DE2636589C2

DE2636589C2 - Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2636589C2
Application number: DE2636589A
Authority: DE
Inventors: Franklin O. Chambersburg Pa. Wisman
Original assignee: T B WOOD'S SONS Co CHAMBERSBURG PA US
Current assignee: T B WOOD'S SONS Co CHAMBERSBURG PA US
Priority date: 1975-08-13
Filing date: 1976-08-13
Publication date: 1982-05-06
Also published as: US4010411A; FR2321213B1; SE424248B; ES450552A1; IT1069908B; CA1059213A; GB1563816A; NL7609038A; FR2321213A1; DE2636589A1; CH600675A5; BE845031A; SE7609016L

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines aus einer Wechselspannungsquelle gespeisten Gleichstrommotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Eine solche ist bekannt durch die DE-OS 22 04 435.

Aus der DE-OS 21 55 996 ist eine Schaltung zum Stabilisieren der Drehzahl eines Universalmotors bekannt, bei der der Temperatureinfluß, insbesondere auf die Zünd-Daten eines Thyristors, durch mehrere, in einen Spannungsteiler eingefügte Dioden kompensiert wird, so daß eine temperaturunabhängige Vorgabe einer Kleindrehzahl möglich wird.

Weiterhin ist aus der DE-OS 22 03 827 eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines durch eine Wechselspannungsquelle gespeisten Gleichstrommotors bekannt, bei der mehrere Widerstände kurz geschlossen werden können und dadurch die Drehzahl geändert werden kann. Dabei wird aus dem Spannungsabfall an einem Widerstand ein dem Motorstfom proportionales Signal abgeleitet, um dem Motor bei höherer Belastung eine entsprechende, höhere Spannung zuzuführen, so daß der durch die höhere Belastung bedingte Drehzahlabfall zumindest teilweise kompensiert wird.

Aus der DE-OS 17 63 006 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines der Drehgeschwindigkeit eines Reihenschlußmotor!! entsprechenden Signals bekannt, das dann in einem Regler benutzt werden soll. Dabei geht es insbesondere um das Problem, die Zündung von Thyristoren bei großeti Leitwinkeln zu gewährleisten.

Die DE-AS 15 88 073 zeigt eine Einrichtung zur Drehzahlregelung eines konstant erregten Gleichstrommotors, bei der ein erstes Potentiometer für die Einstellung des Sollwertes sowie weitere Widerstände vorgesehen sind;die am ersten Widerstand abgegriffene Spannung ist proportional zum Ankerstrom und dadurch zur Motorbelastung.

Schließlich geht eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines aus einer Wechselspannungsquelle gespeisten Gleichstrommotors der angegebenen Gattung aus der DE-OS 22 04 435 hervor und weist eine steuerbare Gleichrichteranordnung, eine Einrichtung zum Steuern der Gleichrichteranordnung in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall an einem durch den Motorstrom beaufschlagten Widerstand, eine is Drehzahlbezugsschaltung und eine mit dem Widerstand verbundene Lastkompensationsschaltung zum Beeinflussen der Drehzahlbezugsschaltung durch den Motorstrom auf.

Eine solche Lastkompensationsschaltung ist jedoch nur auf die Durchschnittswerte des Betriebs des Gleichstrommotors, insbesondere auf durchschnittliche Drehzahlen, abgestellt. Aufgrund verschiedener Einflüsse, beispielsweise der inneren Verluste, des scheinbaren Spannungsabfalis in dem Gleichstrommotor, aber auch aufgrund des Verhaltens einer solchen Schaltungsanordnung bei großen Drehzahlbereichen, hat sich jedoch in der Praxis herausgestellt, daß die Auslegung der Lastkompensatiovisschaltung auf durchschnittliche Drehzahlen für einen optimalen Betrieb nicht ausreicht. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der angegebenen Gattung zu schaffen, die eine drehzahlabhängige Lastkompensation ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß dur-'h die beanspruchte Anschaltung der beiden Potentiometer der Lastkompensationsschaitung über eine Diode bzw. eine Z-Diode an die Bezugsschaltung eine selbsttätige Umstellung der Kompensation, unabhängig von der Grundeinstellung. von dem für niedrige Drehzahlen optimalen Wert auf den für hohe Drehzahlen günstigeren Wert durchgeführt werden kann. Dabei wird die Grundeinstellung von dem ersten Potentiometer vorgegeben, während die Einstellung auf die Lastkompensation bei hohen so Drehzahlen über das zweite Potentiometer erfolgt, das über die Z-Diode mit der Drehzahlbezugsschaltung verbunden ist.

