Anordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, dessen AnkerkrAis über gittergesteuerte Dampf- oder Gasentladungsstrecken mit einem konstanten Strom gespeist wird. Eine Betriebsweise für Gleichstrommoto ren, die über gesteuerte Stromrichter gespeist werden, besteht darin, dass der Ankerstrom des Motors mittels eines auf die Gittersteue rung des Stromrichters wirkenden Röhren reglers konstant gehalten wird und die Dreh zahlregelung ausschliesslich durch Änderung des Motorfeldes bewirkt wird.
Ist dabei noch eine selbsttätige Drehzahlregelung verlangt, so wird zweckmässig auch für die Speisung des Motorfeldes ein kleiner gittergesteuerter Gleichrichter bezw. ein kleiner Umkehrstrom richter verwendet, mit dem die Feldänderun gen sowie auch die Umkehr des Feldes in einfachster Weise durchgeführt werden kön nen. In Fig. 1 der Zeichnung ist eine solche selbsttätige Drehzahlregelung für einen über Stromrichter mit konstantem Ankerstrom ge speisten Motor schematisch dargestellt. Der Ankerstromkreis des Motors 1 enthält den Hauptgleichrichter 2 mit dem Röhrenregler 3 zur Konstanthaltung des Ankerstromes.
Der Gleichrichter 4 für die Erregerwicklung 5 des Motors wird ebenfalls mit Hilfe eines Röhrenreglers 6, und zwar in Abhängigkeit von der Drehzahl, die durch die Tachometer dynamo 7 nachgebildet wird, geregelt. In Fig. 1 ist der Einfachheit halber nur ein ein zelner Gleichrichter und kein Umkehrstrom richter für die Erregung, wie es für Brems und Umkehrbetrieb des Motors zu fordern wäre, dargestellt. Ein Vorteil einer derarti gen Anordnung besteht darin, dass man so wohl für Motor- wie für Bremsbetrieb mit einem einzigen Hauptstromrichter auskommt und beim Übergang von einer Arbeitsweise in die andere weder im Hauptstromkreis noch im Erregerkreis oder Steuerkreis umzuschal ten braucht.
Ein weiterer Vorteil der Motor speisung mit konstantem Ankerstrom ist noch die Möglichkeit, mehrere Motoren hinterein ander zu schalten und sie von einem gemein samen Hauptstromrichter zu speisen.
Die Regelung im Feld eines Motors ist wegen der verhältnismässig grossen Zeitkon stante ziemlich träge. Um eine genügende Regelgeschwindigkeit zu erzielen, wird vor übergehend nach dem Grundsatz der Schnell erregung von Maschinen eine wesentlich höhere Erregerspannung an die Feldwick lung gelegt, als für den eingeschwungenen Zustand notwendig wäre. Zu diesem Zweck wird der Erregergleichrichter sowie der zu gehörige Transformator beispielsweise für eine Erregerspannung vom vierfachen Wert einer solchen Spannung ausgelegt, die zur Erreichung des normalen Erregerstromes er forderlich ist. Diese hohe Erregerspannung wird aber nur zur Beschleunigung des An stieges des Erregerstromes gebraucht.
Der Höchstwert des Erregerstromes soll bei wei tem nicht so gross sein, als dies nun mit der maximalen Erregerspannung möglich wäre, sondern soll über einen einmal eingestellten zulässigen Wert nicht hinausgehen. Je nach der Bemessung des Motors (Grad der Eisen sättigung) und dem beim Hochfahren ver langten Moment wird der maximal zulässige Erregerstrom beispielsweise auf<B>150%</B> oder höchstens 200% des zur Erreichung des Nennmomentes erforderlichen Normalwertes eingestellt. Um dies zu erreichen, wird eine Strombegrenzungseinrichtung vorgesehen, die ebenfalls auf die Gittersteuerung des Er regergleichrichters wirkt und diese wieder so weit sperrt, dass der Erregerstrom den ein gestellten Wert nicht überschreitet.
Bei einem solchen Konstantstrommotor mit einer Einrichtung zur Begrenzung des Erregerstromes tritt nun aber folgende Schwierigkeit auf: Rechnen wir einmal mit einem maximalen Erregerstrom vom Zwei fachen des Nennwertes, und nehmen wir der Einfachheit halber an, dass die Maschine in diesem Bereich ungesättigt ist. Gewöhnlich wird das grosse Moment entsprechend dem doppelten Nennwert des Erregerstromes nur während des Anfahrbetriebes des 11otors und hei niedrigen Drehzahlen des Motors ver langt. Bei grösseren Drehzahlen braucht das Moment normalerweise nicht grösser als der Normalwert zu sein.
