DE1588249A1 - Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors - Google Patents

Description

5695-67/Dr.ν.Β/Ε
F 19130 .
US-Serial No. 576,962
Filed: September 2, 1966

General Dynamics Corporation Groton., Connecticut (Y,St.A.)

Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, der über eine elektronische Schaltvorrichtung mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist.

Es ist bekannt, die Drehzahl von Gleichspannungsmötoren in Golfkarren, Gabelstaplern, Zugmschinen und dergleichen mittels eines Regelwiderstandes zu verändern, der dem Motor in Reihe geschaltet ist. Die Drehzahl läßt sich auf diese Weise zwar kontinuierlich regeln, die Regelung ist jedoch sehr unwirtschaftlich, da viel Leistung unnütz verbraucht wird. Es ist ferner bekannt, die Feldwicklungen des Motors in Reihe oder parallel zu schalten, hierbei ist jedoch keine kontinuierliche Drehzahlregelung möglich. In

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jüngerer Zeit sind ferner elektronische Schaltungsanordnungen zur Drehzahlregelung bekannt geworden, die gesteuerte Siliziumgleichrichter enthalten. Die bekannten. Schaltungen dieser Art sind Jedoch entweder unzuverlässig oder sehr aufwendig, außerdem eignen sie sich nicht für große Leistungsspannen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors anzugeben, die klein, bequem, wirtschaftlich und sehr zuverlässig ist. Außerdem soll eine Schaltungsanordnung dieser Art angegeben werden, die sich ohne Schwierigkeiten für die verschiedensten Leistungen, von wenigen hundert. Watt bis zu Hunderten von Kilowatt anpassen läßt.

Dieses Ziel wird bei einer Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, der über eine elektronische Schaltvorrichtung mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, gemäß der Erfindung erreicht durch eine Bezugsfrequenzquelle, die die elektrische Schaltvorrichtung mit einer bestimmten Frequenz betätigt, und durch eine zweite, mit der" Bezugsfrequenzquelle gekoppelte elektrische Schaltvorrichtung, die die erste elektrische Schaltvorrichtung eine einstellbare Zeitspanne nach der Betätigung wieder öffnet.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung wird die Leistung also durch ein impulsförmiges Steuersignal

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veränderlicher Dauer gesteuert, das den Stromflußwinkel beeinflußt, in dem während jedes Zyklus dem Motor Leistung zugeführt wird, außerdem wird die Arbeitsweise der Schaltvorrichtung frequenzmäßig geregelt, um ein Schalten zum richtigen Zeitpunkt zu gewährleisten.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Leistungsschaltung durch einen gesteuerten Siliziumgleichrichter, der im leitenden Zustand Leistung zum Motor überträgt _s und einen Kommutatorkreis, der einen Kondensator und einen weiteren gesteuerten Siliziumgleichrichter enthält, welcher den Kondensator an den ersten gesteuerten Gleichrichter anzuschließen vermag, um ihn zu löschen; beide gesteuerten Siliziumgleichrichter werden dabei durch eine Frequenzsteuerung synchronisiert. Bei der vorliegenden Anordnung wird also das Arbeiten des zweiten gesteuerten Siliziumgleichrichters durch die Frequenzsteuerung bestimmt, so daß der als leistungsschalter für den Motor dienende gesteuerte Siliziumgleichrichter nicht im leitenden Zustand verharren kann.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen: -

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles einer Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotores gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltbild, das Einzelheiten des Aufbaues der in Fig. 1 nur durch Blöcke dargestellten Schaltungsteile zeigt, und

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Fig. J> ein Schaltbild bestimmter Schaltungsteile der Pig. 1 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten typischen Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors 10 wird dieser von einer Gleichspannungsquelle 11 über einen Leistungsschalterteil 12 gespeist. Der Leistungsschalterteil überträgt elektrische Leistung von der Gleichspannungsquelle 11 zum Motor 10 unter Steuerung durch einen Kommutatorteil IJ, der seinerseits durch Signale von einem Drehzahlsteuerteil 14 gesteuert wird. Dem"Leistungsschalterteil 12 und dem Kommutatorteil Γ5 werden von einer Bezugsfrequenzquelle 15 Steuerimpulse zugeführt. Der Drehzahlsteuerteil ist einstellbar um die Dauer des Arbeitsteiles (Stromflußwinkels) jedes Prequenzzyklus zu verändern.

