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Einrichtung zur Steuerung der Drehzahl eines Gleichstrommotors
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung der Drehzahl eines Gleichstrommotor ! unter
Aufschaltung einer vom Ankerstrom abhängigen Grösse zur Beeinflussung der Felderregung eines Leonard-
Generators mittels eines Magnetverstärkers, der mit einer Steuerwicklung, die von einem vom Anker- strom abhängigen Strom durchflossen ist, und mit einer zur willkürlichen Einstellung der Drehzahl die- nenden Vorstromwicklung versehen ist.
Es ist eine Steueranordnung zur Erregung eines Leonard-Generators bekannt die eine Strombegren- zungseinrichtung besitzt, um den Anker des Gleichstrommotors und Generators zu schützen ; im Ankerkreis ist für jede Stromrichtung je ein Magnetverstärker angeordnet ; die Arbeitswicklungen dieser beiden Vorverstärker sind mit den Steuerwicklungen eines weiteren Magnetverstärkers verbunden, der als Leistungverstärker die Felderregung des Leonard-Generators beeinflusst. Bei Überschreiten einer gewissen Grösse des Ankerstromes erfolgt die magnetische Sättigung eines der beiden Vorverstärker und diese erzeugt eine Durchsteuerung des nachgeschalteten Leistungsverstärkers.
Hiebei liefert der Leistungsverstärker an eine weitere Feldwicklung des Generators einen Strom, derart, dass die Erregung des Generators verringert wird und hiemit der Ankerstrom auf einen zulässigen Wert begrenzt bleibt.
Bei einer weiteren bekannten Steueranordnung für das Generatorfeld eines Leonardantriebes erfolgt eine. Bildung einer Differenzspannung als Regelspannung zwischen einer der Leonardspannung proportionalen Spannung und einer an einem Sollwertgeber einstellbaren Spannung in einer Steuerwicklung eines Magnetverstärkers, dessen Ausgang an die beiden Wicklungsteile für die Generatorerregung angeschlossen ist. Die beiden Wicklungsteile sind jeweils unter Vorschaltung eines Widerstandes einander parallelgeschaltet und sind gemeinsam über einen zur Drehzahlvorgabe stellbaren Widerstand an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen.
Zur Erzielung einer Kompoundierung besitzt der Magnetverstärker eine weitere Steuerwicklung, deren Strom vom Ankerstrom des Leonardmotors in der Weise abhängig ist, dass mit steigendem Strom, insbesondere mit steigender Belastung der ArbeiLmaschine, die Erregung des Generatorfeldes verstärkt ist. In der Anwendung der bekannten Schaltung für Hobelmas hinen, bei denen eine Drehrichtungsumsteuerung erfolgt, wird eine Schnellerregung erreicht. Bei Stillstand des Motors ist die Regelabweichung, da die Ankeispannung als Istwertgrösse gleich Null ist, besonders gross und bewirkt eine kräftige Verstärkung des Generatorfeldes so lange, bis die Ankerspannung ihren eingestellten Wert erreicht.
Ferner ist eine Anordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors bekanntgeworden, die Umschaltungen im Ankerstromkreis vermeidet ; hiebei sind in die Feldkreise sowohl des Generators als auch des Motors die Arbeitswicklungen zweier Magnetverstärker eingeschaltet, die abhängig vorn Ankerstrom erregt werden und deren Steuerwicklungen derart umgeschaltet werden, dass sich verschiedene Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien ergeben. Die Magnetverstärker besitzen neben der Arbeitswicklung je drei Hilfswicklungen die Steuerwicklungen der Magnetverstärker liegen in Serie mit den Ankern des Motors bzw. des Generators.
