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Einfache Schaltungsanordnung eines elektronisch regelbaren Triggernetzwerkes
mit linearer Charakteristik zur phasensynchronen Anschnittsteuerung von Thyristoren.und
Triacs Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung eines Triggernetzwerkes
zur phasensynchronen Anschnittsteuerung von Thyristoren oder Triacs, die in Reihe
mit einer Last gesohaltet sind, wobei das Triggernetzwerk aus einer Vierachichtdiode
besteht, an deren Anodenanschluß über einen Widerstand (Drehzahlsollwert) der Triggerkondensator
aufgeladen wird.
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Bei gesteuerten Elektronikantrieben stört oft der erhebliche Drehzahlabfall
bei Belastung des Motors. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zu schaffen, die für einen Antriebsmotor benutzt werden kann und die auf einfache
Weise dafür sorgt, daß der Drehzahlabfall bei Belastung des Motors in tragbaren
Grenzen bleibt. Dies wird bei einer Schaltungsanordnung der obengenannten Art dadurch
erreicht, daß an deren anodenseitigem Steueranschluß ein Spannungsteiler liegt,
der von einer Störgröße (Strom, EMK, Tachospannung) beeinflußt wird, so daß eine
automatische Vorverschiebung des Zündzeitpunktes innerhalb der Netzphase bei grösserer
Motorlast erfolgt und der Motor in der Drehzahl nicht so abfällt wie es ohne die
Kompensation der Fall wäre.
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Bei einem Gleichstrommotor kann zur stromabhängigen Beeinflussung
ein im Motorkreis liegender niederohmiger Widerstand oder eine Reihenschlußwicklung
dienen, die mit einem Glättungsglied zusammengeschaltet an der Steuerelektrode eines
Transistors liegen, der seinerseits parallel zum Fußwiderstand des Spannungsteilers
liegt.
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Die stromabhängige Beeinflussung erfolgt vorteilhafterweise durch
einen magnetfeldabhängigen Widerstand, der parallel zum Fußwiderstand des Spannungs'teilers
liegt. Es wäre denkbar,
den magnetfeldabhängigen Widerstand in Steuerabhängigkeit
vom Feld des Antriebsmotors zu bringen, jedoch ist hier der konstruktive Aufwand
relativ groß. Vorteilhaft ist es, wenn der magnetfeldabhängige Widerstand in einem
weichmagnetischen Eisenkern (Drossel) liegt, der von einer vom Motorstromdurchflossenen
Spule magnetisierbar ist.
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Um auch das Zünden der Vierschichtdiode, die vorteilhafterweise eine
Thyristortetrode ist, bei Zündwinkeln von9O0 zu ermöglichen, ist es vorteilhaft,
daß der Spannungsteiler über eine Trapezepannung (Zenerdiode) gespeist wird.
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Anhand der Zeichnung werden Ausführungebeispiele gemäß der Erfindung
beschrieben und die Wirkungsweise näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit veränderbarem Triggerkondensatorwiderstand,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit variabler anodengitterseitiger Ansteuerung der
Vierschichtdiode, Fig. 3 die prinzipielle Darstellung einer Schaltungsanordnung
zum Betrieb eines Gleichstromantri e bsmo tors , Fig. 4 eine entsprechende SchaltungsanordnungfUr
den Betrieb eines Universalmotors, Fig. 5 und 6 verschie&ene SchaltungsmUglichkeiten
zur Stromerfassung, Pig. 7 diagrammäßig idealisiert die Funktion der Schaltungsanordnung
nach Fig. 3 bis 6, Fig. 8 und 9 eine Gegenüberstellung der Kennlinien eines Reihenschlußantriebsmotors
ohne und mit Anwendung der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 bis 6, Fig. 10 Vollwellenspeisung
eines Gleichstromnebenschlußmotors mit Reihenschlußwicklung und Drehmomentkompensation
vom Ankerstrom abgeleitet, Fig ..1 1 die hierfür geltenden Drehzahl-Drehmomentenkeenlinien,
Fig.12 eine Schaltungsanordnung mit vollwellengespeister Drehz.ahlregelung über
die EMK eines-Gleich3tromnebenmotors m-it Reihenschlußwicklung, Fig. 13 die hierfür
geltende Drehzahl-Drehmomentenkennlinien, Fig.14 die Regelschaltung eines Induktionsmotors
(Einphasenwechselstrommotor mit Eandeneatorhitfsphase oder Spaltpolmotor
)
mit einer Tachomaschine zur Erfassung des Drehzahlistwertes, Fig. 15 die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinien
für die Antriebsanordnung nach Fig. 14, Fig. 16 eine der Schaltung nach Fig. 10
ähnliche Schaltungsanordnung mit einer Hilfsthyristorschaltung und Fig. 17 eine
GegenUberstellung der Spannungsverhältnisse mit und ohne Hilfsthyristor gemäß Fig.
