DE1513611C - 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 Stelhviderstandes vorgebbaren Ankerstromsolhvertes und des Ankerstromistwertes gesteuerten und mit einer Löscheinrichtung versehenen Hauptthyristor an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, wobei zur Erhöhung des Anlaßstromes die Motorspannung dem Eingang des Taktgebers zuführbar ist.

In den AEG-Mitteilungen 54 (1964), Heft 5/6, Seiten 447 bis 450, ist eine derartige Anordnung beschrieben, bei der ein Transistor-Kippverstärker zwei Impulsgeber steuert, die ihrerseits zum Zünden eines Hauptthyristors und eines Löschthyristors dienen. Auf den Eingang des Transistor-Kippverstärkers wirken über ein Summierglied drei Spannungen, die vom Drehzahlsollwert, vom Ankerstrom und von der Ankerspannung abhängig sind. Die Anordnung dient zur Stromversorgung eines Antriebsmotors für ein Flurförderfahrzeug.

Der Wirkungsgrad derartiger Thyristorschaltungen wird dadurch begrenzt, daß am Hauptthyristor im leitfähigen Zustand noch eine Restspannung von etwa 1,5 V abfällt. Diese Spannung fällt vor allem bei kleinen Gleichstrommotoren, insbesondere auf batteriebetriebenen Fahrzeugen, ins Gewicht, die nur eine niedrige Batteriespannung von etwa 24 bis 60 V aufweisen. Auch für die Dimensionierung des Hauptthyristors ist die Berücksichtigung der Restspannung wichtig. Der Hauptthyristor muß die ganze Verlustleistung aufnehmen können, auch wenn er bei Vollastbetrieb des Gleichstrommotors dauernd eingeschaltet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den durch die Thyristor-Restspannung begrenzten Wirkungsgrad der eingangs genannten Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors zu verbessern. Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß am Ausgang des Taktgebers ein als Schmitt-Trigger ausgebildeter Transistorschalter angeschlossen ist, der eingangsseitig einen von der Ausgangsspannung des Taktgebers aufladbaren Kondensator enthält, und daß im Ausgangsstromkreis des Transistorschalters ein Relais zur Steuerung eines Überbrückungsschalters für den Haupt-

thyristor und dessen Löscheinrichtung liegt. Im Gegensatz zum leitenden Thyristor weist der Überbrückungsschalter einen vernachlässigbar kleinen Widerstand auf, so daß er den Wirkungsgrad der Anordnung nicht nachteilig beeinflußt.

Eine Schaltungsanordnung mit einem Überbrückungsschalter ist nach der französischen Patentschrift 1408 973 bekannt. Bei dieser Anordnung wird jedoch der Überbrückungsschalter direkt vom Drehzahl-Sollwertgeber über ein Verzögerungsglied und ein Relais betätigt. Wenn der Drehzahl-Sollwertgeber auf Vollausschlag eingestellt wird, wird nach Ablauf der Verzögerungszeit der Überbrückungsschalter zwangsläufig geschlossen. Eine solche Steuerung des Überbrückungsschalters ist nur deshalb möglich, weil es sich bei der Schaltungsanordnung nach der französischen Patentschrift 1408 973 um eine Steuerschaltung ohne Rückführung des Motorstromes oder der Motorspannung auf den Eingang des Taktgebers handelt.

Sobald jedoch eine Stromregelschaltung verwendet wird, ist es möglich, daß das Taktverhältnis der Ausgangsimpulse des Taktgebers auch bei Vollausschlag des Ankerstrom-Sollwertgebers unter 100 °/o liegt. Wenn in diesem Falle der Überbrückungsschalter zwangsläufig geschlossen würde, dann würde der Gleichstrommotor ruckweise beschleunigt. Die Schaltungsanordnung nach der französischen Patentschrift 1408 973 läßt sich daher nicht für die eingangs genannte Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors mit Motorstromregelung verwenden.

Wenn bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Überbrückungsschalter geschlossen wird, dann wird der im Motorstromkreis wirksame Widerstand kleiner, und der Motorstrom nimmt zu. Da der Motorstrom-Istwert auf den Eingang des Taktgebers zurückgeführt wird, würde unter Umständen das Taktverhältnis der Ausgangsimpulse des Taktgebers wieder kleiner als 100%. Bei bestimmten Betriebszuständen wäre es daher möglich, daß der Überbrückungsschalter periodisch aus- und eingeschaltet wird. Dieses periodische Schalten des Überbrückungsschalters läßt sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch vermeiden, daß zum Relais ein Schalter gehört, der beim Einschalten des Relais die Differenz zwischen dem Ankerstromsollwert und dem Ankerstromistwert in der Weise verändert, daß sie mindestens gleich dem DifEerenzwert vor dem Einschalten ist.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Ausgestaltungen, die Gegenstände der Unteransprüche sind, werden nachstehend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung,

F i g. 2 bis 5 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise und

F i g. 6 ein ausführliches Schaltbild einer Anordnung nach der Erfindung.

F i g. 1 zeigt einen Gleichstrom-Reihenschlußmotor mit einem Anker 10 und einer Feldwicklung 11. Dieser wird aus einer Batterie 12 über einen Hauptthyristor 13 mit Strom versorgt. In der Zeichnung ist ein Thyristor mit thyratronartiger Charakteristik gezeigt. Es ist jedoch auch ohne weiteres möglich, einen ein- und ausschaltbaren Thyristor zu verwenden.

Die Anode des Hauptthyristors 13 ist über eine Sicherung 14 und einen Hauptschalter 15 an den Pluspol der Batterie 12 angeschlossen. Seine Kathode ist mit der Mittelanzapfung einer Drosselspule 16 verbunden. Ein Wicklungsende 17 der Drosselspule 16 ist mit dem einen Ende der Feldwicklung 11 verbunden, deren anderes Ende an den Anker 10 angeschlossen ist. Der andere Anschluß des Ankers 10 ist über einen Strommeßwiderstand 18

ίο mit dem Minuspol der Batterie 12 verbunden.