Für verschiedene Betriebsweisen des Ward-Leonard-Umformers, der insbesondere für den Hebe- oder Senkbetrieb eines Hebezeuges dient, sind weitere Steuerwicklungen der beiden Ma-
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gnetverstärker über Umschalter an besondere Gleichstromquellen angeschlossen. Ausser einem weiteren Umschalter, der zwischen dem Lastgleichrichter des Magnetverstärkers und der Feldwicklung des Generators geschaltet ist, ist ncch ein vierter Umschalter vorgesehen, der zwischen dem Lastgleichrichter und derjenigen Wicklung des die Generatorerregung beeinflussenden Magnetverstärkers geschaltet ist. die zur Eigenmagnetisierung dient.
Je nach der Betriebsweise des Antriebes werden mittels der gestellten Umschalter verschiedene Magnetisierungscharakteristiken der Transduktoren erzielt ; im wesentlichen zeigen alle diese Schaulinien bei einer bestimmten Belastung eine sprunghafte Änderung der Magnetisierung, vorzugsweise eine Sättigung der Magnetverstärker ; diese Magnetisierungsverschiebungen innerhalb der beiden Transduktoren finden bei verschiedenen. Ankerströmen statt und bewirken eine Schwächung des Generatorfeldes bzw. eine Zunahme des Motorfeldes. Hiedurch entsteht eine einer Strombegrenzung ähnliche Wirkung, nämlich ein Überlastungsschutz des Motors sowohl bei Leistungsabgabe als auch bei Senkbetrieb von Hebezeugen.
Weiters'ist eine Anordnung zur Steuerung der Erregung eines Leonard-Generators bekanntgeworden, die sich zur Begrenzung von Leistungsspitzen einer Schwellwertbildung bedient ; hiebei ist fUr jede Richtung des Stromes im Ankerstromkreis getrennt je ein Magnetverstärker vorgesehen zur Feldbeeinflussung einer Verstärkermaschine, deren Anker an die ; Feldwicklung des Leonard-Generators angeschlossen ist.
Zur Vormagnetisierung. der Magnetverstärker dienen zwei Wicklungen, die parallelgeschaltet mit einem Gleichstrom bestimmter Höhe. gespeist werden. Für die Begrenzung des Ankerstromes ist eine der Steuerwicklungen eines der beiden Magnetverstärker in Reihe mit der entsprechenden Steuerwicklung auf dem andern Magnetverstärker an die Hauptschlussfeldwicklung des Leonard-Generators geschaltet. An beiden Magnetverstärkern befindet sich noch je eine weitere Steuerwicklung, die mit einem Strom gespeist ist, der nach Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes proportional der A. Verspannung ist. Hiezu ist die Ankerspannung einerseits über einen Stellwiderstand mit den zuletzt genannten in Serie geschalteten Steuerwicklungen der Magnetverstärker verbunden, anderseits über einen Brückengleichrichter an eine einstellbare Spannungsquelle angeschlossen.
Bei Überschreiten des zulässigen Ankerstromes verhindern die erstgenannten Steuerwicklungen der Magnetverstärker, die in Serie an der Hauptschlussfeldwicklung des Generators liegen, einen Spannungsanstieg im Ankerstromkreis durch Herabsetzung der Erregung der Verstärkermaschine. Ab einer gewissen Höhe der Ankersparnung wird der Schwellwert der einstellbaren Spannungsquelle überschritten ; hiebei reduziert der entstehende Steue, rstrom Je nacl1der Betriebsweise des Antriebes entsprechend über einen der beiden Magnetverstärker den Ankerstrom, so dass die maximal zulässige Leistung des Gleichstrommotors nicht überschritten wird.
In Industrieanlagen werden Schaltungsanordnungen zur Steuerung der Erregung eines Leonard-Generators deshalb im allgemeinen angewendet, da sich der Gleichstrommotor besonders für die Steuerung der Drehzahl in einem weiten Bereich eignet, aber auch eine Energierichtungsumkehr (Nutzbremsung) gestattet. Entsprechend den Belastungsschwankungen wird häufig ein solcher Antrieb beschleunigt und abgebremst. Bei Belastung des Motors zeigt sich eine beachtliche Drehzahlabweichung maximal etwa bis zu -120/0 der Nenndrehzahl des Motors ; ein entgegengesetztes Moment (generatorischer Betrieb des Motors) führt zu einer Drehzahlzunahme bis zu etwa +7%. Daneben sind noch weitere Einflüsse wirksam : Spannungs- und Frequenzänderungen des Vorsorgungsnetzes, sowie Temperaturänderungen indenelektti- schen Maschinen und in der Schaltanlage.