Die Erregerstrom begrenzung ist daher in diesem Drehzahl bereich dann unwirksam, da der Erreger strom dann sowieso genügend klein bleibt. Es entstehen in diesem Fall keine Schwierig keiten mit. der vorgesehenen Strombegrenzung. Es ist aber auch denkbar, dass beispielsweise der Maschinist den Steuerhebel, mit dem er den Sollwert der Drehzahl einstellt, so schnell verstellt, dass der Motor auch bei höheren Drehzahlen noch ein Beschleuni gungsmoment braucht, das erheblich grösser ist als das Nennmoment. so dass auch jetzt die Strombegrenzung in Tätigkeit tritt.
Dann entstehen aber Schwierigkeiten, indem das Konstantstromsvstem in ein normales Kon- stantspannungssystem übergeht und der Mo tor nicht über eine gewisse Drehzahl, im Bei spiel die halbe Nenndrehzahl. hinauskommt. Dies hat seinen Grund darin, dass infolge des grossen Motorfeldes auch die Gegenspannung des Motors entsprechend gross ist.
Die An kerspannung des Motors ist bei doppeltem Erregerstrom schon bei halber Nenndrehzahl gleich der _Nennspannung. Ist nun der Hauptgleichrichter gerade für die -;\-ennspa.n- nung des Motors bemessen, so ist er bei die ser Spannung schon voll geöffnet. Der Röh renregler zur Aufrechterhaltung des kon- stanlen Ankerstromes vermag ihn dann nicht mehr weiter zii öffnen, so dass der Gleich richter mit dieser Nennspannung weiter arbeitet.
Der Erregerstrom bleibt aber auf diesem Höchstwert vom doppelten Nenn- hetrag, da der Drehzahlregler wegen der grossen Differenz zwischen Sollxi#ei-t und Ist wert entsprechend auf den Erregergleich richter wirkt. Der Motor behält dabei unver- 'indert die halbe Nenndrehzahl bei und kommt nicht darüber hinaus.
Der nächst liegende Weg, um aus dieser Schwierigkeit herauszukommen, ist der, dass man den Hauptgleichrichter für eine höhere Spannung als den Nennwert bemisst, damit der Röhren- regler für den konstanten Ankerstrom den Gleichrichter noch weiter öffnen kann und dadurch auch den Strom bis zur höheren Drehzahl konstant halten kann. Dies bedeu tet aber eine Vergrösserung des Gleichrichters und vor allem des Transformators und führt zu einem unwirtschaftlich grossen Aufwand.
Die Erfindung vermeidet es, die Anker spannung zu erhöhen und beschreitet einen wirtschaftlicheren Weg, indem erfindungs gemäss zwecks Erweiterung des Drehzahl- regelbereiches der Grenzwert des Erreger stromes in Abhängigkeit von einer Betriebs grösse des Motors vermindert wird. Diese Verminderung des zulässigen Grenzwertes für den Erregerstrom kann in Abhängigkeit von verschiedenen Grössen, wie zum Beispiel von der Drehzahl oder von der Ankerspan nung, erfolgen.
Wird die Verminderung in Abhängigkeit von der Drehzahl vorgenom men, so ergeben sich in dem obengewä,hl- ten Beispiel folgende Betriebszustände: Bis nahezu zur halben Nenndrehzahl des Motors kann der zulässige Grenzwert des Erreger stromes auf dem doppelten Nennwert gehal ten werden. Von der halben Nenndrehzahl an muss dann die Strombegrenzung immer kleinere Grenzerregerströme einstellen. Bei der Nenndrehzahl darf der Grenzwert des Erregerstromes höchstens gleich seinem Nennwert sein.
Erfolgt die Begrenzung des Erregerstromes in Abhängigkeit von der Ankerspannung, so ergeben sich für unser obiges Beispiel folgende Verhältnisse: Bis nahezu zur halben Nenndrehzahl darf der maximale Erregerstrom wieder gleich dem doppelten Nennwert sein. Wird dann bei der halben Nenndrehzahl nahezu der Nennwert. der Ankerspannung erreicht, so muss bei einem weiteren Steigen der Ankerspannung um schon geringe Werte der maximale Erreger strom verhältnismässig stark verringert wer den.