Ein weiterer Vorteil dieser Schaltungsanordnung ergibt sich durch die Verwendung der Diode, die noch zusätzliche, auf Temperaturänderungen zurückzuführende Schwankungen ausgleicht, da sie das thermisch bedingte Driften der elektronischen Bauelemente, beispielsweise der Transistoren und Dioden, kompensiert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Aufbau einer Schaltungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung, und

(,5 F i g. 2 einen Teil einer Modifiaktion der Schaltungsanordnung nach Fig. I.

Zur Vereinfachung der Beschreibung ist die in Fig. I dargestellte Schaltungsanordnung in mehrere Funk-

tionsgruppen unterteilt. Zu diesen Funktionsgruppen gehören eine Gieichrichterbrücke 10 mit Leistungshalbleitern, ein Impulsgenerator 20, ein Fehler-Vergleicher/-verstärker 30, ein Motor 40 und eine Drehzahlbezugsschaltung 50, Außerdem sind in F i g. 1 eine Drehzahl-Rückkopplungsschaltung 90, über die dem Vergleicher 30 die Motorankerspannung zugeführt wird und eine IR-Belastungsausgleichsschaltung 60 dargestellt, durch die der Drehzahlbezugsschaltung 50 der Motorankerstrom zugeführt wird; die Drehzahlbezugsschaltung 50 liegt in Reihe zu dem Fehler-Vergleicher/-Verstärker 30. Der Impulsgenerator 20 weist einen Synchronisations- oder Ansteuerteil 80 auf. Schließlich ist in F i g. 1 noch eine Strombegrenzer 70 zu erkennen.

Die aus Leistungshalbleitern aufgebauten Brücken 10 erhalten Energie von einer Wechselspannungsquelle 2. Dioden 11 bis 12Λ bilden eine Brücke, um einen vollweggleichgerichteten Strom einer Motorfeldwicklung 41 und über eine Leitung 15 dem Impulsgenerator 20 zuzuführen. Die Dioden 11 und 11/t arbeiten mit gesteuerten Gleichrichtern 13 und 13Λ zusammen, um einen einstellbaren, vollweggleichgerichteten Strom dem Motoranker 42 über Leitungen 16 bi^r-18 und über einen Widerstand 4 zuzuführen. Am Widerstand 4 liegt eine Spannung an, die dem Ankerstrom proportional ist.

In dem Impulsgenerator 20 wird die zeitliche Steuerung der Impulse durch die Größe des Stromes auf einer Leitung 21 reguliert. Wie dargestellt, wird mittels des Stroms, der vom Kollektor eines Transistors 31 in dem Vergleicher 30 abgenommen wird, ein Kondensator 22 geladen. Wenn die Ladung und Spannung an dem Kondensator 22 einen kritischen Wert erreichen, wird ein Unijunctiontransistor 23 leitend, der dann d^n Kondensator 22 über die Primärwicklung eines Transformators 24 entlädt. Die Sekundärwicklungen des Transformators sind mit den Steuerelektroden der gesteuerten Gleichrichter 13 und \3A verbunden, um diese zu zünden.

Eine Z-Diode 25 hält die Basisspannung des Unijunctiontransistors 23 auf einem entsprechenden Pegel. Dt Betrieb des Impulsgenerators 20 wird mit der Stromversorgung mittels eines Ansteuerteils 80 mit einem Transistor 81 synchronisiert. Der Transistor 81 wird durch Ansteuern seiner Basis leitend, die von der Leitungsspannung aus über Widerstände 82 bis 84 gespeist wird. Während des größten Teils der Stromv^rsorgungsperiode ist der Transistor 81 in Sättigung gesteuert: am Ende der Periode geht der die Basis steuernde Strom jedoch durch null; wenn der Transistor 81 nicht mehr leitend ist, liegt keine Basisspannung an den Unijunctiontransistor 23 an. Bei Wegfall der Basisspannung wird der Kondensator 22 beim Bsginn der folgenden Halbperiode der Speisespannung auf einen gleichbleibenden niedrigen Pegel entladen.