Wie Fig. 2 zeigt, enthält der Motorteil 10 einen üblichen Gleichstrommotor 16 mit einer im Hauptschluß geschalteten Feldwicklung 17. Dem Motor ist eine Diode 18 parallelgeschaltet, um ihn gegen die durch die Selbstinduktivität verursachten Überspannungen zu schützen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Gleichspannungsquelle aus einer Batterie 19. Ein Pol der Ratterie und ein Pol des Motors sind geerdet. Der Stromkreis von der Stromquelle zum Motor wird steuerbar durch den T.eistungsschalterteil 12 geschlossen, der einen gesteuerten Siliziutn-

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gleichrichter 20 enthält, dessen Anode 21 mit dem positiven Pol der batterie 11 und dessen Kathode 22 mit der nicht geerdeten Klemme des Motors 10 verbunden sind. Eine Steuerelek« trode 23 des gesteuerten Siliziumgleichrichters 20 IM, über einen Schalter 24 mit einer Leitung 25 verbunden, die zur Rezugsfrequenzquelle 15 führt. Die Kathode 22 ist durch eine zweite Leitung 26 ebenfalls mit der Rezugsfrequenzquelle verbunden. .

Der Kommutatorteil 13 enthält einen zweiten gesteuerten Siliziumgleichrichter 28, dessen Anode 29 mit einer Klemme eines Kommutierkondensators 30 verbunden ist, dessen andere Klemme an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle 11 angeschlossen ist. Die Kathode 31 des gesteuerten Siliziumgleichrichters 28 ist über eine Drossel J2 mit der Kathode 22 des gesteuerten Siliziumgleichrichters 20 verbunden, und die Steuerelektrode y$ des gesteuerten Siliziumgleichrichters 28 ist über einen Schalter j54 mit einer Leitung 35 verbunden, die zum Drehzahlsteuerteil 14 führt. Die Kathode 31 ist durch eine weitere Leitung 36 ebenfalls mit dem Drehzahlsteuerteil 14 verbunden. Die Kathode 22 des gesteuerten Siliziumgleiehrichters 20 ist außerdem über eine Leitung'yj mit dem Drehzahlsteuerteil 14 gekoppelt. Schließlich sind die Anode 29 und die Kathode 31 des gesteuerten Siliziumgleichrichters 28 mit der positiven bzw. negativen Klemme eines Vollwegglelchrichters 40 verbunden, der über Leitungen 4l* 42 an die Bezugsfrequenzquelle 15 angeschlossen ist.

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Bei dem in Pig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Bezugsfrequenzquelle 15 eine übliche statische Inverterschaltung. (Gleichstrom/Wechselstrom-Umsetzerschaltung) mit einer Gleichspannungsquelle 4j5, der zwei Transistoren 44, 45 über Hälften einer Primärwicklung 46 eines Transformators 47 so parallelgeschaltet sind, daß sie abwechselnd mit konstanter Frequenz, z.B. im Bereich zwischen 50 und 400 Hz, leiten. Eine Sekundärwicklung 48 des Transformators 4.7 ist über eine Impulsformerschaltung, die einen Kondensator 49, eine Diode 50 und einen Widerstand 5I enthält, mit den Leitungen 25, 26 verbunden, so daß dem gesteuerten Siliziumgleichrichter 20 immer dann ein Zündimpuls zugeführt wird, wenn der Schalter 24 geschlossen ist und die Spannung an der Sekundärwicklung 48 die richtige Polarität hat. Eine zweite Sekundärwicklung 52 ist an die Leitungen 41, 42 angeschlossen und versorgt den Vollweggleichrichter 4o mit Wechselspannung. Der Transformator 47 hat einen sättigbaren Kern, so daß die Inverterschaltung beim Auftreten eines länger dauernden Kurzschlusses an ihrem Ausgang zu schwingen aufhört und keine Schaden in der Anlage auftreten können. Die Inverterschaltung kann dementsprechend auch nicht schwingen, solange der gesteuerte Siliziumgleichrichter 28 leitet. Dies gewährleistet, daß der gesteuerte Siliziumgleichrichter 20 erst gezündet werden kann, wenn an beiden gesteuerten Siliziumgleichrichtern 28 und 20 die vorgesehenen Steuersignale liegen, auf die noch eingegangen wird. ■