Von ganz besonderer Bedeutung ist die angegebene Änderung der Erregerstrom- begrenzung, wenn es sich um Antriebe han delt, bei denen in der üblichen Betriebsweise nach dem Konstantspannungssystem die höheren Drehzahlen durch Feldschwächung erreicht werden.
Würde in einem solchen Fall bei Verwendung des Konstantstrom- systems die drehzahlabhängige bezw. anker- spannungsabhängige Begrenzung des maxi- malen Erregerstromes nicht durchgeführt, so würde der Motor schon bei einer Drehzahl Non einem Bruchteil der Nenndrehzahl hän gen bleiben, sofern nicht der Transformator und Gleichrichter für den Ankerkreis un wirtschaftlich gross bemessen würden.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer drehzahlabhängigen Begrenzung des Erregerstromes gezeigt. In dieser Abbildung ist im wesentlichen nur der Erregerkreis ein schliesslich dessen Steuerung dargestellt. Die Schaltung des Ankerkreises ist dieselbe wie in Fig. 1. Der Verstärker der von der Tacho meterdynamo 7 gespeisten Drehzahlregelung 6 liefert an seinem Ausgangswiderstand 8 eine veränderliche Gleichspannung, die in Verbindung mit der Wechselspannung des Transformators 9 den Erregergleichrichter 4 unmittelbar steuert.
In Reihe mit der Ver- stärkerausgangsspannung am Widerstand $ liegt noch die Spannung am Widerstand 10, die zunächst von der Batterie 11 bestimmt wird und infolgedessen eine konstante nega tive Vorspannung darstellt. Der Erreger strom oder ein diesem proportionaler Strom ierr wird über den Widerstand 12 geleitet und erzeugt hier einen entsprechenden Span nungsabfall. Zwischen dem Widerstand 12 und der Widerstandskette 10, 13 ist der Trockengleichrichter 14 geschaltet, der ver hindert, dass der Strom von der Batterie 11 über den Widerstand 12 fliessen kann.
Um gekehrt sorgt der Trockengleichrichter 15 dafür, dass nie ein Strom in die Batterie zurückfliesst. Solange der Spannungsabfalf am Widerstand 12 kleiner ist als die Batte riespannung, wird die Vorspannung am Wi derstand 10 nur von der Batterie bestimmt. Sobald aber der Erregerstrom einen bestimm ten Wert überschreitet, wird der Spannungs abfall am Widerstand 12 grösser als die Bat teriespannung, und es fliesst ein entsprechen der Strom über den Trockengleichrichter 14 und die Widerstände 10 und 13. Dadurch wird die negative Vorspannung grösser und der Erregerstrom mehr und mehr gesperrt, so dass ein weiteres Steigen des Erregerstro mes verhindert wird.
Um nun die gewünschte drehzahlabhän gige Änderung des maximalen Wertes des Erregerstromes zu erzielen, wird in den aus dem Widerstand 12, dem Trockengleichrich ter 14 und der Widerstandskette 10, 13 be stehenden Stromkreis noch die Spannung einer Tachometerdynamo 16 zwischengeschal tet. Je grösser die Drehzahl des Motors ist. um so grösser ist die Spannung an der Tacho meterdynamo 16 und um so kleiner braucht der Spannungsabfall am Widerstand 12 zu sein, um einen Stromfluss über den Trocken gleichrichter 7.4 und den Widerstand 10 zu erhalten. Mit steigender Drehzahl wird also der Maximalwert des Erregerstromes mehr und mehr verringert.
Soll der Maximalwert des Erregerstromes bis zu einer bestimmten Drehzahl konstant bleiben - in unserem obigen Beispiel könnte er bis zur halben Nenndrehzahl gleich dem doppelten Nenn 5 wert sein -, so kann die Anordnung so gq- troffen werden, dass die Tachometerdynamo 16 bis zu dieser Drehzahl unerregt ist und erst von da ab entweder mit einem konstan ten oder sogar einem drehzahlabhängigen Strom erregt wird. Man hat es somit in der Hand, der drehzahlabhängigen Verringerung des maximalen Erregerstromes einen ge wünschten Verlauf zu geben.
