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Schaltungseinrichtung zur verlustarmen Regelung eines von einer Gleichspannungsquelle gespeisten Motors Die Erfindung betrifft eine Schaltungseinrichtung zur verlustarmen Regelung eines von einer Gleichspannungsquelle gespeisten Elektromotors, insbesondere zur Regelung eines Elektrokarrens, mit einem in bezug auf das Verhältnis seiner Kontaktgabezeiten zu seinen Unterbrechungszeiten regelbaren, periodisch arbeitenden Schalter. Bei derartigen Einrichtungen spielt die Frage der Funkenfreiheit des periodischen Schalters und ebenso die Frage des ruhigen Laufes des Motors, insbesondere der gleichmässige stossfreie Anlauf des Motors eine bedeutsame Rolle.
Die Erfindung sieht vor, dass parallel zu dem Motor ein Kondensator angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Kondensator so bemessen, dass bei 80 Volt Betriebsspannung er pro PS Nutzlast mindestens 2000 , < cF Kapazität besitzt und bei einer um den Faktor n niedrigeren Betriebsspannung er pro PS Nutzlast mindestens n2. 2000,uF Kapazität besitzt.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen gemäss den 19 Figuren erläutert.
Von den Figuren sind: Fig. 1 und 2 Prinzips-Schaltbilder von zwei speziellen Ausführungsformen, Fig. 3 und 4 zwei weitere Ausgestaltungen, Fig. 5 und 6 beispielsweise Darstellungen des zeitlichen Verlaufes des den Motor durchfliessenden Stromes und der sich am Kondensator ausbildenden Spannung, Fig. 7 bis 11 Prinzip-Darstellungen eines im Rahmen der Erfindung liegenden regelbaren Schalters, Fig. 12 bis 19 weitere Ausführungsformen eines solchen Schalters.
Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen haben die folgende Bedeutung: 1 ist die speisende Gleichspannungsquelle, vorzugsweise eine Akkumulatorenbatterie. 3 ist ein periodisch arbeitender Schalter, der hinsichtlich des Verhältnisses seiner Öffnungszeiten zu den Schlie- ssungszeiten regelbar ist; zweckmässigerweise ist 3 ein umlaufender Schalter. 2 ist der Motor, dessen Leistungsaufnahme geregelt werden soll, beispielsweise der Antriebsmotor eines Elektrokarrens. 4 ist ein Kondensator, vorzugsweise ein Elektrolytkondensator, der während der Schliessungsphasen des periodischen Schalters 3 aufgeladen wird und während der Öffnungsphasen desselben Leistung an den Motor 2 abgibt.
Funkenbildung beim Öffnen des Schalters 3 wird wesentlich durch den Kondensator 4 unterdrückt. In Serie mit dem Motor 2 ist eine Selbstinduktion 5 dargestellt. Die Selbstinduktion 5 stellt die induktive Widerstandskomponente des den Motor enthaltenden Zweiges der Schaltung dar; sie liegt also zum mindesten teilweise gegebenenfalls auch gänzlich im Motor. Um das Auftreten zu starker Ladeströme des Kondensators 4 zu vermeiden, ist gegebenenfalls im Ladestromkreis des Kondensators 4 eine weitere Selbstinduktion 6 vorgesehen, deren Selbstinduktionswert jedoch klein gegenüber dem der Selbstinduktion 5 ist. Unter Umständen kann die Selbstinduktion 6 eine aus nur wenigen Windungen bestehende Luftspule sein.
Es sei jedoch ausdrücklich bemerkt, dass diese zusätzliche Selbstinduktion 6 nicht unbedingt erforderlich ist und gegebenenfalls auch gänzlich in Fortfall kommen kann, sofern dies die Stromfestigkeit des zur Anwendung gelangenden Schalters bzw. des Kondensators gestattet.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich durch die Anordnung der zusätzlichen im Ladestromkreis des Konden-
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Bators liegenden Selbstinduktion, nämlich dergestalt, dass eine Selbstinduktion 7 auch von dem den Motor 2 durchfliessenden Strom durchflossen ist.
Um die Möglichkeit eines unzulässig hohen Ladestromes des Kondensators 4 zu verringern und doch gleichzeitig die Entladung desselben durch die Selbstinduktion 6 nicht zu hemmen, kann parallel zu 6 ein Trockengleichrichter 8 vorgesehen sein, wie in Fig. 3 gezeigt ist.
Bei der Parallelschaltung von Drossel 6 und Gleichrichter 8 wird sich bei geschlossenem Unterbrecher 3 die Aufladung des Kondensators über die Drosselspule nur langsam, mit kleinen, für den Kondensator 4 und den Unterbrecher nicht gefährlichen Strömen vollziehen, während sich bei Öffnung des Unterbrechers die Ladung des Kondensators durch den Gleichrichter 8 praktisch ungehindert wieder in den Motor 2 entladen kann. Es kann auch, vgl. Fig. 4, parallel zum Schalter 3 ein Kondensator 9 in Serie mit einem Gleichrichter 8 oder einer Parallelschaltung eines Gleichrichters mit einer Selbstinduktion 10 geschaltet sein. Ein Widerstand kann in Serie mit dem Kondensator 9 vorgesehen sein. Eine solche Schaltung erhöht die Unterdrückung von Öffnungsfunken am Schalter 3.
