-
Anordnung zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl eines Gleichstromnebenschlußmotors
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Drehzahl eines Gleichstromnebenschlußmotors
in weiten Grenzen zu steuern oder zu regeln. Gleichstromnebenschlußmotore eignen
sich auf Grund ihrer elektrischen Eigenschaften besonders gut zur Verwendung für
geregelte Antriebe. Als steuernde Elemente wurden bislang vielfach Transduktoren
sowie Hochvakuum- oder Gasentladungsröhren verwendet. So ist z. B. eine Anordnung
zur Regelung der Drehzahl eines Gleichstromnebenschlußmotors bekanntgeworden, bei
der die Erregerwicklung über Quecksilberdampfgleichrichter aus einem Wechselstromnetz
gespeist wird. Zur Zündung dieser Gleichrichtergefäße werden dabei Stoßsteuergeräte
verwendet, die Zündimpulse liefern, deren Phasenlage gegenüber der speisenden Wechselspannung
mit Hilfe einer Gleichspannung veränderlich ist. Neben dem verhältnismäßig großen
Raumbedarf erweist sich in vielen Fällen als nachteilig, daß solche Steuer- und
Regelungsanlagen nur bei Speisung aus einem Wechselspannungsnetz verwendbar sind.
-
In letzter Zeit wurde schon vorgeschlagen, den einem Gleichstrommotor
zugeführten Ankerstrom mittels eines Transistors zu steuern. Auch wurden Transistoren
schon verwendet, um bei elektromagnetischen Antrieben, vor allem bei Uhrantrieben,
die immer wieder zu Störungen Anlaß gebende mechanische Kommutierung durch eine
elektronische zu ersetzen.
-
Ein großer Nachteil bei Verwendung von Transistoren besteht darin,
daß mit den bisher verfügbaren Tvpen nur verhältnismäßig geringe Leistungen gesteuert
werden können.
-
Um diese Nachteile zu vermeiden, wird daher bei einer Anordnung zur
Steuerung oder Regelung der Drehzahl eines Gleichstromnebenschlußmotors mit Hilfe
eines in Abhängigkeit von der die Drehzahl bestimmenden Steuer- oder Regelgröße
gesteuerten Transistors erfindungsgemäß vorgeschlagen, diesen Transistor als Schalttransistor
mittels annähernd rechteckiger Impulse im Zweipunktbetrieb zwischen Sättigung und
Sperrung zu steuern, wodurch die Felderregung des Motors periodisch ein- und ausgeschaltet
wird, wobei das Tastverhältnis der Impulse bei konstanter Frequenz oder die Impulsfrequenz
bei konstanter Impulsbreite durch die Steuer- oder Regelgröße bestimmt ist.
-
Die Erregerwicklung des Motors kann dabei über die Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors direkt an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sein. Die Erregerwicklung
kann aber auch über Gleichrichter aus einer Wechselstromquelle gespeist werden,
indem die Erregerwicklung nach einem weiteren Erfindungsgedanken an die Gleichspannungsklemmen
einer Gleichrichterbrücke angeschlossen ist, deren Wechselspannungsklemmen über
die Primärwicklung eines Transformators an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen
sind, wobei die Sekundärwicklung dieses Transformators mit Hilfe des Transistors
periodisch kurzzeitig kurzgeschlossen wird. Der Transformator wirkt in diesem Falle
als Eisendrossel mit veränderbarer Induktivität. Diese indirekte Steuerung des Erregerstromes
über einen Transformator hat den Vorteil, daß die Speisespannung für die Erregerwicklung
des Motors ohne Rücksicht auf die höchste Betriebsspannung des Transistors gewählt
werden kann, da eine Anpassung durch entsprechende Wahl der Transformatorübersetzung
ohne weiteres möglich ist. Die Anordnung wird dabei zweckmäßig derart getroffen,
daß an die mit einer Mittelanzapfung versehene Sekundärwicklung des Transformators
zwei Gleichrichterzellen nach Art eines Mittelpunktgleichrichters angeschlossen
sind, wobei zwischen die Mittelanzapfung des Transformators und den Verbindungspunkt
der beiden Gleichrichter die Emitter-Kallektor-Strecke des Schalttransistors angeschlossen
ist. Eine indirekte Steuerung des Erregerstromes durch einen Transistor ist gemäß
der weiteren Erfindung auch in der Weise möglich, daß die Erregerwicklung über zwei
Transformatoren und eine Gleichrichterschaltung aus einem Wechselspannungsnetz gespeist
wird, wobei die äußeren Anschlüsse der in ihrer Mitte angezapften Sekundärwicklung
des ersten Transformators
mit den äußeren Anschlüssen der in ihrer
Mitte angezapften Primärwicklung des zweiten Transformators über je ein Ventil gleicher
Durchlaßrichtung miteinander verbunden sind, und daß die Mittelanzapfungen der erwähnten
Wicklungen über die Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors verbunden sind.
