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Anordnung zur Steuerung eines elektromotorischen Stellantriebes od.
dgl. Bei elektrischen Steuer- oder Regelanordnungen wird vielfach die Aufgabe gestellt,
daß ein Stellantrieb in Abhängigkeit von einer Eingangsgröße in drei verschiedenen
Betriebsarten arbeiten muß. Innerhalb eines Unempfindlichkeitsbereichs soll der
Stellantrieb beispielsweise ruhen, während er bei überschreitung dieses Bereiches
z. B. rechts herum, bei Unterschreitung jedoch z. B. links herum umlaufen soll.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung eines elektromotorischen Stehantriebes
od. dgl. mit Hilfe zweier monostabiler Kippstufen für die Betriebsarten »Aus«, »Linkslauf«,
»Rechtslauf« in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage der Steuergröße innerhalb,
oben- oder unterhalb eines Unempfindlichkeitsbereiches.
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Bei einer bekannten Anordnung dieser Art wird die Eingangsstufe durch
einen Gegentaktmagnetverstärker gebildet, der auf zwei Kippstufen auf magnetischer
Basis arbeitet. Vornehmlich der Gegentaktmagnetverstärker, für den eine komplizierte,
vielteilige Schaltung gewählt werden mußte, bedingt jedoch einen beträchtlichen
Aufwand.
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Nach der Erfindung wird darin ein anderer Lösungsweg beschritten,
daß ein magnetischer Modulator in Gegentaktschaltung die Steuergröße in eine Folge
von gerichteten amplitudenmodulierten Nadelimpulsen umformt, die in Abhängigkeit
von ihrem Vorzeichen der einen oder anderen monostabilen Kippstufe zugehen und die
erst oberhalb einer Ansprechgrenze in periodischer Wiederholung die zuständige Kippstufe
jeweils während nahezu der ganzen Periode in die instabile Kipplage versetzen, so
daß, je nachdem, ob keine oder eine von beiden Kippstufen in Betrieb ist, die angeschlossene
Schalteinrichtung die Ausschaltung oder die andauernde Einschaltung im einen oder
anderen Sinn vermittelt.
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Die Erfindung wurde erst ermöglicht, nachdem es gelungen war, einen
magnetischen Modulator mit dem obengenannten Betriebsverhalten zu bauen. Ein derartiger
magnetischer Modulator ist bereits vorgeschlagen worden und wird nachfolgend bei
der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung an Hand von zwei Figuren
zunächst beschrieben.
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Jeder der nach F i g. 1 in Gegentakt geschalteten Bauteile des magnetischen
Modulators besitzt einen rahmenförmigen Kern 1 bzw. 2, eine Erregerwicklung 3 bzw.
4, eine Steuerwicklung 5 bzw. 6, eine Ausgangswicklung 7 bzw. 8 und eine zusätzliche
Wicklung 9 bzw. 10, auf die weiter unten eingegangen wird. Für die
Kerne wird ein Werkstoff mit einem im steilen Gebiet der Magnetisierungskennlinie
liegenden Remanenzpunkt verwendet. Die Erregergröße wird über einen Einweggleichrichter
11 aus einem Wechselstromnetzgerät 40 und beaufschlagt die Erregerwicklung
3 bzw. 4 über den Abgriff eines potentiometenartigen Symmetriewiderstandes 12 derart,
daß eine Teillänge als Vorwiderstand für die eine Erregerwicklung wirksam ist und
die Restlänge als Vorwiderstand für die andere. Wesentlich für die Betriebsart ist,
daß die Kerne vom Remanenzpunkt aus bis weit in die Sättigung aufmagnetisiert werden.
Durch die Steuergröße, die den in Reihe liegenden Steuerwicklungen 5 und 6 zugeführt
wird, wandert der Arbeitspunkt der Kerne in entgegengesetzter Richtung vom Remanenzpunkt
weg. Hierdurch ergibt sich ein resultierender Fluß d 0, welcher an den in Differenzschaltung
angeordneten Ausgangswicklungen 7 und 8 eine Ausgangsgröße hervorruft, wie
sie in F i g. 2 a in einem Diagramm dargestellt ist. In den Steuerstromkreis ist
zur Aussiebung von hochfrequenten Überlagerungen eine Drossel 13 und in die Erregerkreise
ist je ein Widerstand 14 bzw. 15 zur Anpassung eingefügt.
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Für einen negativ gerichteten Steuerstrom von bestimmter Höhe ergibt
sich am Ausgang des magnetischen Modulators die in F i g. 2 a aufgezeichnete Impulsfolge.
Auszunutzen sind die negativ gerichteten Nadelimpulse, während die positiv gerichteten
stumpfen Impulse geringerer Höhe stören. Um diese zu eliminieren, wird an den Ausgang
des magnetischen Modulators eine Unterdrückerschaltung gelegt, die nachfolgend beschrieben
wird.
