DE1513610C - Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors, dessen Ankerstromkreis über einen von einem Taktgeber in Abhängigkeit von der Differenz eines mittels eines Stellwiderstandes vorgebbaren Ankerstromsollwertes und des Ankerstromistwertes gesteuerten und mit einer Löscheinrichtung versehenen Hauptthyristor an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, ferner mit einem Überbrückungsschalter für den Hauptthyristor und dessen Löscheinrichtung.

Gemäß der österreichischen Patentschrift 249 809 ist eine derartige Anordnung bekannt, bei der der Überbrückungsschalter von einem Sollwertpotentiometer für den Ankerstrom über ein Verzögerungsglied und ein Relais gesteuert wird. Bei schneller Auslenkung des Sollwertpotentiometers auf den Vollausschlag wird der Überbrückungsschalter nach einer festen Verzögerungszeit geschlossen. Ein ruckfreies Anlassen des Gleichstrommotors ist damit nicht immer möglich, da sich der Belastungszustand des Motors während des Anlassens ändern kann. Wenn z. B. der Ankerstrom einen großen Endwert annimmt, dann liegt das Taktverhältnis der Ausgangsimpulse des Taktgebers auch dann unter 100%, wenn das Sollwertpotentiometer auf den Vollausschlag ausgelegt ist. Nach Ablauf der Verzögerungszeit ergibt sich dann eine ruckartige Beschleunigung des Gleichstrommotors, falls der Überbrückungsschalter vom Sollwertpotentiometer aus gesteuert wird.

Der Erfindung liegt die Augabe zugrunde, eine Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors zu schaffen, die auch bei verschiedensten Belastungszuständen des Motors ein ruckfreies Anlassen gewährleistet.

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Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der ein- Strommeßwiderstand 18 an den Minuspol der Batterie

gangs genannten Art gemäß der Erfindung gelöst, 12 angeschlossen.

daß an Ausgangsklemmen des Taktgebers ein erstes Ein Überbrückungsschütz 19 dient zum Betätigen Integrierglied angeschlossen ist, daß mit dem ersten eines Überbrückungsschalters 22, dessen einer An-Integrierglied eine spannungsabhängige Halbleiter- 5 Schluß mit dem Wicklungsende 17 und dessen anderer schaltvorrichtung verbunden ist und daß in deren Anschluß mit dem Hauptschalter 15 verbunden ist, Ausgangsstromkreis ein Relais zur Steuerung des so daß der Überbrückungsschalter 22 im geschlosse-Überbrückungsschalters liegt. Dadurch kann der nen Zustand den Hauptthyristor 13 zusammen mit Überbrückungsschalter nur geschlossen werden, wenn der Sicherung 14 und der Drosselspule 16 überbrückt, das Taktverhältnis der Ausgangsimpulse des Takt- io Parallel zum Hauptthyristor 13 liegt die Seriengebers wenigstens näherungsweise gleich 100% ist. schaltung eines ohmschen Widerstandes 23 und eines Der Ankerstromsollwert beeinflußt die Stellung des Kondensators 24. Zum Löschen des Hauptthyristors Überbrückungsschalters nicht mehr direkt, sondern 13 ist ein Löschthyristor 25 vorgesehen, dessen Kanur noch über den Taktgeber. thode mit der Kathode des Hauptthyristors 13 ver-

Am Hauptthyristor fällt auch im leitfähigen Zu- 15 bunden ist und dessen Anode über einen Löschkonstand noch die sogenannte Restspannung ab, die in densator 26 großer Kapazität mit der Anode des der Größenordnung von 1,5 V liegt. Wenn der Über- Hauptthyristors 13 verbunden ist. Parallel zum Löschbrückungsschalter geschlossen wird, dann wird dem- thyristor 25 liegt die Serienschaltung eines ohmschen nach der im Motorstromkreis liegende Hauptthyristor Widerstandes 27 und eines Kondensators 28.
plötzlich kurzgeschlossen, so daß der Ankerstrom- 20 An das andere Wicklungsende 29 der Drosselspule istwert ebenso plötzlich zunimmt. Da der Ankerstrom 16 ist die Anode einer Diode 30 angeschlossen, deren geregelt wird, bedingt die Zunahme des Ankerstrom- Kathode mit der Anode des Löschthyristors 25 veristwertes eine Reduzierung des Taktverhältnisses der bunden ist.

Ausgangsimpulse des Taktgebers. Es wäre dadurch Eine Diode 33 ist mit ihrer Kathode mit dem

möglich, daß der Überbrückungsschalter sofort wie- 25 Wicklungsende 17 der Drosselspule 16 und mit ihrer

der geöffnet wird. Bei bestimmten Betriebszuständen Anode mit dem Minuspol der Batterie 12 verbunden,

könnte sich das so auswirken, daß der Uberbrückungs- Sie dient in bekannter Weise als Freilaufdiode derart,

schalter periodisch aus- und eingeschaltet wird. daß beim Sperren des Hauptthyristors 13 der Strom i

