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Anordnung zur Steuerung der Drehzahl und Drehrichtung eines Zweiphasen-Induktionsmotors
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung der Drehzahl und Drehrichtung
eines Zweiphasen-Induktionsmotors.
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Zweiphasen-Induktionsmotoren dienen häufig dazu, eine Welle in einer
geschlossenen Regelanordnung in Abhängigkeit vom Kommando einer Steuerspannung in
eine bestimmte Lage zu bringen. Im allgemeinen wird die eine Primärwicklung des
Motors, die Erregerwicklung, von einer Spannung konstanter Größe erregt, während
die andere Primärwicklung, die Steuerwicklung, die Erregung aus der Steuerspannungsquelle
über Verstärkereinrichtungen aufnimmt. Dabei rnuß gewährleistet sein, daß die die
Wicklungen durchfließenden Ströme aus diesen Spannungsquellen zeitlich um 90° in
der Phase verschoben sind, um ein maximales Drehmoment zu erzeugen. Ist die Regelanordnung
.abgeglichen, so wird die Steuerspannung Null und damit wird auch das Motordrehmoment
Null.
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Zweiphasen-Induktionsmotoren für Steuerzwecke werden insbesondere
im Hinblick auf möglichst kleine induktive Kopplung zwischen den Primärwicklungen
sorgfältig ausgelegt. Eine geringe induktive Kopplung ist zwar immer vorhanden,
und ein Teil der Spannung, die der Erregerwicklung zugeführt wird, wird auch in
der Steuerwicklung induziert. Diese induzierte Spannung erzeugt einen Strom in der
Steuerwicklung, wenn eine Impedanz mit den Steuerwicklungsklemmen verbunden ist.
Ein Drehmoment wird stets dann erzeugt, wenn diese Impedanz so groß ist, daß der
in der Steuerwicklung fließende Strom in der Phasenlage vom Strom in der Erregerwicklung
abweicht. Dieses Drehmoment erzeugt einen Fehler in der zugehörigen Steuer- oder
Regelanordnung.
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Die innere Impedanz des Verstärkers, der der Steuerwicklung Energie
zuführt, bewirkt, daß ein Strom durch die induzierte Spannung in der Steuerwicklung
erzeugt wird. Das resultierende Drehmoment ist verhältnismäßig klein und kann in
Kauf genommen werden. In vielen Anwendungsfällen wird die Steuerwicklung jedoch
auf Parallelresonanz abgestimmt, so daß eine Ohmsche Verstärkerbelastung erhalten
und die Phasenverschiebung im Verstärker auf ein Minimum herabgesetzt wird. Ein
weiterer Grund für die Abstimmung der Motorimpedanz besteht darin, Harmonische in
der Steuerwicklung zu unterdrücken. Der Abstimmkondensator, der zu diesem Zweck
verwendet wird, stellt für die Spannung, die in der Steuerwicklung durch induktive
Kopplung von der Erregerwicklung induziert wird, einen Serienresonanzkreis bzw.
einen Stromkreis geringen Widerstandes dar. Dadurch wird der Strom merklich erhöht.
Des weiteren ist die Phasenlage dieses Stromes ähnlich der Phasenlage der induzierten
Spannung, während die Phase des Stromes in der Erregerwicklung der induzierten Spannung
um annähernd 90° nacheilt. Insgesamt ergibt sich daraus häufig ein unerwünscht großes
Einphasendrehmoment. Der resultierende Fehler ist umgekehrt proportional der Leerlaufverstärkung
der Anordnung. Dies ist besonders von Nachteil, wenn die Anordnung mit Nullverstärkung
oder mit einem Totbereich am Nullpunkt der Steuerspannung ausgelegt ist. Im Totbereich
wird keine korrigierende Steuerspannung aus der Steuerspannungsquelle geliefert.
Deshalb wirkt das Einphasendrehmoment auf den Motor im Totbereich ungehindert ein.
Der endgültige Einstellpunkt für die Regelanordnung tritt immer an derselben Stelle
des Totbereiches auf, unabhängig davon, wie man sich dem Totbereich nähert.
