DE1283335B

DE1283335B - Arrangement for speed control of a single-phase asynchronous motor

Info

Publication number: DE1283335B
Application number: DE1961S0075618
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Heinrich Buschmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-09-06
Filing date: 1961-09-06
Publication date: 1968-11-21

Description

Anordnung zur Drehzahlregelung eines Einphasen-Asynchronmotors Gegenstand des Hauptpatents ist eine Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines Einphasen-Asynchronmotors mit Hilfsphasenwicklung und mit zweiphasiger Läuferwicklung, deren beide Stränge über je eine Gleichrichterbrücke parallel geschaltet sind, in deren gemeinsamer Gleichstromdiagonale ein gesteuerter Transistor liegt.Arrangement for speed control of a single-phase asynchronous motor Subject of the main patent is an arrangement for controlling the speed of a single-phase asynchronous motor with auxiliary phase winding and with two-phase rotor winding, the two strands of which are connected in parallel via a rectifier bridge each, in their common Direct current diagonal is a controlled transistor.

Es ist bekannt, daß der Drehzahl-Drehmomentenverlauf eines Asynchronmotors durch den Widerstand des Läuferstromkreises beeinf(ußbar ist, und zwar so, daß innerhalb eines gewissen Bereiches zu jedem Drehmoment bei der Wahl eines entsprechenden Läuferwiderstandes eine beliebige Drehzahl eingestellt werden kann. Eine Drehzahlregelung läßt sich auch dadurch erreichen, daß Unterbrechereinrichtungen im Läuferstromkreis diesen periodisch unterbrechen, so daß sich eine entsprechende mittlere Drehzahl des Läufers einstellt.It is known that the speed-torque curve of an asynchronous motor can be influenced by the resistance of the rotor circuit, in such a way that within a certain range for each torque when choosing a corresponding rotor resistance any speed can be set. A speed control can be also achieve that interrupter devices in the rotor circuit this interrupt periodically, so that a corresponding mean speed of the rotor adjusts.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen billigen und betriebssicheren drehzahlgeregelten Einphasen-Asynchronmotor unter Verwendung der eingangs genannten Drehzahlsteueranordnung zu schaffen, der in seinem Drehzahlverhalten einem kontaktgesteuerten Kommutatormotor entspricht.The invention is based on the object of an inexpensive and reliable speed-controlled single-phase asynchronous motor using the aforementioned To create speed control arrangement, which is a contact-controlled in its speed behavior Commutator motor corresponds.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Transistor durch einen Resonator gesteuert wird, der zusammen mit einem Wechselstromgenerator auf der Motorwelle sitzt und vom Wechselstromgenerator gespeist wird.This is achieved according to the invention in that the transistor is controlled by a resonator that works together with an alternator sits on the motor shaft and is fed by the alternator.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sich der gesamte Drehzahlregler mit dem Motorläufer mitdreht, so daß außer den beiden Lagern des Motors keine weiteren Verschleißstellen vorhanden sind, insbesondere kein Kommutator, keine Schleifringe, kein Kontaktregler; des weiteren ist keine Funkenlöschung notwendig.This arrangement has the advantage that the entire speed controller rotates with the motor rotor, so that apart from the two motor bearings there are no other Wear points are present, in particular no commutator, no slip rings, no contact regulator; furthermore, no spark extinction is necessary.

:lach einer Weiterbildung der Erfindung besteht der Resonator aus einem Schwingkreis, der von dem als Tonfrequenzgenerator ausgebildeten Wechselstromgenerator induktiv gespeist wird, dessen Ankerwicklung mit dem Läufer des Motors umlaufend angeordnet ist.: According to a further development of the invention, the resonator consists of an oscillating circuit that is generated by the alternating current generator, which is designed as an audio frequency generator is inductively fed, the armature winding of which revolves with the rotor of the motor is arranged.

Nach einer zweiten Weiterbildung der Erfindung besteht der Resonator aus einem ferromagnetischen, mechanischen Schwinger und einem mit diesem zusammenwirkenden, die Steuerspannung für den Transistor liefernden Abtastkopf.According to a second development of the invention, there is the resonator from a ferromagnetic, mechanical oscillator and a cooperating with it, the control voltage for the scanning head supplying the transistor.

