CH448233A - Schaltung zur Drehzahlregelung eines Kollektormotors - Google Patents

Description

  Schaltung zur Drehzahlregelung eines     Kollektormotors       Die     Erfindung    betrifft eine Schaltung zur Drehzahl  regelung eines     Kollektormotors,    dessen Rotor über min  destens einen     Thyristor    mit einer     Wechselstromquelle     verbunden ist, wobei zur     Phasenanschnittsteuerung    des       Thyristors    ein Zündkondensator vorgesehen ist, dessen  Spannung in jeder zweiten Halbperiode der Wechsel  spannung und dem Spannungsabfall im Schenkel von  Rampenspannung aufbaut.  



  Die Schaltung arbeitet also mit einer sogenannten    Sprung-   und  Rampen      -Ansteuerung,    wie sie     z.B.     aus dem General     Electric        S.C.R.    Manual, 3. Ausgabe  1964, unter der Bezeichnung       Ramp-and-Pedestal        Con-          trol      bekannt ist. Die     Erfindung    bezweckt eine Schal  tung obiger Art anzugeben, die relativ einfach aufge  baut ist und sehr exakt und zuverlässig arbeitet, insbe  sondere mit praktisch linearer Beziehung zwischen der  Drehzahl und derjenigen eines einstellbaren Widerstan  des.

   Dies gelingt gemäss der     Erfindung    dadurch, dass  ein Spannungsteiler, der einen Schenkel von festem Wi  derstandswert und einen Schenkel von einstellbarem Wi  derstandswert aufweist, an einer Spannung liegt, die sich  aus einer festen Bezugsspannung und einer im gleichen  Sinne gepolten, der     Rotorgeschwindigkeit    entsprechen  den,     tachometrischen    Gleichspannung zusammensetzt;

    dass der Zündkondensator über eine Diode an einer  zur Bildung der Sprungspannung dienenden Spannung  liegt, die gleich ist der Differenz zwischen der Bezugs  spannung und dem Spannungsabfall im Schenkel von  festem Widerstandswert, und dass der     Zündkondensa-          tor    ferner zur Bildung der Rampenspannung über einen       hochohmigen    Widerstand an der Bezugsspannung liegt.  



  In der Zeichnung zeigen die     Fig.    1 und 2 je ein Aus  führungsbeispiel der     erfindungsgemässen    Schaltung. Die       Fig.    3 stellt ein zur Erläuterung dienendes Diagramm  dar, und     Fig.    4 zeigt eine Variante der Schaltung nach       Fig.    1.  



  Gemäss     Fig.    1     liegt    der Rotor 1 des zu regelnden       Kollektormotors,    dessen Feldwicklung mit 2 bezeichnet  ist, in Serie mit einem     Thyristor    3 zwischen den an ein  Wechselstromnetz angeschlossenen Eingangsklemmen 4,  5 der Schaltung. Als positive Halbperiode wird nachfol  gend diejenige Halbperiode der Netzspannung bezeich-         net,    in welcher die Klemme 4 gegenüber der Klemme 5  positiv ist. Die Feldwicklung 2 wird über eine Diode 6  mit Gleichstrom erregt und eine weitere, entgegengesetzt  gepolte und parallel zur Feldwicklung 2 angeordnete  Diode 7 sorgt dafür, dass ein Feldstrom auch in den  jenigen Intervallen der Netzperiode fliesst, in denen der       Thyristor    sperrt.

   Infolgedessen entsteht dann an den       Rotorklemmen    des als Generator wirkenden Motors eine       EMK,    die ein Mass für die     Rotorgeschwindigkeit    ist  und daher nachfolgend als     tachometrische    Gleichspan  nung bezeichnet wird. Die     tachometrische    Gleichspan  nung     UT,    deren Polarität in der Zeichnung angegeben  ist, liegt in Serie mit einer festen Bezugsgleichspannung       U"    die in der positiven Halbperiode an einer     Zenerdiode     8 entsteht, welche über einen hohen Widerstand 9 an  der Netzspannung liegt.