Der Fehlerverglcichcr-Verstärker 30 spricht über einen Widerstand 8 auf ein Signal von der Drehzahlbezugsschaltung 50 an und vergleicht dieses Signal mit einem Signal, das die Motorankerspannung darstellt und über einen Rückkopplungswiderstand 90 zugeführt wird. Die positive Leitung 17 stellt hierbei den gemeinsamen Bezugspegel dar. Das Drehzahlbezugspotential, das die gewünschte Motordrehzahl darstellt, wird an die Basis des Transistors 31 angelegt, der dadurch mit einem höheren Ladestrom, welcher über eine Leitung 21 von dem Kondensator 22 entnommen wird, leitend gesteuert wird. Durch den höheren Ladestrom wird der Zündzeitpunkt des Impulsgenerators 20 vorverstellt, wodurch die an den Motoranker 42 angelegte Spannung zunimmt. Das der Ankerspannung entsprochende Signal, das über den Widerstand 90 rückgekoppelt wird, führt zu einem Spannungsabfall an Widerständen 32 und 33 in der Emitterschaltung des Transistors 31, Dieses Potential an der Emitterschaltung führt zu einer Verringerung der Basisspannung bezüglich der Emitteransteuerung, woJurch das Leitvermögen vermindert und ein Gleichgewicht zwischen einer

ίο vorgegebenen Drehzahl-Bezugssignalspannung einer bestimmten Motorankerspannung hergestellt wird. Ein Kondensator 34 dient zum Ausgleich der Wirkung der Rückkopplungswelligkeit und arbeitet mit dem Widerstand 8 zusammen, um einen weichen, zeitlich gesteuerten Anstiegsbeginn zu schaffen.

Die Drehzahlbezugsschaltung 50 weist ein Potentiometer 51 für die Auswahl der Drehzahl auf, das zwischen einstellbare Widerstände 52 und 53 geschaltet ist, um maximale bzw. minimale Drehzahlgren?.werte einzustel-

2» len.

Der Widerstand 52 ist mit der Lastkompensationsschaltung 60 über eine Diode l>^ verbunden, um eine thermische Kompensation des Sysiems zu erreichen. Die an die Serienschaltung mit dem Potentiometer 51 angelegte Spannung wird mittels einer Diode 54 reguliert, die mit der Lastkompensationsschaltung 60 verbunden ist. Die Drehzahlbezugsschaltung 50 wird über einen Widerstand 7 durch den Strom gespeist, welcher die Zwischenbasen des Unijunctiontransisiors

JO 23 und eine Z-Regeldiode 25 des Impulsgenerators passiert. In manchen Fällen kann es angebracht sein, im Hinblick auf eine bestimmte Auslegung und Ausführung den Wert des Widerstandes 7 auf null zu verringern.

Die Lastkompensationsschaltung 60 weist Potentiometer 61 und 62 auf, die mit der Spannung gespeist werden, die von dem den Widerstand 4 durchfließenden Ankerstrom gebildet wird. Das Potentiometer 61 stellt die Grundausgieichseinstellung dar; üblicherweise ist die Z-Diode an eine gemeinsame positive Leitung zurückgeführt, wodurch die vorgenommene Korrektur bei niedrigen Drehzahlen größer und bei höheren Drehzahlen schwächer wird. Wenn die Z-Diode zu dem Schleifarm des Potentiometers 61 zurückgeführt ist, wird die dadurch erzielte Korrektur unabhängig von der Drehzahleinstellung. Außerdem ist das Phasensteuerungsverhalten bei hohen Leitungswinkeln und Drehzahlen weniger empfindlich. Ferner erfordern die Motore unterschiedliche Korrekturen bei verschiedenen Drehzahlen, und zwar in Abhängigkeit von Dimensionen bzw. Proportionen, die sich von einer Ausführung zur anderen ändern.

