DE1588809A1

DE1588809A1 - Steuerung fuer die Geschwindigkeit von Motoren mit automatischer Energieunterstuetzung durch gesteuerte Halbleiter-Gleichrichter

Info

Publication number: DE1588809A1
Application number: DE19671588809
Authority: DE
Inventors: Klayman Arnold Irving; Genest Leonard Joseph
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1966-12-27
Filing date: 1967-12-20
Publication date: 1971-03-18
Also published as: CH464326A; US3461371A; GB1152808A; SE336019B; FR1550617A

Description

The Singer Company
Elizabeth, New Jersey (V.St.A.)

Steuerung für die Geschwindigkeit von Motoren mit automatischer Energieunterstützung durch gesteuerte Halbleiter-Gleichrichter.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Einrichtungen zum Steuern der Geschwindigkeit eines Motors, und sie bezieht sich insbesondere auf Verbesserungen an Geschwindigkeitssteueranordnungen für Gleichstrommotoren, welche einen von Hand usw. einstellbaren Widerstand in Serie zu dem Motor und zu der Speisespannungsquelle zum Steuern der Motorgeschwindigkeit aufweisen.

Bei einer bekannten Geschwindigkeits-Steuerung für einen Motor durch Zünden eines gesteuerten Siliziumgleichrichters, das auf Fehlersignale der Motorgeschwindigkeit anspricht, ist es üblich gewesen, den gesteuerten Siliziumgleichrichter als einziges Mittel zu verwenden, um einen Energiestromfluß zu dem Motor zu erhalten. Zufolge der schnellen Einschalt-

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charakteristik des gesteuerten Siliziumgleichrichters ergibt dies Züge von Stromimpulsen durch den Motor, welche gegenüber einem mittleren Wert hohe Spannungsspitzen haben. Dies hat zwar den Vorteil, hohe Antriebsdrehmomentimpulse zu erzeugen, welche beispielsweise bei einem Antrieb für Nähmaschinen wichtig sind, um ein gutes Durchstechen der Nadel . zu bewirken, sie haben jedoch den Nachteil, daß in der angetriebenen Maschine Impulsgeräusche erzeugt werden, die insbesondere in Wohnungen unangenehm sind.

Der Hauptzweck der Erfindung besteht darin, eine Steueranordnung für die Geschwindigkeit eines Motors zu schaffen, welche eine direkte Bedienungs-Steuerung des Stroms zu dem Motor durch einen Stromweg in Verbindung mit einer selbsttätigen auf die Last ansprechenden Steuerung des Stromes zu dem Motor durch einen zweiten Stromweg in Nebenschluß zu dem ersten Stromweg liefert, wobei der zweite Stromweg durch periodisches Zünden eines gesteuerten Gleichrichters geliefert wird.

Eine Unteraufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer Steueranordnung für die Geschwindigkeit eines Motors, in welcher ein gleichbleibender oder sich langsam ändernder Strom dem Motor kontinuierlich zugeführt wird, um den sich langsam verändernden geringen Anforderungen an das Drehmoment zu entsprechen, und periodisch Stromimpulse dem Motor zusätzlich durch einen gesteuerten Gleichrichter zuzuführen, um den Anforderungen eines sich plötzlich erhöhenden Dreh-

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moments bei Belastung zu schaffen, beispielsweise wie sie durch die Durchstichvorgänge der Nadel während des Nähzyklusses der Nähmaschine hervorgerufen werden.

Weiterhin soll mit der Erfindung eine Steueranordnung für die Geschwindigkeit von Motoren geschaffen werden, bei welcher der dem Motor zugeführte Strom ein kleineres Verhältnis von Spitzenwert zu Mittelwert für die gleiche periodische Drehmomentanforderung als bei Anordnungen hat, welche sich allein auf das Zünden des gesteuerten Siliziumgleichrichters zum Zuführen des Motorstroms verlassen.

Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf eine Stromkreisanordnung, bei welcher ein Gleichstrommotor von einer Wechselspannung mit Vollwellengleichrichtung durch einen von dem Bedienenden betätigten veränderlichen Widerstand und einem in Serie zu ihm angeordneten Stromabfühlelement (Widerstand) gespeist wird. Ein gesteuerter Peststoffgleichrichter ist mit seinem Anoden-Kathoden-Kreis in Nebenschluß zu der Serienverbindung des variablen Widerstandes und des Stromabfühlwiderstandes geschaltet. Der StromabfUhlwiderstand ist mit dem Tor bzw. der Kathode des gesteuerten Gleichrichters verbunden, um ihm das alleinige Zündsignal in Ansprechen auf eine erhöhte Belastung an dem Motor zu liefern. Eine frei steuerbare Diode (Durchlaß-Diode) ist im Nebenschluß zu dem Motor angeschlossen, um ein Abschalten des gesteuerten Gleichrichters am Ende jeder Halbperiode der gleichgerichteten Spannung zu gewährleisten.

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Die Verbesserung gemäß der Erfindung schafft daher einen zweiten Stromweg zu dem Motor im Nebenschluß zu dem von Hand usw. einstellbaren Widerstand, unddieser Stromweg wird in Ansprechen auf das Zünden eines gesteuerten Siliziumgleichrichters wirksam gemacht, dessen Zündung auf Veränderungen in der Motorbelastung anspricht. Der gesteuerte Siliziumgleichrichter arbeitet daher nach Art einer selbsttätigen Energieunterstützung für den Motor, und seine Fähig-

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keit, auf eine Basisfrquenz schnell anzusprechen, gestattet es dem Motor, im wesentlichen augenblicklich Anforderungen an das Drehmoment ohne merkliche Änderung seiner Geschwindigkeit zu entsprechen. Diese Geschwindigkeitsänderung könnte durch den vom Bedienenden einstellbaren Widerstand allein nicht erreicht werden, weil die menschliche Ansprechreaktion zu langsam ist, um den sich schnell ändernden Anforderungen an das Drehmoment zu entsprechen.

Die Anordnung gemäß der Erfindung· zeigt daher einen idealen Kompromiss, in welchem die gleichbleibende oder sich langsam verändernde Anforderung an Drehmoment durch den Bedienenden vorgenommen wird, der den von ihm betätigten Wi derstand steuert, und die augenblickliche Anforderung an ein erhöhtes Moment wird durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter automatisch geliefert. Dieses schafft einen Motorstro, der ein kleineres Verhältnis vom Spitzenwert zum mittleren Wert hat, als es durch Schaltungen zu erreichen wäre, die allein von der Zündung des gesteuerten Siliziumgleiohrich-

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ters als Geschwindigkeitssteuerung abhängen und eine adäquate Drehmomenterzeugung mit einem akzeptablen niedrigen Geräuschpegel ergibt.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung des gesteuerten Siliziumgleichrichters bei der Erfindung als Energieunterstützung liegt in der Tatsache, daß, falls der gesteuerte Siliziumgleichriehter nicht zünden sollte, die Einrichtung trotzdem arbeitet, um eine Geschwindigkeitssteuerung, jedoch natürlich mit verringerter Vollkommenheit, zu liefern.

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Die Steueranordnung für die Geschwindigkeit eines

Motors ist insbesondere zum Antrieb von Nähmaschinen, Stichsägen und ähnlichen Vorrichtungen geeignet, welche periodisch sich ändernde Anforderungen an das Drehmoment haben, insoweit, als die einen gewöhnlichen Fuß- oder einen Triggerkontroller in der üblichen Weise verwendet, jedoch damit die Möglichkeit kombiniert, die "augenblicklich hohe Drehmomentanforderung, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten ohne Stehenbleiben zu liefern.

In der beigefügten Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der

Erfindung in Anwendung auf einen Serien-Kommutator-Motor zum Antrieb einer Nähmaschine. Fig. 2 zeigt eine AufUhrungsform der Erfindung in Anwendung auf einen Serien-Kommutator-Motor zum Antrieb einer Stichsäge. Die Erfindung ist natürlich nicht auf diese Ausführungs-

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formen beschränkt, sondern sie dienen lediglich zur Erläuterung von möglichen vorteilhaften Anwendungen der Erfindung und zur Erläuterung ihrer Vorteile.

Gemäß Fig. 1 ist der Stromkreis der Erfindung in Anwendung auf die Steuerung der Geschwindigkeit eines eine Nähmaschine 11 antrabenden Elektromotors Io durch Verändern des Widerstandes eines Fußkontrollers 12 dargestellt.

