DE2312127A1

DE2312127A1 - Elektrische drehzahlregelungseinrichtung fuer einen wechselstrommotor

Info

Publication number: DE2312127A1
Application number: DE2312127A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Ing Hornung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-03-10
Filing date: 1973-03-10
Publication date: 1974-09-12
Also published as: SE405780B; DE2312127B2; NL186483B; DE2312127C3; CH560488A5; GB1464792A; IT1008407B; FR2220920B3; BR7401653D0; ES424116A1; US3875485A; NL7403167A; FR2220920A1; JPS49125819A; NL186483C

Description

R.1376

19..2.1973 Ve/Dr

Anlage zur

Pat e ηt anme1dung

ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart 1

Elektrische Drehzahlregelungseinrichtung für einen Wechselstrommotor

Die Erfindung betrifft eine elektrische Drehzahlregelungseinrichtung für einen Wechselstrommotor, insbesondere einen Hauptschlußmotor.

Es sind eine Vielzahl von elektronischen Schaltungen bekannt, die der Drehzahlregelung von Motoren dienen. Ihr Regelungsvermögen ist mehr oder minder abhängig vom Aufwand der verwendeten Bauteile. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei möglichst geringem Bauteileaufwand eine optimale Regelung zu erreichen.

Eine besonders einfache und wirkungsvolle Lösung ergibt sich, wenn gemäß der Erfindung die Ankerwicklung des Motors als ein Zweig einer, bei einer festgelegten Motordrehzahl abgeglichenen Brückenschaltung vorgesehen ist, und daß die bei einer Verstimmung der Brückenschaltung durch Verändern der Motordrehzahl auftretende Brückenspannung als Steuergröße einem Stellglied zuführbar ist, welches zwischen einer Spannungs-

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quelle und der Ankerwicklung des Motors vorgesehen ist.

Eine besonders exakte Regelung wird erreicht, wenn nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung zwischen der Brückenschaltung und dem Stellglied zur übertragung der Steuergröße ein Signalumformer mit einem nachgeschalteten übertragungsglied vorgesehen ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei Belastung des Motors innerhalb des Regelbereiches nur ein minimaler Drehzahlabfall zu verzeichnen ist, daß das maximale Drehmoment bzw. die maximale Stromaufnahme auf eine'n vorbestimmten Wert begrenzt wird, daß eine Anlaufstrombegrenzung erreicht wird und daß Netzunter- oder Netzüberspannungseinflüsse auf die Leerlaufdrehzahl beseitigt werden.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen sind nachstehend anhand dreier, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels, Pig. 2 ein Vergleichsdiagramm für einen ungeregelten und

einen erfindungsgemäß geregelten Wechselstrommotor. Fig. 3 die Schaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels, Fig. i\ die Schaltung eines dritten Ausführungsbeispiels.

In dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel wird ein Wechselstrom-Hauptschlußmotor, bestehend aus den Feldwicklungen 10, 11 und der Ankerwicklung 12 von einer Wechselstromquelle 13 gespeist. Zwischen die Feldwicklung und die Ankerwicklung 12 ist ein Triac 252 in Reihe mit; einem ersten Brückenwiderstand 15 geschaltet. Dieser erste Brückenwiderstand 15 bildet zusammen mit der Ankerwicklung 12 einen Längszweig einer Brückenschaltung. Den zweiten Längszweig der Brückenschaltung bildet ein zweiter Brückenwiderstand

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und ein dritter Brückenwiderstand 17. Zur Kompensation der Ankerinduktivität und zur Aussiebung der Ankerspannungsoberwellen ist parallel zum zweiten Brückenwiderstand 16 ein Kondensator

18 geschaltet. Der Verbindungspunkt der Widerstände 16 und ist an die Basis einee Transistors 19O in einem Signalumformer