Ein Überbrückungsschütz 19 dient zum Betätigen eines Überbrückungsschalters 22, dessen einer Anschluß mit dem Wicklungsende 17 und dessen anderer Anschluß mit dem Hauptschalter 15 verbunden ist, so daß der Überbrückungsschalter 22 in geschlossenem Zustand den Hauptthyristor 13 zusammen mit der Sicherung 14 und der Drosselspule 16 überbrückt.

Parallel zum Haupthyristor 13 liegt die Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes 23 und eines Kondensators 24. Außerdem ist zum Löschen des Hauptthyristors 13 ein Löschthyristor 25 vorgesehen, dessen Kathode mit der Kathode des Hauptthyristors 13 verbunden ist und dessen Anode über einen Kondensator 26 großer Kapazität mit der Anode des Hauptthyristors 13 verbunden ist. Parallel zum Löschthyristor 25 liegt die Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes 27 und eines Kondensators 28.

An das andere Wicklungsende 29 der Drosselspule 16 ist die Anode einer Diode 30 angeschlossen, deren Kathode mit der Anode des Löschthyristors 25 verbunden ist.

Am Minuspol der Batterie 12 liegen die Anoden zweier Dioden 32 und 33. Die Kathode der Diode 32 ist mit demjenigen Anschluß der Feldwicklung 11 verbunden, der an den Anker 10 angeschlossen ist, und die Kathode der Diode 33 ist mit dem anderen Anschluß der Feldwicklung 11 verbunden. Sie dient in bekannter Weise als Freilaufdiode, derart, daß beim Sperren des Hauptthyristors 13 der Strom i im Motor 10, 11 durch diese Diode 33 weiterfließt. Hierzu wird auf F i g. 2 verwiesen.

Wenn der Hauptthyristor 13 im Zeitpunkt i_x gezündet wird, steigt der Strom i im Motor 10,11 exponentiell an. Wird der Hauptthyristor 13 im Zeitpunkt i, gelöscht, so fließt der Strom i durch die Diode 33 weiter und fällt dabei exponentiell ab. Auf diese Weise stellt sich bei einem bestimmten Einschaltverhältnis m des Hauptthyristors 13, d. h. einem bestimmten Verhältnis zwischen seiner leitenden Zeit T₁ und der Summe seiner leitenden und seiner nichtleitenden Zeit (T₁ + T₀), ein mittlerer Strom I_M durch den Gleichstrommotor ein. In F i g. 2 beträgt das Einschaltverhältnis (oft auch Takt- oder Tastverhältnis genannt) etwa 36%, und man erhält einen niedrigen mittleren StromI_Ml. Bei Fig. 3 dagegen beträgt das Einschaltverhältnis etwa 80%, und man erhält einen höheren mittleren Strom I_{M 2}.

Die Diode 32 dient dazu, beim Reversieren des Motors Spannungsspitzen zu verhindern. Reversiert wird durch Umschalten der Stromrichtung in der Feldwicklung 11; der Übersichtlichkeit halber ist die Reversiereinrichtung nicht dargestellt.

Zum Zünden des Hauptthyristors 13 dient ein Impulsgeber 35, und zum Zünden des Löschthyristors 25 dient ein Impulsgeber 36. Beide Impulsgeber 35 und 36 sind an den Ausgang eines Taktgebers 37

angeschlossen. Dieser weist eine positive Rückkopplung über die Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes 38 und eines Kondensators 39 auf. Man könnte ihn auch als Multivibrator bezeichnen, dessen Einschaltverhältnis und Ausgangsfrequenz von den Spannungen an seinen Eingängen abhängig sind. Das ausführliche Schaltbild eines solchen Taktgebers ist in F i g. 6 dargestellt, bei deren Erläuterung auch die Wirkungsweise ausführlich beschrieben wird.

Als Ankerstromsollwert für den Taktgeber 37 dient die an einem Abgriff 42 eines Potentiometers 43 abgegriffene Spannung. Als Ankerstromistwert dient die am Strommeßwiderstand 18 als Istwertgeber entstehende Spannung, die über zwei Leitungen 44, 45 dem Taktgeber 37 zugeführt wird. In der Leitung 44 liegt ein ohmscher Widerstand 46, der im Ruhezustand von einem Schalter a_x überbrückt wird. Der Schalter a_t wird gleichzeitig mit dem Schließen des Überbrückungsschalter 22 geöffnet.

Der Abgriff 42 des Potentiometers 43 ist außerdem an den Ausgang eines Funktionsgebers 47 angeschlossen, dessen Eingang die am Gleichstrommotor 10, 11 liegende Spannung zugeführt wird. Der Funktionsgeber 47, dessen genauer Aufbau in F i g. 6 dargestellt ist, macht den Ausgangswert des Anker-Stromsollwertgebers 42, 43 von der Spannung am Gleichstrommotor 10, 11 in der Weise abhängig, daß bei wachsender Spannung am Gleichstrommotor dieser Ausgangswert erniedrigt wird.

An den Taktgeber 37 ist weiterhin ein Transistorschalter 48 angeschlossen. An seinem Ausgang liegt das Überbrückungsschütz 19. Wenn der Taktgeber 37 das Einschaltverhältnis 100 °/o erreicht, also den Hauptthyristor 13 dauernd leitend hält, schaltet der Transistorschalter 48 das Überbrückungsschütz 19 ein und schließt dadurch den Überbrückungsschalter 22.

