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Einrichtung zur Regelung der Drehzahl eines Elektromotors Bei vielen Anwendungen von Gleichstrommotoren ist es erwünscht, die Motordrehzahl bei Belastungen zu regeln, welche sich innerhalb grosser Bereiche ändern können. Es ist erwünscht, die Schaltung des Drehzahlregelsystems so einfach wie möglich zu halten und die Betriebssicherheit des Systems soweit wie möglich zu erhöhen in Anbetracht der ungünstigen Betriebsbedingungen, unter denen derartige Motoren bei vielen ihrer industriellen Anwendungen arbeiten müssen.
Es sind an sich viele Systeme zur Regelung bzw. Steuerung der Drehzahl eines Elektromotors bekannt, welche Hilfseinrichtungen mit mehr oder weniger komplizierter Schaltung erfordern und bei welchen sehr unterschiedliche Genauigkeiten in der Regelung erreicht sind. In dem Masse, wie die Genauigkeit der Regelung gesteigert wird, steigt fast unvermeidlich die Kompliziertheit der erforderlichen Ausrüstung. Zur Verringerung der Kompliziertheit und der Kosten des Regelgerätes und zur Erleichterung seiner Wartung ist es erwünscht, dass das Gerät so einfach wie möglich gehalten wird und dass seine Bestandteile so robust und so wenig störungsanfällig wie möglich sind.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Regelsystem für Elektromotoren mit sehr einfacher Schaltung zu schaffen, welches den Betrieb des Motors und der von ihm angetriebenen Einrichtungen genau regelt bzw. steuert.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, ein genau arbeitendes Drehzahl-Regelsystem zu schaffen, bei dem einfache und robuste Bestandteile verwendet sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines derartigen Regelsystems mit sehr kurzer Ansprechzeit.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Dreh- zahl-Regelsystem zu schaffen mit verbesserten Betriebseigenschaften, im besonderen bezüglich der Temperaturstabilität, und mit einer sehr einfachen Schaltung.
Die Erfindung besteht darin, dass zum Zweck der Steuerung bzw. Regelung der Drehzahl eines Elektromotors die Felderregung des Motors durch einen Transistor gesteuert wird, der seinerseits durch im wesentlichen rechteckförmige Spannungsimpulse abwechselnd auf Sperrung und Sättigung gesteuert wird, wobei das Verhältnis der Sperrzeit zur Sättigungszeit durch eine elektrische Kenngrösse bestimmt ist, die funktionell von der Abweichung der Motordrehzahl von ihrem einzuregelnden Wert abhängt. Als gesteuerte Strecke des Transistors wird dabei vorzugsweise die zwischen Emitter- und Kollektorelektrode liegende Strecke benutzt.
Das Verhältnis von Sperrzeit zur Sättigungszeit des Transistors kann dauei mit besonderem Vorteil dadurch verändert werden, dass die Impulse konstante Frequenz besitzen und ihre Breite bzw. Zeitdauer in Abhängigkeit von der Kenngrösse gesteuert wird. Als Kenngrösse kann dabei die Differenz einer konstanten Bezugsgleichspannung und einer Gleichspannung verwendet werden, die von einem vom Motor angetriebenen Gleichstrom-Tacho- meter-Generator abgegeben wird. Will man ausser der Regelung auch eine Steuerung der Drehzanl durchführen, so kann man die konstante Bezugsspannung einstellbar machen.
Eine weitere Möglichkeit, das Verhältnis der Sperrzeit zur Sättigungszeit des Transistors zu ändern, besteht im Rahmen der Erfindung darin, dass die Impulse konstante Breite besitzen und ihre Frequenz in Abhängigkeit von der Kenngrösse gesteuert wird. Als Kenngrösse wird dabei mit Vorteil die Differenz einer konstanten Bezugsfrequenz und die Frequenz eines vom Motor angetriebenen Wechselstrom-Tachometer-Generators ver-
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wendet. Auch hier kann man die Bezugsfrequenz zu Steuerzwecken einstellbar machen. Die Erfindung kann derart verwirklicht werden, dass der Transistor den Erregungsstrom der Feldwicklung unmittelbar steuert.
Die Feldwicklung kann aus einer Wechselstromquelle über die Primärwicklung eines Transformators und einen Gleichrichter gespeist werden, wobei die Sekundärwicklung des Transformators durch den Transistor abwechselnd kurzgeschlossen und aufgetrennt wird. Der Transformator wirkt in diesem Fall als eine Eisendrossel mit veränderlicher Induktivität. Die indirekte Steuerung des Feldstromes über einen Transformator hat den Vorteil, dass die Speisespannung für die Feldwicklung des Motors ohne Rücksicht auf die maximale- Betriebsspannung des Transistors gewählt werden kann, da eine Anpassung durch entsprechende Wahl der Eigenschaften des Transformators ohne weiteres möglich ist.
