesondere dann auftreten können, wenn der Motor aus dem Stillstand hochgefahren wird oder das von dem Motor abgenommene Drehmoment ohne Widerstandsmoment zu hoch wird oder der Motor sogar vollständig blockiert wird.

Zwar ist aus der Zeitschrift »L'Onde Electrique«, 41 (1961), Nr. 408 S. 283 bis 285, eine Anordnung zur Drehzahlsteuerung bekannt, die ebenfalls auf dem Prinzip der Stromflußwinkelsteuerung beruht und bei der zusätzlich auch eine Begrenzung des Ankerstromes auf einen Höchstwert stattfindet. Hierzu wird eine dem Ankerstrom proportionale Spannung erzeugt, die nach Verstärkung das Potential am Emitter des Doppelbasistransistors derart beeinflußt, daß der Stromflußwinkel verkleinert wird. Neben dem verhältnismäßig hohen Bauteileaufwand hierfür ist bei dieser bekannten Anordnung nachteilig, daß die Begrenzungswirkung bei diesem Schaltungsprinzip erst eintreten kann, wenn der Ankerstrom den zulässigen Höchstwert bereits überschritten hat, die Begrenzung also mit Verzögerung wirksam wird. Die Folge ist, daß sowohl das Stromrichterventil als auch der Motor nur unzureichend geschützt sind, da z. B. beim Anlaufen gegen ein Widerstandsmoment oder bei einem plötzlichen Blockieren des Motors der zulässige Höchstwert des Ankerstromes bereits in der ersten Halbwelle überschritten werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,' eine Anordnung zur Drehzahlsteuerung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß der Ankerstrom unabhängig vom Wert der Solldrehzahl und des Belastungsmomentes unter allen denkbaren Bedingungen und Betriebszuständen des Motors, insbesondere auch beim Anlauf des Motors, bereits bei der ersten Halbwelle einen vorbestimmten Maximalwert nicht überschreiten kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die eine Ankerklemme des Gleichstrommotors unmittelbar mit der Kathode des Stromrichterventils und die andere Ankerklemme über einen zweiten ohmschen Widerstand mit der Zündeinrichtung zur Lieferung einer der Ankerspannung derart proportionalen Gegenkopplungsspannung verbunden ist, daß der Ankerstrom höchstens einen zulässigen Maximalwert erreicht.

Hierbei ergibt sich durch die Verwendung der Ankerspannung oder einer der Gegen-EMK proportionalen Spannung als Gegenkopplungsspannung für die Zündschaltung der besondere Vorteil, daß auch im Falle eines sehr raschen Anlaufs des Motors aus dem Stillstand und/oder im Falle eines hohen Belastungsmomentes sowie bei Blockierung des Motors im Lauf oder beim Anlauf durch ein anomal hohes Widerstandsmoment der Stromflußwinkel so weit verringert wird, daß der vorgegebene Maximalwert des Ankerstromes nicht überschritten wird. Auf diese Weise wird eine Zerstörung des oder der Stromrichterventile sowie gegebenenfalls der Ankerwicklung zuverlässig vermieden. Hinzu kommt, daß dieses Verhalten der Anordnung mit einem äußerst geringen Bauteileaufwand erzielt wird. Gleichzeitig kann die Anordnung zur Drehzahlsteuerung und Ankerstrombegrenzung von Motoren der verschiedensten Leistungsbereiche verwendet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schaltung einer ersten Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform,

F i g. 3 die Schaltung nach F i g. 2 in Verbindung mit einem Leonardsatz und

F i g. 4 Spannungsdiagramme an den wesentlichen Schaltungspunkten einer Anordnung nach F i g. 2.

Die Anordnung gemäß F i g. 1 setzt sich im wesentlichen aus zwei Stromkreisen zusammen. Der eine von diesen, der Hauptstromkreis, enthält ein gesteuertes Organ, das aus einem oder mehreren Stromrichterventilen besteht, und der andere, der Steuerstromkreis, umfaßt die Zündeinrichtung mit einem Doppelbasistransistor.

