DE2617131A1

DE2617131A1 - Anordnung zur drehzahlueberwachung eines gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2617131A1
Application number: DE19762617131
Authority: DE
Inventors: Benno Doemen
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1975-04-26
Filing date: 1976-04-17
Publication date: 1977-01-20
Also published as: FR2309064B3; DE2617131C2; FR2309064A1; US4097789A; CH588779A5

Description

Papst-Motoren KG 6.4.76

7742 -It.Georgen/Schw. °DT-426

Anordnung zur Drehzahlüberwachung eines Gleichstrommotors

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Drehzahlüberwachung eines insbesondere ungeregelten Gleichstrommotors mit wenig Strängen oder geringer Lamellenzahl.

Bei einfacheren Arbeitsmaschinen, vorzugsweise bei Fördergeräten für gasförmige oder flüssige Medien, besteht häufig das Bedürfnis, den Antriebsmotor in seiner Drehzahl zu begrenzen__oder_das_Absinken unter einen bestimmten Drehzahlwert zu überwachen,

Ventilatoren, insbesondere sogenannte Axialläufer, wie häufig zur Belüftung kompakt angeordneter Elektronikelemente in Computern oder dergleichen verwendet, sind in an sich bekannter Weise im praktischen Einsatz zu überwachen, weil bei ihrem Ausfall teure Anlagenteile Schaden leiden können. Dafür ist es aus den deutschen Offenlegungsschriften 19 48 9o6 und

21 47 982 bekannt, Ventilatoren mit einem Tacho-

Generator auszustatten, dessen Spannung eine drehzahlproportionale Frequenz (und/oder Amplitude) aufweist, um damit die Drehzahlüberwachung zu steuern. Solche bekannte überwachungseinrichtungen bedeuten jedoch einen Aufwand. Sie stellen separate, zusätzliche, raumbeanspruchende Bauteile dar. Sie sind auch fallweise nicht mit einem Standard-Lüfter kombinierbar.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine preiswerte, funktionssichere überwachungsvorrichtung für weniger aufwendige Antriebe ohne konstruktiven Eingriff in eine vorhandene Antriebslösung zu realisieren.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer eingangs genannten Anordnung dadurch erreicht, daß der Wechselanteil des mit der Rotordrehung synchron pulsierenden Speisestroms des Motors einer Auswerteschaltung zuführbar ist, welche eine von der Frequenz dieses Wechselanteils abhängige Signalgröße erzeugt, Die so erzeugte Signalgröße kann dann z,B, dazu benutzt werden, einen Alarm zu erzeugen, einen Reservelüfter einzuschalten oder das nicht mehr belüftete Gerät abzuschalten, - 2 -

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INSPECTED

J_-1

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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, sogenannte einsträngige, kollektorlose Gleichstrommotoren erfindungsgemäß zu betreiben. Die einphasig gespeisten Statorwicklungen solcher einsträngigen Motoren erzeugen im Betrieb ein reines elektromagnetisches Wechselfeld und wirken mit einem Hilfsmoment zusammen, wie es durch die DT-OS 22 25 442 oder die DT-AS 23 46 38o als Reluktanzmoment bekannt ist, Nun stellen solche Motoren nicht nur an sich schon preiswerte Antriebe dar, sondern bei ihnen ist auf einfache Weise im KOmmutierungszeitbereich der Strom besonders vorteilhaft auf sehr kleine Werte reduzierbar (quasi zu Null machbar) ,. wie z.JU die deutschen Patentanmeldungen 24 19 432 oder 24 52 o82

oder 25 55 o55 zeigen, auf welche Voranmeldungen zur Vermeidung unnötiger Längen ausdrücklich Bezug genommen wird.

