DE1513716B2 - Einrichtung zur Drehzahlregelung von Einphaseninduktionsmotoren - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Drehzahlregelung eines Einphaseninduktionsmotors mittels Phasenanschnittsteuerung der Motorspeisespannung, bestehend aus einer zwischen Motorwicklung und Motorspeisepannung liegenden Gleichrichterbrücke in Graetz-Schaltung mit einem steuerbaren Stromrichterventil im Gleichstromzweig, das von einem Steuersatz beeinflußt ist, dessen Speisespannung in der Spannung einer Zenerdiode besteht, die in Reihe mit einem Widerstand dem steuerbaren Stromrichterventil parallel liegt, und der einen Doppel basistransistor zur Lieferung der Stromrichterventilzündimpulse enthält, der von einem Zeitkreis, bestehend aus der Reihenschaltung eines Ladekondensators und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors, die parallel zur Zenerdiode liegt, angesteuert ist.

Eine Einrichtung dieser Art ist aus der Zeitschrift »Control Engineering«, 1962, S. 79 und 80, bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Einrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß sie insgesamt mit wenigen Bauelementen auskommt, aber dennoch eine gute Drehzahlkonstanz erreicht wird.

Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, daß die Basis-Emitter-Strecke des Transistors im Diagonalzweig eine Brückenschaltung liegt, in deren einer Brückenhalfte die Zenerdiode in Reihe mit einem Widerstand im den Transistor durchsteuernden Sinne und in deren anderer Brückenhälfte eine den Drehzahlistwert darstellenden Spannung in Reihe mit einem Widerstand im den Transistor sperrenden Sinne liegt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung weist einen einfach ausgebildeten Soll-Istvergleichskreis auf, der insbesondere ohne eine zusätzliche Sollspannungsquelle auskommt.

Für die Ansprüche 3 und 4 wird kein selbständiger ίί Schutz beansprucht.

Die Erfindung und ihre weiteren Ausgestaltungen, welche in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind, soll nachstehend an Hand der Figuren näher erläutert werden.

Es zeigt

F i g. 1 ein Schallschema eines Einphaseninduktionsmotors in Form eines Kondensatormotors in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Drehzahlregeleinrichtung,

F i g. 2 in graphischer Weise die Phasenschniitsteuerung der Motorprimärspannung und

F i g. 3 die Drehmoment-Drehzahlcharakterisitiken des Motors und seiner möglichen Belastung, z. B. in Anwendung bei einer Waschmaschine.

In F i g. 1 ist ein Einphasenkondensatormotor 10 mit einer Hauptwicklung 12 und einer Hilfswicklung 13 sowie ein diese speisender Erregerkreis 14 dargestellt. Eine einphasige Wechselstromstromquelle ist mit 16 bezeichnet. In dem Zweig 18 des Erregerkreises 14 liegt die Hilfswicklung 13 in Reihe mit dem Betriebskondensator 20. Zur Erzielung eines genügend großen Anlaufmoments kann zeitweise durch ein Relais 24 ein Anlaiifkondensator 22 parallel geschaltet werden, und zwar so lange, bis der Motor 10 eine bestimmte Mindestdrehzahl erreicht hat. Bei einem üblichen Waschmaschinenbetrieb kann dies ungerähr nach einer Drittelsekunde nach Startbeginn des Motors der Fall sein. Ab dann wird Tür eine weitere Steigerung der Motordrehzahl über die erwähnte Mindestdrehzahl hinaus der Anlaufkondensator nicht mehr benötigt.

Der Anlaufvorgang erfolgt nun so, daß nach Schließen des Startschalters 23 dem Motor 10 und über die Diode 26 dem infolge der Wirkung eines aus dem Widerstand 28 und dem Kondensator 30 bestehenden RC-Gliedes anzugsverzögerten Relais 24 Spannung zugeführt wird. Im unerregten Zustand geschlossene Relaiskontakte 32 und 34 bringen den Anlaufkondensator 22 im Hilfskreis 18 für die Dauer der Anzugsverzögerung zur Wirkung.