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Der Brehzahlsteuerteil 14 enthält einen Unipolartransistor 55, dessen eine Basiselektrode über eine Primärwicklung 57 eines Transformators 58 mit Masse, und dessen andere Basiselektrode 59 über einen Widerstand 60 mit einer auf positiver Spannung liegenden Leitung 61 verbunden ist. Die Emitterelektrode 62 des Transistors 55 ist über einen Kondensator 6j5 mit Masse und über einen veränderlichen Widerstand 64 mit der positiven Leitung 6l verbunden. Die Leitung 37 ist über einen Widerstand 65 und eine Zenerdiode mit Masse verbunden, und die positive Leitung 61 ist an den Verbindungspunkt zwischen 'dem Widerstand 65 und der Zenerdiode 66 angeschlossen. Die Leiter 35/ 36 führen zu einer Sekundärwicklung 67 des Transformators 58.

Wenn die beschriebene Einrichtung eingeschaltet wird, liefert die den Transistor bestückten Inverter enthaltende Bezugsfrequenzquelle 15 einen Zündimpuls über die Leitungen 25> 26 an die Steuerelektrode 23 bzw. die Kathode 22 des gesteuerten Gleichrichters 20, Wenn der Gleichrichter 20 zündet, werden gleichzeitig drei Stromkreise geschlossen. Als erstes fließt Leistung von der Quelle 11 durch den Gleichrichter 20 zum Motor 10. Zweitens nimmt die Leitung j57 eine positive Spannung an, so daß sich der Kondensator

63 im Drehzahlsteuerteil 14 mit einer Geschwindigkeit aufzuladen beginnt, die von der Einstellung des Widerstandes

64 abhängt. Drittens wird der Kondensator 30 im Kommutator-

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teil 13 über den Widerstand 40, den gesteuerten Gleichrichter 20 und die Drossel 32 aufgeladen, bis das positive Potential an der Anode 29 des Gleichrichters 28 ungefähr den doppelten Wert der von der Gleichspannungsquelle 11 gelieferten Spannung hat; die Ladegeschwindigkeit hängt dabei von der Kapazität des Kondensators' und der Induktivität der Drossel ab. Wenn der Kondensator 30 auf diese Weise aufgeladen worden ist und die Spannung am Kondensator 63 die Zündspannung am Emitter des Unipolartransistors 55 erreicht, zündet der Unipolartransistor 55, so daß in der Sekundärwicklung 67 des Transformators 58 ein Impuls auftritt. Dieser Impuls zündet den gesteuerten Siliziumgleichrichter 28, so daß sofort die umgekehrt gepolte Spannung am Kondensator j50 an den Gleichrichter 20 gelegt und dieser Gleichrichter dadurch gesperrt wird. Die Verwendung einer gemeinsamen Bezugsfrequenzquelle für den gesteuerten Siliziumgleichrichter 20 und die Speisung des Kommutatorteils 13 garantiert eine einwandfreie Kommutation unabhängig davon, welcher der beiden Gleichrichter zuerst zündet.

Der Kondensator jJO lädt sich nun durch den Gleichrichter 28 und den Motor 10 aus der Gleichspannungsquelle 11 auf. Anschließend liefert die Gleichrichterschaltung 4o einen Haltestrom an dem gesteuerten Siliziumgleiehrichter 28, so daß dieser im leitenden Zustand bleibt, bis der gesteuerte Siliziumgleiehrichter 20 wieder durch einen Impuls

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auf den Leitungen 25, 26 von der Bezugsfrequenzquelle 15 gezündet wird. Wenn dies eintritt, ändert sich die Ladung des Kondensators 30 unter Mitwirkung der Drossel ~yi über den Gleichrichter 40 schwingungsartig, so daß die Kathode des gesteuerten Siliziumgleichrichters 28 bezüglich seiner Anode positiv wird und dieser Gleichrichter sperrt. Anschließend wird der Kondensator JO durch die Gleichrichterschaltung 40 über den gesteuerten Siliziumgleichrichter 20 aufgeladen und der Zyklus wiederholt sich, wenn der nächste Löschimpuls vom Drehzahlsteuerteil 14 eintrifft. Durch Verstellung des Widerstandes 64 läßt sich der Stromflußwinkel des gesteuerten Siliziumgleichrichters 20 und damit die dem Motor zugeführte Leistung in einem weiten Rereich einstellen, ohne daß während der Sperrzeiten nennenswert Leistung verbraucht wird. .

rtewünschtenfalls kann der Motor auf seine volle Drehzahl gebracht werden, indem der Schalter J4 geöffnet und der gesteuerte Siliziumgleichrichter 20 dementsprechend dauernd im leitenden Zustand gehalten wird. Wenn man den Schalter 34 wieder schließt, setzt die Steuerung innerhalb der einem Zyklus entsprechenden Zeitspanne wieder ein. Der Motor kann durch öffnen des Schalters 24 sofort stillgesetzt werden, wobei der gesteuerte Gleichrichter 20 zu arbeiten aifhört und der gesteuerte Gleichrichter 28 die Bezugsfrequenzquelle 15 kurzschließt, so daß ihre Schwingungen aus«.