Hinsichtlich des Aufbaues, der Funktionsweise der Schaltung, sowie der Bemessung der Schaltelemente ist noch folgendes auszuführen: Die Grösse des Kondensators 4 wird zweckmässig so gewählt, dass derselbe bei einer Batteriespannung von 80 Volt und den nachfolgend angegebenen Kontaktgabezeiten und Unterbrechungsfrequenzen pro PS Motorleistung etwa 2000 bis 3000 ; cF Kapazität besitzt. Bei einer n-mal kleineren Spannung muss der Kondensator 4 um den Faktor n grösser sein.
Der Schalter ist zweckmässig ein umlaufender Schalter, dessen Schaltfrequenz mindestens etwas 10 Hertz beträgt und dessen kürzeste Kontaktgabezeit etwa 1;1o der Zeitdauer beträgt, mit der sich die Kon- taktgabe-Intervalle wiederholen. Zweckmässig liegt die Unterbrechungsfrequenz des Motors zwischen 10 und 20 Hertz. Der induktive Widerstand 5 hat die Aufgabe, den Stromstoss in den Motor hinein bei Schliessen des Schalters 3 zu dämpfen und ferner die Entladung des Kondensators 4 zu verlangsamen; es kann sich bei Regelung der Anordnung auf ge- ringstmögliche Kontaktgabezeit ergeben, dass der Kondensator 4 praktisch vollständig während der Schaltpausen entladen wird.
Die Grösse der Selbstinduktion 6 ist so zu wählen, dass auch während der kürzesten Kontaktgabe des rotierenden Schalters 3 noch wesentlich vollständige Aufladung des Kondensators 4 erfolgt. Demgegenüber soll der induktive Widerstand 5 eine Entladung des Kondensators 4 erst in einer Zeit zulassen, die wesentlich grösser ist als die kürzeste Kontaktgabe-Dauer des Schalters.
Es kann unter Umständen zweckmässig sein, die Schaltfrequenz des Schalters 3 bei Regeln auf geringe Leistung zu vergrössern. Eine solche Regelung, die in einfacher Weise dadurch erfolgen kann, dass die Umlaufgeschwindigkeit des den Schalter 3 antreibenden Hilfsmotors heraufgesetzt wird, bewirkt auch bei Regelung auf kleinste Leistungsstufe einen ruhigen Lauf des Motors 2.
Der Kondensator 4 wird zweckmässig als schaltfester Elektrolytkondensator mit Sperrschichten an seinen beiden Belegungen ausgebildet.
In Fig. 5 und 6 sind schematisch Oscillogramme wiedergegeben, die bei einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung, in welcher der Motor etwa mit seiner Nennleistung abgebremst wurde, in verschiedenen Regelstufen erhalten wurden.
Die Abszisse ist die Zeitachse; U gibt den zeitlichen Verlauf der sich am Kondensator 4 ausbildenden Spannung wieder; I j" gibt den zeitlichen Verlauf des den Motor durchfliessenden Stromes wieder. Aus dem Zeitverlauf der am Kondensator sich ausbildenden Spannung sieht man, dass praktisch momentan in den Zeitpunkten der Kontaktgabe des Schalters (Zeitpunkt t1, t3) Aufladung des Kondensators auf praktisch volle Batteriespannung erfolgt.
Im Zeitpunkt der Stromunterbrechung t,., . . . t.: t' ... t.,,' fällt dann die Kondensatorspannung U,. ab,- wobei sich bei dem in Fig. 5 wiedergegebenem Oseillogramm eine geringe Schwingneigung feststellen lässt. Der Stromverlauf 1", zeigt im Falle der Fig.5 während der Kontaktgabezeiten t1 . . . t., einen steilen Stromanstieg, während in der Stromunterbrechungszeit t." t3 der Strom zu einem geringen negativen Stromwert abfällt.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Oscillogramm erreicht der Strom 1", während der Kontaktgabezeit t1 . . . t,2' einen Sättigungswert, von dem er während der Unterbrechungsphase t2', t, auf einen etwas geringeren Wert abfällt. Zu einem Nulldurchgang des Stromes 1", kommt es in diesem Falle nicht, so dass auch die Spannungskurve U, anders als in Fig. 5 keinen minimalen Wert durchläuft.
Es ist wesentlich, dass die Spannung U, am Beginn der Zeitspanne der Stromunterbrechung t., . . . t3 bzw. t2' . . . t3 möglichst langsam abfällt. Im Zeitpunkt t.= bzw, t.,' besitzen die beiden Kontakte des Schalters 3 gleiches Potential, und es ist wichtig, dass die Kontakte sich möglichst weit schon entfernt haben, bevor die Kondensatorspannung U,. beträchtlich abgefallen ist und daher an den geöffneten Kontakten des Schalters 3 eine beträchtliche Spannung herrscht. Der aus Fig. 5 und 6 erkennbare Abfall der Konden- satorspannung U, erfolgt in diesem Sinne hinreichend langsam.
