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Anordnung zur Steuerung der Drehzahl und Drehrichtung eines Asynchronmotors
mittels steuerbarer Halbleiter Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung
der Drehzahl und Drehrichtung eines Asynchromnotors, insbesondere als Stellmotor,
der in kürzesten Zeiten in beiden Drehrichtungen angelassen'bzw. abgebremst werden
soll. Hierzu sollen Transistoren, Dynistoren oder ähnliche steuerbare Halbleiter
verwendet werden.
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Es -sind bereits Transistorsteueranordnungen für asynchrone Stellmotoren
vorgeschlagen worden, bei denen der Motor aus einer Gleichstromquelle über einen
Zerhacker mit entgegengesetzten Rechteckimpulsen gespeist wird. Auf diese Weise
entsteht ein Wechselfluß, der zusammen mit einer zweiten, dauernd an einem Wechselsromnetz
liegenden Wicklung angenähert ein Drehfeld erzeugt, wenn diese Wick-Iiingen um einen
der Bauart des Motors entsprechenden Winkel versetzt und an entsprechend phasenverschobene
Spannungen geschaltet sind. Durch Umkehren der Rechteckimpulse um 180' kann
man die Drehrichtung umkehren. Sehr nachteilig erweist sich hierbei, daß die starken
Oberwellen der Speisespannung Drehfelder höherer Ordnung hervorrufen, die das Drehmoment
stark vermindern.
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Weiter ist es bekannt, einer von mehreren Asynchronmotorwicklungen
eine mittels Transistoren verstärkte -Regel- oder Steuerwechselspannung zuzuführen.
Durch die Änderung der Phasenlage dieser Steuerspannung zu der Phasenlage der an
einer zweiten Motorwicklung liegenden Wechselspannung ist ebenfalls eine Drehrichtungssteuerung
möglich. Da aber diese zweite Wicklung auch im Stillstand des Motors an voller Spannung
liegt, kann sich diese in den Betriebspausen nicht abkühlen, sondern wird im Gegenteil
besonders stark aufgeheizt. Der Motor muß deshalb für eine größere Leistung dimensioniert
sein, als es an sich für interrnittierenden Betrieb erforderlich wäre. Dies bedingt
ein relativ großes Trägheitsmoment und entsprechend lange An- und Auslaufzeiten.
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Ferner ist es in der Antriebstechnik bekannt, Asynchronmotoren zum
Abbremsen mit Gleichstrom zu erregen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Steuerung
der Drehzahl und Drehrichtung eines Asynchronmotors und zum Abbremsen des Motors
durch Gleichstromerregung der Motorprimärwicklungen nach deren Trennung vom Netz
mittels steuerbarer Halbleiter zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt dadurch
auf einfache Weise, daß die Halbleiter in solche Steuerabhängigkeit von einer Steuerwechselspannung
mit veränderbarer Amplitude gebracht sind, daß bei größter Steuerwechselspannungsamplitude
die Motorprimärwicklungen die ganzen Halbwellen der sinusförmigen Netzspannung erhalten,
dagegen mit abnehmender Amplitude der Steuerwechselspannung entsprechend abnehmende
Ausschnitte der Halbwellen der Netzspannung zugeführt bekommen, und daß bei SteuerwechselspannungNull
mindestens einerMotorprimärwicklung selbsttätig eine Gleichspannung zugeführt wird.
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Da die Motorwicklungen im Stillstand spannungslos sind, kann sich der Motor
in den Betriebspausen abkühlen. Er kann deshalb während der verhältnismäßig kurzen
Arbeitsspiele stark überlastet und entsprechend unterdünensioniert werden. Dementsprechend
werden das Trägheitsmoment sowie die Anlauf- und Bremszeit verringert. Letztere
wird besonders dadurch noch wesentlich herabgesetzt, daß selbsttätig mit dem Wegbleiben
der Steuerspannung eine Gleichstrombremsung einsetzt, so daß der Motor fast augenblicklich
stehenbleibt, was bei Stellantrieben besonders vorteilhaft ist. Die Gleichstromspeisung
wird mit Hilfe derselben Transistoren bzw. steuerbaren Halbleiter durchgeführt,
die auch die Wechselspannungen an den Wicklungen steuern. Zu dieser Steuerung kann
ein Zeitglied verwendet werden, das über einen steuerbaren Halbleiter den Bremsgleichstrom
nur über eine für den Abbremsvorgang erforderliche Zeit aufrechterhält.