Der Motor 10 weist einen Rotor 36 auf, dessen Welle durch die gestrichelte Linie 38 dargestellt und mit einer Last mechanisch gekuppelt ist. Diese kann z. B. in einer Trommelwaschmaschine bestehen, die

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dann in einem verhältnismäßig großen, über der erwähnten Mindestmotordrehzahl liegenden Drehzahlbereich betrieben werden kann.

Zur Beeinflussung des Erregerkreises 14 und damit zur Regelung der Motordrehzahl ist ein mit 37 bezeichneter Rückführkreis für den Drehzahlistwert vorgesehen, welcher einen phasensynchron arbeitenden Schalter, im dargestellten Beispiel eine Thyristor 40, beeinflußt. Dieser liegt mit einer Anoden-Kathodenstrecke zwischen den Leitern 39 und 43, also im Gleichstromdiagonalzweig der aus 4 ungesteuerten Ventilen bestehenden Graetz-Brückenschaltung 42. Die Brückengleichrichteranordnung 42 liegt in Reihe mit dem Startschalter 23 und dem Erregerkreis 14 an der Wechselspannungsquelle 16. Auf diese Weise beaufschlagen sowohl die positiven als auch die negativen Spannungs- bzw. Stromhalbwellen den Thyristor 40 in Vorwärtsrichtung, während der Strom durch den Erregerkreis 14 beide Polaritäten aufweist. An Stelle des in F i g. 1 dargestellten Thyristors 40 können auch andere Arten von steuerbaren Halbleitern verwendet werden.

Ein Steuersatz 44 ist Bestandteil des Rückführkreises 37. Er legt den Zündzeitpunkt des Thyristors 40 entsprechend der Regelabweichung, also entsprechend dem Unterschied zwischen dem gewünschten Drehzahlsollwert und dem rückgeführten Drehzahlistwert fest.

Wie in F i g. 2 für zwei verschiedene Phasenanschnittsteuerungen veranschaulicht ist, kann der Thyristor 40 relativ spät in jeder Halbwelle gezündet werden, beispielsweise zu den Zeitpunkten f₂ und

2 + h oder früher in jeder Halbwelle, beispielsweise den Zeitpunkten f, und j + £1· Im letzteren Fall

würden dann die schraffiert gezeichneten Spannungszeitflächen im Erregerkreis 14 wirksam. Der Effektivwert der den Erregerkreis 14 beaufschlagenden Spannung kann dadurch erhöht werden, daß der Zünd-Zeitpunkt innerhalb jeder Halbwelle der Speisespannung V_s vorverlegt wird.

Zum Schutz des Thyristors 40 vor Überspannungen, ist eine Zenerdiode in einem Zweig 48 parallel zu ihm zwischen Anode und Steuerelektrode vorgesehen. Ein Widerstand 54 im Zweig 48 dient dazu, den Strom durch die Zenerdiode 46 zu begrenzen. Ein Widerstand 56 ist zwischen der Steuerelektrode 58 und der Leitung 43 bzw. der Kathode 52 angeordnet. Befindet sich der Thyristor 40 in seinem nichtleitenden Zustand, sperrt normalerweise die Diode 46. Entsteht jedoch eine hohe überspannung zwischen den Leitern 39 und 43, dann schlägt die Zenerdiode 46 durch und zündet auf diese Weise den Thyristor 40, worauf die schädliche überspannung dadurch abgebaut wird.

Zur Abbildung des Drehzahlistwertes dient die drehzahlproportionale Spannung eines mit der Motorwelle 38 gekuppelten Tachodynamo 59. Vorzugsweise wird ein Wechselstromtachodynamo verwendet, welche keine Bürsten oder Kommutatoren braucht und daher wenig wartungsbedürftig ist.