Derartige Schaltvorgänge des Uberbrückungs- im Motor 10, 11 durch diese Diode weiterfließt. Dies schalters können in weiterer Ausgestaltung der Er- 30 ist z. B. in F i g. 2 dargestellt, in der die schraffierten findung dadurch vermieden werden, daß zum Relais Rechtecke den Zeitraum umfassen, währenddessen ein Schalter gehört, der beim Einschalten des Relais der Hauptthyristor 13 leitend ist. Wenn z. B. im Zeitdie Differenz zwischen dem Ankerstromsollwert und punkt t_x der Hauptthyristor 13 gezündet wird, steigt dem Ankerstromistwert in der Weise verändert, daß der Strom i im Motor 10, 11 exponentiell an. Wird sie mindestens gleich dem Differenzwert vor dem 35 im Zeitpunkt i., der Hauptthyristor 13 gelöscht, so Einschalten ist. Damit bleibt der rückgemeldete fließt der Strom i durch die Diode 33 weiter und Ankerstromistwert auch nach dem Schließen des fällt dabei exponentiell ab. Auf diese Weise stellt sich Überbrückungsschalters gleich, und das Taktverhält- bei einem bestimmten Einschaltverhältnis m des nis des Taktgebers wird nicht beeinflußt. Hauptthyristors 13, d. h. einem bestimmten Verhalt-Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestal- 40 nis zwischen seiner leitenden Zeit T₁ und der Summe tungen, die Gegenstände der Unteransprüche sind, seiner leitenden Zeit T₁ und seiner nichtleitenden werden nachstehend an Hand eines in den Zeich- Zeit T_n, ein mittlerer Strom I_M durch den Motor 10, nungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher 11 ein. Fig. 2 zeigt ein Einschaltverhältnis m von beschrieben und erläutert. Es zeigt etwa 35% und einen entsprechenden niedrigen mitt-

F i g. 1 ein teilweise schematisches Ausführungs- 45 leren Strom /_M, während F i g. 3 ein Einschaltverhältbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung, nis m von etwa 80 % und einen höheren mittleren

F i g. 2 bis 5 Schaubilder zur Erläuterung der Strom I_M zeigt.

Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels, Zum Zünden des Hauptthyristors 13 dient ein Im-

F i g. 6 die Schaltungsanordnung eines Impuls- pulsgeber 35, und zum Zünden des Löschthyristors

gebers zum Zünden eines Thyristors und 50 25 dient ein Impulsgeber 36. Der Aufbau der Impuls-

F i g. 7 einen ausführlichen Schaltplan des Aus- geber ist in F i g. 6 dargestellt und wird im folgenden

führungsbeispiels nach Fig. 1. noch beschrieben.

F i g. 1 zeigt einen Gleichstrom-Reihenschlußmotor Beide Impulsgeber 35, 36 sind an je einen Ausmit einem Anker 10 und einer Feldwicklung 11, der gang eines als Steuerteil dienenden Taktgebers 37 anaus einer Batterie 12 über einen Hauptthyristor 13 55 geschlossen. Dieser hat eine positive Rückkopplung mit Strom versorgt wird. In der Schaltungsanordnung über die Serienschaltung eines ohmschen Widerist ein Thyristor mit thyratronartiger Charakteristik Standes 38 und eines Kondensators 39. Man könnte gezeigt. Es ist jedoch ohne weiteres auch möglich, den Taktgeber 37 auch als Multivibrator bezeichnen, einen ein- und ausschaltbaren Thyristor zu ver- dessen Einschaltverhältnis und Ausgangsfrequenz wenden. 60 von der Spannung an seinem Eingang abhängig sind.

Die Anode des Hauptthyristors 13 ist über eine Das Schaltbild eines solchen Taktgebers ist in F i g. 7

Sicherung 14 und einen Hauptschalter 15 an den dargestellt.

Pluspol der Batterie 12 angeschlossen. Seine Kathode Als Ankerstromsollwert für den Taktgeber 37 dient ist mit der Mittelanzapfung einer Drosselspule 16 die an einem Abgriff 42 eines als Sollwertgeber dieverbunden, deren eines Wicklungsende 17 mit dem 65 nenden Potentiometers 43 abgegriffene Spannung, einen Ende der Feldwicklung 11 und deren anderes Als Ankerstromistwert dient die am Strommeßwider-Wicklungsende 29 mit dem Anker 10 verbunden ist. stand 18 als Istwertgeber entstehende Spannung. Sein Der andere Anschluß des Ankers 10 ist über einen mit dem Anker 10 verbundener Anschluß ist mit

Masse verbunden, mit der auch der eine Anschluß des Potentiometers 43 verbunden ist. Hierdurch erreicht man in vorteilhafter Weise, daß der Taktgeber 37, der eine sehr hohe Verstärkung aufweist und deshalb besonders störempfindlich ist, an Masse angeschlossen werden kann.

Der andere Anschluß des Potentiometers 43 ist über einen einstellbaren ohmschen Widerstand 45, der zum Einstellen des größten zulässigen Ankerstromsollwertes dient, mit der Kathode einer Zenerdiode 46 verbunden, deren Anode an Masse liegt und zu der ein Kondensator 47 parallel geschaltet ist. Die Kathode der Zenerdiode 46 ist über einen ohmschen Widerstand 48, eine Sicherung 49 und einen Schalter 50 mit dem Hauptschalter 15 verbunden. Außerdem ist an der Kathode eine Leitung 52 angeschlossen, die im folgenden als Plusleitung bezeichnet wird. Wenn der Hauptschalter 15 und der Schalter 50 geschlossen sind, fließt über den ohmschen Widerstand 48 und die Zenerdiode 46 ein Strom, wobei bekanntlich die Spannung an der Zenerdiode 46 praktisch konstant ist.

Der Abgriff 42 ist über zwei ohmsche Widerstände 53, 54, die über einen Knotenpunkt 55 miteinander in Serie liegen, mit dem Eingang 56 des Taktgebers 37 verbunden, der seinerseits über drei in Serie geschaltete ohmsche Widerstände 57, 58, 59 mit demjenigen Anschluß des Strommeßwiderstandes 18 verbunden ist, der am Minuspol der Batterie 12 liegt.