   Ein aus zwei festen Widerstän  den 10 und 11 und einem     Stellwiderstand    12 bestehen  der Spannungsteiler liegt zwischen dem Verbindungs  punkt 13 der     Zenerdiode    8 mit dem Widerstand 11 und  der Klemme 5, so dass die Summe der     tachometrischen     Gleichspannung     UT    und der Bezugsgleichspannung UB  an diesem Spannungsteiler liegt.

   An den zwischen den  Widerständen 10 und 11 liegenden     Spannungsteilungs-          punkt    14 ist eine Diode 15 angeschlossen, die ander  seits am Verbindungspunkt 16 eines Kondensators 17  und des     Emitters    E eines     Unijunktion-Transistors    18  liegt; ein solcher Transistor wird auch als     Doppelbasis-          Diode    bezeichnet, was aber weniger üblich ist. Zwischen  den Punkten 13 und 16 liegt ein sehr hoher     Trimmerwi-          derstand    19.

   Die Basis     B1    des als     Triggerelement    die  nenden Transistors 18 ist mit der Steuerelektrode 6 des       Thyristors    3 verbunden und seine     Bases    B2 mit dem  Punkt 13. Der zur Zündung des     Thyristors    3 dienende  Kondensator 17 liegt zwischen dessen Kathode K und  dem     Triggerelement    18. Ein Widerstand 20, der zwi  schen der Steuerelektrode 6 und der Kathode K     liegt,     dient lediglich in üblicher Weise zum Schutze des     Thy-          ristors    3 gegen durch     Leckstrom    verursachte Selbstzün  dungen.  



  In     Fig.    3 stellt UN die Netzspannung während einer  positiven Halbperiode dar.     UC    ist die am     Zündkonden-          sator    17 auftretende Spannung, die lediglich aus zeich-           nerischen    Gründen gegenüber der Netzspannung     UN     stark überhöht dargestellt ist.     U,,    ist die     Auslösespan-          nung    des     Triggerelementes    18.  



  Zu Beginn der positiven Halbperiode lädt sich der  Kondensator 17 sehr rasch im Stromzweig 10, 15, 17  unter der Einwirkung der Bezugsspannung     UB,    weil die  Zeitkonstante     R1"    -     Cl;    sehr klein ist.

   In Ermangelung  des     Trimmerwiderstandes    19 würde<B>Ur</B> durch einen    Sprung  nur auf die gestrichelt gezeichnete Spannung       US    des     Spannungsteilungspunktes    14 kommen. Über den       Trimmerwiderstand    19 lädt sich aber der Kondensator  17 noch weiter und zwar mit der sehr grossen Zeitkon  stanten     R,.,,    -     Cl;,    so dass der Anstieg praktisch     linear     erfolgt; dieser Teil des Verlaufes der     Kondensatorspan-          nung        Uc    wird     überlicherweise    als  Rampe   bezeich  net.

   Wenn die     Kondensatorspannung        U,    die     Auslösespan-          nung        U,    erreicht,     d.h.    im Punkt Z an     Fig.    3, entlädt  sich der Kondensator 17 im Stromkreis 18, G, K und  der     Thyristor    3 wird gezündet,     d.h.    stromdurchlässig,  so dass während des übrigen, dem Winkel     a    von     Fig.    3  entsprechenden Teils der Halbperiode ein Strom über  seine     Anoden-Kathodenstrecke        A-K    durch den Rotor 1  fliesst.  



  Wird der Wert     R12    des     Stellwiderstandes    12     ver-          grössert,    so wird die Teilungsspannung     US    grösser,     d.h.     dass die  Rampe  über einen höheren  Sprung   überlagert wird; infolgedessen verschiebt sich der     Zünd-          punkt    Z in     Fig.    3 nach links und der     Stromflusswinkel     x wird grösser. Wird     R1"    kleiner gemacht, so verschiebt  sich Z nach rechts und x wird kleiner.