Hiebei kompensieren sich die Spannungsänderungen weitestgehend dadurch, dass bei einerSpannungsabsenkung beispielsweisedie netzgespeisteSollwertvorgabe kleiner wird, aber auch in einem bestimmten Masse die netzgespeiste Motorelregung. Dem Ankerspannungsrückgang steht eineDrehzahlerhöhung durch Feldschwächung des Antriebsmotors gegenüber. Ähnlich werden auch Temperatureinflüsse auf die Wicklungen der Maschinen ausgeglichen, da man annähernd gleiche Temperaturerhöhung in der Zeiteinheit bei Generator und Motor annehmen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung für die Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors mit geringem Aufwand elektrischer Schaltungselemente derart auszubilden, dass die Einrichtung den Einfluss der schwankenden Belastung, insbesondere des am Gleichstrommotor wirksamen Momentes, auf die Drehzahl des Antriebes weitestgehend vermeidet, und dass die verbleibende Abweichung der Drehzahl bei beliebig gerichtetem Motordrehmoment trotz Verwendung elektrischer Maschinen in einfacher Bauweise ohne kompoundierende Wirkung eine vorgegebene Grenze nicht überschreitet.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Einrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerwicklung des Magnetverstärkers eine in Abhängigkeit von der Grösse und Richtung des Ankerstromes ihren Widerstandswert im Sinne einer Verkleinerung der Drehzahlabweichurgen bei grösserer Belastung ändernde Widerstandskombination vorgeschaltet ist, die vorzugsweise an den Wendepol des Leonard-Generators angeschlossen ist.
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Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der gegenständlichen Einrichtung kann die Widerstands- kombination aus zwei in Serie liegenden Festwiderständen bestehen, von denen einer mittels eines Ar- beitskontaktes eines bei einem bestimmten Wert des Ankerstremes ansprechenden Relais überbrückbar ist, das über nichtlineare Widerstände, vorzugsweise Kristalldioden an einen mit den Festwiderständen in Se- rie liegenden Vorwiderstand geschaltet ist. Es isc zweckmässig, in den Steuerstromkreis des Magnetver- stärkers zusätzlich einen mit einem Drehzahl-Stellwiderstand mechanisch gekuppelten Widerstand zu schalten.
Der Drehzahl-Stellwiderstand ist in einer Widerstandsbrücke angeordnet, deren Diagonale mit der Vorstromwicklung des Magnetverstärkers derart verbunden ist, dass durch Verstellen des Abgriffes des
Drehzahl-Stellwiderstandes eine Stromumkehr in der Vorstromwicklung erzielbar ist.
Weiters zielt die Erfindung auf eine Einrichtung, die abhängig von beliebig gerichtetem Ankerstrom und damit von wechselndem Drehmoment die Feldwicklung des Leonard-Generataru derart beeinflusst, dass die Drehzahlabweichung nicht nur begrenzt wird, sondern auch die bei Belastungsänderungen auftre- tenden Einschwingvorgänge der Drehzahl verhindert werden. Hiezu dient eine zusätzliche Steuerwicklung des Magnetverstärkers, die bei einer Einstellung einer grösseren Drehzahl absteuernd gerichtet fit UM die parallel an einen mit dem Ausgang des Magnetverstärkers in Serie geschalteten Widerstand angeschlossen ist.