Nach einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist der mechanische Schwinger auf dem Läufer so angeordnet, daß der Schwinger unmittelbar vom magnetischen Feld mehrerer dem Läuferumfang gegenüber ruhend angeordneter Magnetpole erregbar ist. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. Dabei zeigt F i g. 1 eine Ausführungsform der Erfindung mit induktiv gekoppeltem Resonanzkreis, F i g. 2 eine solche mit einem mechanischen Resonator, F i g. 3 eine Ausbildung mit unmittelbarer Kopplung des mechanischen Resonators mit einem Tonfrequenzgenerator, F i g. 4 eine Spannungskurve des Resonanzkreises in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors.According to a further development of the invention, the mechanical The oscillator is arranged on the rotor in such a way that the oscillator is directly from the magnetic Field of several magnet poles arranged at rest opposite the rotor circumference can be excited is. Further details of the invention emerge from what is described below and the embodiment shown in the drawing. F i g. 1 one Embodiment of the invention with an inductively coupled resonance circuit, FIG. 2 one those with a mechanical resonator, FIG. 3 training with immediate Coupling of the mechanical resonator with an audio frequency generator, F i g. 4 one Voltage curve of the resonance circuit as a function of the engine speed.

Die Regelanordnung der F i g. 1 enthält einen Tonfrequenzgenerator G, einen Schwingkreis S, einen Verstärker V, einen Transistor T l, der als Widerstand oder Schaltelement benutzt ist, zwei Gleichrichterbrücken Gb 1 und Gb 2, einen Läufer L mit zwei Wicklungen Lwl und Lw2 und einen Ständer St mit zwei Ständerwicklungen Stwl und Stw2, die vom Netz aus gespeist werden. Die beiden Ständerwicklungen Stwl und Stw2 sind durch einen Kondensator K1 miteinander verbunden und werden also nacheinander um etwa 90° phasenverschoben erregt. Sie induzieren in den beiden Läuferwicklungen Lw1 und Lw2 jeweils um 90° phasenverschoben einen Strom, der durch die beiden Gleichrichterbrücken Gb 1 und Gb 2 gleichgerichtet und dem Transistor T 1 zugeführt wird. Dieser Transistor T 1 ist über die Basis-Emitter-Strecke steuerbar; die Steuerspannung entsteht auf die nun zu beschreibende Art. Der Tonfrequenzgenerator G sitzt auf der Welle des Asynchronmotors und liefert eine Spannung mit einer der Istdrehzahl des Läufers entsprechenden Frequenz und speist über die Spule Sp 1 eines Übertragers einen Schwingkreis S, bestehend aus der Spule Sp 2 des übertragers und einem Kondensator K2. Die im Schwingkreis S entstehenden Spannungen bzw. Ströme werden in einem Gleichrichter GR 1 gleichgerichtet, durch einen Kondensator K3 geglättet und einer Verstärkerstufe V zugeführt. Diese Verstärkerstufe V besteht aus einem Transistor T2, einem ohmschen Widerstand W 1 und einer Stromquelle Q, die z. B. aus einer zusätzlichen Wicklung des Läufers L oder des Tonfrequenzgenerators G bestehen kann.The rule arrangement of FIG. 1 contains an audio frequency generator G, an oscillating circuit S, an amplifier V, a transistor T l, which is used as a resistor or switching element, two rectifier bridges Gb 1 and Gb 2, a rotor L with two windings Lwl and Lw2 and a stator St with two Stator windings Stwl and Stw2, which are fed from the network. The two stator windings Stwl and Stw2 are connected to one another by a capacitor K1 and are therefore excited one after the other with a phase shift of approximately 90 °. They induce a current in the two rotor windings Lw1 and Lw2, each phase shifted by 90 °, which is rectified by the two rectifier bridges Gb 1 and Gb 2 and fed to the transistor T 1. This transistor T 1 can be controlled via the base-emitter path; the control voltage arises in the manner to be described now. The audio frequency generator G sits on the shaft of the asynchronous motor and supplies a voltage with a frequency corresponding to the actual speed of the rotor and feeds an oscillating circuit S, consisting of the coil Sp 2, via the coil Sp 1 of a transformer the transformer and a capacitor K2. The voltages or currents arising in the resonant circuit S are rectified in a rectifier GR 1, smoothed by a capacitor K3 and fed to an amplifier stage V. This amplifier stage V consists of a transistor T2, an ohmic resistor W 1 and a current source Q, the z. B. may consist of an additional winding of the rotor L or the audio frequency generator G.