Der Läufer 60 des Tachodynamo wird zweckmäßigerweise mit einer genügend großen Anzahl von Polen versehen, um bei Gleichrichtung der Tachospannung — bedingt durch deren große Frequenz — eine möglichst geringwellige Spannung zu erhalten. Abgesehen davon, daß dann schon mit geringen kapazitiven Glättungsmitteln eine weitgehend konstante Gleichspannung gewonnen werden kann, ergibt sich daraus auch noch der Vorteil, daß die Istwertspannung im Rückführungskreis 37 dann besonders schnell zur Wirkung gelangen kann. Die Frequenz der Tachospannung kann also für den interessierenden Drehzahlbereich des Motors z. B. weit über eine Netzfrequenz von 60 Hz gelegt werden. Weist der Läufer 60 z. B. 18 Feldpole auf, so erzeugt er bei 1800 Umdrehungen pro Minute eine Spannung mit der Frequenz von 540 Hz. Diesem großen Abstand von der Frequenz der den Motor speisenden Netzspannung kommt insbesondere dann vorteilhafte Bedeutung zu, wenn von der Netzseite herrührende Einstreuungen in den Rückführkreis zu befruchten sind, da diese dann ohne großen Aufwand sicher durch Filternetzwerke unterdrückt werden können. Schädliche Einstreuungen könnten sich beispielsweise dann einstellen, wenn — wie in Fig. 1 angedeutet — der Wechselstromtachodynamo 59 in raumsparender Weise mit dem Motor 10 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist.

Die von der Ständerwicklung 62 erzeugte Wechselspannung des Tachodynamo 59 wird einem Brückengleichrichter 66 zugeführt, um ein drehzahlproportionales Gleichspannungssignal als Istwert an den Klemmen 68 und 70 zu erhalten.

Der Steuersatz. 44 enthält einen Verstärker in Form eines pnp-Transistors 74, dessen Emitterkollektorstrecke zwischen den Leitern 41 und 43 liegt. Die Emitter-Basisstrecke liegt im Diagonalzweig einer die Widerstände 86 und 100 enthaltenden Brückenschaltung, wobei in den diesen Widerständen gegenüberliegenden Brückenzweigen die Istwertspannung sowie die konstante Spannung der Zenerdiode 96 wirken. Der in der Brückenhälfte 78 liegende Emitter-Basiskreis enthält den veränderbaren Widerstand 80 eines Potentiometers 81 sowie einen Widerstand 82 und den veränderbaren Widerstand 84 eines Potentiometers 83. Die Istwertspannung liegt daher an der Reihenschaltung der Widerstände 82 und 84. Der Widerstand 86 dient zur Steuerstrombegrenzung des Transistors 74.

Ein aus dem Widerstand 88 und dem Kondensator 90 bestehendes Glättungsglied für die Istwertspannung ist zur Reihenschaltung der Widerstände 82 und 84 parallel angeordnet. Um eine ausreichend große Regel verstärkung in dem Rückführkreis 37 zu erzielen, wird der Widerstand 88 möglichst klein gewählt.

Ein Filternetzwerk 89 verbindet die Brückenschaltung 66 mit den Klemmen 68 und 70. Es enthält ohmsche Widerstände und Kondensatoren, welche so bemessen sind, daß eine Bandsperre für netzfrequente Spannungen beispielsweise von 60 Hz entsteht. Spannungen dieser Frequenz können durch Modulation der Tachometerausgangsspannung entstehen, wenn magnetische Rückwirkung zwischen den Motorwicklungen 12 bzw. 13 und der Tachometerständerwicklung 62 besteht. Verwendet man das Filter 89 in der dargestellten Weise, dann können sich keine Spannungskomponenten der Frequenz 60 Hz in dem Rückführungskreis 37 störend auswirken, so daß der Thyristor 40 jeweils zu dem gleichen Zeitpunkt in aufeinanderfolgenden positiven und negativen Spannungshalbwellen gezündet wird. Dadurch wird das Auftreten von Gleichstromkomponenten in dem Motorerregerkreis vermieden. Wenn auch das Filter 89 den Betrag der Kapazität vermindert, welche

man für den Glättungskondensator 90 benötigt, trägt es trotzdem dazu bei, die Ansprechzeit des Rückführkreises zu verzögern und sollte deshalb nur dann verwendet werden, wenn eine netzfrequente Modulation der Tachometerspannung zu befürchten ist. Falls magnetische Rückwirkung zwischen den Motorwicklungen Hund 13 und der Tachometerwicklung 62 vollständig eliminiert werden können, ist das Filternetzwerk 89 entbehrlich.