Die Anordnung wird dabei zweckmässig derart getroffen, dass die Sekundärwicklung des Transformators eine Mittelanzapfung besitzt und eine Gleichrichteranordnung in Mittelpunktsschaltung speist, wobei der gesteuerte Strompfad des Transistors in dem Lastzweig der Mittelpunktsschaltung liegt. Eine indirekte Steuerung der Felderregung durch einen Transistor ist auch in der Weise möglich, dass die Feldwicklung aus einer Wechselstromquelle über zwei in Kaskade geschaltete Transformatoren und einen Gleichrichter gespeist wird, und dass der Transistor den Stromfluss von der Sekundärwicklung des ersten Transformators zur Primärwicklung des zweiten Transformators steuert.
Mit Vorteil werden dabei die Sekundärwicklung des ersten Transformators und die Primärwicklung des zweiten Transformators an ihren Aussenanschlüssen über zwei Einweg-Gleichrichter gleicher Durchlassrichtung miteinander verbunden, während der gesteuerte Strompfad des Transistors Mittelanzapfungen der beiden Wicklungen verbindet. Die beiden zwischen den Transformatoren liegenden Gleichrichter sind also in diesem Falle derart gepolt, dass sie abwechselnd Strom führen, wobei der Rückweg zu der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des ersten Transformators über den Transistor führt. In bestimmten Fällen kann es unerwünscht sein, die Sekundärwicklung des ersten Transformators mit einer Mittelanzapfung zu versehen.
Dann kann die Anordnung derart getroffen werden, dass die Sekundärwicklung des ersten Transformators an den Eingang einer Gleichrichteranordnung in Brückenschaltung angeschlossen ist, wobei die beiden Hälften der mit einer Mittelanzapfung versehenen Primärwicklung des zweiten Transformators in zwei Zweigen der Brücke liegen und der gesteuerte Strompfad des Transistors an den Ausgang der Brücke angeschlossen ist.
Die Fig. 1 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, und zwar die Fig. 1 und 2 Anordnungen mit direkter Steuerung des Felderregungsstromes durch den Transistor, die Fig. 3, 4 und 5 mit indirekter Steuerung. In Fig. 1 ist 1 ein Gleichstrommotor mit den Feldanschlüssen 3 und 5. Der Feldanschluss 3 ist unmittelbar mit dem positiven Anschluss einer Gleichstromquelle 57 verbunden, während der Feldanschluss 5 an den negativen Anschluss der Stromquelle über den Emitter-Kollektor-Strompfad des Transistors 49 angeschaltet ist. Die Ankerspannung kann jeder geeigneten Gleichstromquelle entnommen werden.
Wenn angenommen wird, dass der Transistor 49 vom p-n-p-Typ ist, wird der negative Anschluss der Quelle 57 an die Emitterelektrode 53 und der Feldanschluss 5 des Motors an die Kollektorelektrode 15 angeschlossen.
Die Antriebswelle des Motors 1 treibt einen Gleichstrom-Tachometer-Generator 9 über eine mechanische Verbindung 7 an. Die Ausgangsspannung dieses Generators ist vorzugsweise eine direkte Funktion seiner Drehzahl. Ferner ist eine Bezugsspannungsquelle 16 vorgesehen, deren Ausgangsspannung V so konstant wie möglich gehalten wird. Diese Bezugsspannungsquelle 16 kann eine äusserst genau geregelte Gleichstromquelle oder auch ein Normalelement sein. Der positive Anschluss der Bezugsspannungsquelle 16 ist mit Erde verbunden.
Die Ausgangsspannungen des Tachometer-Generators 9 und der Bezugsspannungsquelle 16 werden durch einen Additionskreis 13 derart addiert, dass die Ausgangsspannung des Additionskreises gleich der Differenz zwischen den Absolutgrössen der Spannungen des Generators 9 und der Bezugsquelle 16 ist. Der negative Anschluss der Bezugsquelle 16 ist mit dem Anschluss 18 des Widerstandes 19 über einen Widerstand 15 verbunden, während der positive Anschluss des Tachometer-Generators 9 über den Widerstand 11 mit dem Anschluss 18 verbunden ist. Der positive Anschluss der Quelle 16, der negative Anschluss des Tachometers 9 und der andere Anschluss des Widerstandes 19 sind miteinander und mit Erde verbunden.