19 angeschlossen. Der Verknüpfungspunkt des ersten Brückenwiderstandes 15 mit der Ankerwicklung 12 ist an den Emitter des Transistors 190 angeschlossen. Im Signalumformer 19 ist der Emitter des Transistors 190 über einen Versorgungskondensator 191t einen Strombegrenzungswiderstand 192 und einen Steuerkondensator 193 mit dem Kollektor des Transistors I90 verbunden. Zur Spannungsstabilisierung ist parallel zum Versorgungskondensator 191 eine Zenerdiode 19¹J geschaltet. Der Verknüpfungspunkt der Ankerv/icklung 12 mit der Feldwicklung 11 ist über eine Gleichrichterdiode 20 und einen Netzwiderstand 21 an den Verknüpfungspunkt des Strombegrenzungswiderstandes 192 mit dem Versorgungskondensator 19I angeschlossen. Parallel zum Steuerkondensator 193 ist der lichterzeugende Zweig 220 eines als optoelektronisches Koppelglied 22 ausgebildeten Übertragungsglieds 23 vorgesehen. Die Sekundärseite des Übertragungsglieds 23 besteht aus einem Fotowiderstand 221, der über einen zusätzlichen Zündkondensator 2k an einen Zündkondensator 250 in einem Stellglied 25 angeschlossen ist. In diesem Stellglied 25 ist der Zündkondensator 250 und ein dazu in Reihe geschalteter Ladewiderstand 251 parallel zu der Anoden-Kathoden-Strecke des Triac 252 geschaltet. Der Verknüpfungspunkt des Zündkondensators 250 mit dem Ladewiderstand 251 ist über eine Triggerdiode 253 mit der Steuerelektrode des Triac 252 verbunden.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 soll im folgenden anhand des Drehzahl-Drehmoment-Diagramms nach Fig. 2 beschrieben werden. Die Widerstände der Brückenschaltung 15, 16, 17, 12 sind so festgelegt, daß bei einem festgelegten, mittleren Drehmoment des Motors 10, 11, 12 die Brücke abgeglichen ist und keine Brückenspannung im Querzweig auftritt. Bei

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Belastung des Motors, d. h. mit zunehmendem Drehmoment M, fällt die Drehzahl η ab, wie es die durchgezogene Linie in Fig. 2 zeigt. Damit verringert sich auch die Ankerspannung und der Spannungsabfall an dem Widerstand 15 nimmt zu. Der mittlere Belastungszustand des Motors sei durch den Punkt C in Fig. 2 gegeben. Wird dieser Belastungszustand zu höheren oder niederen Drehzahlen hin verschoben, so wird die Brücke verstimmt und es tritt eine Brückenspannung auf. Diese Brückenspannung wird der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 190 zugeführt. Bei einer bestimmten Drehmomentvergrößerung bzw. Drehmomentverkleinerung, gekennzeichnet durch die Punkte D und B im Diagramm nach Fig. 2, erreicht die Brückenspannung einen Wert, der über dem Basis-Emitter-Schwellwert des Transistors 190 liegt. Der Transistor 190 wird leitend. Die am Anker 12 liegende Spannung wird durch die Gleichrichterdiode 20 gleichgerichtet und lädt den Versorgungskondensator 191 auf. Zur Stabilisierung der Kondensatorspannung des Versorgungskondensators 191 dient die Zenerdiode 19¹J. Der Ladestrom wird durch den Netzwiderstand 21 begrenzt. Der periodisch leitende Transistor 190 lädt über den Strombegrenzerwiderstand 192 den Steuerkondensator 193 über seine Xollektor-Emitter-Strecke periodisch auf. Die den Ladestrom bestimmenden Größen, die Spannung am Versorgungskondensator 191 und die Größe des Strombegrenzerwiderstandes 192 sind konstant. Die Aufladung des Steuerkondensators 193 hängt somit nur von der Zeit bzw. der Amplitude der Brückenspannung ab. Die Kondensatorspannung des Steuerkondensators 193 ist somit ein analoges Maß für die Belastung des Motors in den Bereichen außerhalb der Punkte B und D im Diagramm nach Fig. 2. Die Entladung des Steuerkondensators 193 erfolgt über den lichterzeugenden Zweig 220 des optoelektronischen Koppelgliedes 22. Der Zündzeitpunkt des Triacs 252, der in den Stromkreis des Motors geschaltet ist, wird durch die Große des Ladewiderstandes 251 und des Zündkondensators 250 bestimmt. Bei Erreichen ihrer Durchbruchspannung wird die Triggerdiode 253 stromleitend,