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. Besonders vorteilhaft ist, daß diese Vorgänge in einfacher
Weise in Abhängigkeit von der Amphtude einer Steuerwechselspannung gesteuert werden.
Die
Anordnung ist so getroffen, daß die Höhe der Drehzahl von der
Amplitude der Steuerspannung abhängt. Das wird besonders dann von Bedeutung sein,
wenn die Anordnung für Folgeregelungen verwendet werden soll. Zur Bildung unterschiedlicher
Drehzahlen können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. So kann zumindest eine
der Motorwicklungen entsprechend einem veränderbaren Ausschnitt der Spannungszeitfläche
der Speisewechselspannung gespeist werden. Man kann hierzu z. B. Impulse mit steiler
Anstiegsflanke erzeugen, deren Phasenlage von der Höhe der Steuerspannung abhängt.
Diese Impulse öffnen plötzlich die entsprechenden Halbleiter, die dann
- dem Verhalten von gittergesteuerten Gasentladungsröhren entsprechend
- automatisch bis zum Stromnulldurchgang, unabhängig von der Steuerspannung,
geöffnet bleiben. Zur Erzeugung solcher Impulse kann eine Reihenschaltung aus einer
sättigbaren Drossel mit einem ohmschen Widerstand dienen. Die Drossel geht in jeder
Halbwelle in Ab-
hängigkeit vom aufgebrachten Spannungszeitintegral in die
Sättigung, so daß die Spannung am Widerstand plötzlich auf den Momentanwert der
angelegten Spannung springt.
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Will man erreichen, daß die Spannungszeitfläche der Impulse unabhängig
von der Höhe der angelegten Spannung jeweils gleich groß ist, so kann man parallel
zu dem genannten Widerstand nochmals einen aus einem Widerstand und einer sättigbaren
Drossel bestehenden Spannungsteiler schalten. Die Spannung an dieser zweiten sättigbaren
Drossel bricht in dem Augenblick zusammen, da diese ihre Sättigung erreicht.
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Der eine Spannungsteiler aus sättigbarer Drossel und ohmschem Widerstand
ist allgemein überall da von Bedeutung, wo es sich darum handelt, Impulse mit steiler
Anstiegsflanke zu erzeugen, deren Phasenlage von der Höhe einer Eingangswechselspannung
abhängig ist, und die Kombination mit einem zweiten derartigen Spannungsteiler dann,
wenn die Spannungszeitfläche dieser Impulse unabhängig von der Höhe der Eingangswechselspannung
gleich groß sein soll.
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Würde man mit Hilfe der beschriebenen Anschnittssteuerung einen Betrieb
mit sehr niedrigen Drehzahlen herbeiführen, dann ergäbe sich ein sehr ungleichmäßiges
und instabües Drehmoment. Dieser Nachteil kann dadurch vermieden werden, daß beim
Betrieb mit niedrigen Drehzahlen einer oder mehreren Motorwicklungen z. B. durch
unsymmetrische Aussteuerung eine Gleichstromkomponente zugeführt wird, so daß eine
Mischung aus Dreh- und Bremsmoment entsteht.
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Der Erfindungsgegenstand hat außerdem den Vorteil, daß der Motor an
eine Wechselspannung mit sinusförmigem Verlauf angeschlossen ist, deren Phasenlage
und Amplitude praktisch konstant sind. Dadurch entsteht ein reines Drehfeld, so
daß sich beim Anlauf ein maximales Drehmoment erzielen läßt.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. In
schematischer Darstellung zeigen die Figuren Ausführungsbeispiele, die die wesentlichen
Merkmale der Erfindung enthalten.