Weiterhin ist ein Impulsgenerator 26 mit Ausgangsanschlüssen 24 und 30 vorgesehen, der dreieck- förmige Impulse liefert. Dieser Impulsgenerator umfasst eine Wechselspannungsquelle 22, welche an die Eingangsanschlüsse eines Vollwellen-Gleichrichters 23 in Brückenschaltung angeschlossen ist. Die Ausgangsanschlüsse des Gleichrichters 23 sind mit der Reihenschaltung eines nichtlinearen Widerstandes 25 und eines linearen Widerstandes 27 verbunden. Der nichtlineare Widerstand 25 kann ein Varistor oder ein Widerstandselement ähnlicher Art sein, bei dem der Betrag des Widerstandes eine inverse Funktion der angelegten Spannung ist. Die Spannung, die am linearen Widerstand 27 auftritt, hat annähernd eine dreieckige Wellenform.
Der Vorteil dieser Art eines Impulsgebers mit dreieckförmigen Impulsen ist der, dass eine negative Rückkopplung (Gegenkopplung), die im allgemeinen bei andern Arten derartiger Impulsgeber, wie z. B. bei differenzierenden Verstärkern, erforderlich ist, vermieden wird. Ferner ist ein Verstärkerbegrenzer 28 der Klasse C vorgesehen, der
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die Aufgabe hat, die dreieckförmige Spannung zu verstärken und die Impulsdauer dieser Spannung zu verändern in Übereinstimmung mit der Grösse der Ausgangsspannung des Additionskreises 13, die am Widerstand 19 liegt, und ferner die Amplitude des dreieckförmigen Signals zu begrenzen, so dass auf diese Weise ein im wesentlichen rechteckförmiger Spannungsimpuls gewonnen wird.
Dieser Verstärkerbegrenzer umfasst einen Flächentransistor 39 vom p-n-p-Typ, dessen Basiselektrode 41 über den Widerstand 29 und eine Spannungsquelle 31 mit Erde verbunden ist, und dessen Kollektorelektrode 43 über den Widerstand 35 und die Spannungsquelle 33 mit Erde verbunden ist. Der negative Anschluss der Quelle 33 ist mit dem Widerstand 35 verbunden, während der positive Anschluss der Quelle 31 mit dem Widerstand 29 verbunden ist. Eine Zener-Diode 37 ist parallel zum Widerstand 35 geschaltet zur Begrenzung der Spannungsimpulse, die an diesem Widerstand auftreten.
Die Ausgangsspannung des Impulsgebers 26 wird an den Verstärker der Klasse C dadurch angelegt, dass der Ausgangsanschluss 30 mit der Basiselektrode 41 und der Ausgangsanschluss 24 mit Erde verbunden wird. In ähnlicher Weise wird die Ausgangsspannung des Additionskreises 13 an den Verstärker der Klasse C dadurch angelegt, dass der Ausgangsanschluss 18 an die Emitterelektrode 47 angeschlossen wird. Die Ausgangsspannung des Ver- stärkerbegrenzers 28 liegt zwischen der Basis 51 und dem Emitter 53 des Transistors 49, wobei der Kollektor 43 des Transistors 39 unmittelbar mit der Basis 51 verbunden ist.
Wenn die Ausgangsspannung, die zwischen dem Ausgangsanschluss 18 des Additionskreises 13 und Erde auftritt, gleich Null ist, würde die Ausgangsspannung des Verstärkers der Klasse C eine dreieckige Wellenform haben, wie sie durch die ausgezogene Kurve der Fig. 3a dargestellt wird, wenn die Zener-Diode 37 nicht vorhanden wäre. Wenn nämlich die Zener-Spannung dieser Diode erreicht wird, wird die Diode leitfähig; sie begrenzt die Amplitude der Spannung, die am Widerstand 35 auftritt, in der Weise, wie es durch die gestrichelten Linien der Fig. 3a dargestellt ist.
Wenn nun angenommen wird, dass der Additionskreis 13 eine solche Ausgangsspannung erzeugt, dass der Anschluss 18 positiv gegen Erde ist, wird der Verstärker der Klasse C entsprechend ausgesteuert, so dass die Spitzenamplitude der dreieckförmigen Welle, die am Ausgang des Verstärkers auftritt, begrenzt wird, so dass also die Leit- fähigkeitsdauer des Verstärkers der Klasse C, wie es in Fig.3b dargestellt ist, entsprechend herabgesetzt wird. Die Zener-Diode leitet auch hier, sobald die Zener-Spannung erreicht ist, so dass sich eine Wellenform ergibt, wie sie den gestrichelten Linien der Fig. 36 entspricht.
Auf diese Weise tritt am Widerstand 35 eine Spannung auf, welche eine im wesentlichen rechteckige Wellenform hat und deren Impulsdauer sich umgekehrt ändert wie die Amplitude der Ausgangsspannung des Additionskreises 13. Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung sei zunächst angenommen, dass der Motor 1 seine betriebsmässige Drehzahl hat, so dass die Ausgangsspannung des Tachometer-Generators 9 gleich der Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle 16 ist. Dann tritt am Ausgangsanschluss 18 des Additionskreises 13 die Spannung Null auf, und der Transistor 49 ist praktisch ständig auf Sättigung gesteuert.