Das Potentiometer 43 ist über seinen einen Anschluß mit Masse verbunden, an die auch die Leitung 45 und damit auch der eine Eingang des Funktionsgebers 47 angeschlossen ist. Ebenso ist der mit dem Motor 10, 11 verbundene Anschluß des Strommeßwiderstands 18 an Masse angeschlossen. Der andere Anschluß des Potentiometers 43 ist über einen einstellbaren ohmschen Widerstand 49 mit einer Leitung 52 verbunden, die im folgenden als Plusleitung bezeichnet wird. Zwischen dieser Plusleitung und Masse liegen außerdem ein Kondensator 53 und eine Zenerdiode 54, deren Anode an Masse liegt. Über einen ohmschen Widerstand 55, eine Sicherung 56 und einen Zündschalter 57 ist die Plusleitung 52 mit dem Hauptschalter 15 verbunden. An der Serienschaltung des Potentiometers 43 und des ohmschen Widerstandes 49 liegt also stets die konstante Spannung der Zenerdiode 54.

Im Betrieb wird am Abgriff 42 des Potentiometers 43 ein bestimmter Ankerstromsollwert eingestellt. Durch eine in F i g. 6 näher dargestellte Verzögerungseinrichtung wirkt dieser Ankerstromsollwert erst nach einer gewissen Verzögerungszeit voll am Taktgeber 37, so daß der mittlere Motorstrom I_M — wie in F i g. 4 dargestellt — mit zeitlicher Verzögerung ansteigt. Ohne den Funktionsgeber 47 erhält man nach einer gewissen Zeit einen bestimmten konstanten Wert des mittleren Motorstromes I_M, wie er durch die Geraden 58, 59, 60 in F i g. 4 dargestellt ist. Dieser Strom ist kontinuierlich einstellbar. Nach Beendigung des Anlaßvorgangs (entsprechend 100% Einschaltverhältnis) erfolgt keine Strombegrenzung mehr. Der Motorstrom erreicht die normale Hauptschlußmotorkennlinie, d. h., der Strom fällt ab.

Durch den Funktionsgeber 47 erreicht man, daß beim Anlassen, d. h. bei niedrigen Drehzahlen und damit niedriger Spannung am Motor 10, 11 der mittlere Motorstrom I_M wesentlich höher wird, und zwar erhält man beispielsweise beim Anlassen statt der Kurve 58 die strichpunktiert gezeichnete Kurve 63. Dies wird dadurch erreicht, daß in bekannter Weise (vgl. AEG-Mitteilungen 54 [1964], Heft 5/6, S. 448/ 449) mit steigender Spannung am Motor 10, 11 der Ankerstromsollwert am Abgriff 42 automatisch erniedrigt wird. Der Anfahrvorgang wird dadurch sehr beschleunigt, ohne daß der Hauptthyristor 13 überlastet wird.

Der Taktgeber 37 arbeitet beim Anlassen im Taktbetrieb, d. h., er erzeugt laufend Impulse an seinem Ausgang, die entweder den Impulsgeber 35 oder den Impulsgeber 36 einschalten. Wird der Impulsgeber 35 eingeschaltet, so gibt er Impulse an die Steuerelektrode des Hauptthyristors 13 und zündet diesen. Dadurch erhält der Motor 10, 11 Strom. Gleichzeitig wird der Kondensator 26, der sich vorher etwa auf die Spannung der Batterie 12 aufgeladen hatte, umgeladen, und zwar bildet die obere Hälfte der Drosselspule 16 zusammen mit dem Kondensator 26 und dem Hauptthyristor 13 einen Serienschwingkreis. Durch die erste Schwingung in diesem Schwingkreis wird der Kondensator 26 etwa auf die doppelte Spannung umgeladen. Dadurch ist diejenige Elektrode des Kondensators 26, die mit der Kathode der Diode 30 verbunden ist, um etwa die Höhe der Spannung an der Batterie 12 positiver als die andere Elektrode, wie das in Fig. 1 durch die Zeichen + und — angedeutet ist.

Da die Diode 30 weitere Schwingungen blockiert, bleibt dieser Ladungszustand erhalten.

Durch die Drosselspule 16 erreicht man, daß die Umladespannung am Kondensator 26 mit wachsendem Motorstrom /_Λ1 steigt, da ein Strom in der unteren Wicklungshälfte der Drosselspule 16 in der oberen Wicklungshälfte entsprechend größere Spannungen induziert.

Kommt jetzt vom Impulsgeber 36 ein Impuls zur Steuerelektrode des Löschthyristors 25, so wird dieser leitend. Der Kondensator 26 entlädt sich über die Thyristoren 13 und 25. Durch den Gegenstrom im Hauptthyristor 13 wird dieser gesperrt. Die restliche Ladung am Kondensator 26 fließt über die Drosselspule 16 zum Motor 10, 11. Gleichzeitig wird der Kondensator 26 über den Löschthyristor 25 wieder auf die Spannung der Batterie 12 aufgeladen. Nach Beendigung dieses Aufladevorgangs wird der Löschthyristor 25 nichtleitend, da kein Strom mehr in ihm fließt.

F i g. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Effektivwert des im Hauptthyristor 13 fließenden und für dessen Erwärmung maßgebenden Stromes, dem zeitlichen Mittelwert des Stroms I_M im Motor 10, 11 und dem Einschaltverhältnis m. Wenn der Thyristor 13 ständig eingeschaltet ist, bzw. wenn der Überbrückungsschalter 22 geschlossen ist (entsprechend m = 100%), gilt I_M = I_elf, wie das z. B. an der Kurve für I_M — 100 (A) ersichtlich ist, der bei m = 100% ein Strom I_eff = 100 (A) entspricht. Bei kleinerem m kann jedoch I_M wesentlich größer werden als I_eti. Dies entspricht der Erhöhung des Ankerstromsoll-

wertes beim Anlassen. Der Funktionsgeber 47 wirkt dabei wie eine Strombegrenzung für den Strom I_efl.

Außer den bereits beschriebenen Bauteilen der Fig. 1 enthält das ausführliche Schaltbild nach F i g. 6 noch eine elektrische Begrenzungsanordnung für die Drehzahl des Motors 10, 11, die im folgenden beschrieben wird. Sie ist in F i g. 6 als Teil des Funktionsgebers 47 dargestellt.