Versuche haben gezeigt, dass zum Vermeiden eines sich ausbildenden Lichtbogens an den zur Unterbrechung gelangenden Kontakten es erforderlich ist, dass die Spannungsdifferenz an den Kontakten grössenordnungsmässig 10 Volt nicht überschreitet, wenn der Kontaktöffnungsvorgang zu einer Trennung der Kontaktstrecke von weniger als 1 mm geführt hat.
Dies bedeutet, dass etwa eine 1 msec nach Beginn der Trennung der Kontakte des Schalters die Spannung des Kondensators 4 um weniger als etwa 10 Volt abgefallen sein darf.
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Es ist zweckmässig, dass während der Stromunterbrechungsphasen der aus dem Kondensator 4 und dem Elektromotorzweig 2 bestehende geschlossene Stromkreis aperiodisch gedämpft ist, wie es Fig. 6 zeigt;
würde der Motorstrom während der Stromunterbre- chungsphasen des Schalters zu erheblichen negativen Stromrichtungen Umschwingen, so würde das zur Folge haben, dass bei erneutem Schliessen des Schalters 3 sich eine besonders starke Änderung des Motorstromes ergeben würde, die sich in einem unerwünschten Drehmomentstoss des Motors bemerkbar machen würde.
Es hat sich bei erfindungsgemässen Schaltungen gezeigt, dass es wichtig ist, den Kontaktöffnungsvor- gang des Unterbrechers möglichst schnell durchzuführen, damit sich bei Kontaktunterbrechung die Kontaktstücke des Unterbrechers bereits beträchtlich voneinander entfernt haben, bevor sich eine grössere Spannungsdifferenz durch Entladung des Konden- sators an der geöffneten Kontaktstelle des Schalters ausgebildet hat. Die Geschwindigkeit des Kontaktschlusses kann dagegen ohne Nachteile verhältnismässig klein gewählt werden.
Anderseits muss aber gewährleistet sein, dass nicht etwa beim Öffnen des Schalterkontaktorgans es zu unerwünschten Prell- erscheinungen kommt, die dann eine mehrfache Kontaktgabe in Form eines Vibrierens des Kontaktorgans zur Folge haben.
Ein derartiger Schalter, der im Rahmen der Erfindung befriedigendes Arbeiten gezeigt hat, ist in Fig. 7 bis 11 dargestellt: 11 ist die Antriebsachse des Schalters, die in beliebiger Weise, z. B. durch einen Elektromotor, in Richtung des angegebenen Pfeils gedreht wird. Der Antrieb der Achse kann mit konstanter Geschwindib keit erfolgen. Auf der Achse 11 verschiebbar ist eine Muffe 21 angeordnet. 12 ist ein auf der Muffe 21 fest angeordnetes Rohr, welches zu seinem Ende 22 hin keilförmig spitz zuläuft. An seinem andern Ende 19 ist das Rohr von kreisförmigem Querschnitt. Das mittels der Muffe 21 verschiebbare, keilförmig zulaufende Rohr 12 bildet eine Steuernocke veränderbarer Nockenlänge für den schwingenden Teil einer Kontaktvorrichtung.
Die Kontaktvorrichtung ist durch die isoliert angeordneten festen Federkontakte 17, 17 sowie den beweglichen, die beiden Kontakte miteinander verbindenden Kontaktteil 20 dargestellt, welcher einen Steuerfinger 13 besitzt.
15 ist eine Feder, welche einen den Überbrük- kungsteil 20 tragenden Hebel 14 gegen einen Anschlag 125 zu ziehen bestrebt ist. Der keilförmig zulaufende Teil des Rohres 12 besitzt eine schräg ansteigende Schulter 23 sowie eine steil abfallende Schulter 24, die zur Achse zu schleifend flacher verläuft, so dass der Hebel 14 zwar schnell den Kontaktteil 20 von den Federkontakten 17, 17 abhebt, dann aber allmählich ohne Sprung und daher ohne zu prellen auf die schräg ansteigende Schulter 23 übergeht. Läuft der Steuerfinger 13 auf die schräg ansteigende Schulter 23 des keilförmig zulaufenden Rohres 12 auf, so findet Kontaktschluss statt. Die Kontaktgabe bleibt erhalten, solange der Steuerfinger 13 auf der Umfangsfläche des Rohres aufliegt.
Dreht sich die Antriebsachse weiter, so fällt an der steil abfallenden Kante 24 der Steuerfinger schnell ab, und es erfolgt eine schnelle Unterbrechung des Stromkreises. Der Querschnitt des Steuerfingers 13, betrachtet in einer zur Antriebsachse parallelen Ebene, kann so gewählt sein, dass seine eine Kante 25 parallel zur Kante 23 des keilförmig zulaufenden Rohres 12 gewählt ist, seine andere Kante 26 indessen parallel zur Kante 24 des Rohres.
Es ist klar, dass je nachdem, wo sich axial in bezug auf die Antriebsachse die verschiebbare Nockenanordnung 12 befindet, sich eine längere oder kürzere Kontaktschliessungszeit ergibt. Befindet sich, wie Fig. 7 zeigt, die Stirnkante 22 der Nockenvorrich- tung 12 ausserhalb des Steuerfingers 13, so ist der Stromkreis dauernd unterbrochen. Befindet sich die Nockenvorrichtung 12 in ihrer andern Extremlage nach rechts geschoben, derart, dass der Steuerfinger 13 nahe dem ungeschwächten Teil des Rohres 12, also nahe seiner linken Kante 19 aufliegt, so ist der Stromkreis dauernd geschlossen.