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die wiederum den Triac 252 stromleitend macht. Durch den Fotowiderstand 221, der seinen Widerstandswert in Abhängigkeit vom Lichtstrom des lichterzeugenden Zweigs 220 verändert, wird in Abhängigkeit vom Drehmoment des Motors der zusätzliche Zündkondensator 2Ί parallel zum Zündkondensator 250 kontinuierlich dazugeschaltet. Die gesamte wirksame Kapazität, die vom Ladewiderstand 251 auf die Durchbruchspannung der Triggerdiode aufgeladen wird,verändert sich dadurch und der Zündzeitpunkt des Triacs 252 wird verschoben. Im Bereich B bis D im Diagramm nach Fig. 2 ist die Brückenspannung zu klein um den Transistor 190 in den leitenden Zustand zu versetzen. Es fließt kein Lichtstrom im lichterzeugenden Zweig 220 des optoelektronischen Koppelglieds 22 und der Zündkondensator 250 ist allein wirksam. Es ergeben sich Stromflußwinkel von etwa l80°, wodurch der Motor praktisch die volle Netzspannung erhält. Wird der Bereich B bis D zu kleineren Drehmomentwerten hin verlassen, d. h. der Motor entlastet, so wird die Brücke 15, 16, 17, 12 stark verstimmt, der Transistor 190 wird leitend, durch den entstehenden Lichtstrom wird der Fotowiderstand 221 niederohmig gemacht, der zusätzliche Zündkondensator 2k wird mit zunehmender Drehzahl des Motors immer mehr wirksam und dadurch wird der Stroraflußwinkel verkleinert. Die Drehzahl des Motors steigt nicht weiter an. Man erhält den drehzahlgeregelten Bereich Ap-B. Wird der Bereich B bis D zu höheren Drehmomentwerten hin verlassen, d. h. der Motor stärker belastet, so entstehen Spannungsabfälle am Widerstand 15 bzw. an der Ankerwicklung 12 derart, daß die Spannung am Widerstand 15 zu-, und die Spannung an der Ankerwicklung 12 abnimmt, was ebenfalls eine Verstimmung der Brücke zur Folge hat. Die verringerte effektive Motorspannung verhindert in diesem Fall ein weiteres Ansteigen des Drehmoments. Es ergibt sich eine Begrenzung auf ein maximales Drehmoment, welches dem Punkt D im Diagramm nach Fig. 2 entspricht. Im Bereich Punkt D bis E₂ im Diagramm Fig..2 erhält man einen Motor mit Kippverhalten ähnlich dem eines Asynchronmotors. Dieser Effekt entsteht

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dadurch, daß durch Abnahme der Drehzahl η im Bereich D-E2 die Ankerspannung erstens durch die Abnahme der Ankerspannungsamplitude und zweitens durch den vom Stellglied verursachten Phasenanschnitt verringert wird. Der Phasenanschnitt als zweite Einflußgröße trägt zur Brückenverstimmung ebenso bei wie die erste, jedoch mit der Besonderheit, daß der Phasenanschnitt bereits eine Folge der Brückenverstimmung ist. Es ergibt sich eine Rückwirkung im Regelkreis derart, daß jede Abnahme des Stromflußwinkels eine sofortige weitere Verstimmung der Brücke und damit eine weitere Schwächung des Drehmoments 14 zur Folge hat. Das Anlaufdrehmoment des Motors liegt zwischen den Punkten E2 und D und ist wesentlich geringer wie das Anlaufmoment des ungeregelten Motors (Punkt E₁). Der Regler wirkt somit zusätzlich als AnlaufStrombegrenzer. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft des Reglers ist der Ausgleich von Netzspannungsschwankungen, bzw. Netzunter- und Netzüberspannungen auf die Leerlaufdrehzahl Punkt Ap. Wird beispielsweise durch eine Spannungsschwankung der Betriebsspannung 13 die Spannung am Anker 12 erhöht, so wird die Brücke verstimmt, die Brückenspannung nimmt zu und es ergibt sich aufgrund der bereits beschriebenen elektrischen Zusammenhänge ein verkleinerter Stromflußwinkel. Die Zunahme des Ankerspannungseffektivwertes durch die erhöhte Amplitude der Betriebsspannung wird durch den verkleinerten Stromflußwinkel ausgeglichen. Die Drehzahl η bleibt konstant.

Der Aufbau und die Wirkungsweise des in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Unterschiede ergeben sich einmal durch die Verwendung einer Leuchtdiode im lichterzeugenden Zweig 220 des optoelektronischen Kopplers 22, die auf einen geringeren Stromfluß angewiesen ist und erschütterungsunempfindlicher ist, als beispielsweise eine Glühlampe. Der sekundäre Teil des optoelektronischen Kopplers 22 wird durch einen Fototransistor 222 dargestellt. Da der Fototransistor 222 ein polares Schaltelement darstellt, der zusätzliche Zündkondensator 24 jedoch mit Spannung wechselnder Polarität £ß ^f$ SA₇^yTOt 5^{uß eine Gleictl}~

richterbrückenschaltung 30 dazwischen geschaltet werden. Als weiteren Unterschied zu dem Schaltungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Transformator 32 vorgesehen, dessen Primärwicklung 31 an der Netzspannung 13 anliegt und dessen Sekundärwicklung 33 über eine Brückengleichrichterschaltung 34 als Spannungsversorgung für den Signalumformer 19 dient. Diese Schaltungs-" Variante hat gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 den Vorteil, daß zur Aufladung des Versorgungskondensators 191 eine konstante Spannung zur-Verfügung steht. In der Schaltung nach Fig. 1 hängt die Spannungsversorgung des Versorgungskondensators 191 von der Ankerspannung 12 und damit von der Belastung des Motors ab.