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In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Schaltschema dargestellt. Der
Asynchromnotor 1 ist mit zwei Wicklungen A und B versehen, von denen
die Wicklung A
eine Mittelanzapfung 2 trägt. über vier Transistoren
a, b, c, d sind die Wicklungsenden 3 und 4 der Wicklung
A mit dem Netzleiter R verbunden, während der Netzleiter S unmittelbar
an die Mittelanzapfung 2 der Wicklung A geführt ist. Die um 90'
räumlich
versetzte Wicklung B ist zwischen den Netzleiter und den Mittelpunktleiter
0 angeschlossen, wobei in der Zuleitung zum Netzleiter T zwei Transistoren
e und f liegen.
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Die Ausbildung der Wicklung A mit Mittelanzapfung dient dem
Zwecke, in einfacher Weise einen Vorwärts- und Rückwärtslauf zu erzielen. Die Erfindung
eignet sich natürlich auch für andere Schaltungen, bei denen ein solcher Mittelabgriff
nicht vorhanden ist. Die Wicklungen werden dann mit Hilfe anderer Mittel, z. B.
einer Transistorbrückenschaltung, an das Netz geschaltet. Sinngemäß kann auch ein
Transformator mit Mittelanzapfung zwischengeschaltet sein und bei der nachstehend
beschriebenen Bremsung der Gleichstrom auf eine Wicklung B geschaltet werden. Weiterhin
kann auch ein Drehstrommotor mit drei Wicklungen benutzt werden, wobei eine Motorwicklung
fest mit einem Netzleiter und dem Mittelpunktleiter verbunden ist, während die beiden
anderen Motorwicklungen mit Hilfe einer Transistorbrückenschaltung oder einer anderen
Einrichtung wahlweise an die beiden anderen Netzleiter angeschlossen werden können.
Schließlich kann auch eine Schaltung verwendet werden, bei der
je nach der gewünschten Drehrichtung die eine oder andere Wicklung eines
Drehstrommotors mit dem Drehstromnetz verbunden ist.
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Die Transistoren a, b, c, d, e, f sind
mit ungesteuerten Ventilen 5 bis 10 in Reihe geschaltet und jeweils
zu einer Antiparallelschaltung zusammengefaßt. Bei Verwendung von symmetrischen
Transistoren kann statt einer Antiparallschaltung aus zwei Transistoren und zwei
Ventilen gegebenenfalls eine Schaltung mit je einem einzigen Transistor gewählt
werden.
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Eine Steuerspannung Us wird der Primärwicklung 11 eines Eingangstransformators
zugeleitet. Sie kann beispielsweise einem Drehmelder entnommen werden. Ihr Phasenwinkel
bezüglich der Phase der Versorgungsspannung, die auch die Erregerwicklung des Drehmelders
speist, beträgt 0 bzw. 1801, je nach Auslenkungsrichtung des Drehmelders
aus der Nulllage. Der Nullage »Us gleich NuR« entspricht der Sollwert der Regelgröße
bzw. Stellgröße. Bei Verdrehung des Ankers des Drehmelders in beiden Richtungen
steigt die Amplitude der Steuerspannung Us an und bewirkt ein Anlaufen des Motors
in einer Richtung, die der erwähnten Phasenlage entspricht. Wird Us wieder Null,
dann bremst sich der Motor in bereits erwähnter Weise selbsttätig wieder ab.
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Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wurde bei dem in
Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel keine Möglichkeit vorgesehen, durch
die Größe der Steuerspannung die Drehzahl des Stellmotors zu beeinflussen.