16.
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Funktionsmäßig gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen
yersehen.
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Der Motor 1, der im Ausführungsbeispiel nach Pig. 3 ein Reihenschlußmotor
ist, liegt mit einem Thyristor 2 und einem später zu beschreibenden Netzwerk 3 zur
Erfassung des Stromee in Reihe an den Klemmen 4 und 5 des Wechselstromnetzes. Zur
Steuerung des Thyristors 2 dient eine Vierschichtdiode 6, die mit ihrer Kathode
7 am Steueranschluß 8 des Thyristors 2 liegt.
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Die Vierschichtdiode ist im vorliegenden Fall eine Thyristortetrode.
Der Anodenanschluß 9 der Thyristortetrode 6 liegt an dem Verbindungspunkt eines
einstellbaren Widerstandes 10 und eines die Triggerfrequenz bestimmenden Kondensators
11. Der Reihenschaltung von Widerstand 10 und KondensEor11 ist eine Diode 12 vorgeschaltet,
die gemeinsam über den Antriebsmotor 1 an den Netzklemmen 4 und 5 liegen. Der Widerstand
10 kann auch mit seinem oberen Anschlußpunkt, dem Punkt 19, angeschlossen werden
(s. Fig. 1 und 2). Der anodenseitige Steueranschluß 13 der Thyristortetrode 6 liegt
an einem Spannungsteiler, der aus den Widerständen 16 und 17 zusammengesetzt ist.
Der anodenseitige Steueranschluß 13 liegt am Verbindungspunkt 18 der Widerstände
16 und 17, wo gleichzeitig auch die Beeinflussung des Netzwerkes 3 angreift. Der
Spannungsteiler 15 - 17 liegt ebenfalls mit der Diode 12 in Reihe. Am Verbindungspunkt
19 der Widerstände 15 und 16 ist eine Zenerdiode 20 angeschlossen, deren anderes
Ende an der,Netzklemme 5 liegt. Der Unterschied der Anordnung nach der Fig. 4 besteht
im wesentlichen darin, daß der Motor 1 hier ein Universalmotor ist und der Thyristor
2 durch einen Triac 21-ersetzt wurde. Zur Erzeugung der Gleichspannung für das Trigger-Netzwerk
dient hier-eine Brückenschaltung
von Gleichrichtern 23, die an
einen Transformator 24 angeschlossen sind. Im übrigen ist der Aufbau äquivalent
zu der Schaltungsanordnung nach Fig. 2. Eine mögliche Ausbildung des Netzwerkes
3 zur Stromerfassung ist in Fig. 5 dargestellt.