Auch das in Fig. 4 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem Aufbau und der Wirkungsweise der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Im Unterschied dazu ist als übertragungsglied 23 ein magnetfeldabhängiges Koppelglied 40 vorgesehen. Dieses enthält primärseitig eine Magnetspule 401 und sekundärseitig einen magnetfeldabhängigen Widerstand 402. Solche magnetfeldabhängige Koppelglieder stehen auch als Halbleiterbauelemente, sogenannte Madistoren, zur Verfügung. Ein weiterer Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Verwendung einer Feldwicklung 11 des Motors als Primärwicklung 31 für den Transformator 32. Diese Anordnung ist gegenüber der Anordnung nach Fig. 3 einfacher und billiger auszuführen, bewirkt jedoch ebenfalls gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eine galvanische Trennung des Motorstromkreises vom übertragungsglied 19. Ein weiterer Unterschied ist die Verwendung zweier antiparallel geschalteter Thyristoren 254, 255 anstelle des Triac 252. Eine solche Anordnung ist erforderlich, wenn Motorleistungen auftreten, die über die Leistungsfähigkeit der heute bekannten Triacs hinausgehen. Auch die maximal zulässige Spannungs- und Stromanstiegsgeschwindigkeit von Thyristoren ist höher als die von Triacs. Für die Schaltung mit antiparallelen Thyristoren 254, 255 ist ein Zündtransformator

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256, 257, 258 vorgesehen, dessen Primärwicklung 256 zusammen mit der in Reihe geschalteten Triggerdiode 253 parallel zu dem Zündkondensator 250 geschaltet ist. Die Steuerelektroden der Thyristoren 25^» 255 sind je über eine Schutzdiode 259, 260 an ein Wicklungsende je einer Sekundärwicklung 257, 258 angeschlossen. Das andere Wicklungsende der Sekundärwicklungen 257, 258 ist jeweils mit der Kathode des entsprechenden Thyristors 25*1, 255 verbunden. Diese Schaltung der Thyristoren stellt eine an sich bekannte Anordnung dar.

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Claims

Ansprüche

f 1.!Elektrische Drehzahlregelungseinrichtung für einen Wechselstrommotor, insbesondere einen Hauptschlußmotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung (12) des Motors (10, 11, 12) als ein Zweig einer, bei einer festgelegten Motordrehzahl und Betriebsspannung 13 abgeglichenen Brückenschaltung (12, 15, 16, 17) vorgesehen ist, und daß die bei einer Verstimmung der Brückenschaltung durch Verändern der Motordrehzahl auftretende Brückenspannung als Steuergröße einem Stellglied (25) zuführbar ist, welches zwischen einer Spannungsquelle (13) und der Ankerwicklung (12) des Motors (10_Λ 11, 12) vorgesehen ist.

. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Brückenschaltung (12, 15, 16, 17) und dem Stellglied (25) zur übertragung der Steuergröße ein Signalumformer (19) mit einem nachgeschalteten übertragungsglied (23) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in drei Brückenzweigen der Brückenschaltung ohmsche Widerstände (15, 16, 17) und im vierten Brückenzweig die Ankerwicklung (12) des Motors vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Signalumformer ein Schwellwertschalter,

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vorzugsweise ein Transistor (190) vorgesehen ist, der durch die Brückenspannung steuerbar ist und durch den ein Steuerkondensator (193) in Abhängigkeit von der Steuergröße aufladbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die an der Ankerwicklung (12) des Wechselstrommotors liegende Spannung über einen Gleichrichter (20) dem Signalumformer (19) zuführbar ist und diesem der Spannungsversorgung dient.

6. Einrichtung nach Anspruch ¹J, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungsversorgung des Signalumformers (19) ein Versorgungstransformator (33) mit nachgeschaltetem Gleichrichter (3*0 vorgesehen ist.

7· Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feldwicklung (11) des Motors als Primärwicklung (3D des Versorgungstransformators (32) dient.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkondensator (193) im Signalumformer (19) durch das nachgeschaltete übertragungsglied (23) entladbar ist und als Mittelwertbildner vorgesehen ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als übertragungsglied (22) ein Vierpol verwendet wird, durch den

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die Gleichspannungssteuergröße am Kondensator (193) in den von Wechselstrom durchflossenen Steuerkreis des Stellgliedes (25) übertragbar ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

als Übertragungs-Vierpol ein optoelektronisches Koppelglied (22) vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß

als Übertragungs-Vierpol ein magnetfeldabhängiges Koppelglied vorgesehen ist.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied (25) eine an sich bekannte Phasenanschnitt-Steuerschaltung mit mindestens einem Halbleiterschalter (252, 25*1, 255) vorgesehen ist.

13· Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Phasenanschnitt-Steuerschaltung parallel zu dem den Zündzeitpunkt für den mindestens einen Halbleiterschalter (252, 25¹I, 255) bestimmenden Zündkondensator (250) eine Reihenschaltung eines zusätzlichen Zündkondensators (2¹I) mit dem variablen Widerstand (221, 222, 402) der Sekundärseite des Übertragungsgliedes (23) vorgesehen ist.

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