   Die Widerstände  10 und 11 sind so dimensioniert, dass für     R12    = 0 der  Zündpunkt praktisch am Ende der Halbperiode,     d.h.    in  dem Punkt     Zn    liegt.  



  Die Teilungsspannung     US    hängt natürlich von der  Summe der Spannungen     UB    und     UT    ab, wobei     UB    immer  denselben Wert hat, während     UT    der jeweiligen Geschwin  digkeit des Rotors 1 proportional ist. Nimmt infolge  zunehmender Belastung des Motors dessen Geschwin  digkeit ab, so wird     UT    kleiner und somit auch der durch  den Spannungsteiler 10, 11, 12 fliessende Strom bzw.  der Spannungsabfall im Widerstand 10, so dass die  Teilungsspannung     US    grösser wird. Dies hat, ebenso  wie eine Vergrösserung von     R,    zur Folge, dass der  Zündpunkt 2 nach links verschoben wird.

   Der     Strom-          flusswinkel    x wird also grösser, was der Geschwindig  keitsabnahme des Motors entgegenwirkt. Die Empfind  lichkeit der     Sprung-Rampen-Regulierung    ist sehr gross,  da wegen der kleinen Neigung der  Rampe  schon eine  kleine Vergrösserung oder Verkleinerung des   Sprun  ges   eine sehr grosse Verschiebung des Zündpunktes Z  zur Folge hat. Ferner ist hervorzuheben, dass die mit  tels des Stehwiderstandes 12 einstellbare Drehzahl sich  praktisch linear mit dem Wert     R,    bzw. der Verstellung  des Einstellorgans des Widerstandes 12 ändert.  



  Es ist klar, dass die Widerstände 11 und 12 auch  durch einen einzigen Regulierwiderstand ersetzt werden  können. Wenn dieser einzige Widerstand bis zum Wert  Null     herabreguliert    werden kann, so kann der Motor  allerdings erst anlaufen, wenn der Wert auf     R,    gestie  gen ist, da sonst     U,    unterhalb von     ZD    verläuft.  



  Die Schaltung nach     Fig.    2 dient zur Regulierung eines       Kollektormotors,    dessen Rotor 1 über zwei in Serie ge  schaltete Feldwicklungen 2', 2" und zwei antiparallel  geschaltete     Thyristoren    3' und 3" an den Netzklemmen  4, 5 liegt; es werden somit beide Halbwellen der Netz  spannung ausgenützt,     d.h.    der Motor läuft als Wechsel  strommotor. Der Rotor 1 treibt einen kleinen Gleich-    Stromgenerator 21, der die     tachometrische    Gleichspan  nung     UT    liefert.

   Die zur Erzeugung der Bezugsspannung  UB dienende     Zenerdiode    8 liegt als Brücke zwischen  den Verbindungspunkten 13' und 13" je eines Wider  standes 9' bzw. 9" mit je einer Diode 22' bzw. 22". Die  beiden Dioden 22' und 22" sind entgegengesetzt gepolt,  was zur Folge hat, dass in beiden Halbperioden der Netz  spannung     U.,    die gleiche Bezugsspannung U$ an der       Zenerdiode    8 auftritt. Zwischen dem Punkt 13' und  dem Generator 21 ist der Spannungsteiler 10, 11, 12 an  geordnet, so dass derselbe wieder an der Summe der  Spannungen     UT    und UB liegt.

   Zwischen den Punkten  13' und l3" befindet sich die     Serieschaltung    des     Trim-          merwiderstandes    19 und des Zündkondensators 17, de  ren Verbindungspunkt 16 wieder an den     Spannungstei-          lungspunkt    14 und an den     Emitter    E des     Unijunktion-          Transistors    18 angeschlossen ist.  