Die zur Steuerung der Thyristoren 13 und 25 dienenden Impulsgeber 35 und 36 sind identisch aufgebaut. Es wird deshalb nur der Impulsgeber 35 beschrieben. Die entsprechenden Teile des Impulsgebers 36 werden mit denselben Bezugsziffern und einem nachgesetzten ' bezeichnet, z. B. 70 und 70', und nicht nochmals beschrieben.

Die Impulsgeber 35 und 36 sind als Sperrschwingoszillatoren aufgebaut. Dies hat sich besonders bei kleinen Betriebsspannungen, z. B. einer Batteriespannung von 24 V, als vorteilhafter erwiesen als die Verwendung von Impulsgebern mit Unijunction-Transistoren, die bei niedrigen Spannungen nicht die notwendige Zündleistung abgeben können.

Der Impulsgeber 35 enthält einen npn-Transistor 64, dessen Kollektor mit der Plusleitung 52 verbunden ist, während seine Basis an die Kathode einer Diode 65 angeschlossen ist. Die Anode der Diode 65 ist über einen ohmschen Widerstand 66 mit der Plusleitung 52 und über die Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes 67, eines Kondensators 68 und einer Wicklung 69 eines Übertragers 72 mit dem KoI-lektor eines Steuertransistors 73 verbunden. In entsprechender Weise ist die Basis des Transistors 64' mit dem Kollektor eines Steuertransistors 74 verbunden. Die Steuertransistoren 73 und 74 sind npn-Transistoren. Sie sind als Teile des Taktgebers 37 dargestellt. Wie im folgenden beschrieben wird, kann jeweils nur einer der beiden Steuertransistoren 73 oder 74 leitend sein. Sie sind also gegeneinander verriegelt.

Die Wicklung 69 ist mit einer Anzapfung 75 versehen, die mit dem Emitter des Transistors 64 verbunden ist.

Der Übertrager 72 hat eine Ausgangswicklung 76, deren einer Anschluß mit der Kathode des Thyristors 13 und deren anderer Anschluß über einen ohmschen Widerstand 77 mit der Steuerelektrode des Hauptthyristors 13 verbunden ist. Zwischen dieser Steuerelektrode und der Kathode des Hauptthyristors 13 liegt ein ohmscher Widerstand 78 a.

In gleicher Weise ist die Ausgangswicklung 76' mit der Kathode und der Steuerelektrode des Löschthyristors 25 verbunden.

Der Impulsgeber 35 arbeitet wie folgt: Solange der Steuertransistor 73 gesperrt ist, erhält der Impulsgeber 35 keinen Strom und arbeitet nicht. Wird der Steuertransistor 73 leitend, so liegt sein Kollektor nahezu auf Massepotential, und der Impulsgeber 35 erhält Strom, so daß er zu schwingen beginnt. Er erzeugt dabei an der Ausgangswicklung 76 Impulse von etwa 5 V und mit einer Folgefrequenz von etwa 6 kHz, die den Hauptthyristor 13 zünden.

Der Impulsgeber 36 arbeitet in derselben Weise, wenn der Steuertransistor 74 leitend ist.

Der Taktgeber 37 ist wie folgt aufgebaut: Außer den bereits beschriebenen Steuertransistoren 73 und 74 enthält er einen pnp-Transistor 78 und drei npn-Transistoren 79, 80, 81. Die drei Transistoren 78, 79, 80 bilden den eigentlichen Taktgeber. Der Transistor 81 dient als Umkehrverstärker, und die Transistoren 79 und 80 dienen als gegeneinander verriegelte Leistungsstufen mit niederohmigem Ausgang.

Der Emitter des Transistors 78, der ein hochempfindlicher Siliziumtransistor ist, ist über einen ohmschen Widerstand 82 von beispielsweise lOOkOhm an die Plusleitung 52 angeschlossen; außerdem ist dieser Emitter direkt mit der Basis des Transistors 79 und über einen Kondensator 83 von z. B. 15 nF mit dem Kollektor dieses Transistors verbunden.

Der Kollektor des Transistors 78 liegt direkt an Masse. Seine Basis ist über die Serienschaltung des ohmschen Widerstandes 38 (z. B. 3 kOhm) und des Kondensators 39 (z. B. 70 nF) mit dem Kollektor des Transistors 80 verbunden. Außerdem ist diese Basis mit der Anode einer Diode 84 und über zwei ohmsche Widerstände 85, 86 (z. B. je 3,3 kOhm), die über einen Knotenpunkt 87 miteinander in Serie liegen, mit dem Abgriff 42 des Potentiometers 43 verbunden. Ein Kondensator 88 von z. B. 50 μ¥ liegt zwischen dem Knotenpunkt 87 und Masse, mit der auch die Kathode der Diode 84 verbunden ist. Die Diode 84 wirkt in vorteilhafter Weise mit dem Transistor 78 zusammen, dessen Kollektor-Basis-Strecke ebenfalls als Diode wirkt. Zusammen mit dieser »Kollektor-Basis-Diode« symmetriert sie den Eingang des Taktgebers 37.

Parallel zum ohmschen Widerstand 86 ist eine Diode 89 geschaltet, deren Anode mit dem Knotenpunkt 87 verbunden ist.

Die Basis des Transistors 78 ist außerdem über zwei in Serie liegende ohmsche Widerstände 92, 93, die miteinander über einen Knotenpunkt 94 verbunden sind, und über den dazu in Reihe liegenden ohmschen Widerstand 46 an demjenigen Ende des Strommeßwiderstands 18 angeschlossen, das mit dem Minuspol der — in F i g. 6 nicht dargestellten — Batterie 12 verbunden ist. Der andere Anschluß des Strommeßwiderstands 18 liegt an Masse und stellt somit den Nullpunkt des Taktgebers 37 und der übrigen elektronischen Überwachungsglieder 47, 48 dar. Die ohmschen Widerstände 92 und 93 sind z. B. je 1 kOhm groß, und der ohmsche Widerstand 46 hat z. B. 0,5 kOhm. Zwischen dem Knotenpunkt 94 und Masse liegt ein Kondensator 95 von beispielsweise 25 μΚ Er dient zusammen mit den ohmschen Widerständen 92 und 93 dazu, die pulsierende Spannung am Strommeßwiderstand 18 zu glätten.