Ein üblicher Vollwellengleichrichter 13 in Brückenschaltung hat Eingangsanschlüsse 14 und 15, die jeweils durch Leitungen 16 und 17 mit einer (nicht dargestellt) Wechselstromquelle verbunden sind. Ein Schalter 18 kann zum wahlweisen Abschalten von der Energiequelle verwendet werden.

Strom wird dem Motor Io von dem positiven Ausgangsanschluß 19 und dem negativen Ausgangsanschluß 2o des VoIlwellengleichrichters 13 zu dem Motor Io durch zwei Serienstromkreise zugeführt. Der erste Stromkreis kann von dem positiven Ausgangsanschluß 19 durch Leitungen 21 zu einem veränderlichen Widerstand 23 des Fußkontrollers 12, durch eine Leitung 24 zu einem den Strom abfühlenden Widerstand 25, durch eine Leitung 26 zu einer in Serie angeschlossenen Feldwicklung 27 und einer Ankerwicklung 28 des Motors und durch Leitungen 29 und 3o zu dem negativen Ausgangsanschluß 2o verfolgt werden. Dieser Stromkreis ist.mit Ausnahme der Hinzufügung des den Strom abfühlenden Widerstandes 25 ein üblicher Steuerstromkreis mit Reienwiderstand, wie er gewöhnlich für die Steuerung der Geschwindigkeit

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von Nähmaschinen verwendet wird.

Ein zweiter Stromkreis kann von dem positiven Anschluß

19 durch die Leitung 21, einen Strombegrenzungswiderstand 31 zur Anode 32 eines gesteuerten Siliziumgleichrichters 33, von der Kathode 3^ durch Leitungen 35* 36 und 26 zu der Reihenfeldwicklung 27 und der Ankerwicklung 28, durch die Leitungen 29 und 30 zu dem negativen Ausgangsanschluß

20 verfolgt werden. Eine frei steuerbare Diode 37 ist in Nebenschluß zu der in Serie verbundenen Ankerwicklung 28 und der Feldwicklung 27 zu einem nachstehend zyferläuternden Zweck angeschlossen. Der den Strom abfühlende Widerstand 25 ist zwischen einem Tor-Steuerelement 38 und der Kathode 3^ des gesteuerten Siliziumgleichrichters 33 angeschlossen.

Es ist ersichtlich, daß der Motor Io gemäß vorstehender Beschreibung eine in Serie geschaltete Feldwicklung 27 und eine Ankerwicklung 28 hat; dies ist Jedoch nur eine AusfUhrungsmöglichkeit eines Gleichstrommotors, der in dem Stromkreis gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Andere Typen von Gleichstrommotoren, nämlich Nebenschluß-Feldmotoren und Motore mit permanentem Magnetfeld in dem Stromkreis gemäß der Erfindung können verwendet werden.

Falls der gesteuerte Siliziumgleichrichter 33 aus dem Stromkreis der Erfindung weggelassen wird, würde er eine übliche Steuerung mit Widerstandsreihenschaltung sein, welche bei niedrigen Geschwindigkeiten eine schlechte Steuerung zufolge der schlechten Geschwindigkeitsregelung dar-

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stellt, welche durch den Spannungsabfall in dem vom Bedienenden betätigten Kontrollerwiderstand 23 hervorgerufen wird, Irgendwelche Versuche des Bedienenden, einen Ausfall durch eine plötzlich angelegte Last oder ein Weglaufen der Maschine durch plötzliche Entlastung zu verhindern, sind bei einer Reihen-Widerstands-Steuerung unwirksam, weil die Zeit für die Reaktion des Menschen zu langsam ist, um der sich schnell ändernden Lastanforderung allein durch Manipulation des Kontrollers zu entsprechen.

Daher liegt das grundsätzliche Konzept der Erfindung darin, dem Motor Stromenergie durch einen Weg mit niedrigem Widerstand zusätzlich zu dem durch den Widerstand des Fußkontrollers zuzuführen und den Stromweg in Ansprechen auf eine erhöhte Belastung am Motor augenblicklich wirksam zu machen.