Die beiden zwischen den Transformatoren liegenden Gleichrichter sind also 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 erfindungsgemäß derart
getroffen werden, daß zwei Ventile in Serienschaltung der Sekundärwicklung des ersten
Transformators parallel geschaltet sind, wobei die beiden Ventile mit ihren gleichpoligen
Anschlüssen miteinander verbunden sind, und daß der Schalttransistor zwischen diesen
Verbindungspunkt und die Mittelanzapfung der Primärwicklung des zweiten Transformators
angeschlossen ist.
-
Mit einer erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich hohe Steuer- und
Regelgenauigkeiten sowie ein ausgezeichnetes dynamisches Regelverhalten erzielen.
Zu den hervorstechenden Eigenschaften der vorgeschlagenen Anordnung zählt ferner
der geringe Aufwand und die dadurch bedingten kleinen Abmessungen sowie niedriges
Gewicht. Außerdem arbeitet die Anlage auch unter rauben Betriebsbedingungen praktisch
wartungsfrei.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung zu entnehmen. Die Fig. 1 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung,
und zwar Fig. 1 und 2 Anordnungen mit direkter Steuerung des Motorerregerstromes
durch den Transistor, Fig. 3, 4 und 5 Anordnungen mit indirekter Steuerung.
-
In Fig. 1 ist 1 der Anker eines Gleichstrommotors, dessen Erregerwicklung
die Anschlüsse 3 und 5 besitzt. Der Anschluß 3 ist unmittelbar mit dem negativen
Anschluß einer Gleichstromquelle 57 verbunden, während der Anschluß 5 an den positiven
Anschluß dieser Stromquelle über den Emitter-Kollektor-Strompfad eines Transistors
49 geschaltet ist. Die Ankerspannung des Motors kann jeder geeigneten Gleichstromquelle
entnommen werden. Wenn angenommen wird, daß der Transistor 49 vom p-n-p-Typ ist,
wird der positive Anschluß der Gleichstromquelle 57 an die Emitterelektrode 53 und
der Anschluß 5 der Erregerwicklung des Motors an die Kollektorelektrode 55 angeschlossen.
-
Die Welle des Motorankers 1 treibt einen Gleichstromtachometergenerator
9 über eine mechanische Verbindung 7 an. Die Spannung dieses Generators ist vorzugsweise
eine direkte Funktion seiner Drehzahl. Ferner ist eine Bezugsspannungsquelle 16
vorgesehen, deren Spannung 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 Spannungen des Tachometergenerators 9 und der Bezugsspannungsquelle 16 werden
in einem Additionsstromkreis 13 derart addiert. daß die Ausgangsspannung des Additionsstromkreises
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 Tachometergenerators 9 über den Widerstand 11 mit dem Anschluß
18 verbunden ist. Der positive Anschluß der Quelle 16, der negative Anschluß des
Tachometergenerators 9 und der andere Anschluß des Widerstandes 19 sind miteinander
und mit Erde verbunden.