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Hier ist ein niederohmiger Widerstand 25 zwischen dem Thyristor 2
und der Netzklemme 5 geschaltet. An dem Widerstand 25 wird ein dem Motorstrom proportionaler
Spannungsabfall abgegriffen. tber ein Glättungsglied, das aus den Widerständen 26,
27und dem Kondensator 28 besteht, wird ein Transistor 29 ausgesteuert, dessen Aussteuerungsgrad-die
Höhe der Teilerspannung am Punkt 18 über den Widerstand 30 bestimmt. Das Netzwerk
nach Fig. 6 ist im Gegensatz zu dem nach Fig. 5 auch für einen Motor mit Wechselspannung
verwendbar. Hier ist ein magnetfeldabhängiger Widerstand 31 zwischen dem Punkt 18
und der Klemme 5 eingeschaltet, der auf einem Kern 32 aufgewickelt von einer Spule
33 beeinflußt wird. Die Spule 33 liegt wiederum zwischen dem Thyristor 2 und der
Netzklemme 5. Das Ausgangssignal des magnetfeldabhängigen Widerstandes 31 ist somit
stromproportional und von der Stromrichtung unabhängig.
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In Abwandlung der Schaltung nach Fig. 1 nutzt die S¢haltungsanordnung
nach Fig. 2 auch die variable anodengitterseitige Ansteuerung der Vierschichtdiode
aus. Die Vierschichtdiode zündet, wenn der Augenblickswert der Anodenspannung größer
als das eingestellte Anodengitterpotential ist. So werden z.B. der Widerstand 10
von Hand eingestellt und der'Widerstand 17 von einem Störwert beeinflußt. Bei höheren
Anforderungen an die Regelung ist der Widerstand 10 nicht variabel und nur 17 wird
über eine Regelabweichung verändert. Die Steuerkennlinie ist dann im Gegensatz zu
der nach Fig. 1 linear.
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Anhand der Fig. 7 soll die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung
erläutert werden. Der Kondensator 11 lädt sich bei Einschalten der Schaltungsanordnung
mit einer bestimmten Steilheit auf, die u.a. abhängig ist vom eingestellten Vorwiderstand
10. Erreicht der Kondensator die Höhe der am Punkt.18 anliegenden Teilerspannung,
so zffndet die Thyristortetrode 6 durch, wodurch der Thyristor 2 leitend
wird.
Je niederohmiger der Widerstand 19 eingestellt ist, umso steiler ist die Kondensatoraufladung.
Je steiler die Kondensatoraufladung, desto früher ist der Zündzeitpunkt innerhalb
der Netzhalbwelle, die in Fig. 7 mit a bezeichnet wurde. ttbt gibt die Spannung
des Spannungsteilers am Punkt 18 wieder, "c" stellt die Spannungszeitfläche für
den Kondensator 11 dar und a den Anteil der für den Motor wirksam werdenden Netzhalbwelle
a. al, b1, cl und 21" stellen die äquivalenten Werte bei belastetem Motor, d.h.
bei größer werdendem Belastungsstrom dar. Diese Werte ergeben sich dadurch, daß
das Spannungspotential am Punkt 18 durch die stromabhängige Beeinflussung durch
das Netzwerk 3 vermindert wird, BO daß die Zündung der Thyristortetrode 6 zu einem
früheren Zeitpunkt innerhalb der Netzhalbwelle a erfolgt. Der Motor erhält damit
eine höhere Netzenergie und ein großer Teil des Drehzahlabfalles, wie er ohne Kompensation
vorhanden wäre, wird vermieden; was vor allem bei niedrig eingestellter Leerlaufdrehzahl
(untere Kennlinie Fig. 9) von Bedeutung ist, weil der Motor sonst das Losbrechmoment
nicht überwindet und stehen bleibt.