Die Zwischenstellungen charakterisieren dann Zustände, in welchen ein bestimmtes Verhältnis von Stromflusszeit zu Unterbrechungszeit gegeben ist.
Die stromführenden Kontakte 17 sind auf Kontaktlamellen 31 angeordnet, welch letztere auf einer Isolierstoffbrücke 27 befestigt sind. Die Kontaktlamellen 31 stehen unter der Kraft von Schraubenfedern 29 und schlagen gegen eine Widerlage 28, die ebenfalls aus Isolierstoff besteht. Auf diese Weise kann als Material für die Kontaktlamellen 31 auch solches geringerer Federungseigenschaften, aber besserer elektrischer Leitfähigkeit benutzt werden. Die Schraubenfedern 29 selbst wirken gegen eine Leiste 30 aus Isolierstoff, so dass die Kontaktlamellen 31 und ihre zugehörigen Kontakte 17, 17' vollständig gegen den Körper der ganzen Schalteranordnung isoliert sind.
Die Schalterkonstruktion ergibt sich im einzelnen aus Fig. 12 und folgende.
Wie in Fig. 12 und 13 gezeigt, sind auf einem Metallrahmen 35 stromleitende Kontaktlamellen 32 an einer Isolierstoffbrücke 33 befestigt. An einem Ende des Metallrahmens 35 ist mittels eines Metallwinkels 42 eine Isolierstoffleiste 34 befestigt, gegen die die Kontaktlamellen 32 nach oben federnd anschlagen. Die Federkraft der Lamellen wird durch Schraubenfedern 36 unterstützt, so dass als Material für die Federlamellen auch solches geringerer Federungseigenschaften, aber besserer Leitfähigkeit gewählt werden kann. An den Enden der Federlamellen 32 sind Wolframkontakte 37 vorgesehen.
Je zwei Lamellen 32 sind parallel geschaltet, aber gegen den Körper des Metallrahmens 35 isoliert; es wirken daher auch die Schraubenfedern 36 gegen einen am Metallrahmen 35 befestigten Steg 38 aus Isolierstoff.
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Das Überbrückungsglied 40 ist an dem Metallrahmen 35 mittels einer Achse 41 drehbar angelenkt. Das überbrückungsglied 40 besitzt Kontaktstücke 43 aus Wolfram, die denen 37 der Kontaktfedern 32 entsprechen und die elektrische Verbindung der erwähnten Kontaktfederpaare bewirken.
Das Überbrückungsglied 40 steht unter dem Druck zweier Schraubenfedern 39 (Fig: 18), durch deren Kraft es in die Stellung der Kontaktunterbrechung gepresst wird. Als Steuerfinger 13 ist ein in Fig. 14 und 15 näher dargestelltes, aus einer Kugel 45 mit dosenförmiger Fassung 44 bestehendes Steuerorgan vorgesehen. Die Kugel 45 läurft auf dem Innenkranz 46 eines im Innern der Fassung 44 vorgesehenen Axialkugellagers. Dadurch ist die Kugel 45 in Richtungen senkrecht zur Schnittlinie X-X leicht drehbar, da sich dabei der Innenkranz 46 des Kugellagers mitdrehen kann.
Die Kugel 45 rollt als Steuerfinger an dem in Fig. 8 mit 12 bezeichneten, als Nockenscheibe wirkenden Rohr, dessen Drehachse in Richtung der Linie X-X, also parallel der Längsrichtung der Kontaktfedern 32 verlaufend zu denken ist.
Fig. 16 zeigt die zugehörige Nockenwelle, die axial verschiebbar auf der in Fig. 8 mit 11 bezeichneten Welle angeordnet zu denken ist und im Zusammenwirken mit der den Tastfinger des bewegten Organs des Schalters bildenden Kugel die Öffnung und Schlie- ssung des Überbrückungsgliedes 40 bewirkt. Die Nockenwelle besteht aus einem zylindrischen Körper 47, der an seinem einen Ende 49 einen geringeren Durchmesser besitzt als an seinem andern Ende 50. In Form eines sich einmal um den Körper herumwindenden Schraubenganges ist eine Abstufung 48 geschaffen, welche die Öffnung des gesteuerten Schalters bewirkt.
Bei Drehung des zylindrischen Körpers 47 um seine Längsachse wird der Schalter geschlossen gehalten, solange die Kugel 45 auf dem Umfangsteil des Körpers 47 läuft, welcher dem grossen Durchmesser des Endes 50 entspricht. Läuft bei der Drehung des Körpers 47 die Kugel die Stufe 48 herunter, so findet Öffnung des Schalters statt, und wenn sie anschliessend auf dem Umfangsteil läuft, der dem geringen Durchmesser des Endes 49 entspricht, wird der Schalter in seiner Unterbrechungsstellung gehalten. Das Schliessen des Schalters erfolgt dann allmählich, da, in einer Querschnittsebene betrachtet, der zylindrische Körper die in Fig. 17 dargestellte Form besitzt.