Wenn jedoch die Drehzahl des Motors 1 abfällt, vermindert sich die Ausgangsspannung des Tachometer- Generators 9 entsprechend, und der Anschluss 18 wird negativ gegenüber Erde mit einem Betrage, der der Differenz der Ausgangsspannungen des Tachometers 9 und der Bezugsspannungsquelle 16 gleich ist. Die Dauer der Ausgangsimpulse, die am Widerstand 35 auftreten, nimmt entsprechend ab, und der Transistor 49 ist während eines Teils jeder Halbwelle des Impulsgebers 26 auf Sperrung gesteuert. Daher nimmt der mittlere Strom durch die Feldwicklung des Motors 1 ab, so dass der Motor seine Drehzahl erhöht, bis die Ausgangsspannung des Tachometers 9 wieder der Ausgangsspannung der Bezugsquelle 16 gleich ist.
Die Wirkungsweise ist also derart, dass eine Abnahme der Motordrehzahl über eine Kompensationsschaltung fast unmittelbar eine Abnahme des Feldstromes des Motors verursacht, so dass der Motor wieder seine betriebsmässige Drehzahl erreicht.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist 101 ein Gleichstrommotor, der eine fremderregte Feldwicklung mit den Anschlüssen 103 und 105 besitzt und einen Wechselstrom-Tachometer-Generator .109 über eine mechanische Verbindung 107 antreibt. Der Feldstrom des Motors 101 wird von einer Quelle 157 geliefert, deren positiver Anschluss mit dem Feldwicklungsanschluss 103 und deren negativer Anschluss mit dem Anschluss 105 über den Transistor 149 in derselben Weise verbunden ist, wie es an Hand von Fig. 1 beschrieben wurde. Die Ausgangsspannung des Tachometer-Generators 109 ist eine Wechselspannung, deren Frequenz eine unmittelbare Funktion der Drehzahl des Generators ist.
Es ist eine Quelle 121 zur Lieferung einer Bezugsfrequenz y vorgesehen, deren Frequenz gleich der Frequenz des Tachometers 109 ist, wenn der Motor 101 mit der gewünschten Drehzahl betrieben wird. Diese Bezugsfrequenzquelle 121 kann Einrichtungen haben, die es gestatten, die Frequenz ihres Ausgangssignals zu verändern; diese Frequenz muss jedoch in hohem Masse stabilisiert sein.
Die Ausgangssignale des Tachometers 109 und der Bezugsfrequenzquelle 121 werden in einem abgeglichenen Modulator 111 kombiniert, welcher vorzugsweise als ein Vollwellengleichrichter in Brückenschaltung mit den Anschlüssen 113, 115, 117 und 119 ausgebildet ist. Die Ausgangsspannung, die an den Anschlüssen 117 und 119 auftritt, besitzt zusätzlich zu einer Komponente mit der Grundfrequenz eine Komponente mit einer Frequenz, die gleich der Summe der Frequenzen des Tachometers 109
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und der Bezugsquelle 121 ist, und ferner eine weitere Komponente, die gleich der Differenz der Frequenzen von Tachometer und Bezugsquelle ist.
Diese Signale werden einem Tiefpassfilter 127 zugeführt, dessen Aufgabe es ist, alle Komponenten zu eliminieren mit Ausnahme derjenigen, deren Frequenz gleich der Differenz der Frequenzen des Tachometers 109 und der Bezugsquelle 121 ist. Dieser Tiefpass kann von üblicher Art sein; nach der Figur umfasst er ein zweistufiges -,-Filter mit induktiven Längsgliedern 129a, 129b, kapazitiven Quergliedern 131a, 131b, 131c und einen Belastungswiderstand 136.
Der Ausgang des Filters 127 wird, um annähernd rechteckige Impulse zu erhalten, einer differenzierenden Schaltung 133 zugeführt, welche aus dem Kopplungsgleichrichter 135, dem Kopplungskondensator 137 und einem als Shunt geschalteten Widerstandselement 139 besteht. Die am Widerstand 139 auftretende Spannung wird einem emittergekoppelten Multivibrator 147 zugeführt, bei welchem n-p-n- Flächentransistoren verwendet sind, wie er von E. W. Sard in dem IRE Convention Record 1954 National Convention, Teil 2, Seite 119, beschrieben wurde.
Die Ausgangsspannung dieses Multivibrators hat eine konstante Impulsbreite, jedoch eine Frequenz, die von der Frequenz der Auslöseimpulse abhängt, die von der differenzierenden Schaltung 133 abgegeben werden. Bei Ec ist das Kollektorpotential für die beiden Transistoren des Multivibrators 147 angeschlossen.