Parallel zum ohmschen Widerstand 53 liegt eine Diode 62, deren Anode an den Knotenpunkt 55 angeschlossen ist. Zwischen diesem Knotenpunkt und Masse liegt ein Kondensator 63. Zusammen mit dem ohmschen Widerstand 53 dient er als Verzögerungsglied. Wenn der Abgriff 42 rasch so verstellt wird, daß die Spannung zwischen ihm und Masse zunimmt, so muß sich zunächst der Kondensator 63 über den ohmschen Widerstand 53 aufladen. Der höhere Sollwert wirkt also erst nach einer gewissen Verzögerung am Eingang 56. Wird der Abgriff 42 in umgekehrter Richtung verstellt, so entlädt sich der Kondensator 63 unverzögert über die Diode 62. Die Sollwertverzögerung wirkt also nur bei Beschleunigung, nicht aber bei Verzögerung.

Zwischen dem Verbindungspunkt der ohmschen Widerstände 57 und 58 und Masse liegt ein Kondensator 64, der zusammen mit diesen beiden Widerständen als Siebglied wirkt und die ungleichförmige Spannung am Strommeßwiderstand 18 glättet. Zum ohmschen Widerstand 59 ist ein als Öffner anzusehender Schalter 65 parallel geschaltet, der zugleich mit einem Schließer 66 von einer spannungsabhängigen Halbleiterschaltvorrichtung 67 betätigt wird. Diese Schaltvorrichtung ist an den als Steuerteil dienenden Taktgeber 37 angeschlossen. Die Halbleiterschaltvorrichtung 67 enthält einen in F i g. 7 dargestellten Umschalter 145, der beim Verschieben des Abgriffs 42 am als Steuergerät dienenden Potentiometer 43 betätigt wird. Diese Wirkverbindung ist durch eine strichpunktierte Linie 68 angedeutet.

Der Schließer 66 liegt in Serie mit dem Überbrückungsschütz 19 zwischen dem Minuspol der Batterie 12 und dem Hauptschalter 15.

Die Anordnung nach Fig. 1 arbeitet wie folgt: Wenn am Abgriff 42 des Potentiometers 43 eine bestimmte Spannung eingestellt wird, fließt ein Strom über die ohmschen Widerstände 53, 54, 57, 58, 59 zum Strommeßwiderstand 18. Dabei entsteht eine Spannung zwischen dem Eingang 56 und Masse, die einen Strom Δ i zur Folge hat, welcher den Taktgeber 17 steuert. Über die Rückführung (Widerstand 38, Kondensator 39) fließt ein Strom i_n der den Taktgeber 17 zunächst noch stärker aussteuert.

Wenn der Taktgeber 37 ausgesteuert wird, wird der Impulsgeber 35 eingeschaltet und gibt Impulse ab, die den Hauptthyristor 13 leitend machen. Es fließt dann ein Strom im Motor 10, 11, und dieser

ίο Strom erzeugt eine Spannung am Strommeßwiderstand 18. Dadurch erniedrigt sich, wie ersichtlich, die Spannung zwischen dem Eingang 56 und Masse. Der Strom Δ i wird kleiner, außerdem nimmt der Strom i_r ab, wobei sich der Kondensator 39 teilweise entlädt. Der Taktgeber 37 wird niedriger ausgesteuert, und der Impulsgeber 35 wird ausgeschaltet, während der Impulsgeber 36 eingeschaltet wird und den Löschthyristor 25 leitend steuert. Hierdurch kann sich der Löschkondensator 26 über den Löschthyristör 13 entladen; die Kathode des Hauptthyristors 13 wird kurzzeitig positiver als seine Anode, so daß dieser Thyristor sperrt. Es kann jetzt kein Strom mehr von der Batterie 12 zum Motor 10, 11 fließen, jedoch fließt in diesem weiterhin ein Strom, der sich durch die Diode 33 schließt. Dieser Strom nimmt exponentiell ab, wie das zuvor beschrieben wurde, so daß auch die Spannung am Strommeßwiderstand 18 abnimmt und dadurch wieder eine höhere Spannung zwischen dem Eingang 56 und Masse entsteht, die den Taktverstärker 37 wieder höher aussteuert und durch ihn auch den Hauptthyristor 13.

Der beschriebene Vorgang wiederholt sich laufend; die Frequenz des Ein- und Ausschaltens und das Einschaltverhältnis m sind dabei von der Differenz zwischen Ankerstromist- und -soliwert abhängig.

Wird der Abgriff 42 des Potentiometers 43 auf seinen Höchstwert eingestellt, so hängt das Einschaltverhältnis m noch wesentlich davon ab, wie der Motor 10, 11 belastet ist.

Ist der Motor 10, 11 festgebremst, so daß er sich nicht drehen kann, so erhält man ein Einschaltverhältnis m, das vom Innenwiderstand des Motors 10, 11 seiner Induktivität und seinem Kurzschlußstrom abhängig ist. Ein typisches Einschaltverhältnis ist dabei in = 50%.

Ist der Motor 10, 11 nicht festgebremst, so daß er rotieren kann, so steigt das Einschaltverhältnis m über 50% hinaus an. Das sich am Anker 10 mit steigender Drehzahl eine steigende Gegenspannung ausbildet, sinkt mit wachsender Drehzahl der Strom im Motor 10, 11, sobald ein Einschaltverhältnis von in = 100% erreicht ist.

Kurz bevor ein Einschaltverhältnis von 100% erreicht ist, bei dem der Hauptthyristor 13 dauernd leitet, bleibt der Hauptthyristor 13 bei jedem Einschaltzyklus ziemlich lange leitend, z. B.