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Eine ähnliche Aufgabe tritt bei einer Steueranordnung auf, bei der
die Motorwelle angetrieben wird, wenn die Steuerspannung Null ist. In diesem Fall
wäre eine Vorspannung erforderlich, um den Motor im Stillstand zu halten.
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Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Steueranordnung
für einen Zweiphasen-Induktionsmotor vorzusehen, dessen Induktivität der Steuerwicklung
durch einen zu ihr parallel geschalteten Kondensator kompensiert ist, so daß ein
unerwünschter
Einphasenbetrieb des Induktionsmotors, der durch
induktive Kopplung zwischen der Erregerund-der Steuerwicklung auftritt, weitgehend
verringert oder beseitigt wird.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Anordnung zur Steuerung
der Drehzahl und Drehrichtung eines Zweiphäsen-Induktionsmotors, dessen eine Primärwicklung
konstant und dessen andere Primärwicklung als Steuerwicklung in Abhängigkeit von
Größe und Phasenlage einer Steuerspannung erregt wird und bei der die Induktivität
der Steuerwicklung durch einen zu ihr parallel geschalteten Kondensator kompensiert
ist, gemäß der Erfindung zum Kondensator ein Sperrglied für kleine Wechselspannungen
in Reihe geschaltet ist. Bei einer derartigen Anordnung wird der Kompensationskondensator
wirksam vom Motorstromkreis getrennt, wenn die Steuerspannung unter dem Wert liegt,
der für den Zweiphasenbetrieb des Induktionsmotors erforderlich ist. Wird der Kondensator
von dem Motorstromkreis abgeschaltet, so wird der Strom in der Steuerwicklung, der
durch die induktive Kopplung mit der Erregerwicklung induziert wird, auf einen Wert
vermindert, der einen unerwünschten Einphasenbetrieb des Motors verhindert. Das
Sperrglied gemäß der Erfindung ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in
Form zweier antiparallel geschalteter Dioden vorgesehen. Das Sperrglied kann aber
auch durch zwei gegeneinandergepolte, in Reihe geschaltete Zenerdioden dargestellt
werden.
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An Hand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung in Verbindung
mit der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Steueranordnung für einen Zweiphasen-Induktionsmotor
mit einer Einrichtung zum selbsttätigen Abschalten des Kompensationskondensators
von der Steuerwicklung des Motors gemäß der Erfindung; Fig. Z zeigt eine graphische
Darstellung der Strom-und Spannungsverhältnisse, wie sie im nichtlinearen Impedanzstromkreis
der Fig. 1 auftreten; Fig. 3 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel dar; Fig: 4
stellt graphisch die Strom- und Spannungsverhältnisse dar, die im nichtlinearen
Impedanzstromkreis nach Fig. 3 auftreten.
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In Fig. 1 ist eine Steueranordnung für einen Zweiphasen-Induktionsmotor
dargestellt. Die Anordnung weist einen Zweiphasen-Induktionsmotor 10 an sich bekannter
Bauweise mit einer Erregerwicklung11 und einer Steuerwicklung 12 auf, die räumlich
um 90° versetzt sind, um ein rotierendes magnetisches Feld zu erzeugen, das eine
Drehung des Rotors in einer Richtung bewirkt, die von der Drehrichtung des magnetischen
Feldes abhängt. Die Erregerwicklung 11 weist Anschlußklemmen 14 zur Verbindung mit
einer ; Wechselstromquelle auf.
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Zweiphasen-Induktionsmotoren der dargestellten Art werden üblicherweise
als Stellmotoren in Steuer-oder Regelanordnungen verwendet, in denen der Motor die
Antriebsenergie liefert, die für Ferneinstell-, Fernsteuer- oder Femmeßzwecke erforderlich
ist. In derartigen Anordnungen wird eine Steuerwechselspannung verwendet, deren
Phasenlage im Hinblick auf die Phasenlage der der Erregerwicklung des Motors zugeführten
Wechselspannung die Drehrichtung des Motors bestimmt.