Der Hauptstromkreis besteht aus einer einphasigen Wechselstromquelle 5, die mit einem steuerbaren Stromrichterventil Th der Ankerwicklung und eines Motors M in Reihe liegt. Wenn während einer Halbwelle der Speisespannung das Stromrichterventil an seiner Steuerelektrode im Zeitpunkt t einen Impuls entsprechenden Vorzeichens erhält, setzt der Stromfluß ein und hört erst bei der folgenden Halbwelle entgegengesetzten Vorzeichens auf. Dieser Vorgang wird durch die Zündeinrichtung ausgelöst, die den Doppelbasistransistor Tr enthält. Durch Ausnützung dessen besonderer Charakteristik liefert die Zündeinrichtung kurze Impulse, deren Folge der Frequenz der Wechselstromquelle S entspricht. Ein Doppelbasistransistor hat die Eigenschaft, daß der Widerstand zwischen seinen beiden Elektroden E und B₁ plötzlieh auf einen sehr geringen Wert abfällt, wenn die Spannung U₀ an der Elektrode E gleich oder größer als ein kritischer Wert aE_a wird. Der Koeffizient α ist ein für den verwendeten Transistor kennzeichnender Parameter, und die Spannung E_a ist die Potentialdifferenz, die in diesem Zeitpunkt zwischen den Basen O₁ und B₂ herrscht. Wenn die Spannung U₀ durch einen Kondensator C₀ geliefert wird, so entlädt letzterer seine gesamte Energie über den der Basis B₁ vorgeschalteten Widerstand R₀ in einem dem Augenblick U₀ = aE₀ entsprechenden Zeitpunkt t. Im dargestellten Beispiel ist die mittels eines Widerstandes B_i und einer Zenerdiode CR₁ gebildete Spannung V, die über die Widerstände A₀ und R₁ an den Basen S₁ und B₂ des Doppelbasistransistors Tr angelegt ist und den Kondensator C₀ über Widerstände R₂ und R₃ auflädt, impulsförmig und die Spannung U₀ in erster Näherung eine Sägezahnspannung der Form

U₀= V-IfC₀(R₂ +R₃).

Der genaue Zeitpunkt, in welchem der kurze Impuls an den Klemmen des Widerstandes R₀ auftritt, ist somit

t = CiC₀(R₂ + R₃) -E₀IV.

Um den Strom durch den Motor zu ändern, ändert man den Widerstand R₂. Wenn dieser Widerstand Null ist, so ist die Zeit t — aC₀R₃E₀/V. Wird mit T die Periode der Speisestromquelle S bezeichnet, so beträgt das Zeitintervall, währenddessen der Strom in dem Motor fließen kann, (Τ/2—t). Dieses Intervall hängt von den Spannungen E₀ und V und den Widerständen R₂ und R₃ ab. Bei genauer Einstellung dieser Größen kann die maximale Dauer (T/2—f_min), während welcher der Hauptstromkreis von einem Strom durchflossen wird, leicht geändert und der durch das Stromrichterventil fließende und von dem Motor beim Anlauf aufgenommene Maximalstrom begrenzt werden. Der Widerstand R₂ kann ein Stellwiderstand, ein aktives Halbleiterelement oder ein anderes geeignetes Stellorgan sein. Der feste Widerstand R₃ dient als Anschlag und begrenzt bei den gegebenen Spannungen E₀ und V das erwähnte Zeitintervall (Τ/2—t). Macht man den Widerstand R₂ Null, so ist das Zeitintervall (Τ/2—t) ein Maximum.

Aufgrund der aufeinanderfolgenden Zündungen des Stromrichterventils Th einerseits und der Wirkung der Zenerdiode CA₁ andererseits besitzt nun die Spannung V eine praktisch konstante rechteckige Impulsform. Sie erzeugt über das RC-GUeUR₃, C₀ die sägezahnförmige Spannung CZ₀ an den Klemmen des Kondensators C₀. Die Spannung E₀ ergibt sich aus der Überlagerung der Spannung V und der Gegen-EMK U_m des Motors, die über einen Widerstand R₈ an den Ankerklemmen des zu steuernden Motors abgenommen wird. Mit der Spannung U_s der Wechselstromquelle 5, der Gegen-EMK Um des Motors M, und dem Widerstand r des Motors ergibt sich der maximale Strommittelwert /:

Γ/2

Um) dt.

T/Z-t

Bei passender Einstellung der Widerstände A₁ und R_a ändert sich das Intervall (Τ/2—t) in Abhängigkeit von der Gegen-EMK (d. h. der Drehzahl), so daß der maximale Strommittelwert praktisch unabhängig von der Motordrehzahl ist und auch dann, wenn der

Widerstand U₂ plötzlich Null wird, nie den vorgegebenen Wert überschreitet. Beim Anlauf oder bei blockiertem Motor entspricht die Spannung Um dem ohmschen Spannungsabfall am Ankerwiderstand, und die Spannung E₀ stellt sich auf einen ganz bestimmten Wert ein, der zu einem ganz bestimmten Strommittelwert führt und durch geeignete Wahl der Widerstände auf das l,5fache des Nennstromes festgesetzt werden kann. Tritt während des Laufes des Motors eine erhebliche Überlastung ein, die den vorgegebenen Grenzwert, beispielsweise das l,5fache des Nenndrehmomentes, überschreitet, so sinkt die Drehzahl und dementsprechend die Gegen-EMK, wodurch ohne weitere Maßnahmen der Ankerstrom, also auch der das Stromrichterventil Th durchfließende Strom wachsen würde; die Spannung E₀ steigt in diesem Falle jedoch an und damit auch die kritische Spannung aE₀. Der Zünd- oder Steuerimpuls für das Stromrichterventil entsteht daher später,.so daß sich eine Verkleinerung des Stromflußwinkels ergibt. Auch wenn die Überlastung andauert und der Motor somit zum Stillstand kommt, bleibt der Ankerstrom auf den vorgegebenen, zulässigen Maximalwert begrenzt.

