DE2906388A1

DE2906388A1 - Schaltungsanordnung zur drehzahlregelung eines reihenschlussmotors, insbesondere eines universalmotors

Info

Publication number: DE2906388A1
Application number: DE19792906388
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Moeder; Guenter Schirmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-02-20
Filing date: 1979-02-20
Publication date: 1980-09-04
Also published as: NL8001017A; JPS55117481A; US4259623A

Description

Rs 5 - ;

R.
22.1.1979

ROBERT BOSCH GMBH₇ 7000 Stuttgart 1

Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Reihenschlußmotors, insbesondere eines Universalmotors

Srand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Reihenschlußmotors, insbesondere eines Universalmotors, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist schon eine solche Schaltungsanordnung bekannt, bei welcher die Ankerwicklung des Motors einen Zweig einer bei einer festgelegten Motordrehzahl und Betriebsspannung abgeglichenen Brückenspannung bildet. Bei Veränderung der Motordrehzahl verstimmt sich die Brückenschaltung und die dadurch auftretende Brückensi>ajvaung bildet die Steuerspannung, die als Steuergröße dem Stellglied in einer Weise zugeführt ist, daß dieses der Drehzahländerung entgegenwirkt.

Bei dieser Schaftungsanordnung verursacht der mit der Ankerwicklung in Reihe liegende Brückenwiderstand, an dem eine dem Strom durch die

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i?

Ankerwicklung proportionale Spannung abfällt, eine zusätzliche Verlustleistung. Der Wirkungsgrad des drehzahl geregelten Motors ist damit gegenüber einem ungeregelten Motor selbst bei gleichem Betriebszustand schlechter.

Darüber hinaus hat diese Schaltungsanordnung kein besonders gutes Regelverhalten, vor allem bei kleiner Motorlast und damit bei kleinen Ankerströmen. Die Ursache hierfür liegt darin, daß die RegeIverstärkung nur begrenzt groß gemacht werden kann. Sobald nämlich ein so großer Strom durch die Ankerwicklung fließt, daß Eisensättigung auftritt, wird der magnetische Fluß praktisch stromunabhängig. Als Folge der Regelung wird · bei großer RegeIverstärkung die Drehzahl ansteigen und der Regelkreis instabil. Wie bereits erwähnt, läßt sich dies nur dann vermeiden, wenn die Regeiverstärkung klein ist, was allerdings eine Verschlechterung des RegeIVerhaltens bei kleinen Ankerströmen nach sich zieht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Reihenschlußmotors mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß zur Erzeugung der Steuerspannung kein zusätzlicher Brücken- oder Meßwiderstqnd in Reihe mit der Ankerwicklung liegt, so daß keine zusätzliche Verlustleistung auftritt. Der Wirkungsgrad des drehzahlgeregelten Motors ist besser. Beim Auftreten von Eisensättigung des Erregerfeldes steigt die die zweite Steuerspannungs-Komponente bildende Meßspannung weniger stark an als der durch den Feldwicklungsteil fließende Strom, der praktisch gleich dem Ankerstrom ist. Dadurch wird die dem Ankerstrom proportionale Steuerspannungs-Komponente mit einsetzender Eisensättigung automatisch begrenzt, wodurch eine Instabilität des Regelkreises, selbst bei großer

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ό Ι Z

2 -

Regei verstärkung verhindert wird. Das Regel verhalfen dieser Schaltungsanordnung ist wesentlich besser. Sie weist eine gute Regelkennlinie auf.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiferbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Reihenschlußmotors möglich.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dabei aus Anspruch 2. Hierdurch läßt sich in schaltungsfechnisch einfacher Weise die die zweite Sreuerspannungs-Komponente bildende Meßspannung gewinnen, die proportional der am ohmschen Widersfandsanteil der Feldwicklung oder des Feldwicklungsfeils abfallenden Spannung ist. Diese Meßspannung ist mit dem Ankerstrom in Phase und eignet sich damit besonders gut für das Regelprinzip. Dabei ist besonders vorteilhaft die Bemessung des RC-Glieds gemäß der Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 3.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 4. Hier wird der Operationsverstärker gleichzeitig zur Mittelwertbildung der beiden Steuerspannungs-Komponenten ausgenutzt. Dadurch werden die sonst zusätzlichen Kondensatoren zur Mittelwertbildung eingespart. Eine schal tungsfechnisch integrafionsfreundliche Lösung wird gewonnen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 5. Hierdurch wird erreicht, daß das Bezugspofential des integrierenden Verstärkers mit dem des Stellglieds zusammenfällt. Dadurch ist eine galvanische Trennung zwischen der Steuerelektrode des