Wenn angenommen wird, dass der Motor mit einer Drehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute laufen soll und dass das Tachometer eine Frequenz liefert, die zehnmal so gross ist wie die Umdrehungszahl des Motors pro Minute, so würde die Ausgangsfrequenz des Tachometers bei der angenommenen Motordrehzahl 10 000 Hz sein. Wenn die Frequenz der Normalquelle 121 auf 9900 Hz eingestellt ist, beträgt die Differenzfrequenz bei der angenommenen Drehzahl 100 Hz. Wenn die Impulsbreite des Multivibrators 147 auf 10 Millisekunden eingestellt ist, dann gehen bei der angenommenen Motordrehzahl die einzelnen Ausgangsimpulse des Multivibrators ohne Pause ineinander über.
Der Transistor 149 ist dann ständig auf Sättigung gesteuert, und der Erregerstrom in der Feldwicklung des Motors hat ein Maximum.
Falls die Drehzahl des Motors infolge zunehmender Belastung abnimmt, wird die Differenzfrequenz kleiner als 100 Hz, und die Ausgangsleistung des Multivibrators 147 besteht dann aus getrennten Impulsen, so dass der Transistor 149 während der Pausen zwischen den Impulsen gesperrt ist. Der durchschnittliche Felderregungsstrom des Motors nimmt daher im Betrage ab, so dass infolgedessen die Motordrehzahl wieder zunimmt, bis die planmässige Drehzahl (1000 Umdrehungen pro Minute in dem angenommenen Beispiel) wieder erreicht ist.
Unter bestimmten Bedingungen kann es erwünscht sein, die Motordrehzahl zwischen einer vorgegebenen Leerlaufdrehzahl und einer vorgegebenen Vollast- drehzahl zu variieren. Unter diesen Umständen können Hilfsfeldwicklungen des Motors erregt werden, so dass bei voller Belastung durch diejenigen Feldwicklungen, die an dem oben beschriebenen Regelsystem beteiligt sind, keine Erregung geliefert und die gesamte Erregung des Motors durch die andern Feldwicklungen erfolgen würde.
Bei der vorgesehenen Vollastdrehzahl würde die Frequenz der Normalquelle 121 gleich der des Tachometer-Generators 109 sein, so dass am Ausgang des Multivibrators 147 keine Impulse auftreten und der Motor maximale Leistung aufnehmen würde. Bei tieferliegenden Drehzahlen werden jedoch Impulse entsprechend dem Unterschied zwischen den beiden Frequenzen gegeben, durch die selbsttätig eine dem jeweiligen Belastungszustand entsprechende Einregelung erfolgt.
In Fig. 3 ist ein Regelsystem dargestellt, bei dem die Speisung der Feldwicklung des Motors indirekt durch einen Transistor gesteuert wird. Mit 277 ist ein Transformator bezeichnet, dessen Primärwicklung 275 an die Wechselstromleitungen 201 und 203 über die Eingangsanschlüsse eines Brückengleichrichters BR angeschlossen ist. Eine fremderregte Feldwicklung 297 eines Gleichstrommotors M, dessen Drehzahl geregelt werden soll, ist an die Ausgangsanschlüsse des Gleichrichters BR angeschlossen.
Zur Steuerung der Induktivität der Primärwicklung 275, die für den Stromfluss durch den Brückengleichrichter BR und die Feldwicklung 297 wirksam ist, dient ein Flächentransistor 267, der an die in der Mitte angezapfte Sekundärwicklung 279 des Transformators 277 angeschlossen ist. Der Emitter 269 des Transistors 267 ist unmittelbar an die Mittelanzapfung 281 der Sekundärwicklung 279 angeschlossen, und der Kollektor 273 ist über die einphasigen Gleichrichter 282 und 284 mit den äussern Anschlüssen der Wicklung 279 verbunden. Infolge dieser Schaltung liefern die Hälften der Sekundärwicklung 279, an welche die Gleichrichter 282 bzw. 284 angeschlossen sind, abwechselnd Betriebspotential der richtigen Polarität an den Flächentransistor 267.
In der Zeichnung ist angenommen, dass der Flächentransistor 267 vom p-n-p-Typ ist, obwohl er auch vom n-p-n-Typ sein könnte, wobei dann die Polarität der Gleichrichter 282 und 284 umgekehrt werden müsste, so dass sie in der entgegengesetzten Richtung durchlässig wären. Der Flächentransistor ist für die vorliegende Anwendung ein besonders geeignetes Schaltelement insofern, als die Impedanz zwischen Emitter und Kollektor etwa zwei Ohm beträgt, wenn der Kollektorstrom auf Sättigung gesteuert ist, und mehrere 100 000 Ohm bei Sperrung des Transistors. Die Leichtigkeit, mit welcher der Transistor in extreme Leitfähigkeitszustände gesteuert werden kann, ist ein anderer Faktor zu seinen Gunsten.