F i g. 2 stellt eine durch eine Zenerdiode CR₂ und durch Widerstände A₆ und R₇ ergänzte Ausführungsform der Erfindung dar. Die Spannung der Wechselstromquelle S einerseits und die Spannung an den Klemmen der Zenerdiode CR₂ andererseits sowie die Gegen-EMK des Motors beeinflussen die Potentialdifferenz E₁ an den Basen des Doppelbasistransistors Tr. Bei entsprechender Wahl der Widerstände R₆, R₇ und R₃' bleibt der aufgenommene mittlere Strom praktisch unabhängig von der Drehzahl und dem Belastungsmoment des Motors.

F i g. 3 stellt hierbei eine Anwendung der Anordnung zur Begrenzung des Ankerstromes in einem Leonard-Satz mit steuerbarer Erregung Am dar.

F i g. 4 gibt die Spannungsdiagramme an den wesentlichen Schaltungspunkten der Schaltung gemäß F i g. 2 wieder. Im Schaltungspunkt A liegt der Spannungsverlauf gemäß F i g. 4, Zeile A vor. Diese durch die positive Halbwelle der Wechselstromquelle S gebildete Spannung, die im Augenblick des Zündens des Stromrichterventils zusammenbricht, dauert während eines Zeitintervalles α = ω / an, das in elektrischen Winkeln gerechnet wird. Im Schaltungspunktß, an der einen Klemme der Zenerdiode CA₁, ist die impulsförmige Spannung V₁ bis zum Zeitpunkt cot vorhanden. Im Schaltungspunkt C liegt diese Spannung in Sägezahnform am Emitter E des Doppelbasistransistors Tr an. Die Spannung verschwindet im Zeitpunkt ω /, wenn die Amplitude den Wert CiE₁ erreicht hat, und es wird der bei F dargestellte kurze Impuls erzeugt. Die Form der den Motor speisenden Spannung ist bei / veranschaulicht. Die Darstellung in der Zeile D gibt eine mögliche Form der Spannung E₁ wieder, wenn die Elemente der Anordnung entsprechend eingestellt sind. Die ausgezogenen Kurven zeigen gleichzeitig die Änderungen, denen-die Wellenformen unterworfen sind, wenn die Spannung am Schaltungspunkt B von dem Wert E₁ auf den Wert E₁ < E₁ übergeht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines konstant erregten Gleichstrommotors, dessen Ankerwicklung entweder unmittelbar über mindestens ein Stromrichterventil aus einer Stromquelle oder aus einem Gleichstromgenerator gespeist wird, dessen Erregerwicklung über mindestens ein Stromrichterventil an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist, mit einer über mindestens eine Diode mit der Wechselspannungsquelle verbundenen Zündeinrichtung, die parallel zum Stromrichterventil einen ersten ohmschen Widerstand und eine Zenerdiode in Reihenschaltung enthält und bei der parallel zur Zenerdiode ein Relaxationsoszillator mit einem einstellbaren i?C-Glied und mit einem Doppelbasistransistor mit ohmschem Vorwiderstand liegt, dessen erste Basis mit der Steuerelektrode des Stromrichterventils und dessen Bmitter mit der gemeinsamen Klemme des i?C-Gliedes verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Ankerklemme des Gleichstrommotors unmittelbar mit der Kathode des Stromrichterventils (Th) und die andere Ankerklemme über einen zweiten ohmschen Widerstand (R₈; R₈) mit der Zündeinrichtung zur Lieferung einer der Ankerspannung derart proportionalen Gegenkopplungsspannung verbunden ist, daß der Ankerstrom höchstens einen zulässigen Maximalwert erreicht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Ankerklemme über den zweiten ohmschen Widerstand (R₈) mit der zweiten Basis (S,) des Doppelbasistransistors (Tr) verbunden ist (Fi g. 1).

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Reihenschaltung aus dem ersten ohmschen Widerstand (R_A) und der Zenerdiode (CR₁) eine weitere Reihenschaltung aus einem dritten ohmschen Widerstand (R₆), einer weiteren Zenerdiode (Ci?,) und einem vierten ohmschen Widerstand (R₁) liegt und daß die Anode dieser weiteren Zenerdiode (CR₂) über den ohmschen Vorwiderstand (R,) mit der zweiten Basis (S₂) des Doppelbasistransistors (Tr) verbunden ist und daß die andere Ankerklemme über den zweiten ohmschen Widerstand (R₈) mit der Kathode der weiteren Zenerdiode (CR₂) verbunden ist (F i g. 2).