Einschaltzeit des Thyristors 13 10 bis 50 Sekunden

darauffolgende Ausschaltzeit .. etwa 1,5 msec
60

Um zu verhindern, daß sich der Löschkondensator 26, der als Energiespeicher dient, während einer langen Einschaltzeit des Hauptthyristors 13 teilweise entlädt, ist die spannungsabhängige Halbleiterschaltvorrichtung 67 vorgesehen, die bei solchen langen Einschaltzeiten automatisch den Überbrückungsschalter 22 in seine geschlossene Stellung steuert. Zweckmäßig wird die Halbleiterschaltvorrichtung so

eingestellt, daß sie bereits bei einem Einschaltverhältnis von 90 bis 95% den Überbrückungsschalter 22 einschaltet. Die Halbleiterschaltvorrichtung 67 schließt hierbei den Schließer 66 und öffnet den Schalter 65. Mit dem Schließer 66 wird das Überbrückungsschütz 19 eingeschaltet, und mit dem Schalter 65 wird der ohmsche Widerstand 59 in Serie zu den ohmschen Widerständen 57, 58 eingeschaltet, wodurch sich, wie ersichtlich, die Spannung zwischen dem Eingang 56 und Masse erhöht. Auf den Taktgeber 37 wirkt dies so, als wäre die Ankerstromsoll-Istwertdifferenz vergrößert worden.

Diese Maßnahme hat folgenden Grund: Solange der Hauptthyristor 13 den Strom durch den Motor 10, 11 leitet, entsteht an ihm durch seinen Innenwiderstand ein Spannungsabfall von beispielsweise 1,2 bis 1,5 Volt. Wird nun der Überbrückungsschalter 22 eingeschaltet, so fällt dieser Spannungsabfall am Hauptthyristor 13 weg, und der Strom ί durch den Motor erhöht sich, d. h., die Differenz zwischen Sollwert (am Potentiometer 42) und Istwert (am Strommeßwiderstand 18) ändert sich. Dies hat zur Folge, daß die Spannung zwischen dem Eingang 56 und Masse kleiner wird, wodurch an sich die Halbleiterschaltvorrichtung 67 wieder ausgeschaltet und der Überbrückungsschalter 22 wieder geöffnet würde. Durch das Einschalten des ohmschen Widerstandes 59 wird diese Erhöhung des Stroms i im Motor 10, 11 kompensiert, d. h., die Spannung zwischen dem Eingang 56 und Masse bleibt beim Einschalten des Überbrückungsschalter 22 im wesentlichen unverändert. Wie ersichtlich, muß die Größe des ohmschen Widerstandes 59 entsprechend dem Innenwiderstand des Hauptthyristors 13 gewählt werden.

Die spannungsabhängige Halbleiterschaltvorrichtung 67 erfüllt noch eine Reihe weiterer wichtiger Funktionen, die aus der folgenden Beschreibung der F i g. 7 hervorgehen, die dieselbe Schaltung wie F i g. 1 zeigt, jedoch detaillierter.

Der Taktgeber 37 umfaßt im wesentlichen drei Transistoren, nämlich einen pnp-Transistor 78 und zwei npn-Transistoren 79 und 80. Ein npn-Transistor 81 dient als Umkehrverstärker, d. h., die Polarität seiner Ausgangsspannung ist umgekehrt wie die seiner Eingangsspannung. An ihn schließen sich zwei npn-Transistoren 74 und 73 an, die die Impulsgeber 36 und 35 steuern.

Der Emitter des Transistors 78 ist über einen ohmschen Widerstand 82 an die Plusleitung 52 angeschlossen, die gegenüber Masse eine konstante Spannung hat. Außerdem ist dieser Emitter direkt mit der Basis des Transistors 79 und über einen Kondensator 83 mit dem Kollektor dieses Transistors verbunden.

Der Kollektor des Transistors 78 liegt direkt an Masse. Seine Basis ist über die Serienschaltung des ohmschen Widerstands 38 und des Kondensators 39 mit dem Kollektor des Transistors 80 verbunden. Außerdem ist diese Basis an den Eingang 56 und über diesen, wie bereits bei Fig. 1 beschrieben, an das Widerstands-Netzwerk 53, 54, 57, 58, 59 angeschlossen.

Der Kollektor des Transistors 79 ist direkt mit der Basis des Transistors 80 und über einen ohmschen Widerstand 84 mit der Plusleitung 52 verbunden. Der Emitter des Transistors 79 ist über einen ohmschen Widerstand 85 an Masse angeschlossen, an der auch der Emitter des Transistors 80 liegt, dessen Kollektor über einen ohmschen Widerstand 86 an die Plusleitung 52 angeschlossen und über einen ohmschen Widerstand 87 mit der Basis des Transistors 81 verbunden ist, die über einen ohmschen Widerstand 88 an Masse liegt, mit der auch der Emitter dieses Transistors verbunden ist.

Der Kollektor des Transistors 81 ist über einen ohmschen Widerstand 91 mit der Plusleitung 52 und über zwei in Reihe geschaltete ohmsche Widerstände 92, 93 mit Masse verbunden.

An den Verbindungspunkt der ohmschen Widerstände 92 und 93 ist die Basis des Transistors 74 angeschlossen, dessen Emitter an Masse liegt. Sein Kollektor ist mit dem Eingang des Impulsgebers 36, mit den Kathoden zweier Dioden 94, 95 und, über einen ohmschen Widerstand 96, mit der Plusleitung 52 verbunden.

Die Anoden der Dioden 94 und 95 sind jeweils über einen ohmschen Widerstand 97 und 98 mit der Plusleitung 52 verbunden. Die Anode der Diode 95 ist außerdem mit der Anode einer Diode 99 verbunden, deren Kathode mit der Basis des Transistors 73 und, über einen ohmschen Widerstand 102, mit Masse verbunden ist, an der auch der Emitter dieses Transistors liegt. Der Kollektor des Transistors 73 ist mit dem Eingang des Impulsgebers 35 verbunden und über einen ohmschen Widerstand 100 an die Plusleitung 52 angeschlossen.

F i g. 6 zeigt den Aufbau des Impulsgebers 35, der mit dem Impulsgeber 36 schaltungsmäßig übereinstimmt. Er ist als Sperrschwingoszillator aufgebaut, was sich bei niedrigen Betriebsspannungen als vorteilhafter erwiesen hat als Impulsgeber mit Zweibasistransistoren.