Bei Aufsteuerung des Drehzahleinste1Jpotentiometers auf positive Werte des Vorstromes, also über die halbe Nenndrehzahl, bewirkt der Strom in der zweiten Steuerwicklung eine kleine Verschiebung des Ar- beitspunktes auf der Kennlinie des Magnetverstärkers zur Abgabe einer kleineren Ausgangsleistung, so dass Drehzahlschwingungen unterdrückt werden. Im unteren Drehzahlbereich bis zur halben Drehzahl ist der
Einfluss der Eigenmagnetisierung wegen des stark reduzierten Steuerstromes sehr klein, da er von d Ausgangsleistung des Magnetverstärkers abhängt.
Ausserdem bewirkt die gegensinnige Eigenmagnetisierung zusätzlich eine Kompensation eines Temperatureinflusses auf die Feldwicklung des Leonard-Generators ; bei Widerstandszunahme, also Abnahme des Erregerstromes, fliesst ein reduzierter Steuerstrom durch die zur Dämpfung von Drehzahlschwingungen dienende Wicklung des Magnetverstärkers und daher öffnet dieser ein wenig den Magnetverstärker, so dass die Widerstandszunahme durch entsprechend erhöhte Ausgangsleistung ausgeglichen wird. Weiters ist die Dämpfungswicklung geeignet, durch Vorschalten von komplexen Widerständen dem Magnetverstärker neben dem proportionalen ein integrales Verhalten aufzuprägen.
Bei grösserer Belastung des Leonard-Antriebes überbrückt ein polarisiertes Schaltsystem, das über Kristalldioden und einen Widerstand an den Wendepol des Generators angeschlossen ist, mittels eines Kontaktes einen im Steuerkreis des Magnetverstärkers liegenden Widerstand, so dass nach Auftreten des Ansprechwertes für das polarisierte Relais ein verstärkter Steuerstrom fliesst, der eine ähnliche Wirkung wie die einer Kompoundierung in einer elektrischen Maschine ausübt.
Bei dem polarisierten Schaltsystem dient als Relaisanker eine Zunge, die nach zwei Richtungen entsprechend der Erregerstromrichtung betätigbar ist und als bewegliches Kontaktstück ausgebildet ist ; mittels Stellschrauben sind die festen Kontaktstücke gegen die Mittelstellung der Zunge einstellbar. Dadurch ist es möglich, den negativen Ansprechwert des Schaltsystems dem positiven gegenüber verschieden zu justieren. Bei negativem Drehmoment, also generatorischem Betrieb des Leonardantriebes, kann mittels eines gegenüber dem motorischen Betrieb geänderten Schwellwertes des Schaltsystems der Maschinencharakteristik Rechnung getragen werden.
Weiters kann der der Wendepolspannung der Maschine proportionale Steuerstrom für den Magnetverstärker, dessen Kennlinie im letzten Abschnitt tei positivem Vorstrom nichtlinear verläuft, über eine zusätzliche, als Messwertumformer für die Messgrösse dienende, mit dem Einstellpotentiometer für die Drehzahl mechanisch gekoppelte Widerstandsbahn geführt werden, die den Steuerstrom vorzugsweise im nichtlinearen Abschnitte der Kennlinie derart beeinllusst, dass eine je nach der gewählten Drehzahleinstellung abhängige Regelung bei Belastung des Motors erfolgt.
Gegebenenfalls beeinflusst das Zusammenarbeiten der mit dem Drehzahlsollwert einstellbaren Widerstandsbahn mit einem letzterer parallelgeschalteten Widerstand die Grösse des Steuerstromes derart, dass ein von der Drehzahleinstellung abhängiger Ausgleich von Drehzahlabweichungen infolge Belastungen an der Arbeitsmaschine erfolgt.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ermöglicht nicht nur ein bestimmtes Drehzahlverhalten bei Belastung abhängig von der Stellung des Drehzahlpotentiometers, sondern auch eine Kompoundierung des Leonard-Generators, die beliebig einstellbar für motorischen und generatorischen Betrieb ist. Es ist dadurch möglich, die verbleibende Restabweichung vorzugsweise im oberen Bereich des Drehzahleinstellbereiches mittels des stellungsabhängigen Einflusses der zusätzlichen Widerstandsbahn auf ein erwünschtes Mass zu beschränken ; besonders eignet sich diese Steueranordnung für Industriebetriebe mit wech'
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selnder Belastung ohne eine zusätzliche aufwendige Regeleinrichtung verwenden zu müssen.