-
Weiterhin ist ein Impulsgenerator 26 mit Ausgangsanschlüssen24 und
30 vorgesehen, der dreieckförmige Impulse liefert. Dieser Impulsgenerator umfaßt
eine Wechselspannungsquelle 22, welche an die Wechselstromanschlüsse eines Vollwellengleichrichters
23 in Brückenschaltung angeschlossen ist. Die Gleichstromanschlüsse des Gleichrichters
23 sind mit der Reihenschaltung eines nichtlinearen Widerstandes 25 und eines linearen
Widerstandes 27 verbunden. Der nichtlineare Widerstand 25 kann ein Widerstandselement
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
anderen Arten derartiger Impulsgeber, wie z. B. bei differenzierenden Verstärkern,
erforderlich ist, vermieden wird. Ferner ist ein amplitudenbegrenzender Verstärker
28 der Klasse C vorgesehen, der die Aufgabe hat, die dreieckförmige Spannung zu
verstärken und die Impulsdauer dieser Spannung zu verändern in Übereinstimmung mit
der Größe der Ausgangsspannung des Additionsstromkreises 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 Verstärker 28 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 Zenerdiode 37 ist parallel zum Widerstand 35 geschaltet zur Begrenzung
der Spannungsimpulse, die an diesem Widerstand auftreten. Die Ausgangsspannung des
Impulsgenerators 26 wird an den Verstärker 28 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 Additionsstromkreises 13 an den
Verstärker 28 dadurch angelegt, daß der Ausgangsanschluß 18 an die Emitterelektrode
47 angeschlossen wird. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 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
Additionsstromkreises 13 und Erde auftritt, gleich Null ist, würde die Ausgangsspannung
des Verstärkers 28 eine dreieckige Wellenform haben, wie sie durch die ausgezogene
Kurve der Fig. 3 a dargestellt wird, wenn die Zenerdiode 37
nicht
vorhanden wäre. Wenn nämlich die Zenerspannung 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. 3 a dargestellt
ist. Wenn nun angenommen wird, daß der Additionsstromkreis 13 eine solche Ausgangsspannung
erzeugt, daß der Anschluß 18 positiv gegen Erde ist, wird der Verstärker 28 entsprechend
angesteuert, so daß die Spitzenamplitude der dreieckförmigen Welle, die am Ausgang
des Verstärkers auftritt, begrenzt wird und also die Leitfähigkeitsdauer des Verstärkers
28, wie es in Fig. 3 b dargestellt ist, entsprechend herabgesetzt wird. Die Zenerdiode
37 leitet auch hier, sobald die Zenerspannung erreicht ist, so daß sich eine Wellenform
ergibt, wie sie den gestrichelten Linien der Fig. 3 b 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 Additionsstromkreises 13.