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Die Figuren 8 und 9 zeigen hierzu einige Drehzahl-Drehmomentenkennlinien
für einen Reihenschlußmotor, und zwar die Fig. 8 Kennlinien entsprechend einer Schaltung
ohne die erfindungsgemäße Beeinflussung und Pig. 9 die Kennlinien nach Fig. 8 unter
Anwendung des Netzwerkes 3. Zur Fig. 4 ist noch nachzutragen, daß das Triggerglied,
das aus den Teilen 10 bis 17 und der Zenerdiode 20 besteht, hier mit beiden Netshalbwellen
arbeitet. Der Thyristor 8 wird in jeder Netzhalbwelle synchron zum gleichen Zeitpunkt
gezündet, eine Zündpunktsverschiebung erfolgt auch hier zunächst mit dem durch den
Widerstand 10 festgesetzten Sollwert und übergeordnet mit dem Stromeingriff über
das Netzwerk 3, das hier vorzeichenunabhängig arbeiten muß. Die Zenerdiode 20 dient
sowohl bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 als auch bei der Schaltungsanordnung
nach Fig. 4 zum -einwandfreien Funktionieren der Schaltungen, da ohne die Zenerdiode
ein Zünden der Thyristortetrode 6 bei Zündwinkeln cgo° el. mehrdeutig sein kann,
weil die in Wirklichkeit nichtlineare Aufladefunktion von 11 und die Sinusfunktion
sich tangential nähern. Die Funktion der Schaltungsanordnung nach Fig. 13 wird wie
folgt beschrieben:
in einem geschlossenen Regelkreis wird der vorgewählte
Drehzahlsollwert mit der drehzahlproportionaien EMK verglichen; die aus einer Brückenanordnung,bestehend
aus dem Anker, der Reihenschlußwicklung und zwei verhältnisgleichen Parallel widerständen
37, 38 durch Vergleich des ohm'schen Spannungsabfalles-am Motor gewonnen wird. Tritt
infolge Motorbelastung eine Differenz zwischen Soll- und Istwert auf, eo wird über
einen Transistorverstärker 3 und ein nachfolgendes, phasensynchrones Triggerglied
der Zündzeitpunkt der Thyristoren 2 inder halbgesteuerten -Brücke in der Netzphase
derart verschoben (Phasenanschnittsreelung), daß der Motor mehr Energie erhält und
seine eingestellte Leerlaufdrehzahl auch bei Last weitgehend einhalten kann.
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Für die zudi Schaltungsanordnung nach Fig. 14 ergibt sich folgende
Funktion: in einem geschlossenen Regelkreis wird der vorgewählte Drehzahlsollwert
U5 mit einer drehzahlproportionalen Tachospannung UT verglichen. Tritt infolge Motorbelastung
eine Differenzzwischen beiden Werten auf, so wird über einen Transistorverstärker
V und ein nachfolgendes, phasensynchrones Triggerglied Tr der Zündzeitpunkt des
Triac T in der Netzphase (Phasenanschnittsregelung) derart verschoben, daß der Motor
mehr Energie erhält und seine eingestellte Leerlaufdrehzahl auch bei Last weitgehend
einhalten kann.
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Die Regelung erlaubt ein Arbeiten auch in dem bei normaler Steuerung
instabilen Drehzahl-Drehmomentbereich des Einphasenkondensatormotors. In der Endaussteuerung
des Triac hat der Motor volle Netzspannung und zeigt dann sein natürliches Motorverhalten
als- Begrenzungskennlinie.
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Die Schaltung nach Fig. 16 ist in preislicher Hinsicht von Vorteil,
da weder der Trenntransformator 24 gemäß Fig. 12, noch die Tachomaschine 40 gemäß
Fig. 14 erforderlich sind und der Verstärker 3 gemäß Fig. 10, 12, 14 entfällt. Die
mit dieser Schaltung ermittelbaren Werte reichen für viele Anwendungen aus (Nähmaschinen,
Bürodrucker usw.). Der Hilfsthyristor 42 gewährleistet in jedem Fall eine sichere
Funktion. Er zündet mit Zündung der Thyristortetrode 6 und verhindert ein wieder--holtes-
Aufladen im Triggerkondensator 11.
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Im Gegensatz'zu der Stromkompoundierung haben die Regelschaltungen
beispielsweise mit EMK und Tachospannung den Vorteil der einfacheren Stabilitätseinstellung.
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6 Patentansprüche 17 Figuren