Um diese Erfordernisse aufeinander abzustimmen, ist die programmierte Lastkompensation vorgesehen Dies wird durch Einbringen eines zweiten Potentiometers 62

si erreicht, mit dem die Kathode der Z-Diode 54 verbunden ist. Hierdurch kann die Kompensation unabhängig von der Grundeinstelluiig oder der Einstellung bei niedriger Drehzahl wirksam auf hohe Drehzahlen verstellt werden. Üblicherweise wird sie, um die vorerwähnten Wirkungen auszugleichen, eingestellt, indem ein größeres Kompensationssignal an den Schleifarm des Potentiometers als an das Potentiometer 61 angelegt wird, obwohl in besonderen Fällen ein unterschiedliches Drehzahl/Belastungs-Kompensationsverhalten ohne weiteres programmiert werden könnte.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Hauptursache für das thermische Driften eine Besonderheit und

Eigentümlichkeit des Basis-Rmitter-Übergangs in dem Transistor 31 ist. Diese Übergangsgegen- oder Kompensationsspannung von 0,65 V nimmt mit zunehmender Temperatur ab und ist der Grund, weshalb die Drehzahl langsam zunimmt, wenn die Schaltungsanordnung wärmer wird. Dieser Einfluß kann ausgeglichen werden, indem ein ähnlicher Halbleiterübergang in der Drehzahlbezugsschaltung 50 in Form einer Diode 55 vorgesehen wird. Wenn sie während des Betriebs derselben Temperatur ausgesetzt ist. verringert sie die Drchzahl-ßezugssignals-pannung um einen Betrag, wel eher der Ubergangsgegenspannung im Transistor 31 entspricht.

Die Aufgabe der Anstcuerschaltung besteht darin, die Ladung am Kondensator 22 am Ende jeder llalbperiode der zugeführten Energie auf einen gleichförmigen bzw. konstanten niedrigen Pegel zurückzustellen, was man am Durchlaufen der Nullspannungslinie erkennen kann.

BiMicr μ ι tu vciMincuciic ΓίίΊί iCniüi'fgcM V'OTWcfiuci worden, um dieses Syehronisieren zu erreichen. Im allgemeinen wird der Basis des Unijunctiontransistors 2.3 eine ungefilterte, gleichgerichtete Spannung zugeführt, wobei die Ansteuerung durch die Eigenverzögerung um dem durch die Diode 25 geschaffenen Z-Pegel auf null erreicht ist. Diese Maßnahme ist jedoch einer gelegentlichen Störung bei einer Unterbrechung des Net/schahers unterworfen, wenn die Kontakte zerkratzt sind oder beim Öffnen prellen. Ein kurzzeitiger •\usfall oder eine I nterbrechiing der Basisspannung des I 'nijunctionstransistors 23 kann die vorzeitige Zündung lies Impulsgenerator«, in einer Periode zur Polge haben, was dann zu einem übermäßig großen, nicht gewollten l.eitungsimpuls führt. Ein ähnlicher Fehler kommt vor. wenn die Stromversorgung durch Einsehwingstörungen beeinflußt ist. die sich in der Periodenmitte momentan 0 V nahern. Diese Störungen werden als »Einbrechen« bezeichnet und auf Regcnerierungserschcinungen in den Halbleitern großer Umformeinrichtungen, die demselben Stromversorgungsnetz zugeordnet sind, zurückgeführt. Diese Einbrüche dauern im allgemeinen in der Größenordnung von 15 bis 30 iisek. Durch die dargestellte Schaltungsanordnung wird die Verträglichkeit mit der gestörten Stromversorgung erreicht: das Schalten aufgrund einer Störung wird durch die dargestellte Schaltungsanordnung ebenfalls beseitigt, indem ein Kondensator 9 mit Widerstanden 5 und 6 zusammenwirkt, wodurch eine Entladungszeitkonstante von Millisekundendauer geschaffen wird, um die Spannung während der Schaltungsunrcgelmäßigkeiien aufrechtzuerhalten. Die mittels des Transistors 81

ί geschaffene Ansteuerung ist unempfindlich gegenüber Störungen in Form von Einbrüchen durch die in dem Kondensator 85 gespeicherte Ladung, die über die zugeordneten Widerstände mit einer Zeitkonstanten abfließt, die im allgemeinen in der Größenordnung von

ίο etwa 100 μ5ε!<. liegt.