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Im einen der Ausgangsstrompfade ist eine Gleichrichterbrücke 16 angeordnet
und an zwei gegenüberliegenden Eckpunkten angeschlossen. Sämtliche Gleichrichter
sind in der anderen Diagonale in einer Richtung durchlässig. Diese Diagonale schließt
einen Stromkreis, in welchem außerdem ein Kondensator
17 in Parallelschaltung
zu einem Widerstand 18 und die Sekundärwicklung eines Sättigungstransformators 19
liegen. Der Primärwicklung des Sättigungstransformators 19 ist ein Widerstand 20
vorgeschaltet. Die Phasenlage der Speisespannung dieses Transformators und diejenige
des magnetischen Modulators stimmen überein.
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Gleichzeitig mit einem nach F i g. 2 a negativen nadelförmigen Spannungsimpuls
des magnetischen Modulators ruft die Sekundärspannung des Sättigungstransformators
19 in der Unterdrückerschaltung einen Strom in Durchlaßrichtung der Gleichrichtet
der Brücke 16 hervor. Zweckmäßigerweise beträgt die Sekundärspannung hierbei ein
Mehrfaches der Höhe der Nadelimpulsspannung. Hierdurch sind auch die Gleichrichter
geöffnet. die schaltungsmäßig der Stromrichtung im Ausgang entgegengesetzt sind.
Für die um 180° phasenverschobenen Ausgangsimpulse, nach F i g. 2 a also für die
positiv gerichteten, stumpfen Impulse, sperrt die Unterdrückerschaltung den Ausgang,
weil die Gleichrichter der Brücke 16 in Sperrichtung beansprucht sind.
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Es ist auch möglich, bei sonst unverändertem Aufbau der Unterdrückerschaltung
auf den Sättigungstransformator 19 und die ihm primärseitig vorgeschalteten Bauelemente
zu verzichten. Hierbei wird die Tatsache verwertet, daß die auszunutzenden Impulse
größere Höhe haben als die überflüssigen. Ein nach F i g. 2 a negativer Nadelimpuls
lädt den Kondensator 17 auf; dieser entlädt sich anschließend verhältnismäßig langsam
über den Widerstand 18, so daß bei Ankunft eines stumpfen, nach F i g. 2 a positiven
Impulses seine Restspannung diesen zurückhält.
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Unter Verwendung einer Unterdrückerschaltung erscheint am Ausgang
des Modulators eine Impulsfolge, die sich nur noch aus Impulsen einer einzigen,
vom Vorzeichen abhängigen Polarität zusammensetzt. Eine solche Impulsfolge ist in
F i g. 2 b angedeutet. Die Impulshöhe steht dabei ebenfalls in Beziehung zur Steuergröße.
Diese Impulse dienen zur Aussteuerung zweier monostabiler Kippstufen, von denen
bei Erreichen eines bestimmten Ansprechwertes für das eine Vorzeichen die eine und
für das andere Vorzeichen die andere kippt. Zwei Gleichrichter 21 und 22 sorgen
für die vorzeichengerechte Verteilung der Impulse auf die Kippstufen.
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Jede der Kippstufen enthält - wie an sich bekannt - zwei Transistoren
23 und 24 bzw. 25 und 26, mehrere Widerstände und Kondensatoren. Je ein Kondensator
27 bzw. 28, der den Kollektor des Transistors 23 bzw. 25 mit der Basis des Transistors
24 bzw. 26 koppelt, bestimmt im Zusammenwirken mit je einem Widerstand 29 bzw. 30
die Kippdauer der Kippstufen. Die beiden Kippstufen unterscheiden sich lediglich
in der Anschaltung. Positive Impulse, die vom Gleichrichter 21 durchgelassen
werden, gelangen auf die Basis des Transistors 24, während negative Impulse beispielsweise
nach F i g. 2 b über den Gleichrichter 22 die Basis des Transistors
25 beeinflussen. Jeder der beiden Kippstufen ist ein zweistufiger Transistorverstärker
mit den Transistoren 31 und 32 bzw. 33 und 34 nachgeschaltet, und im Emitter-Kollektor-Kreis
des Transistors 32 bzw. 34
ist ein Relais 35 bzw. 36 angeordnet und
ein als Ruhekontakt dienender Hilfskontakt 37 bzw. 38 des anderen Relais. Die Versorgung
der Schaltungsteile mit der Betriebsspannung wird von einem Netzgerät übernommen,
das mit 40 bezeichnet ist. Der magnetische Modulator und die Unterdrückerschaltung
erhalten eine Wechselspannung, die Kippstufen dagegen eine Gleichspannung.