Die Erfindung ist jedoch prinzipiell bei ungeregelten Gleichstrommotoren immer vorteilhaft anwendbar, wie auch noch bei Kollektormotoren mit mechanischem Stromwender kleiner Lamellenzahl,

In Ausgestaltung der Erfindung ist eine Anordnung vorgesehen, bei der die Netzgleichspannung die Reihenschaltung des Motors und eines Impedanzglieds speist, wobei die an diesem Impedanzglied auftretende Wechselspannungskomponente, welche eine der Drehzahl des Lüfters proportionale Frequenz hat, über einen Verstärker durch einen Bandpaß und von- dort über eine monostabile Kippstufe und dann über ein die Welligkeit glättendes und einen Mittelwert bildendes Zeitglied an die Ausgangsklemmen geführt wird, um dort eine drehzahlproportionale Signalgröße, vorzugsweise in Form eines Gleichspannungssignals zur Veranlassung ■der erforderlichen Schutzmaßnahmen, zu erzeugen.

Das in Reihe mit dem Lüftermotor befindliche Impedanzglied kann ein Widerstand oder eine Induktivität sein. Die Verwendung eines (allerdings teureren) Transformators hat den Vorteil, daß die nachfolgende Schaltung vom Lüftermotor und der Netzgleichspannung potentialmäßig getrennt ist.

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- 3 - 6,4.1976

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Die Zeichnung zeigt als Ausführungsbeispiel die bezüglich des Raumaufwandes besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung bei einem kompakt gebauten Axialventi1ator. Denn eine erfindungsgemäße Anordnung benötigt im Ventilator selbst -im Gegensatz zur bekannten Lösung mit Tachogenerator -praktisch keinen zusätzlichen Raum. Das Impedanzglied ist in unmittelbarer Nähe des zentralen Antriebsmotors, z.B. im Flansch eines Außenläufermotors oder irgendwo in der ZuI eTETfng~ün te"rzuFFi ng en "~weTc he Tatsache die unbeschränkte Anwendbarkeit der Erfindung bei vorgegebenen Standard-Antrieben demonstriert.

Während Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung einer Signalgröße darstelltj zeigt

Fig, IA eine Schaltungsvariante mit Transformator,

Fig. 2 die Umwandlung der Signalgröße in eine Überwachungsaktion,

Fig. 3 eine bevorzugte Variante eines Bauelements der Fig, I,

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Die gestrichelte Linie I-I der Fig. 1 deutet die Trennung zwischen Lüfter und Überwachungselektronik an, zu welcher im Normalfall nur die Leitungen O, M führen.

Fig. 1 zeigt links eine Batterie 10, z. B. mit U_n = 24 V, an welche über einen Schalter 11 der Gleichstrommotor G eines nur schematisch angedeuteten kompakten Axialventilators 12 angeschlossen werden kann. In der Leitung vom Motor G zum negativen Anschluß der Batterie 10 liegt am Knotenpunkt Y ein Impedanzglied Z, z. B. eine Drossel, ein Widerstand oder, wie in Fig. 1A dargestellt, die Primärwicklung 13 eines Transformators 14, dessen Sekundärwicklung mit 15 bezeichnet ist.

Von der Verbindung des Motors G mit dem Impedanzglied Z führt eine Leitung M zu einem Koppelkondensator 16, welcher von der im Betrieb an Z entstehenden Spannung nur die Wechselkomponente zu einem Verstärker V gelangen läßt, der diese Wechselkomponente verstärkt und sie einem Bandpaßfilter F zuführt, das z. B. bei einem .zweipoligen Motor G, welcher im Drehzahlbereich von 2 400...4 800 U/min arbeitet, im wesentlichen nur Frequenzen zwischen 40 und 80 Hz durchläßt und so die Wirkung von Störeinflüssen verringert. (Bei einer Drehung des Gleichstrommotors G tritt ein exakt mit der Rotordrehung synchroner' Wechselanteil im Speisestrom i auf, und damit entsteht ein solcher Wechselanteil auch in der Teilspannung an Z, und die Frequenz dieses Wechselanteils ist -ein direktes Maß für die augenblickliche Drehzahl des Motors.)