-
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung sei zunächst angenommen,
daß der Motoranker seine betriebsmäßige Drehzahl hat, so daß die Spannung des Tachometergenerators
9 gleich der Spannung der Bezugsspannungsquelle 16 ist. Dann tritt am Ausgangswiderstand
19 des Additionsstromkreises 13 die Spannung Null auf, und der Transistor 49 ist
praktisch ständig auf Sättigung gesteuert. Wenn jedoch die Drehzahl des Motorankers
1 abfällt, vermindert sich die Spannung des Tachometergenerators 9 entsprechend,
und der Anschluß 18 wird negativ gegenüber Erde mit einem Betrage, der der Differenz
der Spannungen des Tachometergenerators 9 und der Bezugsspannungsquelle 16 gleich
ist. Die Dauer der Impulse, die am Widerstand 35 auftreten, nimmt entsprechend ab,
und der Transistor 49 ist während eines Teils jeder Halbwelle des Impulsgenerators
26 auf Sperrung gesteuert. Daher nimmt der mittlere Strom durch die Erregerwicklung
des Motors ab, so daß der Motor seine Drehzahl erhöht, bis die Spannung des Tachometers
9 wieder der Spannung der Bezugsspannungsquelle 16 gleich ist. Die Wirkungsweise
ist also derart, daß eine Abnahme der Motordrehzahl fast unmittelbar eine Abnahme
des Erregerstromes des Motors verursacht, so daß der Motor wieder seine betriebsmäßige
Drehzahl erreicht.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist 101 der Anker eines Gleichstrommotors,
der eine fremdgespeiste Erregerwicklung mit den Anschlüssen 103 und 105 besitzt
und einen Wechselstromtachometergenerator 109 über eine mechanische Verbindung 107
antreibt. Der Erregerstrom des Motors wird von einer Gleichstromquelle 157 geliefert,
deren negativer Anschluß mit dem Erregerwicklungsanschluß 103 und deren positiver
Anschluß mit dem Anschluß 105 über den Transistor 149 in gleicher Weise verbunden
ist, wie es an Hand von Fig. 1 beschrieben wurde. Die Frequenz der Wechselspannung
des Tachometergenerators 109 ist eine unmittelbare Funktion der Drehzahl des Generators.
Es ist eine Quelle 121 zur Lieferung einer Bezugsfrequenz vorgesehen, die gleich
der Frequenz der Tachometerspannung ist, wenn der Motor mit der gewünschten Drehzahl
läuft. 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 1119
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 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 -r-Filter mit induktiven
Längsgliedern 329a, 129b, kapazitiven Quergliedern 131a, 131b, 131c
und einen Belastungswiderstand 136.
-
Der Ausgangswert des Filters 127 wird einer differenzierenden Schaltanordnung
133 zugeführt, welche aus einem Kopplungsgleichrichter 135, einem Kopplungskondensator
137 und einem dazu in Reihe geschalteten Widerstand 139 besteht. Die am Widerstand
139 auftretende Spannung wird einem emittergekoppelten Multivibrator 147 zugeführt,
bei welchem n-p-n-Flächentransistoren verwendet sind, wie er bereits bekannt ist.
Die Ausgangsspannung dieses Multivibrators hat eine konstante Impulsbreite, jedoch
eine Frequenz, die von der Frequenz der Auslöseimpulse abhängt, die von der differenzierenden
Schaltanordnung 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 der Tachometergenerator 109 eine Frequenz liefert,
die zehnmal so groß ist wie die Umdrehungszahl des Motors pro Minute, so würde die
Frequenz des Tachometergenerators bei der angenommenen Motordrehzahl 10 000 Hz sein.
Wenn die Frequenz der Bezugsquelle 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 Strom
in der Erregerwicklung des Motors hat sein Maximum.
-
Falls die Drehzahl des Motors infolge zunehmender Belastung abnimmt,
wird die Differenzfrequenz kleiner als 100 Hz, und der Multivibrator 147 gibt dann
getrennte Impulse ab, so daß der Transistor 149 während der Pausen zwischen den
Impulsen gesperrt ist. Der durchschnittliche Erregerstrom des Motors nimmt daher
ab, so daß infolgedessen die Motordrehzahl wieder zunimmt, bis die planmäßige Drehzahl
(1000 Umdrehungen pro Minute in dem angenommenen Beispiel) wieder erreicht ist.
-
In manchen Anwendungsfällen sind Antriebe erwünscht, bei denen sich
die Drehzahl bei jedem Lastwert auf eine andere, dieser Last zugeordnete Drehzahl
einregelt. Um diese Aufgabe zu lösen, kann man
den Motor mit Hilfserregerwicklungen
ausrüsten, die drehzahlunabhängig - also konstant - gespeist werden. Eine andere
Erregerwicklung wird dann -wie vorstehend beschrieben - von dem Ausgang des Regelkreises
gespeist, und zwar in der Weise, daß der Motor von dieser Wicklung bei Leerlauf
keine zusätzliche Erregung erhält. Mit zunehmender Belastung wird diese Erregerwicklung
impulsweise gespeist, wobei die Impulsbreite der Last proportional ist. Bei Vollast
bleibt die mit dem Regelkreis zusammenarbeitende Erregerwicklung ständig erregt:
Der Motor arbeitet dann mit maximaler Erregung.