Der Transistor 267 wird als Schalter betrieben, das heisst der Kollektor ist entweder gesperrt oder er hat seinen Sättigungswert (volle Stromleitung). Zu
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diesem Zweck erhält er Steuerimpulse aus einer Quelle rechteckiger Spannungsimpulse, welche später beschrieben wird.
Wenn der Transistor auf volle Leitfähigkeit gesteuert ist, ist die Impedanz zwischen Emitter und Kollektor sehr niedrig, bei Transistoren mit legierten Übergängen oft geringer als zwei Ohm. Die Sekundärwicklung des Transformators ist dann praktisch kurzgeschlossen, wodurch die Impedanz der Primärwicklung weitgehend herabgesetzt ist, weil die rückwirkende magnetomotorische Kraft, die von dem Strom in der Sekundärwicklung erzeugt wird, die Flussverkettung der Primärwicklung vermindert. Wenn der Transistor auf Sperrung gesteuert ist, ist die Sekundärwicklung praktisch geöffnet, so dass die Impedanz der Primärwicklung sehr hoch ist und der Transformator im wesentlichen als eine Drossel mit Eisenkern wirkt.
Bei offener Sekundärwicklung ist also die Induktivität der Primärwicklung fast unendlich gross, bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung hat sie dagegen einen äusserst kleinen Betrag. Dadurch, dass der Transistor jeweils auf einen extremen Wert seiner Leitfähigkeit gesteuert wird, wird der Zeitverzug des Primärkreises äusserst klein insofern, als das L/R der Schaltung für jeden Betriebszustand praktisch Null ist.
Wie schon bemerkt, werden zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 267 rechteckige Spannungsimpulse angelegt, wobei die Breite (Arbeitsperiode) dieser Impulse in Übereinstimmung mit dem erwünschten Durchschnittsstrom zu variieren ist, der durch die Feldwicklung 297 fliesst, so dass die Drehzahl des Motors M auf einem erwünschten Wert gehalten wird. Die Breite der Steuerimpulse muss daher in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors M veränderlich sein, so dass eine Regelwirkung in dem Sinne erreicht wird, dass der Motor die erwünschte Betriebsdrehzahl beibehält.
Zu diesem Zweck ist ein Tachometer-Generator TG vorgesehen, welcher eine gesondert erregte Feldwicklung 305 besitzt. Der Tachometer-Generator wird vom Motor M angetrieben, so dass seine Ausgangsspannung der Motordrehzahl proportional ist oder in anderer Weise funktionell von ihr abhängt. Die Spannung, die am Anker 303 des Tachometer- Generators TG auftritt, wird mit der Ausgangsspannung einer Bezugsspannungsquelle 309 verglichen, und zwar mit Hilfe eines Widerstands-Mischgerätes 307, derart, dass die Ausgangsspannung des Mischgerätes 307, die zwischen den Ausgangsleitungen 311 und 313 auftritt, der Differenz der Spannungen des Ankers 303 und der Bezugsspannungsquelle 309 proportional ist.
Die Bezugsspannungsquelle 309 kann jede Gleichspannungsquelle sein, die nach Belieben einstellbar ist, und das Widerstandsmischgerät kann von jeder bekannten Art sein, beispielsweise vom Typ der Additionsschaltung 13 in Fig. 1.
Steuerimpulse für den Transistor 267 werden einer Impulsspannungsquelle 205 entnommen, wobei die Breite der Ausgangsimpulse dieser Quelle in Abhängigkeit von der Spannung, die zwischen den Leitungen 311 und 313 auftritt, veränderbar ist. Die Impulsquelle 205 enthält als Schaltelemente mit konstanter Stromamplitude zwei Flächentransistoren 209 und 211, deren Emitter-Kollektor-Strecken in Reihe an einer Gleichstromquelle 212 liegen. Sie enthält ferner einen Impulsgeber 214, bei dem, wie sich aus der Zeichnung ergibt, der am Kondensator 227 erzeugten Gleichspannung eine gleichgerichtete Sinusspannung über die Ohmschen Widerstände 233 und 235 entgegengeschaltet ist.
Das Potential der Verbindungsstelle der Widerstände 233 und 235 hat demnach den eingestellten zeitlichen Verlauf einer umgekehrten, gleichgerichteten Sinuswelle. Die Ausgangsspannung des Impulsgebers 214 wird zwischen Emitter und Basis des Transistors 211 angelegt, während die Ausgänge 313 und 311 des Mischgerätes an den Emitter bzw. die Basis des Transistors 209 angeschlossen sind. Die Ausgangsimpulse, die zwischen Emitter und Kollektor der Transistoren 209 und 211 auftreten, haben im wesentlichen eine rechteckige Wellenform; ihre Breite ist in Abhängigkeit von der Spannung zwischen Emitter und Basis des Transistors 209 veränderlich.