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Triacs und der gemäß einer weiteren Ausführungsform nach Anspruch 7 vorgesehenen Phasenanschnittsteuerschaltung nicht erforderlich, was die Integrationsfreundlichkeit der Schaltungsanordnung insgesamt fördert.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 7. Durch das hier vorgesehene Potentiometer ist es möglich, die Nenndrehzahi des Motors einzustellen und diese [eweils durch die Schaltungsanordnung konstant zu halten. Je nach Stellung des Potentiometerabgriffs wird eine niedrige oder höhere Nenndrehzahi eingestellt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch Durch diese Maßnahmen,unter Berücksichtigung der angegebenen Polaritäten der beiden Dioden, wird in einfacher Weise sichergestellt, daß die Ausgangsspannung des integrierenden Verstärkers die Phasenanschnittsteuerschaltung in einem solchen Sinne beeinflußt, daß diese wiederum den Stromfiußwinkel des Triacs in der Weise verändert, daß eine Drehzahländerung entgegengewirkt wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dabei aus Anspruch 9, besonders in weiterer Ausgestaltung nach Anspruch 10. Durch diese Maßnahmen wird verhindert, daß in der Sperrphase des Triacs eine Steuerspannung am Eingang des integrierenden Verstärkers anliegt. Dadurch wird eine falsche Auswertung der Ankerspannung vermieden, da diese in der Sperrphase nicht am Bezugspotential der Schaltungsanordnung liegt.

Der vollständige Wortlaut der Ansprüche ist vorstehend allein zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen nicht wiedergegeben, sondern statt dessen lediglich durch Nennung der Anspruchsnummer darauf Bezug ge-

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i -

nommen. Hierdurch haben jedoch alle diese Anspruchsmerkmale als an dieser Stelle ausdrücklich und erfindungswesentlich offenbart zu gelten.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Schaltplan einer Schaltungsanordnung zur

Drehzahlregelung eines Reihenschlußmotors,

Fig. 2 eine Schaltskizze zur Erläuterung der Strom- und

Spannungsverhältnisse bei Gewinnung einer zweiten Steuerspannungs-Komponente.

Beschreibung des Ausfuhrungsbeispiels

In der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Reihenschlußmotors 1.0, insbesondere eines Uni versa I motors, ist dieser symbolisch durch seinen Kollektor mit den darauf aufsitzenden Bürsten dargestellt. Zwischen den beiden Bürsten erstreckt sich,elektrisch gesehen, eine Ankerwicklung 11. In Reihe mit der Ankerwicklung 11 ist, wie üblich, eine Feldwicklung geschaltet, die in einen Feldwicklungsteil 12 und einen Feldwicklungsteil 13 aufgeteilt ist. Der Reihenschlußmotor 10 ist in der hier gezeigten Schaltungsanordnung an eine Wechselspannungsquelle 14 angeschlossen. Die Schaltungsanordnung wirkt inder Weise, daß aus dem Stromkreis des Reihenschlußmotors 10,im folgenden Motor 10 genannt, bei Drehzahländerung eine Steuerspannung abnehmbar ist, die eine der Ankerspannung des Motors, also der Spannung an der Ankerwicklung 11, proportionale erste und eine dem Ankerstrom, also dem durch die Ankerwicklung 11 fließenden Strom, proportionale zweite

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-ir -

Steuerspannungs-Komponente aufweist und die als eine der Drehzahländerung entgegenwirkende Steuergröße einem Stellglied 15 zugeführt ist.

Das Steil glied 15 ist ais Triac 16 ausgebildet, der zwischen der Ankerwicklung 11 und dem Feldwicklungsteil 13 in Reihe mit diesen angeschlossen ist. Der Triac Io wird von einer Phasenanschnittssteuerschaltung 17 angesteuert, deren Ausgang mit der Steuerelektrode des Triacs 16 verbunden ist. Die erste Steuerspannungs-Komponente,in Fig. 1 durch den Pfeil 18 charakterisiert, wird an einem im wesentlichen parallel zur Ankerwicklung 11 liegenden Widerstand 19 abgegriffen. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Widerstand 19 als Potentiometer 20 ausgebildet, das der Reihenschaltung von Ankerwicklung 11 und Triac 16 parallel geschaltet ist. Am Potentiometerabgriff ist die erste Steuerspannungs-Komponente (Pfeil 18) abnehmbar.