  Die Primärwicklung 23 eines Transformators liegt  über die Transistorbasen B1, B2 ebenfalls zwischen den  Brückenpunkten 13' und 13", während dessen Sekun  därwicklungen 23' und 23" zwischen den Kathoden K'  bzw. K" und den Steuerelektroden 6' bzw. 6" der     Thy-          ristoren    3' bzw. 3" liegen.  



  Jedesmal, wenn sich der Kondensator 17 über den  Transistor 18 und die Primärwicklung 23 entlädt, was  nun in jeder Halbperiode der Fall ist, erhält jede der  Sekundärwicklungen 23' und 23" einen Zündimpuls.  Es kann aber immer nur derjenige     Thyristor    3' oder 3"  gezündet werden, dessen Anode A' bzw. A" gerade po  sitiv ist. Im übrigen arbeitet die Schaltung nach     Fig.    2  in gleicher Weise wie diejenige nach     Fig.    1.  



  Die     Fig.    4 stellt eine Variante der Schaltung nach       Fig.    1 dar, welche den in letzterer strickpunktiert um  rahmten Teil ersetzt. Bei dieser Variante sind zwei       Strombegrenzungsschaltungen    24 und 25 vorgesehen, von  denen die eine (24) im Betrieb und die andere (25) beim  Anlaufen des Motors oder raschen Erhöhungen des       Drehzahl-Sollwertes    den     Rotorstrom    begrenzt.  



  Die Schaltung 24 umfasst einen sehr kleinen, zwi  schen dem     Thyristor    3 und dem Rotor 1 angeordneten  Messwiderstand 26, in der Grössenordnung von etwa  10 m     S2,    an dem im Betrieb ein kleiner Spannungsab  fall auftritt, der auf die später erläuterte Weise bei Er  reichung eines gewissen, in Dauerbetrieb noch zuläs  sigen Höchstwertes ein weiteres Ansteigen des Rotor  stromes verhindert. Hierzu ist der Messwiderstand 26  einerseits über eine Diode 27 und anderseits über einen  Kondensator 28 mit einem Widerstand 29 verbunden,  wobei der Verbindungspunkt 30 des Widerstandes 29  und des Kondensators 28 über einen Widerstand 31 an  die Basis eines Transistors 32 angeschlossen ist.

   Der  Kollektor des Transistors 31 ist an den     Spannungstei-          lungspunkt    14 angeschlossen, während sein     Emitter    über  einen Widerstand 33 mit der positiven Klemme des  Rotors 1 verbunden ist. Zwischen dieser Klemme und  dem     Spannungsteilungspunkt    14 liegt ferner eine Dio  de 34.  



  Von der Strombegrenzung abgesehen arbeitet die mit  der Variante nach     Fig.    4 ersehene Schaltung nach     Fig.    1  genau so, wie dies anhand von     Fig.    3 erläutert worden  ist. Solange der     Rotorstrom    seinen zulässigen Dauer  wert nicht übersteigt, ist der Spannungsabfall am     Mess-          widerstand    26 kleiner als die Schwellenspannung der  Diode 27 in     Durchlassrichtung.    Die Diode 27 wird also  erst durchlässig, wenn der     Rotorstrom    infolge einer  Zunahme der Belastung seinen zulässigen Wert über  steigt,

   worauf der     Diodenstrom    über den Widerstand      29 den Kondensator 28 auflädt. Die Basis des Tran  sistors 31 wird somit gegenüber dessen     Emitter    positiv,  so dass die     Kollektor-Emitterstrecke    leitend wird und  ein Strom im Stromzweig 13, 10, 14, 32, 33 fliesst. Da  durch erhöht sich der Spannungsabfall im Widerstand  10, so dass die Teilungsspannung     US    kleiner wird, was,  wie anhand von     Fig.    3 erläutert worden ist, eine Ver  kleinerung des     Stromflusswinkels    a und also ein Sinken  des     Rotorstromes    zur Folge hat.