Die ohmschen Widerstände 85 und 86 sowie der Kondensator 88 dienen als Verzögerungsglied: Wenn der Abgriff 42 verschoben wird, muß erst der Kondensator 88 über den ohmschen Widerstand 86 aufgeladen werden, ehe sich die Spannung an der Basis des Transistors 78 ändert. Entladen wird er dagegen ohne Verzögerung über die Diode 89, so daß diese Verzögerung nur beim Beschleunigen, nicht jedoch beim Abbremsen wirksam wird. Diese Maßnahme hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen.

Der Kollektor des Transistors 79 ist direkt mit der Basis des Transistors 80 und über einen ohmschen Widerstand 96 mit der Plusleitung 52 verbunden. Der Emitter des Transistors 79 ist mit der Anode einer Zenerdiode 97 und über einen ohmschen Widerstand 98 mit Masse verbunden. Die Kathode der Zenerdiode 97 ist über zwei ohmsche Widerstände 99, 100, die über einen Knotenpunkt 103 miteinander in Serie liegen, mit dem Wicklungsende 17 der Drosselspule 16 verbunden. Zwischen dem Knoten-

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punkt 103 und Masse liegt ein Kondensator 104 von z. B. 50 μ¥. Parallel zu ihm ist ein Endschalter 105 angeordnet, der vom Stapelarm eines Hubstaplers geschlossen wird, wenn sich dieser Stapelarm in seiner Ruhelage befindet. Dem Kondensator 104 wird also über den ohmschen Widerstand 100 die am Gleichstrommotor 10, 11 liegende Spannung zugeführt. Ist der Endschalter 105 geöffnet, so wird diese Spannung dem Taktgeber 37 zugeführt. Ist er dagegen geschlossen, so wird die Zufuhr dieser Spannung zum Taktgeber 37 blockiert.

Der Emitter des Transistors 80 ist mit Masse verbunden. Sein Kollektor ist über einen ohmschen Widerstand 106 an die Plusleitung 52 angeschlossen und über einen ohmschen Widerstand 107 mit der Basis des Transistors 81 verbunden, die über einen ohmschen Widerstand 108 an Masse liegt, mit der auch der Emitter dieses Transistors verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 81 ist über einen ohmschen Widerstand 111 mit der Plusleitung 52 und über zwei in Reihe geschaltete ohmsche Widerstände 112, 113 mit Masse verbunden.

An den Verbindungspunkt der ohmschen Widerstände 112 und 113 ist die Basis des Steuertransistors 74 angeschlossen, dessen Emitter an Masse liegt. Sein Kollektor ist, wie bereits beschrieben, mit der Wicklung 69' verbunden. Er ist außerdem mit der Kathode einer Diode 114 verbunden und über einen ohmschen Widerstand 115 an die Plusleitung 52 angeschlossen.

Die Anode der Diode 11.4 ist mit der Anode einer Diode 116 und über einen ohmschen Widerstand 117 mit der Plusleitung 52 verbunden. Die Kathode der Diode 116 ist mit der Basis des Steuertransistors 73 und über einen ohmschen Widerstand 118 mit Masse verbunden, an der auch der Emitter dieses Transistors liegt. Der Kollektor des Steuertransistors 73 ist, wie bereits beschrieben, mit der Wicklung 69 und über einen ohmschen Widerstand 119 mit der Plusleitung 52 verbunden.

Der bisher beschriebene Teil der Schaltungsanordnung nach F i g. 6 arbeitet wie folgt:

Nach Einschalten des Hauptschalters 15 und des Zündschalters 57 liegt an der Plusleitung 52 eine positive Spannung von z. B. 8 V gegenüber Masse. Durch die Zenerdiode 54 ist diese Spannung stabilisiert

Im Ruhezustand wird der Abgriff 42 so eingestellt, daß er an Masse liegt. Der Kondensator 88 ist dann über die Diode 89 entladen. Da durch den Gleichstrommotor 10, 11 kein Strom fließt, liegen auch die Anschlüsse des Strommeßwiderstandes 18 auf Massepotential. Folglich hat auch die Basis des Transistors 78 Massepotential, wobei in diesem Transistor ein Kollektorstrom fließt. Hierdurch 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 111, 112, 113 bestehende Spannungsteiler gibt der Basis des Steuertransistors 74 ein positives Potential, so daß dieser Transistor voll leitend ist und den Impulsgeber 36 eingeschaltet hält; dieser Impulsgeber führt dem Löschthyristor 25 Zündimpulse zu.

Der Kollektorstrom des Steuertransistors 74 fließt teils über den Impulsgeber 36, teils über die Parallelschaltung der ohmschen Widerstände 115 (z. B. 1500 Ohm) und 117 (z. B. 300 Ohm). Die Anode der Diode 114 hat also ein Potential, das nur wenig positiver ist als das Massepotential, so daß der Steuertransistor 73 und mit ihm der Impulsgeber 35 gesperrt sind. Der Gleichstrommotor 10, 11 erhält also keinen Strom über den Hauptthyristor 13.

Wird der Abgriff 42 so verschoben, daß eine Spannung zwischen ihm und Masse entsteht, so fließt ein Strom über die ohmschen Widerstände 86, 85, 92, 93, 46 zum Strommeßwiderstand 18. Wie bereits beschrieben, wird der Anstieg dieses Stromes durch den Kondensator 88 verzögert. Durch diesen Strom erhält die Basis des Transistors 78 ein etwas positiveres Potential, so daß dieser Transistor weniger leitend wird, während der Transistor 79 beginnt, leitend zu werden, und der Transistor 80 ebenfalls weniger leitend wird, wodurch sein Kollektorpotential positiver wird.