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In der dargestellten Anordnung wird eine Steuerspannung veränderbarer
Phasenlage durch eine nicht dargestellte Steuerspannungsquelle den Eingangsklemmen
15 zugeführt und durch einen Verstärker 16 phasengetreu verstärkt, wobei die Ausgangsspannung
des Verstärkers die Steuerwicklung 12 des Motors erregt. Bei einer derartigen Anordnung
läuft der Motor 10 .auf Grund einer Steuerspannung, die den Eingangsklemmen 15 zugeführt
wird, und die Drehrichtung des Motors wird durch die Phasenlage der Steuerspannung
gegenüber der Spannung an den Klemmen 14 bestimmt. Eine Verstärkung der Steuerspannung
ist meist erforderlich, um eine genügend hohe Wechselstromenergie zu erhalten, die
für den Betrieb des Motors erforderlich ist. Die dargestellte Anordnung kann in
einem geschlossenen Regelkreis angeordnet werden, in dem der Stellmotor eine entfernt
liegende Einrichtung in eine bestimmte Lage in Abhängigkeit von der Stellung eines
Gebers bringt, der die Steuerspannung abgibt. Bei derartigen Anordnungen ist eine
elektrische oder mechanische Rückkopplung vorgesehen, die die Steuerspannung des
Gebers .auf Null verkleinert, wenn die Stellungen des Gebers und Empfängers übereinstimmen.
Die Anordnung kann auch in offenen Steuereinrichtungen vorgesehen werden, bei denen
eine fernliegende Einrichtung durch einen Geber eingestellt wird (beispielsweise
ein Selsyn), der von einer Nullspannungsstellung aus in eine beliebige Richtung
gebracht wird und eine Steuerspannung der erforderlichen Phasenlage abgibt. Geber
und Rückkopplungselemente von offenen und geschlossenen Steuer- und Regelanordnungen,
in denen die Steuerung eines Induktionsmotors gemäß der Erfindung vorteilhafterweise
verwendet werden kann, sind in der Zeichnung nicht dargestellt, da derartige Anordnungen
an sich bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung sind.
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Bei einer Steueranordnung der dargestellten Art ist es erwünscht,
den Verstärker möglichst rein ohmisch zu belasten, um das Entstehen von Oberwellen
am Verstärkerausgang einzuschränken. Des weiteren verbessert der Betrieb des Verstärkers
bei einem Leistungsfaktor 1 die Betriebsbedingungen. Um die Blindkomponente der
Verstärkerbelastung, die durch den induktiven Blindwiderstand der Steuerwicklung
12 verursacht wird, zu eliminieren, ist es üblich, einen Kompensationskondensator
17 parallel zur Steuerwicklung zu legen, wobei die Größe des Kondensators so gewählt
wird, daß der kapazitive Widerstand des Kondensators etwa gleich dem induktiven
Widerstand der Steuerwicklung bei Betriebsfrequenz ist. Die Verstärkerbelastung
stellt dann einen Parallelresonanzkreis aus Kondensator und Motorsteuerwicklung
dar; und die resultierende Belastung des Verstärkers wirkt als Ohmscher Widerstand.
In dem verwendeten Steuersystem liegt der Kondensator 17 in Reihe mit einer nichtlinearen
Impedanz 18 parallel zur Motorsteuerwicklung 12.
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Wenn die nichtlineare Impedanz 18 weggelassen werden würde, würde
der Kondensator 17 unmittelbar parallel zur Steuerwicklung 12 liegen, wie dies bei
bekannten Einrichtungen der Fall ist. Eine derartige Anordnung hat den Nachteil,
daß ein unerwünschter Einphasenbetrieb (Drehung) des Motors eintreten kann, wenn
kein Steuersignal den Eingangsklemmen 15 zugeführt wird. Die Abgabe am Verstärkerausgang
16 und damit die der Steuerwicklung durch den Verstärker zugeführte Spannung ist
dann Null. Der Einphasenbetrieb ergibt sich .aus der induktiven Kopplung zwischen
der Erregerwicklung 11 und der Steuerwicklung
12, die ein Fließen
eines induzierten Stromes bewirkt, wenn die Steuerwicklung mit dem Kondensator unmittelbar
verbunden ist. Wenn auch diese Wirkung bis zu einem gewissen Grade durch entsprechende
Auslegung des Induktionsmotors vermindert werden kann, läßt sie sich nicht vollkommen
beseitigen. Wenn ein abgestimmter Kondensator parallel zur Steuerwicklung gelegt
ist, entsteht ein Serienresonanzkreis mit geringem Widerstand, in dem der induzierte
Strom fließt. In vielen Fällen reicht dieser Strom aus; um eine Drehung des Motors
hervorzurufen, wenn die der Steuerwicklung durch den Verstärker 16 zugeführte Spannung
Null ist oder einen sehr geringen Wert hat.