Um mit einer verhältnismäßig niedrigen Speise- ι ο spannung für den Steuersatz 33, beispielsweise mit einer Spannung von 20 V und deshalb mit billigen Bauelementen auszukommen, wird eine entsprechend gewählte Zenerdiode 96 zwischen den Leitungen 41 und 43 vorgesehen. Der veränderbare Widerstand 80 bildet mit dem Widerstand 98 einen Spannungsteiler, der parallel zu der Zenerdiode 96 liegt. Die veränderbare Spannung am Widerstand 80 ist dementsprechend von der im wesentlichen konstanten Spannung der Zenerdiode 96 abgeleitet. Das Rückführ- oder Istwertsignal, welches am Festwiderstand 82 und am veränderbaren Widerstand 84 ansteht, wirkt der am Widerstand 80 abfallenden Spannung entgegen; die resultierende Differenzspannung wirkt als Regelspannung. Die nötige Empfindlichkeit wird durch den Widerstand 100 erreicht, der in Reihe mit der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 74 zwischen die Leiter 41 und 43 geschaltet ist und dadurch den Transistor in seinen leitenden Zustand aussteuert. Wenn die Betriebsbedingungen eine Drehzahlkorrektur erfordem, so verursacht das Regelsignal, welches durch die Differenz von Sollspannung am Widerstand 80 und Rückführspannung an den Widerständen 82 und 84 zustande kommt, einen entsprechenden Steuerstrom durch den Transistor 74, zusätzlich zu dem durch den Widerstand 100 hervorgerufenen Steuerstrom.

Der Kollektorstrom des Transistors 74 speist einen Zeitkreis, welcher einen Widerstand 102 und einen Ladekondensator 104 enthält. Die Klemme 106 zwischen dem Widerstand 102 und dem Kondensator 104 ist mit dem Emitter 108 einer spannungsempfindlichen Halbleiteranordnung, beispielsweise eines Doppelbasistransistors 110 verbunden.

Die Größe des Kollektorstromes bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Ladespannung des Kondensators 104 ansteigt, und dementsprechend den Zeitpunkt, zu dem der Doppelbasistransistor 110 durchlässig gesteuert wird. Im durchlässigen Zustand entlädt der Doppelbasistransistor 110 den Kondensator 104 über seinen Emitter 108, seine Basis 114, den Strombegrenzungswiderstand 116, die Steuerelektrode 58 des Thyristors 40 und über den Widerstand 56. Auf diese Weise wird der Thyristor 40 praktisch gleichzeitig mit dem Durchsteuern des Doppelbasistransistors 110 gezündet.

Die Größe des Kollektorstromes hängt von dem Steuerstrom durch die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 74 ab und dieser, wie zuvor erwähnt, von der Größe des Regelsignals, welches beeinflußt wird von der Größe der Istwertspannungen an den Klemmen 68 und 70 und von der Einstellung des veränderbaren Widerstandes 84. Für eine gegebene Einstellung wird der Zeitpunkt, zu dem der Thyristor 40 in jeder Halbwelle der Speisespanpung mittels des Doppelbasistransistors 110 gezündet wird, festgelegt durch die von dem Tachodynamo 59 gelieferten Spannung. Sobald die Drehzahl den vorgeschriebenen Sollwert übersteigt, nimmt die rückgeführte Istwertspannung zu, vermindert das Regelsignal und den Kollektorstrom des Transistors 74 und veranlaßt so eine spätere Zündung des Thyristors 40, so daß sich ein kleinerer Effektivwert der im Felderregerkreis 14 wirksamen Spannung und damit ein Drehzahlabfall ergibt. Unterschreitet die Motordrehzahl den vorgegebenen Sollwert, so tritt die entgegengesetzte Wirkung ein.