-
In Fig. j ist eine Regelanordnung dargestellt, bei der der Strom in
der Erregerwicklung des Motors M indirekt durch einen Transistor gesteuert wird.
Mit 277 ist ein Transformator bezeichnet, dessen Primärwicklung 275 an die Wechselstromleitungen
201 und 203 über die Wechselstromanschlüsse einer Gleichrichterbrücke BR angeschlossen
ist. Die Erregerwicklung 297 des Gleichstromnebenschlußmotors M, dessen Drehzahl
geregelt werden soll, ist an die Gleichstromanschlüsse der Gleichrichterbrücke BR
angeschlossen.
-
Zur Steuerung der Induktivität der Primärwicklung 275, die für die
Größe des Stromes durch die Gleichrichterbrücke BR und die Erregerwicklung 297 maßgebend
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
äußeren Anschlüssen der Wicklung 279 verbunden. Infolge dieser Schaltung liefern
die Hälften der Sekundärwicklung 279, an welche die Gleichrichter 282 bzw. 284 angeschlossen
sind, abwechselnd Spannungshalbwellen 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 Durchlaßrichtung der
Gleichrichter 282 und 284 umgekehrt werden müßte. Der Flächentransistor ist für
den vorliegenden Fall ein besonders geeignetes Schaltelement, weil die Impedanz
zwischen Emitter und Kollektor etwa 2 Ohm beträgt, wenn der Transistor 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 weiterer Vorteil.
-
Der Transistor 267 wird als Schalter betrieben, d. h., der Kollektorstrom
ist entweder gesperrt, oder er hat seinen Sättigungswert (volle Leitfähigkeit).
Zu diesem Zweck erhält er Steuerimpulse aus einer Quelle rechteckiger Spannungsimpulse,
welche später beschrieben wird.
-
Wenn der Transistor 267 auf volle Leitfähigkeit Gesteuert ist, ist
die Impedanz zwischen Emitter und Kollektor sehr niedrig, bei Transistoren mit legierten
Übergängen oft geringer als 2 Ohm. Die Sekundärwicklung 279 des Transformators 277
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 267 auf Sperrung gesteuert ist, ist die Sekundärwicklung praktisch
unbelastet, so daß die Impedanz der Primärwicklung sehr hoch ist und der Transformator
im wesentlichen wie eine Drosselspule mit Eisenkern wirkt. Bei unbelasteter Sekundärwicklung
ist also die Induktivität der Primärwicklung sehr groß, bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung
hat die Induktivität der Primärwicklung dagegen einen äußerst kleinen Betrag.
-
Die Ansprechzeit der Regelanordnung ist bestimmt durch die Zeitkonstante
des Erregerstromkreises und die Zeitkonstante des Sekundärkreises des Transformators.
Letztere ist jedoch vernachlässigbar klein, wenn der Transistor - wie hier - als
Schalter betrieben wird, die Sekundärwicklung also in dem einen Schaltzustand sehr
hochohmig abgeschlossen, in dem anderen praktisch kurzgeschlossen ist. In letzterem
Falle ist zwar der Widerstand klein, aber auch die Induktivität der Sekundärwicklung
praktisch Null.
-
Wie schon bemerkt, werden zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors
rechteckige Spannungsimpulse angelegt, wobei die Breite (Arbeitsperiode) dieser
Impulse in Übereinstimmung mit dem erwünschten Strommittelwert zu verändern ist,
der durch die Erregerwicklung 297 fließt, so daß die Drehzahl des Motors M auf dem
gewünschten Wert gehalten wird. Die Breite der Steuerimpulse muß daher in Abhängigkeit
von der Drehzahl des Motors M veränderbar sein, so daß eine Regelwirkung in dem
Sinne erreicht wird, daß der Motor die gewünschte Betriebsdrehzahl beibehält.