Die zweite Steuerspannungs-Komponente wird von einer an dem FeldwJcklungsteil 13 des Motors 10 abgenommenen Meßspannung gebildet, die proportional der am ohmschen Widerstand des Feldwicklungsteil 13 abfallenden Spannung ist. Diese Meßspannung ist in Fig. 1 durch den Pfeil 21 angedeutet. Zur Gewinnung dieser Meßspannung ist dem Feldwicklungsteil 13 ein RC-Glied 22, bestehend aus Kondensator 23 und Widerstand 24,parallel geschaltet. Die Meßspannung (Pfeil 21) ist am Kondensator 23 abgegriffen. Diese Meßspannung (Pfeil 21) ist, wie bereit erwähnt, proportional der am ohmschen Widerstandsanteil des Feldwicklungsteils 13 abfallenden Spannung. Zur Erläuterung wird hierzu auf Fig. 2 verwiesen.

in Fig. 2 ist die Induktivität des Feldwicklungsteils 13 mir L und der ohmsche Widerstandswert des Feldwicklungsteils 13 mit r bezeichnet. Der Widerstandswert des Widerstandes 24 des RC-Glieds 22 ist mit R und die Kapazität des Kondensators 23 des RC-Gliedes 22 mit C bezeichnet.

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ΐ. ist der Ankerstrom, i. der Strom durch den Feldwicklungsteil 13, υ der Spannungsabfall am Feldwicklungsteil 13 und u~ die Kondensatorspannung des Kondensators 23.

i_ <<■ ι* wird i. «* L (1)

und man erhält für die Spannung u_ am Kondensator 23:

1/joC

l 2Γ II

Ά ' 1 + 1

= Ϊ . r ^{] +} fc^L/r (2)

Ά 1 + Ja₁RC ^{[ }}

Das RC-GIied 22 ist nunmehr derart bemessen, daß der Strom durch den Kondensator 23 sehr viel kleiner ist, als der durch den Feldwicklungsteil fließende Strom. Damit ist obige Bedingung (1) erfüllt. Der Widerstandswert R des Widerstands 24 und die Kapazität C des Kondensators 23 sind weiterhin so gewählt, daß das Produkt aus diesen beiden Werten gleich dem Quotienten aus der Induktivität L und dem ohmschen Widerstandswert r des Feldwicklungsteils 13 ist. Damit ist in obiger Gl. (2)

Gl. (3) in Gl. (2) eingesetzt ergibt

ü_c = i_A · r (4).

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Mit dieser Kondensatorspannung υ _ gemäß Gf. (4) erhält man eine Meßspannung (Pfeil 2I)₇ die dem Ankerstrom proportional und mit ihm in Phase ist und sich daher für das Regelprinzip besonders gut eignet. Außerdem hat diese Meßspannung den Vorteil, daß beim Auftreten von Eisensättigung des Erregerfeldes diese weniger stark ansteigt, als der Ankerstrom. Dies wirkt sich günstig für das RegeIverhalten der Schaltungsanordnung aus.

Die beiden Steuerspannungs-Komponenten, also die am Potentiometer abgegriffene erste Steuerspannungs-Komponente (Pfeil 18) und die am Kondensator 23 abgegriffene Meßspannung (Pfeil 21) werden mit einander entgegengesetzter Polarität einem Operationsverstärker 25 zugeführt. Dieser Operationsverstärker 25 ist als integrierender Verstärker 26 ausgebildet und die beiden Steuerspannungs-Komponenten sind an den invertierenden Eingang geführt. Der nicht invertiertende Eingang des integrierenden Verstärkers 26 ist mit einer Bezugspotential-Leitung 27 verbunden, die andererseits an dem mit der Parallelschaltung aus RC-Glied 22 und Feldwicklungsteil 13 verbundenen Anschluß des Triacs 16 angeschlossen ist. Durch diese Festlegung des Bezugspotentials wird erreicht, daß das Bezugspotential des Triacs 16 mit dem des integrierenden Verstärkers 26 zusammenfällt, so daß zwischen dem Ausgang der Phasenanschnittssteuerschaltung 17 und der Steuerelektrode des Triacs 16 keine galvanische Trennung vorgenommen werden muß. Der Ausgang des integrierenden Verstärkers 26 ist mit dem Eingang der Phasenanschnitteteuerschaltung 17 verbunden.