Arbeitsweise

Bei dem Stromkreis der Erfindung wird ein Strom-Abfühlwiderstand 25 von kleinem Wert in Reihe zu dem Kontrollerwiderstand 2j5 und dem Motor Io geschaltet. Für eine beliebige nicht belastete Geschwindigkeitseinstellung des Kontrollers 12 ist zufolge der Tatsache, daß der Strom durch den Motor Io annähernd konstant ist, der Spannungsabfall am Widerstand 25 ebenfalls konstant. Diese Spannung ist, wie ersichtlich, die Spannung zwischen Tor und Kathode des gesteuerten Siliziumgleichrichters J53 und steuert das Zünden des Gleichrichters 53. Der Wert des Widerstands 25 ist derart

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eingestellt, daß bei einer vorbestimmten geringen Belastung der Gleichrichter 55 gerade eben noch nicht zündet.

Wenn nun die Belastung an dem Motor über den vorbestimmten Wert erhöht wird, zieht der Motor einen erhöhten Strom ab, welcher den Spannungsabfall am Widerstand 25 erhöht, und bewirkt, daß der Gleichrichter 53 leitend wird und augenblicklich einen Stromzufluß zum Motor liefert, der im wesentlichen

be
nur durch den Reihenwiderstand ^l/grenzt ist, der auf einen beliebigen zweckentsprechenden Wert eingestellt werden kann. Die Tatsache, daß der gesteuerte Siliziumgleichrichter ~jfö in wenigen MikroSekunden eingeschaltet werden kann, nachdem die Torspannung in jeder Halbperiode der gleichgerichteten Spannung den Zündungsert erreicht, ermöglicht das schnelle Ansprechen, das zum Zuführen eines zusätzlichen Drehmoments notwendig ist, um den Motor am Stillsetzen zu hindern.

Das Arbeiten derjenigen Art gesteuerter Siliziumgleichrichter, wie sie Her verwendet werden, ist im Buch "General Electric Controlled Rectifier Manual, First Edition, 1960", Kapitel 1, im einzelnen beschrieben.

Weiterhin wird in diesem Stromkries der Gleichrichter 55 am Ende jeder Halbperio&de im wesentlichen dann abgeschaltet, wenn die Spannung an den Anschlüssen 19 und 2o auf den Wert "θ" geht, weil der Anoden_TKathoden-Strom unter den Wert des Halltestroms fällt, und das Tor kann eine Steuerung wieder erhalten, was eine allgemeine Eigenschaft gesteuerter Gleichrichter der vorerläuterten Art ist. Dieses Abschalten

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des Gleichrichters 33 bei "θ"-Spannung wird durch die Verwendung der frei steuerbaren Diode 37 gewährleistet, welche dahingehend arbeitet, einen lokalen Umlaufweg für den Reaktionsstrom der induktiven Last des Motors zu schaffen, und ihn dadurch daran zu hindern, durch dei Anoden-Kathoden-Strom des gesteuerten Siliziumgleichrichters 33 einen Haltestrom aufrecht zu erhalten. Auf diese Weise steuert der den Strom abfühlende Widerstand 25 tatsächlich während jeder Halbperiode, d. h. 12o mal je Sekunde bei einer Speisespannung von 6o Hertz und zündet entweder den Gleichrichter oder hält ihn während jeder Halbperiode in Übereinstimmung mit der Lastanforderung, wie sie durch den Widerstand 25 abgefühlt wird, in gesperrtem Zustand.

Es ist ersichtlich, daß die einzige Funktion des Abfühlwiderstands 25 darin besteht, das kleine Zündsignal der Tor-Kathode 38, 34 des gesteuerten Siliziumgleichrichters 33 zuzuführen. Demgemäß kann der Widerstand 25 einen sehr geringen Ohm¹ sehen Wert haben, der beispielsweise für die dargestellte Ausführungsform zum Antrieb eines Nähmaschinenmotors etwa in der Größe von einem oder zwei Ohm liegt. Dieser Wert ist so klein, daß er die maximale Geschwindigkeit des Motors nicht merklich beeinträchtigt, welche mit dem Kontrollerwiderstand 23 erreicht werden kann, der auf ¹¹O" reduziert ist.

Der Strombegrenzungswiderstand 31 kann eingestellt

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werden, um den Spitzenstrom, der durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter 33 geliefert wird, zu begrenzen und

er
wird so ausgewählt, daß/den Energieanforderungen entspricht

und dennoch eine weiche Energiesteuerung aufrechterhält.