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In der stabilen Lage der Kippstufen ist der Transistor 24 bzw. 26
leitend. Trifft nun beispielsweise ein positiver Impuls an der Basis des Transistors
24 ein, so wird das Potential bei ausreichender Impulshöhe so weit verschoben,
daß er sperrt. Sein Kollektorpotential steigt dabei in Richtung auf höhere negative
Werte an und mit ihm über den Rückkopplungszweig das Basispotential des anderen
Transistors 23, welcher dadurch leitend wird. Der Kondensator 27
lädt sich
darauf nach und nach auf und läßt erst bei einem bestimmten Spannungswert ein Rückkippen
in die stabile Lage zu. Negative Impulse beispielsweise nach F i g. 2 b bewirken
jedoch das Kippen der anderen Kippstufe, indem die Basis des Transistors 25 negativ
vorgespannt wird. Der Kondensator 28 und der Widerstand 30 - Entsprechendes gilt
für den Kondensator 27 und den Widerstand 29 - sind derart bemessen, daß die Kippdauer
nur wenig kleiner als der Abstand zweier Impulse ist. Solange also die Impulshöhe
der negativen Impulse über einem definierten Ansprechwert liegt, kippt diese Kippstufe
in ständiger Wiederholung, und das Relais 36 bleibt dabei infolge seiner elektrischen
und mechanischen Trägheit fortdauernd betätigt. Erst wenn der Ansprechwert unterschritten
wird, fällt das Relais 36 ab. Im betätigten Zustand des Relais 36 bleibt der Transistor
34 auch während des kurzzeitigen Rückkippens der Kippstufe geöffnet. Dies erklärt
sich daraus, daß der Strom im Emitterzweig des Transistors 34, der infolge der Induktivität
des Relais 36 nicht springen kann, das Emitterpotential dann verändert, wenn der
Transistor zu sperren versucht. Durch diese Potentialverschiebung ergibt sich zwischen
Emitter und Basis des Transistors ein ausreichendes Spannungsgefälle, um ihn kurzzeitig
ausgesteuert zu halten. Dadurch wird eine an sich bekannte Freilaufdiode in Parallelschaltung
zum Relais entbehrlich.
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Durch eine zusätzliche Schaltungsmaßnahme wird erreicht, daß in vorteilhafter
Weise außer einem definierten Ansprechwert auch ein definierter Abfallwert vorliegt.
Eine Trennung von Ansprechwert und Abfallwert wird deshalb angestrebt, um auch für
Steuergrößen, die wertmäßig in der Nähe des Ansprechwertes liegen, einen ausreichenden
Kontaktdruck an den Relais zu erzielen. Dadurch soll demnach vermieden werden, daß
Schwingungen der Eingangsgröße um den Ansprechwert oder ein Absinken der Versorgungsspannung
nach Schalten der Anlage eine Instabilität der Relaisstellungen verursacht. Zu diesem
Zweck ist eine Rückführung vorgesehen, die die Spannung zwischen den Kollektoren
der Transistoren 24 und 26 entnimmt. Die Rückführung wirkt unter Zwischenschaltung
zweier Widerstände 41 und 43 und eines Kondensators 42 auf die eingangs
bereits erwähnten zusätzlichen Wicklungen 9 und 10
des magnetischen
Modulators ein, die gegensinnig in Reihe liegen.
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Ein Impuls bestimmter Höhe soll beispielsweise die eine Kippstufe
gerade zum Kippen bringen. Dadurch entsteht zwischen den Kollektoren der Transistoren
24 und 26 ein Spannungsunterschied, durch welchen der Kondensator 42 aufgeladen
wird. Die Spannung am Kondensator beeinflußt den magnetischen Modulator mittels
der zusätzlichen Wicklungen
9 und 10 im Sinne einer Verstärkung
der Eingangsgröße. Kippt die Kippstufe nach einiger Zeit zurück, so entlädt sich
der Kondensator 42 zwar wieder, seine Spannung ist jedoch erst geringfügig
abgesunken, wenn der Modulator einen weiteren Impuls abgibt. Dieser Impuls ist aber
auch bei nicht weiter angestiegener Eingangsgröße höher als der erste, so daß das
erneute Kippen der Kippstufe gewährleistet ist. Der Unterschied in der Höhe des
anregenden Impulses und der nachfolgenden Impulse bestimmt dabei den Unterschied
zwischen Ansprech-und Abfallwert der Anlage.
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In vielen Fällen reichen die Relais schon allein aus., den Stellantrieb
in der gewünschten Art zu schalten. »Beide Relais abgefallen« kann dabei beispielsweise
bedeuten: »Stellantrieb in Ruhe«; »ein Relais angezogen«: »Stellantrieb in einer
Richtung umlaufend«; »das andere Relais angezogen«: Stellantrieb in der anderen
Richtung umlaufend«. Bei größeren Leistungen betätigen die Relais jedoch Schütze,
die ihrerseits den Stellantrieb schalten.