-
Zu diesem Zweck ist ein Tachometergenerator TG vorgesehen, welcher
eine fremdgespeiste Erregerwicklung 305 besitzt. Der Tachometergenerator wird vom
Motor M angetrieben, so daß die Generatorspannung der Motordrehzahl entweder proportional
ist oder funktional von ihr abhängt. Die Spannung, die am Anker 303 des Tachometergenerators
TG auftritt, wird mit der Spannung einer Bezugsspannungsquelle 309 verglichen,
und zwar mit Hilfe einer Widerstands-Mischanordnung 307, derart, daß die Ausgangsspannung
der Mischanordnung 307, die zwischen den Leitungen 311 und 313 auftritt, der Differenz
der Spannungen des Ankers 303 und der Bezugsspannungsquelle 309 proportional ist.
Die Bezugsspannungsquelle 309 kann jede Gleichspannung squelle sein, die nach Belieben
einstellbar ist, und die Widerstands-Mischanordnung kann von jeder bekannten Art
sein, beispielsweise vom Typ des Additionsstromkreises 13 in Fig. 1.
-
Steuerimpulse für den Transistor 267 werden einer Impulsspannungsquelle
205 entnommen, wobei die Breite dieser Steuerimpulse in Abhängigkeit von der Spannung,
die zwischen den Leitungen 311 und 313 auftritt, veränderbar ist. Die Impulsspannungsquelle
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
eingezeichneten zeitlichen Verlauf einer umgekehrten, gleichgerichteten Sinuswelle.
Die Ausgangsspannung des Impulsgebers 214 wird zwischen Emitter und Basis des Transistors
211 angelegt, während die Ausgangsleitungen
313 und
31.1 des Mischgerätes an den Emitter bzw. die Basis des Transistors
209 angeschlossen sind. Die Impulse, die zwischen Emitter und Kollektor jedes
der beiden 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 derDarstellung hervorgeht,
werden die Ausgangsimpulse der Impulsspannungsquelle 205 am Transistor
211 abgenommen und zwischen Basis 271 und Emitter 269 des Transistors
267
mit Hilfe eines Kaskaden-Vorverstärkers 315 angelegt. Ein Vorverstärker
der dargestellten Art hat den Vorteil, daß er eine erhebliche Rückkopplung in die
Schaltung einführt, welche eine maximale Stabilität der Regelanordnung erzeugt;
er ist ferner außerordentlich einfach und enthält nur sehr wenig Bestandteile. Die
direkte Kopplung aller Stufen von der Impulsspannungsquelle 205 bis zum Transistor
267 erlaubt die Übertragung von Impulsen von der Breite Null bis zur Endbreite mit
jedem gewünschten Zwischenzustand, wodurch ein größter Regel- bzw. Steuerbereich
erreicht und der Zeitverzug bei der übertragung der Impulse von der Impulsspannungsquelle
205 zum Transistor 267 auf ein Minimum herabgesetzt wird.