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Bei einem derartigen Einphasenbetrieb tritt ein Fehler in der Steueranordnung
auf, da der Motor so lange umläuft, bis ein Gegendrehmoment durch eine Steuerspannung
erzeugt wird, die jedoch nur entsteht, wenn ein Fehler zwischen dem Geber und der
vom Motor bedienten Einrichtung besteht. Ferner bewirkt in Anordnungen, in denen
eine breite Totzone ohne Steuerspannung zu Stabilitäts- oder anderen Zwecken vorhanden
ist, ein Einphasenbetrieb des Motors, daß die gesteuerte Einrichtung eine Seite
der Totzone beim Fehlen von besonderen Mitteleinstellvorrichtungen aufsucht. Dadurch
ergibt sich ein unsymmetrischer Betrieb der Steuervorrichtung. Bei offenen Steueranordnungen
bewirkt weiterhin der Einphasenbetrieb des Motors, daß die entfernt liegende Einrichtung,
die eingestellt werden soll, in ihre äußerste Stellung gebracht wird, obwohl keine
Steuerspannung zugeführt wird.
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Diese Fehler, die durch Einphasenbetrieb des Motors auftreten, werden
gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß der Kondensator18 vom Motorstromkreis
getrennt wird, wenn die der Steuerwicklung 12 durch den Verstärker zugeführte Spannung
unterhalb des Wertes liegt, der durch die Erregerwicklung 11 auf induktivem Wege
eingespeist wird. Diese Bedingung ist dann erfüllt, wenn die Steuerspannung, die
den Eingangsklemmen 15 des Verstärkers 16 zugeführt wird, gleich oder annähernd
gleich Null ist. Die Abtrennung des Kondensators wird dadurch erreicht, daß die
nichtlineare Impedanz 18 mit dem Kondensator, wie in der Zeichnung dargestellt,
in Reihe geschaltet wird.
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Die nichtlineare Impedanz 18 der Fig. 1 weist zwei entgegengesetzt
gepolte, parallel geschaltete Dioden 19 und 20 auf, die daher beide Halbwellen eines
Wechselstromes durchlassen. Dabei ist von der Eigenschaft ; Gebrauch gemacht, daß
die Dioden 19 und 20 nichtlineare Impedanzen darstellen, wenn .an sie eine sich
ändernde Spannung in Durchlaßrichtung gelegt wird. Fig. 2 der Zeichnung zeigt die
Kennlinie einer Siliziumdiode. Die Impedanz der Diode in Durchlaßrichtung ist verhältnismäßig
hoch, bis eine Spannung U entsprechend etwa dem Punkt A erreicht ist,
oberhalb der die Impedanz abnimmt und der Strom I rasch ansteigt.
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In einem Induktionsmotor, wie dem in der Zeichnung dargestellten,
kann die Erregerspannung, die der Erregerwicklung 11 zugeführt wird, in der Größenordnung
von 26 Volt liegen, und die der Steuerwicklung 12 durch den Verstärker 16 zugeführte
Spannung bei voller Steuerspannung an den Klemmen 15 liegt in der Größenordnung
von 75 Volt. In einem derartigen Motor beträgt die in der Steuerwicklung 12 durch
die Erregerwicklung 11 auf Grund der induktiven Kopplung induzierte Spannung etwa
0,2 bis 0,6 Volt. Damit die nichtlineare Impedanz 18 den Kondensator 17 vom Stromkreis
trennt, wenn die Verstärkerausgangsspannung etwa Null ist, werden die Impedanzeigenschaften
der Dioden 19 und 20 so ausgewählt, daß sie eine niedrige Impedanz darstellen, wenn
die zugeführte Spannung hoch ist, und eine hohe Impedanz, wenn die zugeführte Spannung
niedrig ist. So haben z. B. die vorerwähnten Siliziumdioden eine hohe Impedanz,
wenn die Spannung in Durchlaßrichtung in der Größenordnung von 0,6 Volt liegt, und
eine niedrige Impedanz, wenn die zugeführte Spannung den Wert von 0,6 Volt wesentlich
überschreitet. Wenn somit die Steuerspannung an den Klemmen 15 so groß ist, daß
die Spannung an der Steuerwicklung 12 0,6 Volt merklich übersteigt, ist die Impedanz
der Anordnung 18 niedrig, und der Kondensator 17 übt seine normale Funktion aus.