Vor Erreichen der Solldrehzahl des Asynchronmotors ist der Transistor T2 gesperrt, während der Transistor T1 stromdurchlässig ist, so daß also in den Läuferwicklungen Lw 1 und Lw 2 ein Strom fließt, der für die Drehung des Läufers L ein Drehmoment liefert. Beim Erreichen der Solldrehzahl entspricht die Frequenz der Spannung des Tonfrequenzgenerators G der Frequenz des Schwingkreises S bei beginnender Resonanz (Regelbereich Rb in F i g. 4); der Schwingkreis S liefert dann eine höhere Spannung an die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T2. Dieser wird dadurch leitend, so daß kein größerer Spannungsabfall zwischen den Punkten P 1 und P 2 der Verstärkerstufe V mehr vorhanden ist und der Transistor T 1 sperrt; der Läuferstrom wird dadurch unterbrochen. Beim Absinken der Drehzahl des Läufers L fällt die Spannung am Schwingkreis S, so daß der Transistor T2 keine ausreichende Vorspannung erhält. Er sperrt, so daß zwischen den Punkten P 1 und P 2 der Verstärkerstufe V erneut ein Spannungsabfall auftritt und der Transistor T1 eine genügend große Vorspannung erhält. Er wird wiederum leitend; mit dem Läuferstrom tritt dann erneut ein Drehmoment an der Welle des Motors auf. Dieses Spiel wiederholt sich dauernd zwischen den Spannungsgrenzen SpG 1 und SpG 2 der F i g. 4.Before reaching the target speed of the asynchronous motor, the transistor T2 is blocked, while the transistor T1 is current-permeable, so that a current flows in the rotor windings Lw 1 and Lw 2, which supplies a torque for the rotation of the rotor L. When the target speed is reached, the frequency of the voltage of the audio frequency generator G corresponds to the frequency of the oscillating circuit S when resonance begins (control range Rb in FIG. 4); the resonant circuit S then supplies a higher voltage to the base-emitter path of the transistor T2. This becomes conductive, so that there is no longer a large voltage drop between the points P 1 and P 2 of the amplifier stage V and the transistor T 1 blocks; this interrupts the rotor current. When the speed of the rotor L drops, the voltage at the resonant circuit S falls, so that the transistor T2 does not receive a sufficient bias. It blocks, so that a voltage drop occurs again between the points P 1 and P 2 of the amplifier stage V and the transistor T1 receives a sufficiently large bias voltage. He again becomes leading; with the rotor current a torque occurs again on the shaft of the motor. This game repeats itself continuously between the voltage limits SpG 1 and SpG 2 in FIG. 4th

Wenn die durch den Tonfrequenzgenerator G drehzahlabhängig gelieferten Spannungen eine gleichmäßige Amplitude haben und der Schwingkreis S eine größere Dämpfung hat bzw. die Verstärkung in der Verstärkerstufe V nicht groß ist, dann arbeitet der Transistor T1 als veränderbarer Widerstand, und zwar auf folgende Weise: Wenn der Transistor T2 infolge höherer Spannung an seiner Basis-Emitter-Strecke teilweise leitend wird, erhöht sich der Widerstand des Transistors T 1 infolge geringeren Spannungsabfalles zwischen den Punkten P 1 und P 2. Der Läuferstrom wird dadurch geringer und dadurch auch das Drehmoment an der Welle. Die Drehzahl fällt ab, womit letztlich wieder die Spannung an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T 2 geringer wird, dieser wieder einen höheren Widerstand darstellt, so daß sich die Spannung an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T1 erhöht und dieser wieder besser leitend wird.If the speed-dependent delivered by the audio frequency generator G Tensions have a uniform amplitude and the resonant circuit S a larger one Has attenuation or the gain in the amplifier stage V is not great, then the transistor T1 works as a variable resistor in the following way: When the transistor T2 due to a higher voltage at its base-emitter path becomes partially conductive, the resistance of the transistor T 1 increases as a result of lower Voltage drop between points P 1 and P 2. The rotor current is thereby lower and therefore also the torque on the shaft. The speed drops, with what ultimately again the voltage at the base-emitter path of the transistor T 2 is lower is, this again represents a higher resistance, so that the voltage at the base-emitter path of the transistor T1 increased and this again better becomes conductive.

Bei sehr kleinen Asynchronmotoren kann man die Verstärkerstufe V sparen und den Schwingkreis S bei umgepoltem Gleichrichter GR 1 direkt mit der Basis des Transistors T1 verbinden. Der Transistor kann dabei seine Vorspannung über einen Widerstand erhalten, der zwischen den Punkten P 1 und P 3 der Schaltung nach F i g. 1 liegt. Bei größeren Motoren läßt sich ein Verstärker mit mehreren Verstärkerstufen V entsprechend der F i g. 1 verwirklichen, wobei der Gleichrichter GR 1 entsprechend zu polen ist.The amplifier stage V can be saved with very small asynchronous motors and the resonant circuit S when the polarity of the rectifier GR 1 is reversed, directly to the base of the Connect transistor T1. The transistor can be biased by a Resistance obtained between points P 1 and P 3 of the circuit according to F i G. 1 lies. For larger motors, an amplifier with several amplifier stages can be used V according to FIG. 1 realize, the rectifier GR 1 accordingly is to polish.