F i g. 3 veranschaulicht in graphischer Weise das Zusammenwirken des erfindungsgemäß drehzahlgeregelten Einphascninduktionsmotors mit einem Waschmaschinenantrieb. Hierzu sind in Form der Kurven 119,128,132 und 136 die sich für verschiedene Effektivwerte der Motorprimärspannung ergebenden Drehzahl-Drehmomentkennlinien des Motors 10 dargestellt. Durch die Wirkung des Anlaufkondensators 22 werden noch zusätzliche Antriebsmomente bereitgestellt, welche jedoch in den erwähnten Kurven nicht berücksichtigt sind.

Für das Lastmoment der Waschmaschinentrommel allein würde sich gemäß der Kurve 118 ein geschwindigkeits- bzw. drehzahlproportionaler Verlaul ergeben. Durch die Beschickung mit Wäsche stellt sich jedoch ein pulsierendes Moment ein, dessen zeitlicher Mittelwert etwa nach der Kurve 120 verläuft. Der Momentan- oder Augenblickswert des Waschmaschinenlastmomentes ändert sich in Abhängigkeit von der Zeit gemäß der gestrichelt gezeichneten Kurve 124 ungefähr nach einer Sinusfunktion, welche bei einem bestimmten Waschprogramm die Periodendauer von etwa 1 Sekunde haben möge.

Beim Start des Motors wird der Thyristor 40 ziemlich früh in jeder Halbwelle der Speisespannung zünden, und ein in der F i g. 3 nicht dargestelltes, zusätzliches Beschleunigungsmoment wird durch die Wirkung des Anlaufkondensators 22 bis zu einer Mindestdrehzahl, z. B. von 1000 Umdrehungen pro Minute, bereitgestellt. Bevor der Motor eine bestimmte Betriebsdrehzahl erreicht, z. B. 1050 Umdrehungen pro Minute, wird der Startkondensator 22 vom Erregerkreis durch das zuvor erwähnte anzugsverzögerte Relais 24 abgetrennt, und das Motormoment wird dann durch die Kurven 119 bestimmt. Da der Zweig 18 an dem Thyristor 40 angeschlossen ist, wird der Strom des Anlaufkondensators 22 auf einen für die Motorwicklung ungefährlichen Wert begrenzt, selbst wenn eine unbeabsichtigte und relativ geringe Belastung eine höhere Motordrehzahl verursachen sollte. Der Motor 10 beschleunigt sich in Abhängigkeit von der Einstellung des Sollwertwiderstandes 80 und des Rückführwiderstandes 84 weiter auf einen höheren Drehzahlwert, der vorzugsweise auf dem negativen Teil der Drehmoment-Drehzahlcharakteristik des Motors liegt, wo also das Motormoment mit abnehmender Drehzahl zunimmt. Die Empfindlichkeit und die Ansprechgeschwindigkeit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung sind jedoch so groß, daß der Motor auch in dem an sich instabilen Bereich der positiven Drehzahl-Drehmomentkurvenscharen betrieben werden könnte. Auf diese Weise könnten besonders niedrige Motordrehzahlen stabil eingehalten werden.

Der Sollwertwiderstand 80 wird vorzugsweise auf einen derartigen Wert eingestellt, daß sich eine minimale Motorbetriebsdrehzahl ergibt, welche die erwähnte Mindestdrehzahl übersteigt, bei welcher der Anlaufkondensator 22 nicht mehr benötigt wird. Entsprechend der Einstellung des veränderbaren Rückführwiderstandes 84 ergibt sich ein relativ großer

Drehzahlbereich jenseits dieser minimalen Betriebsdrehzahl, innerhalb dessen die Motordrehzahl beliebig eingestellt und durch die Regeleinrichtung auf diesem Wert gehalten werden kann. Versuche mit der erfindungsgemäßen Regelung ergaben bei einem Waschmaschinenantrieb, daß sich der erreichbare Regelbereich von der Höchstdrehzahl bis zu einem Wert von ²/₃ derselben erstreckte und innerhalb dieses Bereiches beliebig eingestellt werden konnte bei einer Abweichung von ± 5% von dem jeweils eingestellten Wert.