Wie aus der Darstellung hervorgeht, werden die Ausgangsimpulse der Impulsquelle 205 am Transistor 211 abgenommen und zwischen Basis 271 und Emitter 269 des Transistors 267 mit Hilfe eines Kaskadenvorverstärkers 315 angelegt. Ein Vorverstärker der dargestellten Art hat den Vorteil, dass er eine erhebliche Rückkopplung in die Schaltung einführt, welche eine maximale Stabilität des Systems erzeugt; er ist ferner ausserordentlich einfach und enthält nur sehr wenig Bestandteile.
Die direkte Kopplung aller Stufen von der Impulsquelle 205 bis zum Transistor 267 erlaubt die Übertragung von Impulsen von der Breite Null bis zur Endbreite mit jedem gewünschten Zwischenzustand, wodurch ein maximaler Regelbereich erreicht und der Zeitverzug bei der Übertragung der Impulse von der Impulsquelle 205 zum Transistor 267 auf ein Minimum herabgesetzt wird.
Der Transistor 267 wird mit Hilfe einer Vorspannungsquelle, die den Gleichrichter 317, den Glät- tungskondensator 319 und den Widerstand 321 umfasst, auf Sperrung vorgesteuert. Die Vorspannungs- schaltung wird über den Transformator 210 aus den Wechselstromleitungen 201 und 203 gespeist.
Es sei angenommen, dass der Motor M zunächst in Ruhe ist und dass die Ausgangsspannung des Tachometers TG gleich Null ist, so dass die Spannung zwischen den Leitungen 311 und 313 im wesentlichen gleich der Ausgangsspannung der Quelle 309 ist und dass ausserdem am Ausgang der Impulsquelle 205 keine Ausgangsimpulse erscheinen (deren Breite ist null). Der Transistor 267 ist dann auf Sperrung gesteuert, und die Primärwicklung 275 hat dann eine maximale Impedanz. Es fliesst daher ein sehr kleiner Strom durch die Feldwicklung 297, und der Motor M beginnt daher sich zu beschleunigen.
Der Tachometer-Generator TG erzeugt daraufhin
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eine Spannung, welche mit der von der Bezugsquelle 309 abgenommenen Spannung verglichen wird; das Mischgerät 307 erzeugt also eine Spannung, welche allmählich abnimmt in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz zwischen den Ausgängen des Tacho- meter-Generators TG und der Bezugsspannungsquelle 309.
In dem Masse, wie die Ausgangsspannung nes Mischgerätes, die zwischen den Leitungen 311 und 313 auftritt, fortschreitend abnimmt und eventuell ihre Polarität wechselt, nimmt die Breite der Ausgangsimpulse, die am Transistor 211 auftreten, zu, so dass der Transistor 267 während zunehmender Zeitintervalle auf volle Leitfähigkeit ausgesteuert ist. Der mittlere Strom durch die Feldwicklung 297 nimmt daher in gleicher Weise zu bis zu einem Zustand, in dem sich das System im Gleichgewicht befindet. In diesem Zustand ist die Ausgangsspannung zwischen den Leitungen 311 und 313 so gross, dass ein weiteres Anwachsen die Breite der Ausgangsimpulse der Quelle 205 so weit vergrössern würde, dass die Drehzahl des Motors herabgesetzt würde.
Es wurde gefunden, dass das System sehr genau im Gleichgewicht bleibt mit einem Minimum von Pendelungen in der Nähe der erwünschten Drehzahl infolge von Zeitverzug durch den Verstärker. Die Betriebsdrehzahl des Motors kann durch Ver- änderung der Ausgangsspannung der Spannungsquelle 309 leicht gesteuert werden.
Wenn der Motor belastet ist, z. B. durch einen elektrischen Generator oder eine mechanische Last, hat der Motor das Bestreben, seine Drehzahl zu verringern. Dadurch wird die Ausgangsspannung des Tachometer-Generators TG verkleinert, die Spannung zwischen den Leitungen 311 -und 313 vergrö- ssert, die Breite der Ausgangsimpulse der Spannungsquelle 205 verringert und der mittlere Strom durch die Feldwicklung 297 herabgesetzt. Die Drehzahl des Motors erhöht sich daraufhin, bis sie wieder den erwünschten Betriebswert erreicht.