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Die Steuerspannung wird über einen Spannungsteiler mit einem konstanten
Widerstand 12 und spannungsabhängigen Widerständen 13 der Primärwicklung
11 des Eingangstransformators zugeführt. Die spannungsabhängige Widerstandsanordnung
besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei in Antiparallelschaltung
liegenden Selengleichrichtem. Die Begrenzung der Eingangsspannungsamplitude mittels
eines solchen Spannungsteilers auf einen bestimmten Wert ist vorteilhaft, um die
Spannung
der Kondensatoren 16 und 17 unabhängig von
der Größe der Steuerwechselspannung auf einem bestimmten Wert zu halten. Diese Spannung
soll nämlich die Transistoren e und f in geöffnetem Zustand halten, solange
die Steuerwechselspannung einen von Null verschiedenen Wert hat. Die Sekundärwicklungen
des Eingangstransformators beeinflussen sämtliche Transistoren der Schaltung, die
auf verschiedenem Potential liegen (Leiter des Drehstromnetzes). Die Transistoren
a und b werden bei der einen Phasenlage der Steuerspannung jeweils in einer
Halbwelle, die mit der Durchlaßrichtung der Ventile 5 und 6 übereinstimmt,
geöffnet, während die Transistoren c und e in diesen Halbwellen geschlossen bleiben.
Bei umgekehrter Phasenlage der Steuerspannung werden diese Transistoren geöffnet.
Dabei bleiben die Transformatoren a und b in den Durchlaßhalbwellen ihrer
Ventile 5 und 6 geschlossen.
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Die Transistoren e und f werden unabhängig von der Phasenlage der
Steuerspannung über die Gleichrichterbrücken 14 und 15 gesteuert. Wird die
Steuerspannung Null, dann werden die Transistoren b, e, d
augenblicklich
gesperrt. Die Transistoren e und f
werden kurz danach gesperrt. Der zeitliche
Abstand der beiden Sperrungen ist durch die Zeitkonstante der durch die Kondensatoren
16 und 17 mit den zugehörigenVorwiderständen 18 und
19 gebildeten RC-Glieder bestimmt. Sie beträgt einige Millisekunden. Der
Transistor a wird im Gegensatz zu den anderen Transistoren nach Wegfall der Steuerspannung
Us noch so lange offengehalten, bis die Spannung am Kondensator 20 verschwunden
ist. Dieser Kondensator wird aus einer Hilfswicklung 21 des Transformators über
eine Gleichrichterbrücke 22 gespeist und bildet mit demVorwiderstand 23 im
Basiskreis des Transistors a ein RC-Glied, dessen Zeitkonstante ungefähr gleich
der Abbremszeit des Stellmotors ist. Die Spannung des Kondensators 20 wird durch
einen Hilfstransistor g
in dem Augenblick auf den Transistor a geschaltet,
in dem die sperrende Spannung des Kondensators 24 wegfällt. Der Kondensator 24 wird
aus der Hilfswicklung 25 über die Gleichrichterbrücke 26 gespeist
und bildet mit den zugehörigen Widerständen ein RC-Glied sehr kleiner Zeitkonstante,
so daß der Transistor g
praktisch sofort nach Wegfallen der Steuerspannung
Us geöffnet wird. Kommt die Steuerspannung wieder, so wird der Transistor
g fast im selben Augenblick wieder gesperrt, so daß es nicht vorkommen kann,
daß der Transistor a bei der falschen Halbwelle geöffnet bleibt. Dieselbe Einrichtung,
wie sie für den Transistor a vorhanden ist, kann auch für den Transistor
d vorgesehen werden. Die Anordnung arbeitet dann nach der Art eines Zweiwegegleichrichters.
Der erhöhte Gleichstrommittelwert verkürzt die Bremszeit.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung arbeitet in der Weise,
daß der Motorstrom in dem Augenblick unterbrochen wird, in dem die Steuerspannung
Us Null ist. Die Nulldurchgänge der Speisespannung sind, wie bereits erwähnt, mit
denen der Steuerspannung synchron.