Diese Erhöhung des Kollektorpotentials wird über die KC-Schaltung 38, 39 auf die Basis des Transistors 78 übertragen, so daß diese noch positiver wird und dieser Transistor nun vollständig sperrt, wodurch der Transistor 79 vollständig leitend wird und der Transistor 80 vollständig sperrt. Dadurch wird der Transistor 81 voll leitend und überbrückt die ohmschen Widerstände 112,113, so daß die Basis des Steuertransistors 74 Massepotential erhält und dieser Transistor sperrt. Das Kollektorpotential des Steuertransistors 74 wird dadurch stark positiv, und es fließt kein Strom mehr über die Diode 114, so daß die Basis des Steuertransistors 73 ein positives Potential erhält und dieser Transistor leitet und den Impulsgeber 35 einschaltet. Durch die Schwingungen des Impulsgebers 35 wird der Hauptthyristor 13 eingeschaltet, und der Gleichstrommotor 10, 11 erhält Strom und beginnt, sich zu drehen, wobei die Spannung an ihm bekanntlich mit wachsender Drehzahl ansteigt.

Der Ankerstromistwert / erzeugt einen Spannungsabfall am Strommeßwiderstand 18, der die durch die Zeichen + und — angedeutete Polarität hat. Durch diesen Spannungsabfall erhöht sich die Spannung zwischen dem Abgriff 42 und dem Strommeßwiderstand 18, wobei die Basis des Transistors 78 negativer wird. Gleichzeitig entlädt sich der Rückführungs-Kondensator 39, wodurch ebenfalls das Potential an der Basis des Transistors 78 negativer wird. Beide Einflüsse wirken zusammen, so daß der Transistor 78 nach einer bestimmten Zeit wieder leitend wird, und zwar dann, wenn der Strom durch den Strommeßwiderstand 18 den am Abgriff 42 eingestellten Sollwert um einen bestimmten Betrag überschritten hat. Dieses Steuerungsverhalten kommt durch die Widerstände 92,93 und den Kondensator95 zustande.

Wenn der Transistor 78 wieder leitend wird, wird der Transistor 79 weniger leitend, und der Transistor 80 wird stärker leitend, so daß sein Kollektor negativer wird. Diese Potentialänderung wird über die RC-Schaltung38, 39 auf die Basis des Transistors 78 übertragen und macht diese negativer, so daß der Transistor 78 und durch ihn auch der Transistor 80 voll leitend wird. Dadurch wird, wie eben beschrieben, der Steuertransistor 74 leitend und der Steuertransistor 73 gesperrt, d. h., die Steuerelektrode des Hauptthyristors 13 erhält keine Steuerimpulse mehr, während der Löschthyristor 25 vom Impulsgeber 36 Impulse erhält und, wie oben beschrieben, den Hauptthyristor 13 sperrt.

Infolge der Selbstinduktion des Gleichstrommotors

10, 11 fließt in diesem weiterhin ein Strom, der sich durch die Diode 33 schließt. Auch dieser Strom, der exponentiell abnimmt, erzeugt einen Spannungsabfall am Strommeßwiderstand 18. Ist dieser Spannungsabfall genügend klein geworden, so wird der Transistor 78 wieder gesperrt, und das beschriebene Spiel wiederholt sich von neuem.

Der Ankerstromistwert i hat je nach dem am Abgriff 42 eingestellten Sollwert eine Kurvenform, wie sie in den F i g. 2 und 3 dargestellt ist. Die schraffierten Rechtecke symbolisieren dabei die Zeit, während der der Hauptthyristor 13 leitet. Das Einschaltverhältnis m stellt sich entsprechend der Differenz von Soll- und Istwert und der Belastung des Motors selbsttätig auf den richtigen Wert ein.

Mit steigender Drehzahl steigt auch die Spannung am Motor. Wenn der Endschalter 105 geöffnet ist, also z. B. der Stapelarm eines vom Motor angetriebenen Hubstaplers ausgefahren ist, wird der Kondensator 104 über den ohmschen Widerstand 100 von der Motorspannung aufgeladen. Hat die Spannung am Kondensator 104 die Durchbruchspannung der Zenerdiode 97 erreicht, so wird diese leitend, und es fließt ein Strom durch den ohmschen Widerstand 98 im Emitterkreis des Transistors 79. Dadurch wird der Transistor 79 gesperrt und durch ihn, wie oben beschrieben, der Hauptthyristor 13. Hierdurch erreicht man in höchst einfacher Weise eine Drehzahlbegrenzung, die z. B., wie beschrieben, nur eingeschaltet ist, wenn der Stapelarm des Hubstaplers ausgefahren ist. Es ist im übrigen ohne weiteres ersichtlich, daß man auch andere Begrenzungen vorsehen kann, z. B. eine Begrenzung gegen hohe Drehzahlen, um ein Durchgehen des Motors für den Fall zu verhindern, daß der von einem Gleichstrom-Reihenschlußmotor angetriebene Hubstapler umgefallen ist und seine Räder unbelastet sind.

Entsprechend dem am Abgriff 42 eingestellten Sollwert erhält man nach einer gewissen Zeit einen konstanten Strom durch den Motor, wie das in F i g. 4 durch die Geraden 58, 59, 60 dargestellt ist. An sich wäre es jedoch möglich, beim Anlassen zeitweilig ohne Überlastung des Hauptthyristors 13 noch einen wesentlich höheren Strom zu erzielen. Dies kommt daher, weil mit der gewählten Schaltungsanordnung der zeitliche Mittelwert des Motorstromes, nicht aber der Effektivwert dieses Stromes erfaßt wird. F i g. 5 zeigt z. B., daß bei einem Einschaltverhältnis von m = 50% und einem zeitlichen Mittelwert I_M von 130 (A) der Effektivwert des Stromes durch den Hauptthyristor 13 erst 95 (A) beträgt. Dieser ist dabei noch nicht voll ausgelastet; mit anderen Worten, der Anlaßvorgang könnte noch stärker beschleunigt werden, wenn es gelingt, den Hauptthyristor 13 voll auszulasten.

