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Anordnung zur selbsttätigen Drehzahlsteuerung eines Reihenschlußmotors
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur selbsttätigen Drehzahlsteuerung
eines Reihensülußmotors, der über einen steuerbaren Siliziumgleichrichter aus einer
Wechselspannungsquelle gespeist wird, welche auch eine Widerstandsreihenschaltung
speist, die mit der Steuerelektrode des Siliziumgleichrichters über eine Diode verbunden
ist.
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Bei einer derartigen bekannten Anordnung (USA.-Patentschrift Re.
25 203) ist die Feldwicklung des Motors so angeordnet, daß sie nur dann Strom
fährt, wann sich der Siliziumgleichrichter in seinem leitenden Zustand befindet.
Während der negativen Halbptrioden der Netzspannung, wenn der Siliziumgleichrichter
gesperrt ist, fällt der Feldstrom auf Null. Das magnetische Feld geht jedoch
nicht auf Null zurück, sondern vermindert sich in Abhängigkeit von der Hysteresis
des Materials des magnetischen Kreises auf einen kleinen konstanten Remanenzwert.
Der in diesem kleinen Restfeld rotierende Anker erzeugt eine Gegen-EMK, die
diesem konstanten Restfeld und der Drehzahl proportional ist. Diese drehzahlabhängige
Gegen-EMK wird mit einer von Hand einstellbaren Bezugsspannung verglichen, um das
Zünden des Siliziumgleichrichters während der positiVen Perioden der Netzspannung
zu steuern. Der Siliziumgleichrichter steuert so die dem Motoranker zügeführte Spannung
derart, daß die Gegen-EMK im wesentlichen gleich der Bezugsspannung ist, und dadurch
wird eine selbsttätige Drehzahlsteuerung erzielt.
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Insbesondere bei Reihenschlußmotoren höherer Leistung und mit wenigen
Ankerwicklungswindungen hat sich herausgestellt, daß die Gegen-EMK bei kleinen Drehzahlen
infolge der Remanenz allein nicht ausreicht, um ein nutzbares Rückführungssignal
zu schaffen, und daraus ergibt sich in der Steuerung der Drehzahl eine Instabilität.
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'1 Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung
zur selbsttätigen Drehzahlsteuerung für einen Reihenschlußmotor zu schaffen, bei
der aus der Ankerwicklung ein Rückführungssignal größerer Höhe abzuleiten ist als
diejenige, welche allein in Abhäfigigkeit von der Remanenz erhalten werden könnte.
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Gemäß der Erfindung ist-bei einer Anordnung der einleitend genannten
Art die Feldwicklung des Motors in Reihe mit zwei parallelen Stromzweigen an die
Wechselspannungsquelle angeschlossen, von denen einer durch den Motoranker und den
steuerbaren Siliziumgleichrichter und der andere durch die Widerstandsreihenschaltung
gebildet ist.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Stromzweig mit der
Widerstandsreihenschaltung eine Diode enthalten.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein weiterer
Widerstand vorgesehen sein, der einerseits zwischen der Diode und der Widerstandsreihenschaltung
und andererseits zwischen dem Motoranker und dem steueibaren Siliziumgleichrichter
angeschlossen ist.
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Durch die Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, daß die
Größe des # #Rückführungssignals erhöht wird, so daß die selbsttätige Drehzahlsteuerung
unabhängig vom Ankersiröm wird.
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Die Erfindung wird näChstAend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
In der Zeichnung zeigt F i g. 1 ein Schaltschema einer Ausführungsforin der
Erfindung; F i g. 2 ist ein Schaltschema einer abgeänderten Ausführungsform
der Erfindung-, Fig. 3 ist ein Schaltschema einer weiteren abgewandelten
Ausführungsforinder Erfindung; F i g. 4 zeigt Kennlinien mit unterschiedlich
starker Drehzahlabhängigkeit der Gegäri#EMK; F i g. 5 zeigt den Verlauf einiger
Spannungen der in F i g. 1 dargestellten Anordnung.
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In F i g. 1 ist eine Anordnung schematisch dargestellt, die
einen Reihenschlußmotor mit einer Ankerwicklung 10 und einer Feldwicklung
11, einen steuerbaren Siliziumgleichriähter 12 mit einer Anode
13, einer Kathode 14 und dindr Steuerelektrode 15
aufweist,
ferner einen festen Widerstand 16, ein Potentiometer 17 mit einem
Gleitkontakt 18, eine Diode 19 und einen Kondensator 20. Die beiden
Leitungen 21 und 22 können an eine übliche Wechselspannungsquelle angeschlossen
werden.