Der in Fig. 12 bis 16 erläuterte elektrische Teil der Schalteranordnung bildet eine Baugruppe für sich, die in ein Rahmengebilde 51 eingesetzt wird, welches den mechanisch steuernden Teil der Schalteranordnung bildet.
Die Ausbildung des in Fig. 12 bis 16 beschriebenen elektrischen Teils der Schalteranordnung als selbständige Baugruppe hat den Vorteil, dass dieser am stärksten der mechanischen Abnutzung unterliegende Teil in einfacher Weise ausgewechselt werden kann. Der mechanisch steuernde Teil der Schalteranordnung umfasst eine Lasche 52 an dem Rahmenteil 51; an der Lasche 52 ist ein Steuerhebel 53 drehbar befestigt, der unter der Spannung einer Zugfeder 60 steht. Auf dem zylindrischen Nockenkörper 47 ist drehbar ein Ring 54 angeordnet, an welchem das freie Ende des Steuerhebels 53 angreift, dergestalt, dass bei Schwenken des Steuerhebels 53 der Körper 47 auf der Antriebswelle 55 axial verschoben wird.
Die Welle 55 besitzt eine axial verlaufende Rippe, welche in eine aus Fig. 16 zu ersehende entsprechende Nut 56 des als Steuernocke wirkenden Körpers 47 eingreift, so dass letzterer mit der Antriebsachse 55 auf Drehung verbunden ist, während axiale Verschiebbarkeit gewährleistet ist. Der Antrieb der Welle 55 erfolgt über zwei Zahnräder 58 und 59 von einem Elektromotor 57.
Es ist bekannt, dass mechanische Kontaktvorrichtungen, welche wiederholt einen Einschaltvorgang eines Gleichstromes und wiederholt den Ausschaltvorgang desselben bewirken, einer unsymmetrischen Abnützung unterliegen, insofern der zu schaltende Gleichstrom eine Kontaktmaterialwanderung eintreten lässt.
Aus diesem Grunde empfiehlt es sich, im Stromkreis einen Stromwender vorzusehen, der beispielsweise jedesmal dann eine Umschaltung der Stromrichtung bewirkt, wenn ein Abschalten des periodischen Schalters durch Verschieben des Steuerhebels 53 in seine Ausschaltstellung vorgenommen wird.
Ein Schaltungsschema für eine derartige Ausgestaltung einer erfindungsgemässen Schaltung ist in Fig. 19 wiedergegeben, in der, wie in Fig. 1 die Batterie mit 1, der zu regelnde Gleichstrommotor mit 2, der vorzugsweise Kondensator mit 4 und die Schaltstrecke mit 3 bezeichnet ist. Der die Kontaktlamellen des Schalters 3 steuernde axial verschiebbare Nockenkörper ist mit 47 bezeichnet, seine Antriebswelle wiederum mit 55 und das dem Steuerhebel 53 der Fig. 18 entsprechende Organ mit 73. Ein Stromwender 71 ist in dem Speisestromkreis der Batterie 1 vorgesehen. Der Stromwender 71 ist mit dem Betätigungsorgan 73 des Nockenkörpers 47 mechanisch verbunden, wie durch die gestrichelte Linie 72 angedeutet ist.
Das Verbindungsglied 72 umfasst ein mechanisches Stufenschaltwerk, welches jedesmal, wenn das Steuerorgan 73 in seine äusserste Stellung nach links verschoben wird, ein Umpolen des Stromwenders 71 bewirkt. Die mechanische Ausführung einer derartigen Kopplung kann in verschiedener Weise vorgenommen werden.
Die in Fig. 19 beschriebene Schaltungsweise, welche ein Umpolen des den Elektromotor speisenden Stromes vorsieht, kann auch in der Weise getroffen werden, dass mit Umschalten des Antriebsmotors auf Rückwärtsgang die Umpolung vorgenommen wird. Insbesondere bei sogenannten Gabelstaplern, die eine Hebegabel zum Anheben von Kisten oder dergleichen besitzen, findet sehr häufig ein Umschalten des Antriebsmotors statt, so dass, wenn der Stromwender
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durch die Umschaltvorrichtung auf Rückwärtsgang des Motors gesteuert wird, ein praktisch gleichmässiger Betrieb der periodisch arbeitenden Schaltvorrichtung der Anlage mit entgegengesetzten Stromrichtungen stattfindet.
Es ist zu bemerken, dass, wenn im vorstehenden von kürzester Kontaktgabedauer des periodischen Schalters gesprochen wurde, hierunter eine Schaltdauer zu verstehen ist, die etwa 10% der Periodendauer der periodischen Schaltvorgänge der Schaltvorrichtung entspricht.
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Circuit device for low-loss control of a motor fed by a DC voltage source The invention relates to a circuit device for low-loss control of an electric motor fed by a DC voltage source, in particular for controlling an electric cart, with a periodically operating switch that can be regulated with respect to the ratio of its contact times to its interruption times. In such devices, the question of the absence of sparks in the periodic switch and also the question of the smooth running of the motor, in particular the smooth, smooth start-up of the motor, play an important role.