   Der auch als     Emitter-          gegenkopplung    wirkende Widerstand 33 verhindert, dass  Schwingungen entstehen,     d.h.    der Transistor 32 dauernd  geöffnet und geschlossen wird, wenn die Messspannung  einmal den zulässigen Wert überschritten hat. Die Diode  34 verhindert, dass der Kollektor des Transistors mo  mentan in bezug auf     Emitter    oder Basis negativ werden  könnte.  



  Es ist ersichtlich, dass die     Strombegrenzungsschal-          tung    24 die normale Wirkung der Drehzahlregelung   nämlich die Erhöhung des     Stromflusswinkels    a bei  wachsender mechanischer Belastung des Rotors zur  Aufrechterhaltung der eingestellten Drehzahl - auf  hebt, sobald der Betriebsstrom unzulässig gross wird.  Beim Anlaufen des Motors soll die Schaltung 24 noch  nicht wirksam werden, da vorübergehend grössere     Ro-          torströme    zulässig sind; die Zeitkonstante     R.-")    -     C2$    ist  dementsprechend relativ gross vorzusehen.  



  Wenn man bisher den Rotor vor Überströmen im  Dauerbetrieb schützen wollte, was es üblich, demsel  ben einen Schutzwiderstand von einigen Ohm vorzu  schalten. Je nach der Grösse des Motors konnte die  Verlustleistung in einem solchen Schutzwiderstand er  hebliche Werte erreichen und war auch dieser Wider  stand um ein     Mehrfaches    teuerer als die Schaltung 24.  



  Um beim ersten Einschalten des Motors mit ange  schlossener Belastung und bereits am     Stellwiderstand    12  eingestellter Drehzahl, oder bei schnellen Änderungen  der Einstellung dieses     Stellwiderstandes    12 auf höhere       Drehzahl-Sollwerte,    unzulässig hohe Stromspitzen zu ver  meiden, ist - wie bereits kurz erwähnt - die Begren  zungsschaltung vorgesehen. Dieselbe weist eine Diode 35  auf, die einerseits an den     Spannungsteilungspunkt    14 an  geschlossen und anderseits über eine Parallelschaltung  eines Kondensators 36 und eines Widerstandes 37 mit  der     Thyristorkathode    K verbunden ist.

   Es ist klar, dass  wenn die Klemmen 4 und 5 über einen nicht dargestell  ten Schalter an die Netzspannung gelegt werden, oder  wenn der Wert des     Stellwiderstandes    12 plötzlich     ver-          grössert    wird, die Teilungsspannung     Us    nicht sofort auf  den dem Teilungsverhältnis entsprechenden Wert stei  gen kann, weil zunächst noch ein zusätzlicher, zur Ruf  ladung des Kondensators 36 dienender Strom durch den  Widerstand 10 fliesst.

   Der   Sprung      Us    der     Uc    des  Zündkondensators 17 ist also geringer, als der in Er  mangelung der Schaltung 25 wäre, so dass der     Strom-          flusswinkel    a     kleiner    ist und eine unzulässige Stromspitze  vermieden wird. Der Widerstand 37 dient nur zur Ent  ladung des Kondensators 36, damit derselbe nicht auf  einer die Teilungsspannung     Us    übersteigenden Spannung  geladen bleiben kann, was bei raschem Ein- und Aus  schalten die Schaltung 25 wirkungslos machen würde.  Der Widerstand 37 ist aber so gross, dass er in bezug  auf das Teilungsverhältnis des Spannungsteilers 10, 11,  12     vemachlässigbar    ist.  