Das oben beschriebene Motorregelsystem verwendet Teile, welche ihrer Natur nach robust und langlebig sind und welche ein Minimum an Wartung oder Ersatz erfordern. Es wurde gefunden, dass das System eine sehr grosse Ansprechgeschwindigkeit, verbunden mit einem Minimum von Pendelungen, besitzt, was auf die Verwendung weniger Teile und die geringen Zeitverzögerungen zurückzuführen ist, die sich aus der Natur der Bestandteile und ihrer Betriebsweise ergeben.
Der Betrieb des Motors ist durch das primäre Steuerelement (nämlich den Flächentransistor 267) nicht auf eine bestimmte Spannung oder einen bestimmten Spannungsbereich beschränkt, da die Transformatoreigenschaften leicht so gewählt werden können, dass die passenden Betriebsspannungen erreicht werden.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel kann in mannigfacher Weise abgewandelt werden. Es können zum Beispiel mehrere Transistoren parallel zum Transistor 267 geschaltet werden, wenn die Ausgangsleistung des Systems erhöht werden soll; das gleiche Ergebnis kann auch erreicht werden durch Verbindung der Transistoren mit gesonderten Sekundärwicklungen des Transformators 277.
Die Fig.4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen die Feldwicklung des Motors über zwei hintereinandergeschaltete Transformatoren gespeist wird. Für die Steuerung des Transistors ist dabei die gleiche Schaltung verwendet wie in Fig.3; Impulsgeber und Verstärker sind daher nicht nochmals dargestellt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist für die Speisung der fremderregten Feldwicklung 397 des Motors M eine Schaltung vorgesehen, die einen Transformator 377 mit einer in der Mitte angezapften Sekundärwicklung 380, einen Transformator 383 mit einer in der Mitte angezapften Primärwicklung 385 und einen Vollwellengleichrichter 394 enthält, der aus zwei Einweggleichrichtern 393 und 395 besteht. Die Primärwicklung 375 des Transformators 377 wird von den Wechselstromleitungen 301 und 303 gespeist. Die äussern Anschlüsse der Sekundärwicklung 380 des Transformators 377 sind mit den äussern Anschlüssen der Primärwicklung 385 des Transformators 383 über die Einweggleichrichter 382 und 384 verbunden, welche so gepolt sind, dass jeweils Strom von der Sekundärwicklung 380 zur Primärwicklung 385 fliessen kann.
Die Rückleitung für den durch die Gleichrichter 382 und 384 fliessenden Strom verläuft von der Mittelanzapfung 387 der Primärwicklung 385 über den Emitter-Kollektor-Strom- pfad des Transistors 367 zur Mittelanzapfung 381 der Sekundärwicklung 380. Der Transistor 367 ist als ein Flächentransistor vom p-n-p-Typ dargestellt. Es kann jedoch statt dessen auch ein Transistor vom n-p-n-Typ verwendet werden. Der Emitter 369 und der Kollektor 373 des Transistors 367 sind verbunden mit den Mittelanzapfungen 387 bzw. 381.
Die Einweggleichrichter 393 und 395 verbinden die Sekundärwicklung 391 des Transformators 383 mit der fremderregten Feldwicklung 397 des Motors M, wobei ein Anschluss der Wicklung 397 mit der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 391 verbunden ist.
Der Transistor 367 wird als Schalter betrieben, so dass der Kollektorstrom entweder gesperrt ist oder seinen Sättigungswert hat. Vorzugsweise ist der Transistor normalerweise auf Sperrung vorgesteuert, wobei dann Spannungsimpulse zwischen Basis und Emit- ter angelegt werden, die den Kollektorstrom bis zum Sättigungswert treiben. Derartige Impulse werden, wie bereits bemerkt, von einer Schaltung geliefert, wie sie im Zusammenhang mit Fig.3 dargestellt und beschrieben wurde.
In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches insbesondere für solche Anwendungen geeignet ist, wo es entweder nicht erwünscht oder untunlich ist, die Sekundärwicklung des Transformators 377 in der Mitte anzuzapfen. Bei dieser Verkörperung der Erfindung ist der Kollektor 373 des Transistors 367 an die Anoden der Halb-
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wellen-Gleichrichter 376 und 378 angeschlossen, wobei die Kathoden der Gleichrichter mit den Anoden der Gleichrichter 384 bzw. 382 verbunden sind.
Die vier Gleichrichter 376, 378, 384 und 382 wirken als Brückenschaltung, wobei die beiden Hälften der Primärwicklung 385 des Transformators 383 in zwei Zweigen der Brücke liegen und der Transformator 367 in den Ausgang der Brücke geschaltet ist. Die Wirkung des Transistors besteht darin, dass er den Stromfluss zur Primärwicklung 385 in der gleichen Weise steuert, wie dies oben bei der Erläuterung der Fig. 4 beschrieben wurde.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, da diese Beispiele in vielfacher Weise abgewandelt werden können, ohne dass damit Grundgedanke und Rahmen der Erfindung verlassen werden.