The invention provides that a capacitor is arranged parallel to the motor. The capacitor is preferably dimensioned such that at an operating voltage of 80 volts it has a capacity of at least 2000 <cF capacity per PS payload and at least n2 for an operating voltage that is lower by a factor of n. 2000, uF capacity.
The invention is explained on the basis of exemplary embodiments according to the 19 figures.
1 and 2 are schematic circuit diagrams of two special embodiments, FIGS. 3 and 4 two further configurations, FIGS. 5 and 6, for example, representations of the time course of the current flowing through the motor and the voltage developing on the capacitor, 7 to 11 basic representations of a controllable switch within the scope of the invention, FIGS. 12 to 19 further embodiments of such a switch.
The reference symbols used in the figures have the following meaning: 1 is the supplying direct voltage source, preferably a storage battery. 3 is a periodically operating counter that can be regulated with regard to the relationship between its opening times and closing times; Conveniently, 3 is a rotating switch. 2 is the motor whose power consumption is to be regulated, for example the drive motor of an electric cart. 4 is a capacitor, preferably an electrolytic capacitor, which is charged during the closing phases of the periodic switch 3 and delivers power to the motor 2 during the opening phases of the same.
Sparking when the switch 3 is opened is substantially suppressed by the capacitor 4. A self-induction 5 is shown in series with the motor 2. The self-induction 5 represents the inductive resistance component of the branch of the circuit containing the motor; it is therefore at least partially and possibly entirely in the engine. In order to avoid the occurrence of excessive charging currents of the capacitor 4, a further self-induction 6 may be provided in the charging circuit of the capacitor 4, the self-induction value of which, however, is small compared to that of the self-induction 5. Under certain circumstances, the self-induction 6 can be an air-core coil consisting of only a few turns.
It should be expressly noted, however, that this additional self-induction 6 is not absolutely necessary and, if necessary, can also be omitted entirely, provided that the current resistance of the switch or capacitor used allows this.
The embodiment of the invention shown in Fig. 2 differs in the arrangement of the additional in the charging circuit of the condenser
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Bator's self-induction, namely such that a self-induction 7 is also traversed by the current flowing through the motor 2.
In order to reduce the possibility of an impermissibly high charging current of the capacitor 4 and at the same time not to inhibit the discharge of the same by the self-induction 6, a dry rectifier 8 can be provided parallel to 6, as shown in FIG.
With the parallel connection of choke 6 and rectifier 8, when the breaker 3 is closed, the charging of the capacitor via the choke coil will only take place slowly, with small currents that are not dangerous for the capacitor 4 and the breaker, while when the breaker opens, the charging of the capacitor occurs can discharge into the motor 2 again practically unhindered by the rectifier 8. It can also, cf. 4, a capacitor 9 can be connected in series with a rectifier 8 or a parallel connection of a rectifier with a self-induction 10 in parallel with the switch 3. A resistor can be provided in series with the capacitor 9. Such a circuit increases the suppression of opening sparks at switch 3.
With regard to the structure, the mode of operation of the circuit and the dimensioning of the switching elements, the following should also be stated: The size of the capacitor 4 is expediently chosen so that it is approximately 2000 to 2,000 per hp engine power at a battery voltage of 80 volts and the contact times and interruption frequencies specified below 3000; cF capacity. If the voltage is n times smaller, the capacitor 4 must be larger by a factor of n.
The switch is expediently a rotating switch, the switching frequency of which is at least about 10 Hertz and the shortest contact time is about 1: 10 of the time period with which the contact intervals are repeated. The interruption frequency of the motor is expediently between 10 and 20 Hertz. The inductive resistor 5 has the task of damping the current surge into the motor when the switch 3 is closed and also of slowing down the discharge of the capacitor 4; If the arrangement is regulated for the shortest possible contact time, the capacitor 4 is practically completely discharged during the switching pauses.
The size of the self-induction 6 is to be selected in such a way that the capacitor 4 is still substantially fully charged even during the shortest contact of the rotating switch 3. In contrast, the inductive resistor 5 should only allow the capacitor 4 to discharge for a time which is significantly greater than the shortest contact-making duration of the switch.
Under certain circumstances, it may be useful to increase the switching frequency of switch 3 when regulating to low power. Such a control, which can be carried out in a simple manner by increasing the rotational speed of the auxiliary motor driving the switch 3, causes the motor 2 to run smoothly even when controlled to the lowest power level.
The capacitor 4 is expediently designed as a switchable electrolytic capacitor with barrier layers on both of its coverings.
Oscillograms are shown schematically in FIGS. 5 and 6, which were obtained in various control stages in a circuit arrangement according to the invention in which the motor was braked approximately at its nominal power.
The abscissa is the time axis; U represents the time course of the voltage developing across capacitor 4; I j "represents the time profile of the current flowing through the motor. From the time profile of the voltage developing on the capacitor one can see that practically instantaneously at the time when the switch is contacted (time t1, t3) the capacitor is charged to practically full battery voltage .
At the time of power interruption t,.,. . . t .: t '... t. ,,' then the capacitor voltage U, falls. from - with the oseillogram shown in FIG. 5 showing a slight tendency to oscillate. The current curve 1 "shows, in the case of FIG. 5, a steep increase in current during the contact-making times t1... T., While in the current interruption time t." t3 the current drops to a small negative current value.