Die Schaltungsanordnung der F i g. 2 entspricht der linken Seite der Schaltungsanordnung nach F i g. 1. Statt der induktiven Kopplungsglieder Sp 1 und Sp 2 und statt des Schwingkreises S ist aber ein ferromagnetischer mechanischer Schwinger Sch und ein Abtastkopf A, bestehend aus einem Permanentmagnet M 1 und einer Spule Sp 3, vorgesehen. Der Tonfrequenzgenerator G, der Gleichrichter GR 1 und der Glättkondensator K3 entsprechen denen in der Fig. 1.The circuit arrangement of FIG. 2 corresponds to the left side of the circuit arrangement according to FIG. 1. Instead of the inductive coupling members Sp 1 and Sp 2 and instead of the resonant circuit S , however, a ferromagnetic mechanical oscillator Sch and a scanning head A, consisting of a permanent magnet M 1 and a coil Sp 3, are provided. The audio frequency generator G, the rectifier GR 1 and the smoothing capacitor K3 correspond to those in FIG. 1.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende: Der Tonfrequenzgenerator G liefert entsprechend der Istdrehzahl des Asynchronmotors einen Erregerstrom in die Spule Sp 1. Das dort entstehende Feld beeinflußt den mechanischen Schwinger Sch, der im Fall einer übereinstimmung seiner Eigenfrequenz mit der Frequenz der Anregung in Schwingungen gerät und dadurch das Feld am Abtastkopf A beeinflußt. Die in der Spule Sp 3 entstehende Spannung wird durch den Gleichrichter GR 1 gleichgerichtet, durch den Glättkondensator K3 geglättet und einer Schaltungsanordnung zugeführt, die der Schaltungsanordnung des rechten Teiles der F i g.1 entspricht.The mode of operation of this arrangement is as follows: The audio frequency generator G supplies an excitation current to the coil Sp 1 according to the actual speed of the asynchronous motor thereby influencing the field at the scanning head A. The voltage arising in the coil Sp 3 is rectified by the rectifier GR 1, smoothed by the smoothing capacitor K3 and fed to a circuit arrangement which corresponds to the circuit arrangement of the right-hand part of FIG. 1.

Die F i g. 3 zeigt einen vereinfachten Aufbau des linken Teiles der Anordnung in F i g. 2. Der Tonfrequenzgenerator G liefert hierbei keine Spannung nach außen, sondern erregt mit seinen Polen N, S unmittelbar den mechanischen Schwinger Sch, dessen freies Ende aus einem Dauermagnet M2 besteht. Der mechanische Schwinger Sch ist wiederum durch einen Abtastkopf A abtastbar, der aus einem Elektromagnet M 1 mit einer Spule Sp 3 besteht, ganz wie in der Anordnung nach F i g. 2.The F i g. 3 shows a simplified structure of the left part of the arrangement in FIG. 2. The audio frequency generator G does not supply any voltage to the outside, but with its poles N, S directly excites the mechanical oscillator Sch, the free end of which consists of a permanent magnet M2. The mechanical oscillator Sch can in turn be scanned by a scanning head A, which consists of an electromagnet M 1 with a coil Sp 3 , just as in the arrangement according to FIG. 2.

Claims

Claims: 1. Arrangement for speed control of a single-phase asynchronous motor with auxiliary phase winding and with two-phase rotor winding, the two strands of which are connected in parallel via a rectifier bridge each, in their common Direct current diagonal a controlled transistor lies, according to patent 1247 449, d a d u r c h g e - indicates that the transistor (T1) is controlled by a resonator which sits on the motor shaft together with an alternator (G) and fed by the alternator (G).

2. Arrangement according to claim 1, characterized characterized in that a converter stage between the transistor (T1) and the resonator is arranged, which consists of at least one rectifier (GR 1) in the control line of the transistor (T 1) and at least one capacitor (K3) across the control line consists.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the transistor (T1) an amplifier stage (V) is connected upstream.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the resonator consists of an oscillating circuit (Sp 2, K 2) which is inductively fed by the alternating current generator designed as an audio frequency generator (G), the armature winding of which with the rotor of the motor is arranged circumferentially.

5. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the resonator consists of a ferromagnetic, mechanical oscillator (Sch) and a scanning head (A) which cooperates with this and supplies the control voltage for the transistor (T1).

6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the mechanical oscillator (Sch) is arranged on the rotor so that the oscillator can be excited directly by the magnetic field of several magnetic poles (N, S) arranged at rest opposite the rotor circumference. Considered publications: German Patent Nos. 368 227, 694 120; French Patent No. 962 556; "Werkstatt und Betrieb", 89 (1956), no. 9, pp. 507 to 513; "Feinwerktechnik", 62 (1958), no.12, pp.428 to 430; Actes Proceedings of the Journees Internationales de Calcul Analogique; International Analogy Computation Meeting ", Bruxelles, September 26 to October 2, 1955, p.109.