Wie dargestellt, wird die Leitung 89 des Impulsgenerators 20 auf einer Spannung gehalten, die um die Spannung der Drehzahlbezugssehalhmg und um den Spannungsabfall am Widerstand 7 inner dem gemeinsa·

I) men positiven Bezugspegcl auf der Lotung 17 liegt, um diesen Unterschied zu vergrößern, der während des Nulldurchgang-Ansteuerintervalls durch die Wirkung des Kondensators 9 erhalten wird. Wenn sich ein N'JÜdiifCh^iin⁰ nähert. ^νν!Γ'.Ι '.!'.!Τ^ ''"' ' pitlina«n:in

:o nung der Transistor 81 über den Widerstand 83 oder 84 in Abhängigkeit davon angesteuert, ob die Leitung negativ ist. während die positive Leitung wirksam mit der gemeinsamen positiven Leitung 17 über die Diode 11 oder IM verbunden ist. Wenn die Lcitungsspannung

:■< sofort kleiner wird als tier Spannungswert, der auf der Leitung 89 erhallen wird, vergeht jede Möglichkeit einer Ansteuerung, bis die Leitungsspannung wieder durchlieft, und zwar unabhängig von den Werten der Bauelemente 82 bis 88. Bei der bisherigen Herstellung

in ähnlicher Ansteuerschaltungen, die jedoch parallele Einspeistingen für die DrehzaMbezugsschaltung und den Impulsgenerator aufweisen, ist die Leitung 89 mit der gemeinsamen Plusleitung 17 verbunden. Bei dieser Anordnung nähert sich die Basisansteuerung null, läuft

π aber nicht vorbei, und infolgedessen müssen Bauteile mit sehr genauen Toleranzen gewählt werden.

Die Serienspeisung des Impulsgenerators 20 führt zu einem geringeren Energieverbrauch: die Erwärmung in dem Vorwiderstand 5 überwiegt bei der herkömmlichen

*r> Parallelanordnung mit zwei Vorwiderständen.

In F i g. 2 ist eine geringfügige Abwandlung dargestellt, wobei der Basis-Emitterübergang eines bipolaren Siliziumtransistors 55 7" anstelle der Diode in der Drehzahlbezugsschaltung 50 verwendet ist. Durch diese

■ti Schaltungsabwandlung wird Symmetrie zwischen den Transistoren 31 und 557~erreicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines aus einer Wechselspannungsquelle gespeisten Gleichstrommotors mit einer steuerbaren Gleichrichteranordnung, mit einer Einrichtung zum Steuern der Gleichrichteranordnung in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall an einem durch den Motor beaufschlagten Widerstand, mit einer Drehzahlbezugsschaltung und mit einer mit dem Widerstand verbundenen Lastkompensationsschaltung zum Beeinflussen der Drehzahlbezugsschaltung durch den Motorstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastkompensationsschaltung (60) aus zwei, dem Widerstand (4) parallel geschalteten Potentiometern (61,62) besteht, von welchen der verstellbare Abgriff des ersten (61) Ober eine Diode (55) in einem ersten Eingang und der verstellbare Abgriff des zweiten (62) über eine Z-Diode (54) in einem zweiten Eingang der Drehzahlbezugsschaltung (50) verbunden sind

Z Schaltungsanordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlbezugsschaltung (50) ein Potentiometer (51) für die Auswahl der Drehzahl aufweist, das zwischen einstellbare Widerstände (52,53) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung rvjch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (55) mit einem der einstellbaren Widerstände (52) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Z-Diode '54) mit dem anderen einstellbaren Widerstand (53) verbunden ist.