An den Bandpaß F ist ein mono stabiler Multivibrator K angeschlossen, dessen* Impulsdauer auf die zu überwachende Drehzahl abgestimmt ist (Impulsdauer z. B. 50 % der Periodendauer der zu überwachenden Frequenz). Mit seiner Hilfe wird ein der zugeführten Frequenz proportionales Mittelwertsignal erzeugt, welches folglich auch der · Drehzahl des Lüfters 12 genau proportional ist.

Das Ausgangssignal von K wird einem als RG-Glied ausgebildeten Integrator T mit einem Widerstand 17 und einem Kondensator 18 zugeführt, welcher Integrator eine 'mittelwertbildende und glättende Wirkung ausübt, so daß "an seinem Ausgang an den Klemmen OA ein.drehzahlproportional es Gleichspannungssignal U^₀ zur Verfügung steht.

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Durch Wahl oder Einstellung der R- und C-Eleinente in K und T kann man sowohl den Ausgangswert an T, d. h. die Höhe des Mittelwerts ^UA0 ^a^^{s aucn} ^ie Irapulsßrciße am Ausgang von K wahlweise einstellen.

Die Schaltelemente der Fig. 1 haben beispielsweise folgende "Werte: Ujt = 24 V; Gleichstromwiderstand des Lüftermotors G = 27 Ohm; Z als ohmscher Widerstand ca. 0,5 Olim; Strom i = 0,2...0,5 A.

Im Ausführungsbeispiel wird eine Hilfsspannung U_H benutzt, die aus vorhandenen Netzteilen entnommen werden kann. Statt dessen kann - .■diese-Hilfsspannung-aucli_i_v/ie._in.JE^>j.g..._.1. gestrichelte eingezeichnet, _ über einen Widerstand 21 und eine Zenerdiode 22 aus der Batterie entnommen werden. Da bei den meisten Anwendungsfällen die elektronischen Geräte, in die solche Lüfter eingebaut werden, über Hilfsspannungen verfügen, wird man diese regelmäßig den Geräten entnehmen können.

Zur völligen Trennung von Motor G und Überwachungsschaltung dient gemäß Fig. 1A der Transformator 14» dessen Sekundärwicklung 15 von der Wicklung 13 isoliert und direkt mit dem Verstärker V verbunden ist, da der Transformator 14 nur die Wechselanteile der an seiner Primärwicklung entstehenden Spannung überträgt. Der Rest der Schaltung ist mit Fig. 1 identisch.

Fig. 2 zeigt, wie der drehzahlproportionale Mittelwert bzw. mittlere Konstantwert am Ausgang des Integrators T verwendet wird, um eine bestimmte Maßnahme zu bewirken. Dabei wird die Ausgangsspannung U.Q einer Steuerschaltung W zugeführt, in der vorzugsweise mittels einer als Schmitt-Trigger S ausgebildeten Kippstufe bei Unterschreiten des kritischen Drehzahlmindestwertes des Lüfters 12 über ein Relais 23 an der erforderlichen Stelle das zu schützende Anlageteil 24 abgeschaltet wird. Die Einzelheiten der Schaltung des Schmitt-Triggers S ergeben sich aus Fig. 2.

Selbstverständlich kann das Wechselsignal auch auf andere Weise ausgewertet werden, z. B. indem man die Lade- und Entladekurve eines Kondensators direkt, z. B. bei Überschreiten eines Spannungswertes, benutzt. ·

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Pig. 3 stellt eine in Verbindung mit der Erfindung einfach aufgebaute und trotsdem hochverstärkende vorteilhafte Variante V¹ des Verstärkers nach Fig. 1 dar, deren erster Transistor TR₁ unmittelbar am Emitter mit dem Abgriff Y zwischen Motor G und Impedanzglied Z verbunden ist. Dadurch steht dem Transistor TR₁ das volle Signal an Z zur Verfügung. Durch hohe Verstärkung erhält man auch bei kleinen Werten von Z am Ausgang eindeutige, z. B. rechteckförmige Signale. Zur Temperaturstabilisierung von V dient eine Rückführung mittels eines Filterglieds 25, das zwei Kondensatoren 26 und 27 und einen Reihenwiderstand 28 enthält. Über dieses