An Hand der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und weitere Einzelheiten dersel- ben erläutert ; hiebei handelt es sich um eine Einrichtung zur Steuerung der Erregung eines Leonard-Gene rators, die nicht nur eine Drehzahleinstellung gestattet, sondern auch eine weitestgehende Konstanthal- tung der Drehzahl bei beliebig gerichtetem Antriebsmoment ermöglicht.
Nach der Zeichnung ist ein mit dem Asynchronmotor 1 gekoppelter Leonard-Generator 2 an einen Gleichstrommotor 3, dessen Felderregung konstant bleibt, angeschlossen. Zur Steuerung der
Felderregung des Generators dient ein Magnetverstärker, der eine Vorstromwicklung 4 zur Einstellung auf eine gewünschte Drehzahl (Sollwert) mittels eines servobetriebenen Stellwiderstandes 5 besitzt ; für die Einstellung des Vorstromes sind in einer Brückenschaltung die Widerstände 6,7 und die Serien- widerstände 8,9 zum Stellwiderstand 5 vorgesehen, die an eine gemeinsame Hilfsspannung ange- schlossen sind.
Die Brückenschaltung der Widerstände 5,6, 7,8, 9 gestattet eine Umkehrung des
Steuerstromes in der Vorstromwicklung 4 derart, dass für grosse Werte der Drehzahl, die im Bereich über dem halben Nennwert liegen, die Magnetisierung in der Vorstromwicklung 4 und die vom Anker- strom bei Belastung des Motors 3 erzeugte Magnetisierung in der Steuerwicklung 10 gleichgerichtet sind. Die Steuerwicklung 10 des Magnetverstärkers ist über die in Serie geschalteten Vorwiderstän- de 13,14 und den als Spannungsteiler dienenden Widerstand 12 mit Abgriff an den Wendepol 11 des Generators 2 geschaltet, dessen Spannungsabfall dem Ankerstrom proportional ist. Von den Aus- gangsklemmen 15,16 des Magnetverstärkers wird über einen Vorwiderstand 21 die Feldwicklung des Generators 2 gespeist.
An den Vorwiderstand 21 ist eine weitere Steuerwicklung 17 zur
Eigenmagnetisierung des Magnetverstärkers angeschlossen, die einen dem Ausgangsstrom des Magnetverstärkers proportionalen Strom führt und zur Unterdrückung von bei Belastungsänderungen auftretenden Drehzahlschwankungen dient.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Einrichtung ist folgendermassen :
Der den Felderregerstrom des Generators 2 liefernde Magnetverstärker wird durch den die Vor- stromwicklung 4 durchfliessenden Strom auf die gewünschte Drehzahl eingestellt. Bei fehlendem Vorstrom stellt sicheineDrehzahl ein, die etwas unterhalb der halben Nenndrehzahl liegt.
Bei Belastung des Motors 3 (positives Drehmoment) sinkt die Drehzahl zunächst etwas ab. Hiebei tritt ein solcher Spannungsabfall am Wendepol 11 des Generators 2 auf, dass durch den in der Steuerwicklung 10 fliessenden Strom die durch die Vorstromwicklung 4 gegebene Magnetisierung des Magnetverstärkers verstärkt wird, so dass eine erhöhte Felderregung des Generators 2 die Drehzahlauf den Sollwert zurückführt.
Mit generatorischem Betrieb des Motors 3 (negatives Drehmoment) wäre ein Ansteigen der Drehzahl über den Sollwert verbunden. In diesem Fall liefert der Wendepol 11 des Generators 2 an die Steuerwicklung 10 einen Strom, der die Magnetisierung des Magnetverstärkers und damit die Felderregung des Generators herabsetzt, so dass die Drehzahl des Motors 3 auf dem Sollwert gehalten wird.