Die beiden Steuerspannungs-Komponenten (Pfeif 18 bzw. Pfeil 21) gefangen gleichgerichtet an den invertierenden Eingang des integrierenden Verstärkers 25, der noch eine Mittelwertbildung der beiden Steuerspannungs-Komponenten durchführt. Hierzu ist der Potentiometerabgriff des Potentio-

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meters 20 über eine Diode 28 und über einen Widerstand 29 mit dem invertierenden Eingang des integrierenden Verstärkers 26 verbunden. Dieser Eingang ist außerdem über einen weiteren Widerstand 30 und eine weitere Diode 31 an dem Verbindungspunkt von Kondensator 23 und Widerstand des RC-Glieds 22 angeschlossen. Die beiden Dioden 28 und 31 sind wie in Fig. 1 eingezeichnet gepolt, so daß am invertierenden Eingang des integrierenden Verstärkers 26 immer nur die positive erste Steuerspannungs-Komponente (Pfeil 18) und die negative zweite Steuerspannungs-Komponente (Pfeil 21) liegen.

Weiterhin ist noch ein in der Sperrphase des Triacs 16 aktivierbares Schaitgiied 32 vorgesehen, das dann das Anliegen einer Steuerspannung an dem invertierenden Eingang des integrierenden Verstärkers 26 verhindert. Dieses Schaltglied 32 weist einen von der Anodenspannung des Triacs 16 gesteuerten NPN-Transistor 33 auf, dessen Emitter-Kollektor-Strecke den Potentiometerabgriff des Potentiometers 20 mit der Bezugspotential-Leitung 27 verbindet. Zu dem Schaltglied 32 gehört noch ein aus den Widerständen 34 und 35 bestehender Spannungsteiler, der dem Triac 16 parallel geschaltet ist. An dem Spannungsteilerabgriff ist die Basis des Transistors 33 angeschlossen. Zwischen der Bezugspotential-Leitung 27 und der Basis des Transistors 33 ist noch eine Diode 36 geschaltet. Ist der Triac 16 leitend, so ist der Transistor 33 gesperrt. Sperrt der Triac 16, so ist die Ankerwicklung 11 nicht mit dem Bezugspunkt der Schaltungsanordnung verbunden. Dies würde zu einer falschen Auswertung der ersten Steuerspannungs- Komponente bei der Mittelwertsbildung im integrierenden Verstärker 26 führen. Sobald der Triac 16 sperrt, entsteht am Widerstand 35des Spannungsteilers 34, 35 ein Spannungsabfall, der ausreicht, den Transistor 33 durchzusteuern. Dadurch wird der Potentiometerabgriff unmittelbar mit der Bezugspotential-Leitung 27, also mit dem nicht invertierenden Eingang des

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integrierenden Verstärkers 2ό verbunden. Während dieser Leitendphase des Transistors 33 liegt keine Steuerspannyng am nicht invertierenden Eingang des integrierenden Verstärkers 26.

Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung ist wie foigh

Die dem Ankerstrom proportionale zweite Steuerspannungs-Komponente oder Meßspannung (Pfeil 21) gelangt über die Diode 31 an den invertierenden Eingang des integrierenden Verstärkers 26. Die der Ankerspannung proportionale erste Steuerspannungs-Komponente (Pfeil 18) gelangt über die Diode 28 ebenfalls an den invertierenden Eingang des integrierenden Verstärkers 26. Der integrierende Verstärker 26 steuert nunmehr über die Phasenanschnittsteuerschaltung 17 den Triac Io so, daß der Mittelwert der Summe der an seinem invertierenden Eingang liegenden Ströme Null wird. Bei Vernachlässigung der Durchfiußspannung der Dioden 28, 31 besteht folgende Beziehung:.

k · u_Ä i_Ä · r

^{A A} =0 (5)

^R29 ^R30

, ^R29 r

wobei mit

υ. die Ankerspannung,

k · υ, der am Potentiometerabgriff des Potentiometers 20

abgegriffene Teil der Ankerspannung, ?λ _oder Ankerstrom,

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Au

Y[ -

r der ohmsche Anteil des Widerstandswerts des Feldwicklungsteils 13,

R_p der Widerstands wert des Widerstandes 29, R„_n der Widerstandswert des Widerstandes 30

bezeichnet ist.

Durch Verschieben des Potentiometerabgriffs des Potentiometers 20 kann der Faktor k geändert werden und damit das Verhältnis u, / L vorgegeben werden. Mit Änderung dieses Verhältnisses kann die Drehzahl des Motors eingestellt werden, die dann von der Schaltungsanordnung konstant gehalten wird.