spannungskomponente des Signals an TR„ zurückgeführt, Die Basis von TRp ist direkt an den Kollektor von TR. angeschlossen. Die Verstärkung von V¹ kann mit Hilfe des Filterglieds 25 frequenzabhängig gemacht werden, so daß V¹ mindestens einen Teil der Aufgaben des Bandpaßfilters F übernehmen kann. Durch geeignete Wahl der Kondensatoren 26 und 27 kann man dabei diese Filtercharakteristik des Verstärkers V¹ in der gewünschten Weise beeinflussen und verändern.

Dadurch, daß der Emitter von TR^ direkt mit Y verbunden wird, ergibt sich eine sehr hohe Verstärkung, so daß Z als ohmscher Widerstand von z. B. nur 0,5 Ohm ausgebildet werden kann und man bei. einem Motorstrom von 0,2 A nur einen Spannungsabfall von 0,1 V an Z erhält. Dies ist deshalb"wichtig, weil bei Geräten, die aus Batterien betrieben werden, die elektrische Energie meist weitaus teurer ist als bei netzbetriebenen Geräten und man daher bestrebt ist, die Verluste so niedrig wie nur irgend möglich zu halten. Außerdem erlaubt die Schaltung nach Fig. 3 eine recht gute potentialmäßige Trennung zwischen dem Kreis der HiI fs spannung U^ und dem Kreis der Batterie 10,

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Claims

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Patent - Ansprüche

( 1.^Anordnung zur DrehzahTüberwachung eines insbesondere ungere- ^-^ gelten Gleichstrommotors mit wenig Strängen oder geringer.Lamellenzahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselanteil des mit der Rotordrehung synchron pulsierenden Speisestroms (i) des Motors (G) einer Auswerteschaltung (K, T) zuführbar ist, welche eine von der Frequenz dieses Wechsel anteils abhängige Signalgröße (U«q) erzeugt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor mit Permanentmagnetrotor, dessen Stator ein reines Wechselfeld und dessen Rotor ein Reluktanz-Hilfsmoment erzeugt, in Verbindung mit einer Betriebsschaltung, welche den Strom des Motors im Zeitbereich seiner Kommutierung etwa auf den Wert Null verkleinert.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Anwendung bei einem Ventilator, insbesondere bei einem Kompakt-1 iifter.
4. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerteschaltung (K, T) ein auf die Betriebsdrehzahl des Motors abgestimmtes Bandpaßfilter (F) vorgeschaltet ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (M) in Reihe mit einem Impedanzglied (Z) an eine Speisegleichspannung (IL·) anschließbar ist und daß die im Betrieb an dem Impedanzglied (Z) auftretende Wechselspannung über einen Verstärker (V;V) der Auswerteschaltung (K, T) zuführbar ist.

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6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzglied (Z) als niederohmiger Widerstand ausgebildet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (V¹) mindestens zweistufig ausgebildet ist, wobei der Emitter seines ersten Verstärkertransistors (TR,) direkt mit einem Abgriff (Y) des Impedanzglieds (Z) und der Kollektor dieses ersten Transistors (TR,) direkt mit der Basis des zweiten Transistors (TR„) verbunden ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des zweiten Transistors (TR₂) und dem Eingang des ersten Transistors (TR,) eine frequenzabhängige Rückführung (25) vorgesehen ist.
9. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzglied als die Primärwicklung (13) eines Transformators (14) ausgebildet ist, an dessen Sekundärwicklung (15) der Verstärker (V) angeschlossen ist.
10. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine monostabile Kippstufe (K) aufweist, an deren Ausgang ein Integrierglied (T) angeschlossen ist.
11. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis lo, da durch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Auswerteschaltung (K, T) eine von der frequenzabhängigen Signalgröße (U.q) steuerbare Steuerschaltung (W), vorzugsweise ein Schmitt-Trigger (S), angeschlossen ist.

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