Von besonderer Wichtigkeit ist zum Beispiel jener Verlauf des Grenzerregerstromes in Abhängigkeit von der Drehzahl, bei dem für den Motor eine konstante Leistung erzielt wird. Die Ver änderung des Grenzwertes des Erregerstro mes in Abhängigkeit von der Drehzahl oder von der Ankerspannung kann auch in ein facher Weise dadurch erfolgen, dass der Wi derstand 12 entsprechend verändert wird. In diesem Fall kann beispielsweise die Span nung der Tachometerdynamo oder die Anker spannung ein Relais oder einen Servomotor betätigen, durch die der Widerstand 12 im gewünschten Sinne und in der richtigen Ab stufung verstellt wird.
Arrangement for speed control of a direct current motor, the armature circuit of which is fed with a constant current via grid-controlled steam or gas discharge paths. One mode of operation for DC motors that are fed via controlled converters is that the armature current of the motor is kept constant by means of a tube regulator acting on the grid control of the converter and the speed control is effected exclusively by changing the motor field.
If an automatic speed control is also required, a small grid-controlled rectifier or rectifier is also useful for feeding the motor field. a small reverse current converter is used, with which the field changes as well as the reversal of the field can be carried out in the simplest way. In Fig. 1 of the drawing, such an automatic speed control for a ge over power converter with constant armature current fed motor is shown schematically. The armature circuit of the motor 1 contains the main rectifier 2 with the tube regulator 3 to keep the armature current constant.
The rectifier 4 for the excitation winding 5 of the motor is also controlled with the aid of a tube regulator 6, specifically as a function of the speed, which is simulated by the tachometer dynamo 7. In Fig. 1, for the sake of simplicity, only a single rectifier and no reverse current converter for the excitation, as would be required for braking and reversing operation of the motor, is shown. An advantage of such an arrangement is that you can get by with a single main converter for both motor and braking operation and you do not need to switch between the main circuit, the excitation circuit or the control circuit when you transition from one mode of operation to the other.
Another advantage of the motor supply with constant armature current is the possibility of connecting several motors one after the other and feeding them from a common main converter.
The regulation in the field of a motor is rather sluggish because of the relatively large time constant. In order to achieve a sufficient control speed, a significantly higher excitation voltage is applied to the field winding prior to the principle of the rapid excitation of machines than would be necessary for the steady state. For this purpose, the exciter rectifier and the associated transformer are designed, for example, for an excitation voltage of four times the value of the voltage that is required to achieve the normal excitation current. This high excitation voltage is only used to accelerate the rise in the excitation current.
The maximum value of the excitation current should by far not be as large as would be possible with the maximum excitation voltage, but should not exceed a permissible value that has been set once. Depending on the dimensioning of the motor (degree of iron saturation) and the torque required when starting up, the maximum permissible excitation current is set, for example, to <B> 150% </B> or a maximum of 200% of the normal value required to achieve the nominal torque. In order to achieve this, a current limiting device is provided which also acts on the grid control of the excitation rectifier and blocks it again to such an extent that the excitation current does not exceed the value set.
With such a constant current motor with a device for limiting the excitation current, however, the following difficulty arises: Let us calculate with a maximum excitation current of twice the nominal value and, for the sake of simplicity, assume that the machine is unsaturated in this area. Usually, the high torque corresponding to twice the nominal value of the excitation current is only required during the start-up operation of the motor and at low motor speeds. At higher speeds, the torque does not normally need to be greater than the normal value.
The excitation current limitation is therefore ineffective in this speed range, since the excitation current then remains sufficiently small anyway. In this case there are no difficulties with. the intended current limit. But it is also conceivable that, for example, the operator adjusts the control lever with which he sets the setpoint of the speed so quickly that the motor still needs an acceleration torque that is considerably greater than the nominal torque, even at higher speeds. so that the current limitation also comes into operation now.
However, difficulties then arise because the constant current system changes over to a normal constant voltage system and the motor does not exceed a certain speed, in the example half the nominal speed. comes out. The reason for this is that due to the large motor field, the counter voltage of the motor is correspondingly large.
With twice the excitation current, the armature voltage of the motor is equal to the nominal voltage even at half the nominal speed. If the main rectifier is now dimensioned for the nominal voltage of the motor, it is already fully open at this voltage. The tube regulator for maintaining the constant armature current can then no longer open it, so that the rectifier continues to work with this nominal voltage.
The excitation current, however, remains at this maximum value of twice the nominal amount, since the speed controller acts accordingly on the excitation rectifier due to the large difference between the target value and the actual value. The motor remains unchanged at half the nominal speed and does not go beyond it.