Hierzu dient der Funktionsgeber 47, der im folgenden beschrieben wird. Er enthält einen npn-Transistor 122, dessen Emitter mit Masse verbunden ist und dessen Basis über zwei ohmsche Widerstände 123,124, die über einen Knotenpunkt 125 in Serie liegen, mit dem Wicklungsende 17 der Drosselspule 16 verbunden sind. Zwischen dem Knotenpunkt 125 und Masse liegt die Parallelschaltung eines Kondensators 126 und eines ohmschen Widerstandes 127. Zwischen der Basis des Transistors 122 und Masse liegt ein ohmscher Widerstand 128. Der Kollektor ist über einen ohmschen Widerstand 129 mit der Plusleitung 52, über einen ohmschen Widerstand 130 und eine Diode 132 mit dem Abgriff 42 und über einen ohmschen Widerstand 131 mit seiner Basis verbunden. Der ohmsche Widerstand 131 dient in vorteilhafter Weise als Gegenkopplung. Hierdurch wird die Wirkungsweise des Funktionsgebers 47 in gewünschter Weise beeinflußt. Die Diode 132 ist mit ihrer Anode an den Abgriff 42 angeschlossen.

Der Funktionsgeber 47 arbeitet wie folgt: Solange kein Strom durch den Motor fließt, ist die Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors 122 gleich Null, und dieser ist gesperrt. Es kann also kein Strom vom Abgriff 42 über den ohmschen Widerstand 130 und den Transistor 122 nach Masse fließen, d. h., der volle am Abgriff 42 eingestellte Sollwert wirkt am Taktgeber 37. Die Diode 132 verhindert gleichzeitig, daß von der Plusleitung 52 ein Strom zum Abgriff 42 fließt und den Sollwert beeinflußt.

Wenn die Motordrehzahl zunimmt, steigt auch die Spannung am Motor an, und im gleichen Maße wird auch der Transistor 122 leitend, so daß ein mit wachsender Drehzahl ansteigender Strom vom Abgriff 42 über ihn fließt. Mit anderen Worten: Der Transistor 122 legt in dem Maße, wie er mit steigender Drehzahl leitend wird, den ohmschen Widerstand 130 parallel zu dem vom Stellwiderstand 43 abgegriffenen Teilwiderstand. Dadurch sinkt die Spannung am Abgriff 42 ab. Mit steigender Drehzahl wird also der Sollwert automatisch reduziert. Dies wirkt im Endeffekt wie eine Strombegrenzung und ermöglicht ein Anlassen mit wesentlich höherem Strom, wie das in F i g. 4 durch die Kurve 63 dargestellt ist, die sich bei Verwendung des Funktionsgebers 47 an Stelle der Kurve 58 ergibt.

Der Kondensator 126 wirkt in dieser Schaltung als Glättungskondensator, denn am Motor liegt eine wellige Spannung, die zuerst gesiebt werden muß.

Bei bestimmten Betriebszuständen ist der Hauptthyristor 13 in bekannter Weise dauernd eingeschaltet. Er kann dann mit Vorteil überbrückt werden, weil sonst der Kondensator 26 sich nach einiger Zeit entladen würde und es dann nicht mehr möglich wäre, den Hauptthyristor 13 zu löschen.

Zur Steuerung des Überbrückungsschützes 19 ist der Transistorschalter 48 vorgesehen. Er enthält einen npn-Transistor 133 und einen pnp-Transistor 134, welch letzterer ein Relais A mit zwei Schaltern a_x und a₂ steuert. Diese Schalter sind in der Schaltungsanordnung zweimal eingezeichnet. Der Schalter a_x liegt parallel zum ohmschen Widerstand 46, und der Schalter a.₂ steuert das Uberbrückungsschütz 19. Beide Schalter sind für den Zustand dargestellt, in dem sie sich bei stromlosem Relais A befinden.

Die Transistoren 133 und 134 sind nach Art eines Schmitt-Triggers geschaltet. Der Emitter des Transistors 134 ist mit der Plusleitung 52 verbunden; sein Kollektor liegt über das Relais A an Masse. Parallel zum Relais A liegt eine Löschdiode 135. Zwischen Kollektor und Basis des Transistors 134 liegt ein Kondensator 136. Außerdem ist dieser Kollektor über einen Rückkopplungswiderstand 137 mit der Basis des Transistors 133 verbunden, die ihrerseits mit der Anode einer Zenerdiode 138 und über die Parallelschaltung eines ohmschen Widerstands 139 und eines Kondensators 140 mit Masse verbunden ist. Die Kathode der Zenerdiode 138 ist über einen Kondensator 143 mit Masse und über zwei in Serie geschaltete ohmsche Widerstände 144, 145 mit der Plus-

leitung 52 verbunden. Mit der Verbindungsstelle dieser Widerstände ist die Anode einer Diode 146 verbunden, deren Kathode am Kollektor des Steuertransistors 74 liegt.

Der Emitter des Transistors 133 ist über einen ohmschen Widerstand 147 mit Masse und über zwei in Reihe geschaltete ohmsche Widerstände 148,149 an die Plusleitung 52 angeschlossen. Der Verbindungspunkt der ohmschen Widerstände 148, 149 ist mit der Basis des Transistors 134 verbunden.

Der Transistorschalter 48 arbeitet wie folgt: Wenn der Taktgeber 37 im Taktbetrieb arbeitet, wird der Kollektor des Steuertransistors 74 abwechselnd positiv und negativ. Der Kondensator 143 wird dann abwechselnd über die ohmschen Widerstände 144, 145 (z. B. 2 kOhm) aufgeladen und über den ohmschen Widerstand 144, die Diode 146 und den Steuertransistor 74 wieder entladen, so daß sich an ihm nur eine niedrige Spannung ausbildet.