Die Stromzufuhr zum Impulsgeber 35 wird gesteuert von einem npn-Transistor Q, dessen Emitter mit Masse und dessen Basis über einen ohmschen Widerstand R mit der Plusleitung 52 verbunden ist. Der Impulsgeber 35 enthält einen npn-Transistor 103, dessen Kollektor an die Plusleitung 52 angeschlossen ist, während seine Basis mit der Kathode einer Diode 104 verbunden ist, deren Anode über einen ohmschen Widerstand 105 mit der Plusleitung 52 und über die Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes 106, eines Kondensators 107 und einer Wicklung 108 eines Übertragers 109 mit dem Kollektor des Transistors Q verbunden ist. Die Wicklung 108 ist mit einer Anzapfung 112 versehen, die an den Emitter des Transistors 103 angeschlossen ist. Der Übertrager 109 hat eine Ausgangswicklung 113, deren einer Anschluß mit der Kathode des zu steuernden Thyristors Thyr und deren anderer Anschluß über einen ohmschen Widerstand 114 mit der Steuerelektrode des Thyristors Thyr verbunden ist. Zwischen dieser Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors Thyr liegt ein ohmscher Widerstand 115.

Wie ersichtlich, arbeitet der Transistor Q als Schalter, der die Stromzufuhr zum Impulsgeber 35 ein- und ausschaltet. Ist der Transistor Q leitend, so schwingt der Impulsgeber 35 und erzeugt dabei an der Ausgangswicklung 113 Impulse, die z. B. eine Spannung von 5 V und eine Folgefrequenz von 6 kHz haben. Diese Impulse zünden den Thyristor Thyr, so daß er leitend wird.

Der bisher beschriebene Teil der Schaltung nach F i g. 7 arbeitet wie folgt: Nach Einschalten des Hauptschalters 15 und des Schalters 50 liegt an der Plusleitung 52 eine positive Spannung von z. B. 8 V

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gegenüber Masse. Durch die Zenerdiode 46 ist diese Spannung stabilisiert.

Im Ruhezustand liegt der Abgriff 42 des als Steuergerät dienenden Potentiometers 43 an Masse. Der Kondensator 63 ist dann über die Diode 62 entladen. Da durch den Motor 10, 11 kein Strom fließt, liegen auch die Anschlüsse des Strommeßwiderstands 18 auf Massepotential. Folglich hat auch der Eingang 56 Massepotential. Hierbei fließt im Transistor 78 ein Kollektorstrom. Dadurch ist der Transistor 79 gesperrt und der Transistor 80 leitend, so daß sein Kollektor ein Potential hat, das nur wenig positiver ist als das Massepotential. Transistor 81 ist dadurch gesperrt, und der aus den ohmschen Widerständen 91, 92, 93 bestehende Spannungsteiler gibt der Basis des Transistors 74 ein positives Potential, so daß dieser leitet und den Impulsgeber 36 eingeschaltet hält. Dieser führt also dem Löschthyristor 25 Einschaltimpulse zu, während der Impulsgeber 35 ausgeschaltet ist, so daß der Hauptthyristor 13 keine Zündimpulse erhält.

Wird der Abgriff 42 so verschoben, daß eine Spannung zwischen ihm und Masse entsteht, so wird — mit einer gewissen Verzögerung durch die Aufladung des Kondensators 63 — der Eingang 56 positiver, so daß der Transistor 78 weniger leitend wird, während der Transistor 79 beginnt, leitend zu werden, und der Transistor 80 ebenfalls weniger leitend wird, wodurch sein Kollektor positiver wird.

Diese Erhöhung des Kollektorpotentials wird über die Rückführung (Widerstand 38 und Kondensator 39) auf den Eingang 56 übertragen, so daß der Transistor 78 nunmehr völlig gesperrt wird, während der Transistor 79 vollständig leitend wird und der Transistor 80 vollständig sperrt. Dadurch wird der Transistor 81 voll leitend und überbrückt die ohmschen Widerstände 92, 93, so daß die Basis des Transistors 74 Massepotential erhält und diesen Transistor sperrt. Das Kollektorpotential des Transistors 74 wird dadurch stark positiv, so daß die Diode 95 sperrt, wodurch die Basis des Transistors 73 ein positives Potential erhält, so daß der Transistor 73 leitend wird und den Impulsgeber 35 einschaltet. Dieser zündet den Hauptthyristor 13, so daß ein Strom von der Batterie 12 zum Motor 10, 11 fließt und dieser sich zu drehen beginnt.

Der Strom i im Motor 10, 11 erzeugt einen Spannungsabfall am Strommeßwiderstand 18, wodurch, wie oben beschrieben, die Spannung zwischen dem Eingang 56 und Masse abnimmt. Gleichzeitig hat sich der Rückführungskondensator 39 teilweise entladen. Beide Einflüsse wirken zusammen, so daß der Transistor 78 nach einem bestimmten Anstieg des Stromes i wieder leitend wird und der Hauptthyristor 13 durch das Einschalten des Löschthyristors 25 wieder gelöscht wird. In den F i g. 2 bis 4 ist dieser Vorgang für verschiedene Betriebszustände graphisch dargestellt.