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Da die Speisekreise Induktivitäten enthalten, sind die Nulldurchgänge
des Stromes gegen die Spannung verschoben. Das bedeutet, daß der Transistor einen
von Null verschiedenen Strom schalten muß. Zudem ergeben sich beim Abbau
des Erregerfeldes Ausgleichsspannungen, die eine erhöhte Sperrbeanspruchung und
damit eine zusätzliche Verlustwärme für den Transistor bedeuten. Es ist daher von
Vorteil, dafür zu sorgen, daß solche Sperrspannungen und Verluste begrenzt werden.
Das kann z. B. durch Kondensatoren oder spannungsabhängige Widerstände erreicht
werden.
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Um eine bestimmte Motorleistung mit möglichst kleinen Transistoren
schalten zu können, ist es jedoch besonders zweckmäßig, die Steuerung der Transistoren
so zu ergänzen, daß die Sperrung derTransistoren immer im Nulldurchgang des Motorstromes
erzwungen wird. Dazu kann man dem Transistor das Verhalten einer gittergesteuerten
Gasentladungsröhre geben, indem durch eine Rückkopplung vom Arbeitsstrom der Transistor
unabhängig von der Steuerspannung so lange offengehalten wird, wie noch Arbeitsstrom
fließt.
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Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Schaltung zeigt Fig. 2. Es handelt
sich um einen Ausschnitt aus der Fig. 1. In übereinstimmung mit Fig.
1 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Um die übersicht
zu erleichtern, sind die einzelnen Verbindungsleitungen in ihrer Lage zueinander
in gleicher Weise angeordnet. In den Arbeitsstrom, d. h. in die zum Endpunkt
3 führende Leitung, ist nach Fig. 2 ein Widerstand 27, vorzugsweise
ein spannungsabhängiger Widerstand, geschaltet. Die an diesem Widerstand abfallende
Spannung wird nach der Primärwicklung 28 eines Transformators 29 zugeführt.
Seine Sekundärwicklungen 30 und 31 sind so an die Steuerelektroden
der Transistoren a und b angeschlossen, daß eine positive Rückkopplung entsteht.
Dadurch bleibt der Transistor so lange geöffnet, wie noch Strom fließt. Durch Vorschalten
zusätzlicher Widerstände 32
und 33 kann verhindert werden, daß die
Steuerspannung durch den Rückkopplungstransformator und, umgekehrt, dessen Spannung
durch den Steuertransformator kurzgeschlossen wird.
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Wenn die Transistoren nach Art von Stromtoren steuerbar sind, kann
auch eine Steuerung der dem Motor zugeführten Spannung vorgenommen werden. Der Motorstrom
wird dann erst nach einem gewissen Aussteuerungswinkel freigegeben, der z. B. von
der Höhe der Steuerspannung Us abhängig sein kann. Bei großen Steuerspannungen ist
der Steuerwinkel klein und die Motorspannung groß. Kleinen Steuerspannungen entsprechen
ein großer Steuerwinkel und eine kleine Motorspannung. Dadurch wird die Drehzahl
in weiten Grenzen steuerbar.
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Eine einfache Schaltung, mit der eine solche Winkelsteuerung erreichbar
ist, ist in Fig. 3 gezeigt. Fig. 4 gibt eine graphische Darstellung der Spannungsverläufe.
Die Steuerspannung Us oder die durch einen nichtlinearen Spannungsteiler angeflachte
Steuerspannung wird als Eingangsspannung Uf einem Spannungsteiler zugeführt, der
durch die sättigbare Drossel 34 und einen ohmschen Widerstand 35 gebildet
wird.
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n diesen Spannungsteiler ist eine zweite Spannungsteileranordnung
mit einem ohmschen Widerstand 36
und einer sättigbaren Drossel 37 angeschlossen.
Am Ausgang dieser Anordnung wird die Ausgangsspannung UA abgenommen und erst dann
der Primärwicklung 11 des Eingangstransformators (Fig. 1) zugeführt.
Wie Fig. 4 zeigt, wird die Ausgangsspannung UA durch Stromstöße gebildet, die
je nach der Höhe der Eingangssspannung UE mehr oder weniger in der Phase
gegen die Steuerspannung, d. h. aber auch gegen die Speisespannung verschoben
sind.