-
Der Transistor 267 wird mit Hilfe einer Vorspannungsquelle,
die den Gleichrichter 317, den Glättungskondensator 319 und den Widerstand
321 umfaßt, auf Sperrung vorgesteuert. Die Vorspannungsquelle 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
Spannung des Tachometergenerators TG gleich Null ist, so daß die Spannung
zwischen den Leitungen 311 und 313 im wesentlichen gleich der Spannung
der Bezugsspannungsquelle 309
ist, und so, daß außerdem am Ausgang der Impulsspannungsquelle
205 keine Impulse erscheinen. 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 Motorerregerwicklung 297, und der Motor
M beginnt daher, sich zu beschleunigen. Der Tachometergenerator TG erzeugt daraufhin
eine Spannung, welche mit der von der Bezugsspannungsquelle 309
abgenommenen
Spannung verglichen wird; die Mischanordnung 307 gibt daher eine Spannung
ab, welche allmählich abnimmt in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz zwischen
den Spannungen des Tachometergenerators TG und der Bezugsspannungsquelle
309. In dem Maße, wie die Spannung zwischen den Leitungen 311 und 313 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 Erregerwicklung 297
nimmt daher in gleicher Weise zu, bis
sich die Regelanordnung im Gleichgewicht befindet. In diesem Zustand ist die Spannung
zwischen den Leitungen 311
und 313 so groß, daß ein weiteres Anwachsen
die Breite der Ausgangsimpulse der Impulsspannungsquelle 205 so weit vergrößern
würde, daß die Drehzahl des Motors herabgesetzt würde. Es wurde gefunden, daß die
Regelanordnung sehr genau im Gleichgewicht bleibt mit einem Minimum an Pendelungen
in der Nähe der gewünschten Drehzahl infolge des Zeitverzugs durch den Verstärker.
Die Betriebsdrehzahl des Motors kann durch Veränderung der Ausgangsspannung der
Bezugsspannungsquelle 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 Spannung des Tachometergenerators TG verkleinert, die Spannung
zwischen den Leitungen 311 und 313 verringert, die Breite der Ausgangsimpulse
der Impulsspannungsquelle 205
ebenfalls verringert und der mittlere Strom
durch die Erregerwicklung 297 herabgesetzt. Die Drehzahl des Motors erhöht sich
daraufhin, bis sie wieder den gewünschten Betriebswert erreicht.
-
Die oben beschriebene Motorregelanordnung verwendet Teile, welche
ihrer Natur nach robust und langlebig sind und welche ein Minimum an Wartung oder
Ersatz erfordern. Es wurde gefunden, daß die Regelanordnung eine sehr große Ansprechgeschwindigkeit,
verbunden mit einem Minimum an 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 Transformatorübersetzung
leicht so gewählt werden kann, daß die passenden Betriebsspannungen erreicht werden.
-
Das dargestellte Ausführungsbeispiel kann in mannigfacher Weise abgewandelt
werden. Es können z. B. mehrere Transistoren parallel zum Transistor 267 geschaltet
werden, wenn die Leistung der Regelanordnung erhöht werden soll; das gleiche Ergebnis
kann auch erreicht werden durch Verbindung zusätzlicher Transistoren mit gesonderten
Sekundärwicklungen des Transformators 277.
-
Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen
die Erregerwicklung des Motors über zwei hintereinandergeschaltete Transformatoren
gespeist wird. Für die Steuerung des Transistors 367
ist dabei die gleiche
Schaltanordnung verwendet wie in Fig.3; Impulsgeber und Verstärker sind daher nicht
nochmals dargestellt.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist für die Speisung der Erregerwicklung
397 des Motors M eine Schaltanordnung 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
Vollwellen-Gleichrichter 394 enthält, der aus zwei Einweggleichrichtern
393 und 395 besteht. Die Primärwicklung 375 des Transformators
377
wird über die Wechselstromleitungen 301 und 303
gespeist.
Die äußeren Anschlüsse der Sekundärwicklung 380 des Transformators 377 sind mit
den äußeren Anschlüssen der Primärwicklung 385 des Transformators
383 über 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-Strompfad 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 Erregerwicklung 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 Emitter angelegt werden, die den Kollektorstrom bis zum Sättigungswert treiben.
Derartige Impulse werden, wie bereits bemerkt, von einer Schaltanordnung geliefert,
wie sie in Fig.3 dargestellt und im Zusammenhang damit 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 Halbwellengleichrichter 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 liegen in Brückenschaltung, wobei die
beiden Hälften der Primärwicklung 385 des Transformators 383 in zwei Zweigen der
Brücke liegen und der Transistor 367 in die eine Brückendiagonale 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.