Der Strom i im Motor 10, 11 wird dabei auf einen zeitlichen Mittelwert eingeregelt, der von der Einstellung des Abgriffs 42 abhängt. F i g. 5 zeigt den Anfahrvorgang bei drei verschiedenen Einstellungen, nämlich eine Anfahrt mit niedrigem Strom (Kurve 118), eine Anfahrt mit mittlerem Strom (Kurve 119) und eine Anfahrt mit hohem Strom (Kurve 120). Der verzögerte Anstieg ergibt sich durch den Kondensator 63. — Nach Beendigung der Anfahrt, bei der der volle Strom benötigt wurde, sinkt dieser entsprechend der vom Motor 10, 11 geforderten Leistung wieder ab, wie das in F i g. 5 der Teil 121 der Kurve 120 zeigt. Der Motor 10, 11 begrenzt dann selbst seine Stromaufnahme nach der Hauptschlußmotorkennlinie; der Hauptthyristor 13 ist dabei voll eingeschaltet. In diesem Betriebszustand ist es erforderlich, ihn durch den Überbrückungsschalter 22 zu überbrücken, um den Hauptthyristor 13 zu entlasten und weil sich sonst der Löschkondensator 26 nach einiger Zeit entladen würde und es dann nicht mehr j möglich wäre, den Hauptthyristor 13 zu löschen. ;

Zur Steuerung des Überbrückungsschalter 22 dient die spannungsabhängige Halbleiterschaltvorrichtung 67. Als Schalter dienen zwei Transistoren, nämlich ein npn-Transistor 122 und ein pnp-Transistor 123, die nach Art einer Kippstufe angeordnet sind. Die Eingangsspannung für diese Kippstufe wird von zwei Integriergliedern geliefert, nämlich einem ersten Integrierglied 126 und einem zweiten Integrierglied 127. Beide sind an die Anode der Diode 94 und damit an die Ausgangsspannung des Taktgebers 37 angeschlossen. Außerdem ist noch ein npn- I Transistor 128 vorgesehen, dessen Wirkung im folgenden erläutert wird.

Im einzelnen ist die Halbleiterschaltvorrichtung 67 wie folgt aufgebaut: Zwischen dem Kollektor des mit seinem Emitter an der Plusleitung 52 liegenden Transistors 123 und Masse liegt ein Relais 129, das den Schalter 65 und den Schließer 66 steuert. Parallel zum Relais 129 liegt eine Löschdiode 130. Die Basis des Transistors 123 ist über einen als Integrierglied dienenden Kondensator 133 mit seinem Kollektor, über einen ohmschen Widerstand 134 mit der Plusleitung 52 und über je einen ohmschen Widerstand 135, 136 mit den Kollektoren der Transistoren 122 und 128 verbunden.

Der Kollektor des Transistors 123 ist über einen ohmschen Widerstand 137, der eine positive Rückkopplung bildet, mit der Basis des Transistors 122 und über einen ohmschen Widerstand 138 mit der Basis des Transistors 128 verbunden. Die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors 128 liegt in Serie mit den ohmschen Widerständen 136 und 138 in einem Parallelkreis zur Kollektor-Basis-Strecke des Transistors 123. Der Emitter des Transistors 122 ist über einen ohmschen Widerstand 139 mit Masse verbunden. Zwischen seiner Basis und Masse liegt die Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes 142 und eines Kondensators 143. Die Basis des Transistors 128 ist über einen ohmschen Widerstand 144 mit Masse verbunden.

Mit dem Abgriff 42 des als Steuergerät dienenden Potentiometers 43 sind Schaltmittel in Form des bereits erwähnten Umschalters 145 verbunden. Solange sich der Abgriff 42 nicht in seiner Höchstwertstellung befindet, befindet sich der Umschalter 145 in seiner dargestellten Schaltstellung, in der er einen zum zweiten Integrierglied 127 gehörenden Kondensator 146 kurzschließt. Wird der Abgriff 42 in seine Höchstwertstellung gebracht, so schaltet der Umschalter 145 um, verbindet den Emitter des Transistors 128 mit Masse und führt so diesem Transistor eine Betriebsspannung zu.

Über einen ohmschen Widerstand 147 ist die Basis des Transistors 122 mit den Anoden zweier Zenerdioden 148 und 149 verbunden. Zwischen der Kathode der Zenerdiode 148 und Masse liegt die Parallelschaltung eines Kondensators 152 und eines

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ohmschen Widerstandes 153. Ebenso liegt zwischen Dieses Ausschalten des Überbrückungsschalters 22 der Kathode der Zenerdiode 149 und Masse die Par- ist in manchen Fällen unerwünscht, weil es eine allelschaltung des Kondensators 146 und eines ohm- Verringerung der Antriebsleistung bedeutet. Übersehen Widerstandes 154. Die Kathode der Zener- steigt z. B. nach normal verlaufenem Anfahrvorgang diode 148 ist über einen verstellbaren ohmschen 5 bei einer anschließenden Bergfahrt (Aufwärtsfahrt) Widerstand 155, die Kathode der Zenerdiode 149 der Motorstrom den am Abgriff 42 eingestellten über einen verstellbaren ohmschen Widerstand 156 Höchswert, so würde der Überbrückungsschalter 22 in Serie mit einer Diode 157 und einem Kondensator geöffnet werden, und das Fahrzeug könnte nur sehr 158 an die Diode 94 angeschlossen. Die Anode der langsam fahren oder würde sogar stehenbleiben. Dies Diode 157 ist mit der einen Elektrode des Konden- io wird durch den Umschalter 145 verhindert, der in sators 158 und der Kathode einer Diode 159 ver- der Höchstwertstellung des Abgriffs 42 den Emitter bunden, deren Anode an Masse liegt. des Transistors 128 mit Masse verbindet und dadurch

Die spannungsabhängige Halbleiterschaltvorrich- diesen Transistor an die Steuerspannung legt. Ist der

tung 67 arbeitet wie folgt: Wenn das Einschaltver- Transistor 123 dabei nichtleitend, so liegt die Basis

hältnis m sehr groß ist, d. h., wenn die Einschalt- 15 des Transistors 128 ebenso wie dessen Emitter etwa

zeit T₁ (vgl. F i g. 2) des Hauptthyristors 13 lang ge- auf Massepotential, so daß der Transistor 128 nicht-

genüber der Summe seiner Einschaltzeit T₁ und sei- leitend bleibt und den Transistor 123 nicht beeinflußt,

ner Ausschaltzeit T₂ ist, ist der Transistor 74 fast Ist der Transistor 123 dagegen leitend, so erhält der

durchgehend gesperrt und sein Kollektor deshalb Transistor 128 durch den Spannungsabfall am Re-

fast dauernd positiv. Dadurch sperrt auch die Diode 20 lais 129 ein positives Potential an seiner Basis, so