Das Zünden des gesteuerten Siliziumgleichrichters in dem Stromkreis gemäß der Erfindung ist im wesentlichen eine Ein-Aus-Steuerung, es ist jedoch weiterhin eine Art Phasensteuerung vorhanden, und höharere Belastungsströme in dem Abfühlwiderstand 25 bewirken ein Zünden des gesteuerten Siliziumgleichrichters in der Halbperiode proportional früher. In jedem Fall ist die beispielsw^ese Frequenz so hoch, daß das Ergebnis eine enge Modulation des Speisestroms zu dem Motor ist, um seinen Lastanforderungen zu entsprechen.

Derjenige Teil des Stromkreises, der die selbsttätige Enerlegiezusatzfunktion liefert, ist in dem gestrichelten Rechteck 39 nur dargestellt, um die Doppelfunktion des Stromkreises als Ganzes zu betonen.

Fig. 2 zeigt die Anwendung der Erfindung auf eine Stichsäge 4o, welche durch einen Motor Io angetrieben wird, der eine in Serie angeschlossene Feldwicklung 27 und eine Ankerwicklung 28 hat, welche durch die Leiter 26 und 29 mit dem Stromkreis der Fig. 1 verbunden sind. Die Stichsäge 4o stellt eine Belastung am Motor Io dar, der zufolge der Belastung bei der Aufwärtsbewegung und Entlastung bei der Abwärtsbewegung des Sägeblattes einen periodischen und sin schnell ändernden Momenten-Bedarf hat. Diese Art Last kann

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ebenfalls mit Vorteil durch den Motor Io gespeist werden, wenn er durch den Stromkreis gemäß der Erfindung gesteuert wird, und zwar zufolge des schnellen und selbsttätigen Ansprechens des gesteuerten Gleichrichters auf Veränderungen von Lastbedingungen, wie sie durch den Strom-Abfühlwiderstand 25 abgefühlt wurden, wie oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde.

Der oben erläuterte St^romkreis enthält die Erfindung, in welchem ein Gleichstrommotor aus einer ungefilterten Wechselstromquelle mit Vollwellengleichrichtung mit einem vom Bedienenden betätigten und durch Widerstand gesteuerten Stromweg und durch einen zusätzlichen Stromweg gespeist wird, der durch periodisches Abfühlen des Motorstromkreises während jeder Halbperiode der Speisequelle selbsttätig gesteuert wird. Durch Verwendung eines einfachen StromabfühlWiderstands als dem einzigen Mittel zur Erzeugung der Torsteuerspannung für einen gesteuerten Feststoffgleichrichter, welcher den zusätzlichen Stromweg steuert, gestattet die Erfindung, daß der Motor den augenblicklichen Drehmomentanforderungen der Last ohne Anhalten oder Durchlaufen schnell entspricht.

Es können änderungen sowohl in der Ausbildung des Stromkreises als auch in den verwendeten Instrumenten vorgenommen werden, die im Rahmen der Erfindung bleiben.

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Claims

Patentansprüche

'IJ Stromkreis zum Steuern der Geschwindigkeit eines elektrischen Reihenkommutator-Motors unter Verwendung eines von Hand oder dgl. zu betätigenden variablen Widerstandes, der zum Steuern des Motor-Stroms zu dem Motor in Serie geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein gesteuerter Siliziumgleichrichter (33) vorgesehen ist, der bei Zünden zu dem veränderlichen Widerstand (23) periodisch einen Nebenschlußstromweg schafft und in Serie zu dem veränderlichen Widerstand (23) ein Fühlelement (Widerstand 25) vorgesehen ist, das in Ansprechen auf den Fluß des Motorstroms durch das % Fühlelement (25) ein Zündsignal an den Gleichrichter (33) liefert.
2. Stromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (lo) von einem ungefilterten Vollwellengleichrichter (13) gespeist ist, und in Nebenschluß zu dem Motor (lo) eine Diode (37) angeschlossen ist, die eine solche Polarität hat, daß in dem Motor O-o) ein Rück-Stromfluß auftritt, wenn der gesteuerte Gleichrichter (33) gesperrt ist.
3. Stromkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stromabfühlende Widerstand stellbar ist.

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