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Die Anordnung in F i g. 1 zeigt zwei parallele Stromzweige
für den durch die Feldwicklung 11
fließenden Strom. Der erste Stromzweig führt
von der Leitung 21 durch den festen Widerstand 16, das Potentiometer
17 und die Feldwicklung 11 zur Leitung 22. Der zweite Stromzweig führt
von der Leitung 21 durch die Anode 13 und die Kathode 14 des Siliziumgleichrichters
12, die Ankerwicklung 10 und die Feldwicklung 11 zur Leitung 22. Der
erste Stromzweig verursacht eine Wechselstromerregung des Feldes in einer festen
vorbestimmten Größe. Der zweite Stromzweig sorgt für eine einseitig gerichtete Erregung
des Feldes in Abhängigkeit vom Zünden des Siliziumgleichrichters 12. Während der
Sperrzeit des Siliziumgleichrichters 12, welche während jeder Halbperiode auftritt,
wenn die Anode 13 mit Bezug auf die Kathode 14 negativ ist, fällt das magnetische
Feld infolge der Unterbrechung des Stromes im zweiten Stromzweig auf einen kleinen
positiven Remanenzwert ab. Bei Reihenschlußmotoren, die wenige Ankerwicklungswindungen
haben, ist - wie bereits erläutert wurde - die im Anker infolge der
Remanenz bei niedrigen Drehzahlen erzeugte Gegen-EMK nicht groß, um eine eindeutige
Steuerung des Siliziumgleichrichters 12 vorzunehmen, und die sich ergebende Drehzahl
wird dann unregelmäßig. Dieser nachteilige Zustand wird gemäß der Erfindung dadurch
vermieden, daß für den Strom durch die Feldwicklung 11 ein paralleler Stromzweig
geschaffen ist, der von dem Stromzweig durch den steuerbaren Siliziumgleichrichter
1-2 unabhängig ist.
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Der Stromzweig, der den Widerstand 16, das Potentiometer
17 und die Feldwicklung 11 enthält, arbeitet als Spannungsteiler,
um zwischen dem Gleitkontakt 18 und der Stelle 26 am unteren Ende
des Potentiometers 17 eine einstellbare Bezugswechselspannung Vc zu schaffen.
Der Anker 10 erzeugt eine drehzahlabhängige Gegen-EMK VFB, die während der
Sperrzeit des Siliziumgleichrichters 12 als kleine Gleichspannung in Serie zu der
Bezugswechselspannung Vc zwischen der Steuerelektrode 15 und der Kathode
14 wirksam ist. Die drehzahlabhängige Gegen-ENIK VFB ist, wie dargestellt, gegen
die Kathode 14 positiv und gegen die Steuerelektrode 15
negativ. Die Diode
19 ist so gepolt, daß sie nur einen zur Steuerelektrode 15 fließenden
Strom durchläßt. Daher zündet der Siliziumgleichrichter 12 während der positiven
Anodenspannungshalbperiode, wenn Vc - V"B = VGT ist, wobei VOT die
Spannung ist, welche das Fließen eines positiven Zündstroms verursacht.
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Die Spannung VpB ist das drehzahlabhängige Rückführungssignal, welches
bestimmt, daß und wann der Siliziumgleichrichter 12 bei jeder positiven Halbperiode
der Netzspannung in den leitenden Zustand geschaltet wird. Für eine gute selbsttätige
Drehzahlsteuerung sollte sich die Spannung VFB bei einer Drehzahländerung genügend
stark ändern. Ein Motor, der eine sich entsprechend stark ändernde Spannung VFB
erzeugt, hat beispielsweise die drehzahlabhängige VFB-Kennlinie A in F i
g. 4, und ein Motor mit nur kleiner Änderung der Spannung VIB hat eine Charakteristik
in Abhängigkeit von der Drehzahl n ähnlich der Kennlinie B. Es ist ersichtlich,
daß für eine Drehzahländerung von ni zu n2 die Änderung A A der Spannung
VIB bei der Kennlinie A ein Mehrfaches der Änderung A B
der Spannung VFB bei der Kennlinie B beträgt. Da die Spannung VpR auch Spannungsspitzen
der Kommutatorspannung enthält, kann die Signaländerung nach der Kennlinie B unter
Umständen nicht ausreichen, um sich von Spannungsspitzen der Kommutatorspannung
genügend zu unterscheiden. Deshalb wird dann die Steuerung unregelmäßig. Es ist
daher wichtig, bei Motoren, welche nur eine kleine Spannung VpB (Kennlinie B) erzeugen,
Maßnahmen vorzusehen, die die drehzahlabhängige Änderung der Spannung V"B etwa gemäß
Kennlinie A in F i g. 4 vergrößern. Dies erfolgt in der Anordnung
nach F i g. 1 dadurch, daß die Feldwicklung 11 in Reihe zu zwei parallelen
Stromzweigen angeordnet ist, so daß der Strom, welcher durch die Spannungsteilerwiderstände
16
und 17 fließt, auch durch die Feldwicklung 11 hindurchgeht.