In the oscillogram shown in FIG. 6, the current 1 "reaches a saturation value during the contact-making time t1... T, 2 ', from which it drops to a somewhat lower value during the interruption phase t2', t Current 1 "does not occur in this case, so that the voltage curve U, unlike in FIG. 5, does not run through a minimum value either.
It is essential that the voltage U, at the beginning of the period of current interruption t.,. . . t3 or t2 '. . . t3 falls as slowly as possible. At time t. = Or, t., 'The two contacts of switch 3 have the same potential, and it is important that the contacts have moved as far away as possible before the capacitor voltage U i. has dropped considerably and therefore there is a considerable voltage across the open contacts of the switch 3. The drop in capacitor voltage U, which can be seen from FIGS. 5 and 6, takes place sufficiently slowly in this sense.
Tests have shown that in order to avoid an arc forming on the contacts that are interrupted, it is necessary that the voltage difference at the contacts does not exceed 10 volts if the contact opening process has led to a separation of the contact path of less than 1 mm.
This means that about 1 msec after the start of the separation of the contacts of the switch, the voltage of the capacitor 4 may have dropped by less than about 10 volts.
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It is expedient that the closed circuit consisting of the capacitor 4 and the electric motor branch 2 is aperiodically damped during the current interruption phases, as FIG. 6 shows;
If the motor current would swing to considerable negative current directions during the current interruption phases of the switch, this would result in a particularly strong change in the motor current when the switch 3 is closed again, which is noticeable in an undesirable torque surge of the motor would.
It has been shown in circuits according to the invention that it is important to carry out the contact opening process of the interrupter as quickly as possible so that when the contact is interrupted, the contact pieces of the interrupter have already moved away from one another considerably before a larger voltage difference occurs at the capacitor due to the discharge of the capacitor has formed open contact point of the switch. On the other hand, the speed of the contact closure can be selected to be relatively small without disadvantages.
On the other hand, however, it must be ensured that unwanted bouncing phenomena do not occur when the switch contact element is opened, which would then result in multiple contact being made in the form of vibration of the contact element.
Such a switch, which has shown satisfactory operation within the scope of the invention, is shown in FIGS. 7 to 11: 11 is the drive shaft of the switch, which can be operated in any way, e.g. B. is rotated by an electric motor in the direction of the arrow indicated. The axis can be driven at a constant speed. A sleeve 21 is arranged displaceably on the axis 11. 12 is a pipe which is fixedly arranged on the sleeve 21 and which tapers in a wedge shape towards its end 22. At its other end 19, the tube has a circular cross-section. The wedge-shaped tube 12, which can be displaced by means of the sleeve 21, forms a control cam of variable cam length for the oscillating part of a contact device.
The contact device is represented by the insulated fixed spring contacts 17, 17 and the movable contact part 20 which connects the two contacts with one another and which has a control finger 13.
15 is a spring which tries to pull a lever 14 carrying the bridging part 20 against a stop 125. The wedge-shaped part of the tube 12 has a sloping shoulder 23 and a steeply sloping shoulder 24, which is flatter to the axis so that the lever 14 quickly lifts the contact part 20 from the spring contacts 17, 17, but then gradually without Jump and therefore passes over to the sloping shoulder 23 without bouncing. If the control finger 13 runs onto the sloping shoulder 23 of the wedge-shaped tube 12, a contact closure takes place. The contact is maintained as long as the control finger 13 rests on the circumferential surface of the tube.
If the drive axle continues to rotate, the control finger drops rapidly on the steeply sloping edge 24, and the circuit is quickly interrupted. The cross section of the control finger 13, viewed in a plane parallel to the drive axis, can be selected so that its one edge 25 is selected parallel to the edge 23 of the wedge-shaped tube 12, while its other edge 26 is parallel to the edge 24 of the tube.
It is clear that depending on where the displaceable cam arrangement 12 is located axially with respect to the drive axis, a longer or shorter contact closure time results. If, as FIG. 7 shows, the end edge 22 of the cam device 12 is outside the control finger 13, the circuit is continuously interrupted. If the cam device 12 is in its other extreme position pushed to the right in such a way that the control finger 13 rests near the non-weakened part of the tube 12, that is, near its left edge 19, the circuit is permanently closed.
The intermediate positions then characterize states in which there is a specific ratio of current flow time to interruption time.
The current-carrying contacts 17 are arranged on contact lamellas 31, the latter being attached to an insulating material bridge 27. The contact blades 31 are under the force of coil springs 29 and strike against an abutment 28, which is also made of insulating material. In this way, material with lower resilience properties but better electrical conductivity can also be used as material for the contact blades 31. The coil springs 29 themselves act against a strip 30 made of insulating material, so that the contact blades 31 and their associated contacts 17, 17 'are completely isolated from the body of the entire switch arrangement.
The switch construction results in detail from Fig. 12 and the following.
As shown in FIGS. 12 and 13, electrically conductive contact lamellas 32 are fastened to an insulating material bridge 33 on a metal frame 35. At one end of the metal frame 35, an insulating strip 34 is attached by means of a metal bracket 42, against which the contact lamellas 32 resiliently abut upward. The spring force of the lamellae is supported by helical springs 36, so that the material for the spring lamellae can also be chosen with lower springiness properties but better conductivity. Tungsten contacts 37 are provided at the ends of the spring blades 32.