94 fast ständig, und es kann ein Strom von der Plus- daß ein Basisstrom in ihm fließt und der Transistor

leitung 52 über die ohmschen Widerstände 97 und 128 leitend wird. Hierdurch entsteht ein Spannungs-

155 zum Kondensator 152 fließen und diesen mit abfall am Widerstand 134, und dieser Spannungsab-

einem Ladestrom aufladen, der bei diesem Einschalt- fall hält den Transistor 123 auch dann im leitenden

verhältnis größer ist als der Entladestrom über den 25 Zustand, wenn die Spannung am Kondensator 152

ohmschen Widerstand 153. Dadurch entsteht am wieder absinkt.

Kondensator 152 eine Spannung, die groß genug ist, Wenn man also den Abgriff 42 auf den Höchst-

um die Zenerdiode 148 leitend zu machen und dem wert stellt, so bleibt der Überbrückungsschalter 22

Transistor 122 einen Basisstrom zuzuführen, der die- geschlossen, auch wenn der Strom durch den Motor

sen Transistor leitend macht. Hierdurch erhält der 30 10, 11 stark ansteigt. Diese Eigenschaft der Erfin-

Transistor 123 über den ohmschen Widerstand 134 dung hat sich im Betrieb als sehr wertvoll erwiesen,

eine negative Spannung an seiner Basis und wird weil sie in den erläuterten Fällen gestattet, die volle

ebenfalls leitend. Durch den Rückführungswiderstand Leistung des Motors 10, 11 auszunützen.

137 erreicht man eine schlagartige Umschaltung. Eine weitere Schwierigkeit kann dann auftreten,

Statt der Zenerdioden 148 und 149 können auch um- 35 wenn der Motor 10, 11 beim Anfahren besonders

gekehrt gepolte Gleichrichterdioden verwendet wer- hohe Widerstände überwinden muß. Dieser Fall kann

den. Wenn der Transistor 123 leitend ist, fließt ein z. B. auftreten, wenn das Fahrzeug vor einer Schwelle

Strom durch das Relais 129, und dieses schaltet durch steht, die es überfahren muß. Wird die Schaltung bei

seinen Schließer 66 das Überbrückungsschütz 19 und einer Lokomotive verwendet, so ergibt sich dieser

durch seinen Schalter 65 den ohmschen Widerstand 40 Fall beim Anfahren eines Güterzugs, der längere

59 ein. Der Hauptthyristor 13 wird also durch den Zeit im Stillstand war, so daß seine Gleitlager kein

Überbrückungsschalter 22 überbrückt und braucht Schmiermittel mehr enthalten und deshalb einen

keinen Strom mehr zu führen. hohen Reibungswiderstand ergeben.

Wie zuvor beschrieben, gleicht der ohmsche Wider- Um dann ein Anfahren zu ermöglichen, ist es erstand 59 Änderungen der Differenz von Ankerstrom- 45 forderlich, den Strom im Motor 10, 11 über den Wert ist- und -soliwert aus, die durch das Schließen des hinaus zu erhöhen, der an sich durch die Stromrege-Überbrückungsschalters 22 entstehen. lung beim höchsten einstellbaren Strom gegeben ist.

Steigt der Strom durch den Motor 10, 11 über den Wird in einem solchen Fall der Abgriff 42 auf den am Abgriff 42 eingestellten Sollwert hinaus an, so Höchstwert gestellt und kann sich der Motor 10, 11 wird die Spannung am Strommeßwiderstand 18 grö- 50 trotzdem nicht in Bewegung setzen, so erhält man ßer, und durch die niedrigere Spannung am Eingang den in F i g. 4 gezeigten Verlauf des Stromes /. Über-56 wird das Einschaltverhältnis m verkleinert. Dabei schreitet er den Höchststrom I_max, so wird der Hauptstellt sich z. B. ein Einschaltverhältnis wie in F i g. 3 thyristor 13 gelöscht. Ist der Strom wieder kleiner dargestellt ein, jedoch ohne daß zunächst ein Strom geworden als I_max, so wird der Hauptthyristor 13 durch den Hauptthyristor 13 fließt, da dieser durch 55 wieder gezündet. Dieser Vorgang wiederholt sich sehr den Überbrückungsschalter 22 weiterhin kurzge- rasch, z. B. mehrere hundert Mal in der Sekunde, schlossen ist. Da jedoch nunmehr der Transistor 74 Die erreichte Frequenz hängt unter anderem von der periodisch während bestimmter Zeiten leitend wird Induktivität, dem Innenwiderstand und dem Kurz-(z. B. in F i g. 3 in den nicht schraffierten Zeit- schlußstrom des Motors 10, 11 ab. Die Höhe der abschnitten), fließt nur noch während eines Teiles 60 Frequenz dient als wesentliches Kriterium für die der Zeit ein Ladestrom zum Kondensator 152, so Einschaltung des Überbrückungsschalters 22.
daß die Spannung an diesem sinkt, die Zenerdiode Mit dieser Frequenz wird nämlich auch der Tran-148 sperrt, die Transistoren 122 und 123 wieder sistor 74 abwechselnd leitend und nichtleitend, so nichtleitend werden und der Überbrückungsschalter daß am Kondensator 158 eine Spannung liegt, die 22 geöffnet wird. Der Hauptthyristor 13 leitet dann 65 mit dieser Frequenz pulsiert. Die Spannung wird wieder den Strom, der zum Motor 10, 11 fließt, und vom Kondensator 158 übertragen, durch die Gleichdieser Strom wird auf den am Abgriff 42 eingestell- richter 157 und 159 gleichgerichtet und lädt über ten Wert geregelt. den Widerstand 156 den Kondensator 146 auf, wenn

sich der Abgriff 42 in seiner Höchstwertstellung befindet und der Umschalter 145 umgeschaltet ist.