Bei positivem oder negativem Drehmoment, das einen bestimmten Wert überschreitet, erreicht der Spannungsabfall am Wendepol 11 einen solchen Wert, bei dem das polarisierte Relais 18 anspricht, das den beiden Kristalldioden 19 parallelgeschaltet ist und in Serie über einen Widerstand 20 an den Wendepol 11 geschaltet ist. In dem Stromkreis der Steuerwicklung 10 wird der Widerstand 13 mittels eines Kontaktes des Relais 18 überbrückt, so dass ab einer bestimmten Belastungsgrenze der Einfluss des Steuerstromes überhöht wird. Eine Änderung des Steuerstromes in diesem Sinne verursacht auf die Erregung des Generators einen Einfluss, der der Wirkung einer Kompoundierungswicklung des Generators gleicht.
Durch diese Steigerung des Steuerstromes gelingt es, dass auch im Bereich erhöhter Bela- stungen mit Hilfe des Relais 18 die Abweichung von der eingestellten Drehzahl eine vorgegebene Grenze nicht überschreitet.
Das Absinken der Belastung sowohl bei motorischem als auch bei generatorischem Betrieb ist mit eine Verringerung des Spannungsabfalles des Wendepoles 11 verknüpft, wobei sich die Drehzahl vom eingestellten Sollwert entfernt. Eine Verringerung des Spannungsabfalles erzeugt einen kleineren Strom in der Steuerwicklung 10 des Magnetverstärkers und verursacht eine Herabsetzung der zusätzlichen Magnetisierung des Magnetverstärkers. Dadurch wird der Erregerstrom des Generators 2 in dem Sinn verändert, dass die Generator- sowie die Motorankerspannung und somit die Drehzahl auf die gewünschten Werte zurückgeführt werden.
Der Schwellwert für das Ansprechen des polarisierten Relais 18 kann verschieden sein, je nach der Art der Belastung des Antriebes (positives oder negatives Drehmoment).
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Es ist zweckmässig, den Steuerstrom für die Wicklung 10 über eine mitdemDrehzahlstellwider- stand 5 gekoppelte Widerstandsbahn 22 zu führen, der noch ein Widerstand 23 parallelgeschal- tet werden kann ; die letztgenannten Widerstände sind in der Zeichnung mit strichlierten Mnien darge- stellt. Unter der Annahme einer Belastung des Motors 3 und eines kleinen Drehzahlsollwertes befindet sich der Schleifer der Widerstardsbahn 22 nahe seiner unteren Anschlussklemme und dementsprechend besitzt der der Wendepokpannung proportionale belastungsabhängige Strom für dieSteuerwicklung 10 geringe Werte. Mit steigender Drehzahleinstellung nimmt die Grösse der Widerstandskombination 22,23 ab.
Mit den Widerständen 22,23 kann eine über den Drehzahlbereich kontinuierliche Beeinflussung des belastungsabhängigen Steuerstromes für den Magnetverstärker erreicht werden, wobei im Bereich gro- sser Drehzahlvorgaben ein nichtlineares Verhalten des Magnetverstärkers vermieden wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Steuerung der Drehzahl eines Gleichstrommotors unter Aufschaltung einer vom
Ankerstrom abhängigen Grösse zur Beeinflussung der Felderregung eines Leonard-Generators mittels eines Magnetverstärkers mit einer Steuerwicklung, die von einem vom Ankerstrom abhängigen Strom durchflossen ist, und mit einer zur willkürlichen Einstellung der Drehzahl dienenden Vorstromwicklung, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerwicklung (10) eine in Abhängigkeit von der Grösse und Richtung des Ankerstromes ihren Widerstandswert im Sinne einer Verkleinerung der Drehzahlabweichungen bei grösserer Belastung ändernde Widerstandskombination vorgeschaltet ist, die vorzugsweise an den Wendepol des Leonard-Generators angeschlossen ist.