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Verfahren und Vorrichtung zur Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahten und eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung von
Gleichstrommotoren beliebiger Bauart, Es ist bereits bekannt, eine-Drehzahlregelúng
von Motoren durchzuführen, indem der zu regelnde Motor mit einem Tacho-Generator
mechanisch gekuppelt wird und die von dem Tacho-Generator abgegebene Spannung zur
Drehzahlregelung verwendet wird Dieses Verfahren l&ßt sich zwar für große Motoren
mit wirtschaftlich tragbarem Aufwand durchführen, da der Tachogenerator in einem
solcnen Fall einen im Vergleich zum Motor geringen Preis aufweist, jedoch ist ein
derartiges Verfahren bei Klein- und Xleinstmotoren mit einem erheblichen zusätzlichen
Aufwand verbunden.
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Es ist auch bereits bekannt, eine Drehzahlregelung von Motoren durchzuführen,
indem der zu regelnde Motor mit einer Scheibe gekuppelt ist, welche abwechselnd
Bereiche hoher und geringer Lichtdurchlässigkeit oder tichtreflektionsfähigkeit
aufweist und welche mit einer Photozelle zusammenwirkt, die eine der Drehzahl proportionale
Frequenz einer Spannung erzeugt, Auch dieses Verfahren bedingt einen zusätzlichen
Aufwand und vergrößert den Raumbedarf
Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren zu schaffen,
welches sich bei beliebigen Gleichstrommotoren anwenden läßt und keinen Umbau derselben
erfordert.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist im wesentlichen darin zu sehen,
daß der Motor periodisch kurzzeitig abgeschaltet wird, daß in den Abschaltpausen
die vom Motor abgegebene Generatorspannung gemessen wird, und daß diese zum Steuern
eines die Motorleistung beeinflussenden Parameters verwendet wird, Bei diesem Verfahren
wird also der Motor selbst als Generator verwendet In den Abschaltpausen nimmt zwar
die Drehzahl des Motors etwas ab, jedoch läßt sich diese Drehzahlver ringerung durch
hinreichend kurze Abschaltpausen in tragbaren Grenzen halten, insbesondere bei Motoren
mit großem TrAgheitsmoment der sich bewegenden Teile.
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Gemäß einer besonderen Durchfahrungsart wird die Generatorspannung
zum Regeln der Betriebsspannung des Motors verwendet Eine bevorzugte Durchführungsart
ist darin zu sehen, daß die Generatorspannung zum Regeln der Einschaltdauer der
Einschaltperioden oder der Folgefrequenz der Einschaltperioden verwendet wird Dies
hat gegenüber der Regelung der Betriebsspannung den Vorteil, daß der Wirkungsgrad
durch die Regelung nicht merklich verschlechtert wird Bei Gleichstrommotoren mit
Erregerwicklung kann die Generatorspannung auch zum Regeln der Erregerleistung verwendet
werden-Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Drehzahl regelung var.
von Gleichstrcr.motorell5 welche im wesentlichen gekennzeichnet ist durch eine Verg1echseinrichtung
zum Vergleichen
der in den Abschaltpausen vom Motor induzierten
Generatorspannung mit einer Bezugsspannung, durch eine Umschaltvorrichtung zum periodischen
kurzzeitigen Abschalten des Motors und zum Anschalten der Vergleichseinrichtung
an denselben, und durch ein an den Ausgang der Spannungsvergleichseinrichtung angeschlossenes
Regelgliedzum Beeinflussen eines die Motorleistung mitbestimmenden Parameters.
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Gemaß einer besonderen AusfThrungsform ist als Umschaltvorrichtung
ein Monovibrator verwendet.