Das zweite Integrierglied 127 ist so ausgelegt, daß die Spannung am Kondensator 146 nur dann die Durchbruchspannung der Zenerdiode 149 erreicht, wenn der Motor 10, 11 steht. Wird die Zenerdiode 149 dabei leitend, so erhält der Transistor 122 einen Basisstrom, und das Relais 129 wird, wie zuvor beschrieben, eingeschaltet, so daß der Überbrückungsschalter 22 geschlossen wird. Der Motor 10, 11 erhält dabei seinen vollen Kurzschlußstrom und läuft an. Hierdurch sinkt die Frequenz, mit der der Hauptthyristor 13 bei Kurzschluß ein- und ausgeschaltet wird, und damit sinkt auch die Spannung am Kondensator 146, so daß die Zenerdiode 149 wieder nichtleitend wird.

Befindet sich der Abgriff 42 noch immer in seiner

Höchstwertstellung, so wird jetzt, wie zuvor beschrieben, der Transistor 123 über den Transistor 128 weiterhin leitend gehalten, und der Überbrückungsschalter 22 bleibt geschlossen.

Wird dagegen der Abgriff 42 auf einen kleineren Wert eingestellt, so bleibt der Überbrückungsschalter 22 nur dann geschlossen, wenn das Einschaltverhältnis m nahe bei 100% liegt. Andernfalls wird der Überbrückungsschalter 22 geöffnet, und der Strom durch den Motor 10, 11 wird durch den Hauptthyristor 13 gesteuert.

Die beschriebene Anordnung erfüllt also eine ganze Reihe von Funktionen und gestattet einen sehr sicheren und zuverlässigen Betrieb auch unter schwierigen Verhältnissen. Besonders gut ist sie für Elektrofahrzeuge geeignet, jedoch kann sie auch bei anderen elektromotorischen Antrieben mit einem Gleichstrommotor mit Vorteil Verwendung finden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors, dessen Ankerstromkreis über einen von einem Taktgeber in Abhängigkeit von der Differenz eines mittels eines Stellwiderstandes vorgebbaren Ankerstromsollwertes und des Ankerstromistwertes gesteuerten und mit einer Löscheinrichtung versehenen Hauptthyristor an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, ferner mit einem Überbrückungsschalter für den Hauptthyristor und dessen Löscheinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß an Ausgangsklemmen des Taktgebers (37) ein erstes Integrierglied (126) angeschlossen ist, daß mit dem ersten Integrierglied (126) eine spannungsabhängige Halbleiterschaltvorrichtung (67) verbunden ist und daß in deren Ausgangsstromkreis ein Relais (129) zur Steuerung des Uberbrückungsschalters (22) liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Relais (129) ein Schalter (65) gehört, der beim Einschalten des Retais (129) die Differenz zwischen dem Ankerstromsollwert und dem Ankerstromistwert in der Weise verändert, daß sie mindestens gleich dem Differenzwert vor dem Einschalten ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ankerstromkreis des Gleichstrommotors ein Strommeßwiderstand (18) für den Ankerstromistwert und in der Leitung zwischen dem Strommeßwiderstand (18) und dem Eingang des Taktgebers (37) der Schalter (65) und ein zu diesem parallelliegender ohmscher Widerstand (59) angeordnet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängige Halbleiterschaltvorrichtung (67) über eine Diode (149) mit dem ersten Integrierglied (126) verbunden ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängige Halbleiterschaltvorrichtung (67) einen Eingangs- und einen Ausgangstransistor (122, 123) enthält.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine positive Rückkopplung zwischen dem Ausgangs- und dem Eingangstransistor (123, 122) vorgesehen ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stellwiderstand (42, 43) für den Ankerstromsollwert und dem Taktgeber (37) ein aus der Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes (53) und eines Kondensators (63) und aus einer zum ohmschen Widerstand (53) parallelgeschalteten Diode (62) bestehendes Verzögerungsglied angeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgangstransistor (123) ein von der Einstellung des Stellwiderstandes (42, 43) für den Ankerstromsollwert abhängiger Umschalter (145) zugeordnet ist, derart, daß der Überbrückungsschalter (22) für den Hauptthyristor (13) nach seinem Einschalten unabhängig von der Motorstromstärke eingeschaltet bleibt, wenn der Stellwiderstand (42, 43) auf den Höchstwert des Ankerstromsollwertes eingestellt ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Parallelkreis zur Kollektor-Basis-Strecke des Ausgangstransistors (123) die Kollektor-Basis-Strecke eines über den Umschalter (145) zu speisenden Transistors (128) angeordnet ist, der einen zum Ausgangstransistor (123) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kollektor und Basis des Ausgangstransistors (123) ein Kondensator (133) angeordnet ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Integrierglied (127) an Ausgangsklemmen des Taktgebers (37) und an den Umschalter (145) angeschlossen ist und daß dieses zweite Integrierglied (127) so ausgebildet ist, daß es nur bei bestimmten Ausgangsimpulsfolgen des Taktgebers (37) eine Ausgangsspannung abgibt, die geeignet ist, die spannungsabhängige Halbleiterschaltvorrichtung (67) einzuschalten.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Integrierglied (127) über einen Hochpaß an den Taktgeber (37) angeschlossen ist.

13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Integrierglied (126, 127) jeweils über eine Diode (148, 149) mit der spannungsabhängigen Halbleiterschaltvorrichtung (67) verbunden sind.