Two lamellas 32 each are connected in parallel, but isolated from the body of the metal frame 35; the coil springs 36 therefore also act against a web 38 made of insulating material and fastened to the metal frame 35.
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The bridging member 40 is rotatably articulated to the metal frame 35 by means of an axis 41. The bridging member 40 has contact pieces 43 made of tungsten, which correspond to those 37 of the contact springs 32 and effect the electrical connection of the mentioned contact spring pairs.
The bridging member 40 is under the pressure of two helical springs 39 (FIG. 18), the force of which presses it into the position of the contact break. A control member, which is shown in greater detail in FIGS. 14 and 15 and consists of a ball 45 with a can-shaped socket 44, is provided as the control finger 13. The ball 45 runs on the inner ring 46 of an axial ball bearing provided in the interior of the mount 44. As a result, the ball 45 can easily be rotated in directions perpendicular to the line of intersection X-X, since the inner rim 46 of the ball bearing can rotate with it.
The ball 45 rolls as a control finger on the tube designated 12 in FIG. 8 and acting as a cam disk, the axis of rotation of which is to be thought of as running in the direction of the line X-X, that is, parallel to the longitudinal direction of the contact springs 32.
16 shows the associated camshaft, which can be thought of as being axially displaceable on the shaft designated 11 in FIG. 8 and which, in cooperation with the ball forming the feeler of the moving member of the switch, causes the bridging member 40 to open and close. The camshaft consists of a cylindrical body 47 which has a smaller diameter at its one end 49 than at its other end 50. In the form of a screw thread winding around the body, a step 48 is created which causes the controlled switch to open.
When the cylindrical body 47 rotates about its longitudinal axis, the switch is kept closed as long as the ball 45 runs on the peripheral part of the body 47 which corresponds to the large diameter of the end 50. If the ball runs down the step 48 when the body 47 rotates, the switch opens, and if it then runs on the peripheral part corresponding to the small diameter of the end 49, the switch is held in its interrupted position. The switch is then closed gradually because, viewed in a cross-sectional plane, the cylindrical body has the shape shown in FIG.
The electrical part of the switch arrangement explained in FIGS. 12 to 16 forms an assembly of its own which is inserted into a frame structure 51 which forms the mechanically controlling part of the switch arrangement.
The design of the electrical part of the switch arrangement described in FIGS. 12 to 16 as an independent assembly has the advantage that this part which is most subject to mechanical wear can be replaced in a simple manner. The mechanically controlling part of the switch arrangement comprises a tab 52 on the frame part 51; A control lever 53, which is under the tension of a tension spring 60, is rotatably attached to the bracket 52. On the cylindrical cam body 47, a ring 54 is rotatably arranged, on which the free end of the control lever 53 engages, in such a way that the body 47 is axially displaced on the drive shaft 55 when the control lever 53 is pivoted.
The shaft 55 has an axially extending rib which engages in a corresponding groove 56 of the body 47 acting as a control cam, which can be seen in FIG. 16, so that the latter is connected to the drive shaft 55 for rotation, while axial displacement is ensured. The shaft 55 is driven via two gear wheels 58 and 59 from an electric motor 57.
It is known that mechanical contact devices which repeatedly switch on a direct current and repeatedly switch it off are subject to asymmetrical wear if the direct current to be switched allows contact material to migrate.
For this reason, it is advisable to provide a commutator in the circuit which, for example, causes the current direction to be switched each time the periodic switch is switched off by moving the control lever 53 into its switched-off position.
A circuit diagram for such an embodiment of a circuit according to the invention is shown in FIG. 19, in which, as in FIG. 1, the battery is denoted by 1, the direct current motor to be regulated is denoted by 2, the preferably capacitor is denoted by 4 and the switching path is denoted by 3. The axially displaceable cam body controlling the contact lamellas of the switch 3 is denoted by 47, its drive shaft in turn by 55 and the member corresponding to the control lever 53 of FIG. 18 by 73. A commutator 71 is provided in the supply circuit of the battery 1. The commutator 71 is mechanically connected to the actuating member 73 of the cam body 47, as is indicated by the dashed line 72.
The connecting member 72 comprises a mechanical step switch mechanism which causes the commutator 71 to reverse its polarity each time the control element 73 is moved to its extreme position to the left. The mechanical design of such a coupling can be made in various ways.
The switching method described in FIG. 19, which provides for reversing the polarity of the current feeding the electric motor, can also be implemented in such a way that the polarity reversal is carried out when the drive motor is switched to reverse gear. In particular in the case of so-called forklifts, which have a lifting fork for lifting boxes or the like, the drive motor is very often switched over, so that when the commutator
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is controlled by the switching device to reverse gear of the motor, a practically uniform operation of the periodically operating switching device of the system takes place with opposite current directions.
It should be noted that when the shortest contact duration of the periodic switch was mentioned in the foregoing, this is to be understood as a switching duration which corresponds to approximately 10% of the period duration of the periodic switching operations of the switching device.