Hat die Motordrehzahl den vorgeschriebenen Wert erreicht, wird diese Motordrehzahl auch bei einem entsprechend der Kurve 124 pulsierendem Lastmoment aufrechterhalten. Ist beispielsweise eine Geschwindigkeit von 1500 Umdrehungen pro Minute vorgegeben und liegt zu einem bestimmten Zeitpunkt der in F i g. 3 mit 126 bezeichnete Augenblickswert des Belastungsmomentes vor, dann wird der Thyristor 40 derart gezündet, daß sich durch die danach im Erregerkreis 14 hervorgerufene Spannungszeitfläche die mit 128 bezeichnete Kurve ergibt. Wenn in einem späteren Zeitpunkt dann das Lastmoment auf einen anderen, in F i g. 3 mit 130 bezeichneten Wert angestiegen ist, wird der Zündzeitpunkt des Thyristors 40 vorverlegt, so daß sich die mit 132 bezeichnete Charakteristik ergibt. Wechselt das Lastmoment daraufhin zu einem, in der F i g. 3 mit 134 bezeichneten niedrigeren Wert, so wird in analoger Weise durch Zurückverlegung des Zündzeitpunktes eine Charakteristik entsprechend der Kurve 136 verursacht, so daß der Motor 10 bei schwankenden Lastmomenten stets auf der vorgeschriebenen Drehzahl gehalten wird.

Auch wenn der Antrieb von Waschmaschinen ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sein kann, so ist sie jedoch keinesfalls darauf beschrankt. Die Erfindung ist vielmehr für die verschiedensten Arten von drehzahlgeregelten Antrieben geeignet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 509541/158

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Drehzahlregelung eines Einphaseninduktionsmotors mittels Phasenanschnittsteuerung der Motorspeisespannung, bestehend aus einer zwischen Motorwicklung und Motorspeisespannung liegenden Gleichrichterbrücke in Graetz-Schaltung mit einem steuerbaren Stromrichterventil im Gleichstromzweig, das von einem Steuersatz beeinflußt ist, dessen Speisespannung in der Spannung einer Zenerdiode besteht, die in Reihe mit einem Widerstand dem steuerbaren Stromrichterventil parallel liegt, und der einen Doppelbasistransistor zur Lieferung der Stromrichterventilzündimpulse enthält, der von einem Zeitkreis, bestehend aus der Reihenschaltung eines Ladekondensators und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors, die parallel zur Zenerdiode liegt, angesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Emitter-Strecke des Transistors (74) im Diagonalzweig einer Brückenschaltung liegt, in deren einer Brückenhälfte die Zenerdiode (96) in Reihe mit einem Widerstand (100) im den Transistor durchsteuernden Sinne und in deren anderer Brückenhalfte (78) eine den Drehzahlistwert darstellende Spannung in Reihe mit einem Widerstand (86) im den Transistor sperrenden Sinne liegt.

2. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sollwertverstellung in die andere Brückenhalfte mittels eines Potentiometers (81) ein Teil der Spannung der Zenerdiode (96) eingefügt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lieferung der den Drehzahlistwert darstellenden Spannung ein vom Einphaseninduktionsmotor (10) angetriebenerWechselstromtachodynamo (59) mit so großer Polzahl verwendet ist, daß deren Ausgangsspannungsfrequenz auch bei kleinstmöglicher stabiler Motordrehzahl größer, vorzugsweise mindestens doppelt so groß ist, wie die Frequenz der Motorspeisespannung (16) und daß die Ausgangspannung gleichgerichtet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein mit dem Motor im selben Gehäuse angeordneten Wechselstromtachodynamo, dessen gleichgerichtete Ausgangsspannung über ein Filternetzwerk (89) der anderen Brückenhalfte (78) zugeführt ist.