Wenn andererseits die Steuerspannung und die Spannung an der Steuerwicklung 12 in
der Nähe von Null liegen, entspricht die der nichtlinearen Impedanz 18 zugeführte
Spannung nur der Spannung, die in der Steuerwicklung 12 von der Erregerwicklung
11 her induziert wird, und dieser Wert ist verhältnismäßig klein, etwa 0,6 Volt
oder weniger. Unter dieser Bedingung ist die Impedanz des nichtlinearen Widerstandes
18 so hoch, daß der Kondensator wirksam vom Motorstromkreis getrennt wird. Dadurch
wird der Resonanzstromkreis so verstimmt, daß sein resultierender Widerstand sehr
groß ist und der induzierte Strom klein gehalten wird. Diese wirksame Abschaltung
des Kondensators aus dem Motorstromkreis bringt auch eine Verschiebung des Phasenwinkels
des induzierten Stromes in bezug auf den Strom in der Erregerwicklung in einer das
Motordrehmoment verringernden Weise mit sich. Die Kombination dieser Wirkungen verhindert
einen Einphasenbetrieb des Induktionsmotors.
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Bei anderen Nennspannungen der Motorsteuerwicklung können Dioden mit
entsprechend angepaßten Betriebskennlinien ausgewählt werden. Beispielsweise ist
es üblich, die Nennspannung sowohl der Steuerwicklung als auch der Erregerwicklung
in Höhe von 26 Volt zu wählen. Für diesen Fall weisen Germaniumdioden die gewünschte
Schwellspannung auf, um die gewünschte Trennwirkung zu erzielen.
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In Fig. 3 der Zeichnung ist eine Motorsteueranordnung ähnlich der
in Fig. 1 gezeigten dargestellt, wobei gleiche Schaltelemente mit gleichen Bezugszeichen
versehen sind. Bei dieser Ausführungsform ist ein anderes nichtlineares Sperrglied
18' verwendet. In Reihe mit dem Kondensator 17 sind zwei gegeneinander gepolte Zenerdioden
19' und 20' geschaltet. Diese Zenerdioden zeichnen sich dadurch aus, daß sie einen
sehr hohen Widerstand unterhalb einer bestimmten Schwellspannung haben, oberhalb
der der Widerstand plötzlich auf einen sehr geringen Wert abnimmt. Die Kennlinie
einer Zenerdiode ist in Fig. 4 dargestellt, aus der entnommen werden kann, daß die
Impedanz sehr hoch und der Strom 1 bei Spannungswerten bis zu dem Punkt A' niedrig
ist, bei dem die Impedanz fällt und der Strom sehr stark ansteigt. Wenn die beiden
Zenerdioden 19' und 20', wie dargestellt, miteinander verbunden werden, gilt die
Stromspannungskennlinie einer jeden während verschiedener Halbwellen, so daß eine
symmetrische Leitung von Wechselstrom bei Spannungen oberhalb des Punktes A' erfolgt.
Durch geeignete Wahl des Spannungspunktes A' in bezug auf die Ausgangsspannung
des
Verstärkers 16 und die induzierte Spannung in der Steuerwicklung 12 kann die Schaltwirkung
der Dioden dazu verwendet werden, den Kondensator 18 vom Stromkreis zu trennen,
um damit einen Einphasenbetrieb des Motors 10 zu verhindern. Die Zenerdiodenanordnung
nach Fig. 3 ist besser zur Verwendung bei Induktionsmotoren geeignet, in denen die
induzierte Spannung in der Steuerwicklung höher ist, z. B. in der Größenordnung
von 3 Volt.