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setzen. Auch in diesem Falle setzt die Steuerung im Verlaufe einer Zyklusdauer nach Schließen des Schalters 24 wieder ein.

Bei der in Fig. J> dargestellten Ausfuhrungsform enthält die Bezugsspannungsquelle I5¹ eine Wechselspannungsquelle 70, die an eine Primärwicklung 7I eines strombegrenzenden Transformators 72 angeschlossen ist. Eine Sekundärwicklung 75. dieses Transformators ist mit den Leitungen 41, 42 verbunden, die die Vollweggleichrichterschaltung 40 im Kommutatorteil 13¹ mit Wechselspannung versorgen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die positive Ausgangsklemme der Gleichrichterschaltting 40 über einen Widerstand 74, eine Diode 75 und eine Drossel ,76 mit der Anode 29 des Siliziumgleichrichters 28 verbunden, und ein Kondensator 77 sowie eine Diode 78 sind zwischen den Widerstand 74 und die Kathode 3.1 des gesteuerten Gleichrichters 28 geschaltet. Der Kondensator 77 regelt die Spannungszufuhr vom Gleichrichter 40 und die Diode 78 klemmt den Kondensator in der richtigen Richtung.

Der Wechselspannungsquelle 70 ist außerdem eine übliche Impulsgeneratorschaltung 80 verbunden, die einen Unipolartransistor enthält und über einen Transformator 71 Zündimpulse auf die zum gesteuerten Siliziumgleichrichter 20 im Leistungsschalterteil 12 führenden Leitungen 25, 26 liefert, wodurch die Arbeitsfrequenz der Einrichtung bestimmt wird. Die übrigen Teile dieser Ausführungsform entsprechen

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denen der Pig. 2, auch die Arbeitsweise entspricht dem bereits erläuterten Ausführungsbeispiel.

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Claims (7)

1. Pa t entanspr ü ehe

   αJ Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, der über eine elektronische Schaltvorrichtung mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Bezugsfrequenzquelle (15), die die elektronische Schaltvorrichtung (12) mit einer bestimmten Frequenz betätigt, und eine zweite, ebenfalls mit der Bezugsfrequenzquelle gekoppelte elektrische Schaltvorrichtung (13), die die erste elektrische Schaltvorrichtung jeweils eine einstellbare Zeitspanne nach der Betätigung wieder öffnet. ;
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsfrequenzquelle (15, 15*) einen Ausgangstransformator (47, 72) enthält, der einen sekundärseitigen Kurzschluß zuläßt.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, d a d u r ch gekennze lehnet, daß die Bezugsfrequenzquelle (50) eine Inverterschaltung enthält, die durch eine Gleichspannungsquelle (43)- gespeist ist und eine Wechselspannung liefert, und daß der Ausgangstransformator (47) einen sättigbaren Kern hat.

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4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, da durch g e k e η η ζ e i ohne t, daß die Bezugsfrequenzquelle (15*) eine Wechselspannungsquelle (70) enthält, die mit der zweiten elektronischen Schaltvorrichtung (13') gekoppelt ist und einen Impulsratengenerator (80) zur Betätigung der ersten elektronischen Schaltvorrichtung (12) enthält.
5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g ek e η η ζ e lehnet durch eine einstellbare Impulsratengeneratorsehaltung (14), die Impulse mit einstellbaren Zeitintervallen zur Betätigung der zweiten elektronischen Schaltvorrichtung (13)' liefert.
6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da du rc h gekennzeichnet, daß zwischen die Bezugsfrequenztuelle (15) und die erste elektronische Schaltvorrichtung (12) ein Trennschalter (24) geschaltet ist, der ein Stillsetzen des gesteuerten Motors (10) gestattet.
7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schalter (34) zum Abschalten der zweiten elektronischen Schaltvorrichtung (13) und zum Betrieb des Motors (10) mit maximaler Drehzahl»

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   L e e r s e i t e