Wird der Hauptthyristor 13 dauernd leitend, so ist der Steuertransistor 74 dauernd gesperrt, so daß über die Diode 146 kein Entladestrom mehr fließt. Der Kondensator 143 wird deshalb stärker aufgeladen, und beim Erreichen einer bestimmten Spannung wird die Zenerdiode 138 (oder eine andere Diode mit Knickcharakteristik) stark leitend, so daß im Transistor 133, der zuvor gesperrt war, ein Basisstrom fließt. Durch den Kollektorstrom des Transistors 133 wird der Verbindungspunkt der ohmschen Widerstände 148 und 149 negativer, und auch der Transistor 134 wird voll leitend, so daß das Relais A anzieht und den Schalter <?., schließt. Dadurch erhält das Überbrückungsschütz 19 Strom und schließt den Überbrückungsschalter 22, der den Hauptthyristor 13 überbrückt. Durch den Rückkopplungswiderstand 137 erhält die Schaltungsanordnung ein Sprungverhalten sowie eine gewisse Schalthysterese.

Beim Einschalten des Überbrückungsschalters 22 erhöht sich der Ankerstromistwert über den am Ankerstromsollwertgeber 42, 43 eingestellten Wert hinaus, da der Innenwiderstand des Hauptthyristors 13 nun nicht mehr im Stromkreis liegt. Hierdurch würde der Taktgeber 37 an sich das Taktverhältnis von bisher m— 100% reduzieren, d.h., der Taktgeber37

ίο würde den Hauptthyristor 13 kurzzeitig wieder ausschalten; hierdurch würde der Transistorschalter 48 wieder ausgeschaltet und durch ihn der Überbrükkungsschalter 22 wieder geöffnet.

Um dies zu verhindern, ist der Schalter Ci₁ vorgesehen, der beim Ansprechen des Relais A geöffnet wird und dadurch den ohmschen Widerstand 46 in die Leitung 44 zusätzlich einschaltet. Hierdurch wird das Verhältnis von Soll- zu Istwert so verändert, daß die Spannung am Eingang des Taktgebers 37 unverändert bleibt, d. h., der Überbrückungsschalter 22 bleibt eingeschaltet, und das Einschaltverhältnis m bleibt bei 100 °/o.

Erst wenn die am Abgriff 42 eingestellte Spannung einen kleinen Strom über die ohmschen Widerstände 86, 85 fließen läßt, als über die ohmschen Widerstände 92, 93, 46 zum Strommeßwiderstand 18 fließt (Sollwert kleiner als Istwert), beginnt der Taktgeber 37 wieder, den Steuertransistor 74 aus- und einzuschalten, und erst dann öffnet der Transistorschalter 48 wieder den Überbrückungsschalter 22.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat sich im Betrieb als sehr vorteilhaft erwiesen, besonders durch geringen Energieverbrauch, betriebssicheres Verhalten, hohe Anlaßleistung und sichere Begrenzung der Drehzahl bei belastetem Motor.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors, dessen Ankerstromkreis über einen von einem Taktgeber in Abhängigkeit von der Differenz eines mittels eines Stelhviderstandes vorgebbaren Ankerstromsollwertes und des Ankerstromistwertes gesteuerten und mit einer Löscheinrichtung versehenen Hauptthyristor an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, wobei zur Erhöhung des Anlaßstromes die Motorspannung dem Eingang des Taktgebers zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Taktgebers (37) ein als Schmitt-Trigger ausgebildeter Transistorschalter (48) angeschlossen ist, der eingangsseitig einen von der Ausgangsspannung des Taktgebers (37) aufladbaren Kondensator (143) enthält, und daß im Ausgangsstromkreis des Transistorschalters (48) ein Relais (A) zur Steuerung eines Überbrückungsschalter (22) für den Hauptthyristor (13) und dessen Löscheinrichtung liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Relais (A) ein Schalter (^₁) gehört, der beim Einschalten des Relais (A) 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 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber (37) eine Multivibratorschaltung mit wenigstens zwei Transistoren (78, 79) enthält.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (78, 79) als Steuereingangsglieder des Taktgebers (37) vorgesehen sind und daß das Taktverhältnis (m) durch Erhöhen der Eingangsspannung des ersten Steuereingangsgliedes vergrößerbar und durch Erhöhen der Eingangsspannung des zweiten Steuereingangsgliedes verminderbar ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Ankerstromsollwert proportionale Eingangsspannung dem ersten Steuereingangsglied zugeführt ist und daß die Motorspannung dem ersten Steuereingangsglied über einen Umkehrtransistor (122) und dem zweiten Steuereingangsglied über eine Serienschaltung passiver Bauelemente (100, 99, 97) zuführbar ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Umkehrtransistor (122) und dem ersten Steuereingangsglied eine Diode (132) angeordnet ist, die so gepolt ist, daß nur eine hohe Motorspannung das erste Steuereingangsglied beeinflußt.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Steuereingangsglied eine Zenerdiode (97) vorgeschaltet ist, derart, daß nur eine über der Durchbruchsspannung der Zenerdiode (97) liegende Motorspannung das zweite Steuereinganssglied beeinflußt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei Verwendung an einem Hubstapler, der einen auffahrbaren Stapelarm aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Stapelarm betätigter Schalter (105) vorgesehen ist, der in der Ruhelage des Stapelarms die Zufuhr der Motorspannung zum zweiten Steuereingangsglied blockiert.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Abgriff (42) des Stellwiderstandes (43) und dem ersten Steuereingangsglied ein aus einem Widerstand (86), einem Kondensator (88) und einer zum Widerstand (86) parallel geschalteten Diode (89) bestehendes Verzögerungsglied angeordnet ist, das nur beim schnellen Vergrößern des Ankerstromsollwertes die Zufuhr der diesem proportionalen Eingangsspannung zum ersten Steuereingangsglied verzögert.