The closest way to get out of this difficulty is to dimension the main rectifier for a higher voltage than the nominal value so that the tube regulator can open the rectifier for the constant armature current even further and thereby also the current up to the higher one Can keep speed constant. However, this means an enlargement of the rectifier and, above all, of the transformer and leads to an uneconomically large outlay.
The invention avoids increasing the armature voltage and takes a more economical route by reducing the limit value of the exciter current as a function of an operating variable of the motor in accordance with the invention for the purpose of expanding the speed control range. This reduction in the permissible limit value for the excitation current can take place as a function of various variables, such as the speed or the armature voltage.
If the reduction is made depending on the speed, the following operating states result in the example selected above: The permissible limit value of the excitation current can be kept at twice the nominal value up to almost half the nominal speed of the motor. From half the nominal speed onwards, the current limitation must set ever smaller limiting excitation currents. At the nominal speed, the limit value of the excitation current may at most be equal to its nominal value.
If the excitation current is limited as a function of the armature voltage, the following conditions result for our example above: Up to almost half the nominal speed, the maximum excitation current may again be twice the nominal value. It then becomes almost the nominal value at half the nominal speed. the armature voltage is reached, if the armature voltage continues to rise by already small values, the maximum excitation current must be reduced relatively sharply.
The specified change in the excitation current limitation is of particular importance when it comes to drives in which the higher speeds are achieved by field weakening in the usual operating mode according to the constant voltage system.
In such a case, when using the constant current system, the speed-dependent resp. Armature voltage-dependent limitation of the maximum excitation current is not carried out, the motor would already hang at a speed of Non a fraction of the nominal speed, unless the transformer and rectifier for the armature circuit were dimensioned uneconomically large.
In Fig. 2 an embodiment of a speed-dependent limitation of the excitation current is shown. In this figure, essentially only the excitation circuit and its control are shown. The circuit of the armature circuit is the same as in Fig. 1. The amplifier of the speed control 6 fed by the tachometer dynamo 7 supplies a variable DC voltage at its output resistor 8, which in conjunction with the AC voltage of the transformer 9 controls the exciter rectifier 4 directly.
In series with the amplifier output voltage at the resistor $ is the voltage at the resistor 10, which is initially determined by the battery 11 and as a result represents a constant negative bias voltage. The excitation current or a current ierr proportional to this is passed through the resistor 12 and generates a corresponding voltage drop here. The dry rectifier 14 is connected between the resistor 12 and the resistor chain 10, 13 and prevents the current from the battery 11 from flowing through the resistor 12.
Conversely, the dry-type rectifier 15 ensures that a current never flows back into the battery. As long as the voltage drop across the resistor 12 is less than the battery voltage, the bias voltage across the resistor 10 is only determined by the battery. But as soon as the excitation current exceeds a certain th value, the voltage drop across the resistor 12 is greater than the battery voltage, and the current flows through the dry rectifier 14 and the resistors 10 and 13. This increases the negative bias and the excitation current more and more blocked, so that a further increase in the excitation current is prevented.
In order to achieve the desired speed-dependent change in the maximum value of the excitation current, the voltage of a tachometer dynamo 16 is interposed in the circuit consisting of the resistor 12, the dry rectifier 14 and the resistor chain 10, 13. The greater the speed of the motor. the greater the voltage on the tachometer dynamo 16 and the smaller the voltage drop across the resistor 12 needs to be in order to obtain a current flow through the dry rectifier 7.4 and the resistor 10. As the speed increases, the maximum value of the excitation current is reduced more and more.
If the maximum value of the excitation current is to remain constant up to a certain speed - in our example above, it could be up to half the nominal speed equal to double the nominal 5 - the arrangement can be made so that the tachometer dynamo 16 up to this speed is not excited and is only then excited with either a constant or even a speed-dependent current. It is therefore up to you to give the speed-dependent reduction in the maximum excitation current a desired course.
Of particular importance, for example, is the curve of the limit excitation current as a function of the speed at which a constant power is achieved for the motor. The change in the limit value of the exciter current as a function of the speed or the armature voltage can also take place in a multiple manner in that the resistance 12 is changed accordingly. In this case, for example, the voltage of the tachometer dynamo or the armature voltage actuate a relay or a servomotor through which the resistor 12 is adjusted in the desired sense and in the correct gradation.