  Es ist ersichtlich, dass die     Strombegrenzungsschal-          tung    25 ohne weiteres auch im Falle von     Fig.    2 anwend  bar ist, während die     Strombegrenzungsschaltung    26 et  was abgeändert werden müsste.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Schaltung zur Drehzahlregelung eines Kollektormo- tors dessen Rotor über mindestens einen Thyristor mit einer Wechselstromquelle verbunden ist, wobei zur Pha- senanschnittsteuerung des Thyristors ein Zündkonden- sator vorgesehen ist, dessen Spannung in jeder zweiten Halbperiode der Wechselspannung sich aus einer Sprung- spannung und einer Rampenspannung aufbaut, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsteiler (10, 11, 12), der einen Schenkel (10)

   von festem Widerstandswert und einen Schenkel (11, 12) von einstellbarem Wider standswert aufweist, an einer Spannung liegt, die sich aus einer festen Bezugsspannung (UB) und einer im glei chen Sinne gepolten, der Rotorgeschwindigkeit entspre chenden, tachometrischen Gleichspannung (UT) zusam mensetzt;

   dass der Zündkondensator (17) über eine Dio de (15) an einer zur Bildung der Sprungspannung die nenden Spannung (Us) liegt, die gleich ist der Differenz zwischen der Bezugsspannung (UB) und dem Spannungs abfall im Schenkel (10) von festem Widerstandswert, und dass der Zündkondensator (17) ferner zur Bildung der Rampenspannung über einen hochohmigen Widerstand (19) an der Bezugsspannung (UB) liegt. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Schaltung nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass der Rotor (1) über nur einen Thyristor (3) mit der Wechselstromquelle (4, 5) verbunden ist, sei ner über eine Diode (6) von derselben gespeisten Feld wicklung (2) eine im entgegengesetzten Sinne gepolte Diode (7) parallel geschaltet ist, und dass der infolge dessen dauernd in einem magnetischen Gleichfeld ro tierende Rotor (1) selbst die tachometrische Gleichspan nung (UT) liefert (Fig. 1). 2. Schaltung nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass der Rotor (1) einen Gleichstromgenerator (21) antreibt, der die tachometrische Gleichspannung (UT) liefert (.

   Schaltung nach Unteranspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der als Wechselstrom-Seriemotor (1, 2', 2") betriebene Motor mit zwei antiparallelen Thyristo- ren (3', 3") in Serie geschaltet ist, dass die Bezugsspan nung (UB) an einer Zenerdiode (8) abgenommen wird, die in der Brücke einer aus zwei Widerständen (9', 9") und zwei entgegengesetzt gepolten Dioden (22' 22") aufgebauten, an der Wechselspannung liegenden Brük- kenschaltung liegt, und dass im Entladungskreis des Zündkondensators (17) eine Primärwicklung (23) eines Transformators mit zwei Sekundärwicklungen (23', 23") liegt,

   die zur Zündung der beiden Thyristoren (3', 3") dienen. 4. Schaltung nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine Stromb,-grenzungsschaltung (24), welche einen Transistor (32) aufweist, der leitend wird, wenn der Strom durch den Rotor (1) einen im Betriebszustand höchst zulässigen Wert überschreitet, und dadurch den durch den Schenkel (10) von festem Widerstandswert fliessenden Strom erhöht, was eine Ermässigung der Sprungspannung und damit des Stromflusswinkels (a) zur Folge hat (Fig. 4). 5.

   Schaltung nach Unteranspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, dass in Serie mit dem über nur einen Thyristor (3) gespeisten Rotor (1) ein sehr kleiner Masswiderstand (26) angeordnet ist, und dass der an demselben auftre tende Spannungsabfall bei Überschreitung des zuläs- sigen Stromwertes über einen Widerstand (29) einen Kondensator (28) auflädt, wobei die Kondensatorspan- nung zum Leitendmachen des Transistors (32) dient (Fig. 1, 4). 6.

   Schaltung nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine Strombegrenzungsschaltung (25), welche eine Diode (35) aufweist, die in Serie mit der Parallelschal tung eines Kondensators (36) und eines Widerstandes (37) zwischen dem Spannungsteilungspunkt (14) und der von letzterem abgewendeten Seite des Zündkondensators (17) angeordnet ist, wodurch plötzliche Erhöhungen der zur Bildung der Sprungspannung dienenden Spannung (US) vermieden sind.