Der induktive Widerstand der Feldwicklung 11 bei Netzfrequenz ist gegenüber
dem ohmscheu Wert der Widerstände 16 und 17 so klein, daß der Strom
in der Feldwicklung 11, obgleich er etwas nacheilt, zu der an die Leitungen
21, 22 angelegten Spannung im wesentlichen in Phase liegt. Daher wird während des
Hauptteiles der positiven Halbperiode der Netispannung das magnetische Feld über
seinen normalen Restwert hinaus durch den sinusförmigen Strom erhöht, welcher der
Feldwicklung 11 durch den Widerstand 16 und den Spannungsteiler
17 zugeführt wird. Der Kondensator 20, der zwischen der Steuerelektrode
15 und der Kathode 14 liegt, schafft für die Spannungsspitzen der Kommutatorspannung
einen Weg niedriger Impedanz, um so ein vorzeitiges Zünden des Siliziumgleichrichters
12 infolge dieser Spannungsspitzen zu verhindern.
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F i g. 5 zeigt diese Wirkung mit Bezug auf die Anordnung in
F i g. 1. VAC ist die an die Leitungen 21 und 22 angelegte Netzwechselspannung
in Abhängigkeit von der Zeit t, Vc die Bezugsspannung und VFB die Gegen-EMK
des Ankers. Es ist ersichtlich, daß die Spannung VJIB gegenüber der Gleichspannung
V" die allein durch den remanenten Restfluß induziert würde, durch das Hinzufügen
einer Wechselspannung V, erhöht worden ist, welche durch das Wechselfeld induziert
wird, das von dem durch den Widerstand 16, den Spannungsteiler
17 und die Feldwicklung 11 fließenden Wechselstrom verursacht wird.
Beim Zeitpunkt T, ist V, - VFg gleich der Zündspannung VOT, und der
Siliziumgleichrichter 12 wird dabei in den leitenden Zustand geschaltet. Vor dem
Zeitpunkt T" sind die Spannungen in voll ausgezogenen Linien dargestellt. Nach dem
Zeitpunkt T, sind diese Spannungen in derjenigen Form gestrichelt dargestellt, die
sie haben würden, falls der Siliziumgleichrichter 12 am Zeitpunkt T, nichtleitend
bliebe.
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Die Feldwicklung 11 könnte natürlich auch in der Leitung 21
angeordnet werden, um das gleiche Ergebnis zu gewährleisten; das wichtige Kriterium
ist, daß die Feldwicklung 11 unabhängig vom Stromzweig durch den steuerbaren
Siliziumgleichrichter 12 einen bestimmten Strom erhält, so daß das magnetische Feld
während des ersten Teils der positiven Halbperioden der Netzspannung, wenn der steuerbare
Siliziumgleichrichter 12 nichtleitend ist, über seine Remanenz hinaus um einen vorbestimmten
Wert erhöht wird.
Die Ausführungsform nach F i g. 2 ist im
wesentlichen die gleiche wie die der F i g. 1 mit der Ausnahme, daß in Serie
zu den Widerständen 16 und 17
eine Diode 23 verwendet wird,
die so polarisiert ist, daß sie bei positivem Potential der Leitung 21 leitend ist.
Dies hat mehrere Vorteile. Erstens liefert sie in die Widerstände 16 und
17 Strom nur während der positiven Halbperioden der Netzspannung, wenn er
benötigt wird, um eine Bezugsspannung V, aufzubauen, und die Widerstände
16 und 17 können demgemäß 11 wegen der geringen Belastung kleiner
bemessen werden. Zweitens ermöglicht sie die Ver-Wendung eines polarisierten Kondensators
am Potendometer 17, um so den Gleichspannungsanteil der Spannung V, zu verbessern
und aufrechtzuerhalten, und drittens verhindert sie einen Strom in umgekehrter Richtung
durch die Feldwicklung 11, wodurch jede Neigung vermieden wird, die Remanenz
zu beseitigen.
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, Die Ausführungsform nach F i g. 3 ist zweckmäßig,
wenn dem Stromzweig durch den Spannungsteiler ein zum Erhöhen der drehzahlabhängigen
Gegen-EMK VFB auf den erforderlichen Wert unzureichend kleiner Strom zugeführt wird.
In diesem Fall wird für den Strom durch die Feldwicklung 11 während der positiven
Halbperioden der Netzspannung durch die Diode 23, einen Widerstand
25, die Ankerwicklung 10 und die Feldwicklung 11 ein weiterer
Strompf ad mit fester Impedanz gebildet. Der Widerstand der Ankerwicklung
10 ist im Vergleich zu dem Widerstand des Spannungsteilers 16, 17
gewöhnlich sehr klein, so daß der Widerstand 25 so gewählt werden kann, daß
der Feldwicklung 11 ein Strom vollständig unabhängig von dem Stromzweig durch
den Spannungsteiler zugeführt wird. Da der Siliziumgleichrtphter 12, sobald er leitend
wird, den Widerstand 25 wirksam kurzschließt, wird dieser insgesamt nur kurzzeitig
belastet, so daß er ebenfalls klein bemessen werden kann. Gemäß der Erfindung ist
demnach eine Anordnung geschaffen, welche durch die Reihenschluß-Feldwicklung unabhängig
von dem Ankerstrom einen vorbestimmten gesteuerten Strom in einer Richtung fließen
läßt, um die Gegen-EMK gegenüber der allein auf Grund der Remanenz sich ergebenden
Höhe zu vergrößern, so daß eine stabile Drehzahlsteuerung erhalten wird.