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Claims

22.1.1979

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Ansprüche

/ 1. Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Reihenschlußmotors, ^—^insbesondere eines Universalmotors, in welcher aus dem Stromkreis des Motors bei Drehzahländerung eine Steuerspannung abnehmbar ist, die eine der Ankerspannung des Motors proportionale erste und eine dem Ankerstrom proportionale zweite Steuerspannungs-Komponente aufweist und die als eine der Drehzahländerung entgegenwirkende Steuergröße einem Steiigiied zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuerspannungs-Komponente (Pfeil 18} an einem im wesentlichen zur Ankerwicklung (11) des Motors (10) parallel liegenden Widerstand (19) abgegriffen ist und die zweite Steuerspannungs-Komponente von einer zumindest an einem Teil der Feldwicklung (13) des Motors (10) abgenommenen Meßspannung (Pfeil 21) gebildet ist, die proportional der am ohmschen Widerstand (r) des Feldwicklungsteils (13) abfallenden Spannung ist, und daß die beiden Steuerspannungs-Komponenten einem Operationsverstärker (25) zugeführt sind, dessen Ausgangsspannung die Steuergröße bildet.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Feldwicklungstei! (13) ein RC-Glied (22) parallel geschaltet ist und daß die Meßspannung (Pfeil 21) am Kondensator (23) abgegriffen ist.

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3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das RC-Glied (22) derart bemessen ist, daß der durch den Kondensator (23) des RC-Giieds (22) fließende Strom (iJ sehr viel kleiner ist als der durch den Feldwicklungsteil (13) fließende Strom (i.) und daß das Produkt aus Widerstandswert (R) und Kapazität (C) des RC-Glieds (22) gleich dem Quotienten aus Induktivität (L) und ohmschem Widerstandswert (r) des Feldwicklungsteils (13) ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 -3, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (25) als integrierender Verstärker (26) ausgebildet ist, dessen invertierendem Eingang die beiden Steuerspannungs-Komponenten (Pfeil 18, Pfeil 21) mit einander entgegengesetzter Polarität zugeführt sind und dessen nicht !vertierender Eingang mit einer Bezugspotential-Leitung (27) verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (15) als Triac (16) ausgebildet und in Reihe zwischen der Ankerwicklung (11) des Motors (10) und der Parallelschaltung aus Feldwicklungsteil (13) und RC-Glied (22) eingeschaltet ist und daß die Bezugspotential-Leitung (27) an dem mit der Parallelschaltung verbundenen Triacanschluß angeschlossen ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des Triacs (16) an dem Ausgang einer Phasenanschnittssteuers chaItung (17) angeschlossen ist, deren Eingang mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (25) verbunden ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (19) für die erste Steuerspannungs-Komponente (Pfeil 18) als ein der Reihenschaltung aus der Anker-

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wicklung (11) und dem Triac (16) parallel geschaltetes Potentiometer (20) ausgebildet ist, an dessen Potenfiometerabgrfff die erste Steuerspannungs-Komponente (Pfeil 18) abnehmbar ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurehgekennzeichnet, daß der Potentiometerabgriff über eine Diode (28) und vorzugsweise über einen Widerstand (29) an dem invertierenden Eingang des integrierenden Verstärkers (26) angeschlossen und dieser, vorzugsweise über einen weiteren Widerstand (30), über eine weitere Diode (31) mit dem Verbindungspunkt des Kondensators (23) und des Widerstands (24) des RC-Glieds (22) verbunden ist, wobei die beiden Dioden (28, 31) derart gepolt sind, daß am Eingang des integrierenden Verstärkers (26) nur die positive erste Sfeuerspannungs-Komponente (Pfeil 18) und die negative zweite Steuerspannungs-Komponente (Pfeil 21) liegen.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5-8, gekennzeichnet durch ein in der Sperrphase des Triacs (16) die Steuerspannung unterdrückendes Schaltglied (32). ·
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltglied (32) einen von der Anodenspannung des Triacs (16) gesteuerten Transistor (33) aufweist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke den Potentiometerabgriff des Potentiometers (20) mit der ßezugspotential-Leitung (27) verbindet.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeixhnet, daß dem Triac (16) ein Spannungsteiler (34, 35) parallel geschaltet ist, an dessen Teilerabgriff die Basis des Transistors (33) angeschlossen ist.

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