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Als Spannungsvergleichseinrichtung kann ein Schmitt-Trigger vorgesehen
sein.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung
an einem Ausfilhrungsbeispiel ergänzend beschrieben-Die einzige Figur zeigt eine
Regelvorrichtung nach der Erfindung fur einen Gleichstrommotor mit Permanentmagneterregung
Der Gleichstrommotor M ist über einen Leistungstransistor T4 an eine Gleichspannungsquelle
angeschlossen Die Basis dieses Leitungstransistors ist mit dem Emitter eines Treiber-Transstors
T3 verbunden, während der Kollektor des Treiber-Trans stors mit dem Kollektor des
Leistungstransistors verbunden ist Die Basis des Treiber-Transistors T3 ist an den
Ausgang eines Monovibrators angeschlossen, der die beiden npn-Transisto.ren T1 und
T2 enthält Der Kollektor des Transistors T1 ist üer einen Widerstand R2 mit dem
positiven Pol der BetriebssFannungsquelle verbunden sowie über die Parallelschaltung
eines Widerstandes R5 und eines Kondensators c2 an die Basis des Transistors T2
Die Basis ist über einen Widerst-and RE cit dem negativen Pol der Spannungsquelle
verbunden,
ebenso die Emitter der Transistoren T1 und T20 Der Kollektor
des Transistors T2 ist Uber die Serienschaltung der Widerstande R3 und R4 mit dem
positiven Pol der Spannungsquelle verbunden, und die Verbindungsstelle dieser beiden
WiderstAnde ist mit der Basis des Treiber-Transistors T3 verbunden Die Basis des
Transistors T1 ist an eine Diode D1 angeschlossen, welche mit ihrem anderen Ende
über einen Kondensator C1 mit dem Kollektor des Transistors T2 und über einen Widerstand
R1 mit einer Steuerleitung St verbunden ist Der Kollektor des Leistungstransistors
T4 ist an den Emitter eines Transistors T5 angeschaltet, dessen Kollektor über einen
Widerstand Rg mit dem Minus-Pol der Spannungsquelle und über den Widerstand R8 mit
dem Eingang eines Schmitt-Triggers verbunden ist, der die Transistoren TB und T7
aufweist Die Basis des Transistors T5 ist ferner über den Widerstand R7 mit dem
Schleifer eines Potentiometers P verbunden, dessen Enden an die Spannungsquelle
angeschaltet sind Der Transistor T6 bildet den Eingang des Schmitt-Triggers Die
Emitter der Transistoren T6 und T7 desselben sind Uber einen Widerstand R11 mit
dem Minus-Pol der Spannungsquelle verbunden Der Kollektor des Transistors T6 ist
über einen Widerstand R10 mit dem positiven Pol. der Spannungsquelle und Uber einen
Widerstand R12 mit der Basis des Transistors T7 verbunden. Diese Basis ist ferner
Uber einen Widerstand R14 mit dem Minus-Pol der Spannungsquelle verbunden: Der Kollektor
des Transistors T7 ist über einen Widerstand R13 mit dem positiven Pol der Spannungsquelle
verbunden und an die Steuerleitung St angeschlossen
Die oben beschriebene
Regelschaltung hat folgende Wirkungsweise.
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Im Ruhezustand ist der Transistor T1 des Monovibrators leitend und
der Transistor T2 gesperrt, Infolgedessen fließt kein Kollektorstrom durch die Widerstände
R3 und R4, so daß die Basis des Treiber-Transistors T3 im wesentlichen auf dem Plus-Potential
liegt so daß kein Strom durch den Treiber-Transistor und daher auch kein Strom durch
den Leistungstransistor T4 fließt Der Motor M wird daher nicht erregt Sobald ein
negativer Impuls auf die Steuerleitung St gegeben wird, wird der Transistor Tt nichtleitend
und der Transistor T2 leitend In diesem Zustand fließt ein Kollektorstrom durch
die Widerstände R3 und R4, so daß das Basispotential des Treiber-Transistors T3
negativer wird, so da9 dieser Transistor leitend wird und den Leistungstransistor
T4 in den leitenden Zustand umschalteto Nunmehr liegt fast die volle Betriebsspannung
an dem Motor an, der sich sodann zu drehen beginnt.
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Unabhängig von der Länge des Steuerimpulses bleibt der Monovibrator
eine gewisse Zeit lang im umgeschalteten Zustand, wobei diese Umschaltzeit im wesentlichen
durch die Größe des Kondensators C1 und des Widerstandes R1 gegeben ist Danach kippt
der Monovibrator wieder in seinen Ruhezustand zurück, so daß auch der Motor M abgeschaltet
wird und keine Energie mehr erhZ Da der Motor sich jedoch dreht, entsteht an den
Klemmen desselben eine Generatorspannung, die an der Serienschaltung des Transistors
T5 mit dem Widerstand R9 anliegt An der Basis des Transistors T5 liegt eine bestimmte
Spclnrlllng, welche nittels des Schleifers des Potentiometers P eingestellt werden
kann Es sei angenoJrJnn, daß der Motor M eine Drehzahl aufweist) die wesentlich
tinter der gewünschten Nenndrohzahl liegt Dementsprechend ist die vom Motor induzierte
Generatorspannung gering, so daß die Basis das Transistors T3r eine
gegenUber
den' Emitter positive Spannung rührt and ihn sperrt, da es sich um einen pnpTran3istor
handelt Infoigeasssen fließt kein Strom durch oen Widerstand R9 und die Basis des
Transistors T6 führt ein negativer PotentiaL Der Schmitt-Trigger ist daher nicht
eingeschaltet, so daß der Transistor T6 sperrt und der Transistor T7 leitet In diesem
Zustand liegt die Steuerleitung auf einem verhältnismäßig negativen Potential und
sperrt daher, nachdem der Kondensator C1 aufgeladen worden ist, den Transistor T1
, so daß der Transistor T2 leitend wird und Uber den Treiber-Transistor T3 den Leistungstransistor
T4 einschaltet- Der Motor M erhalt nun wieder Strom und erhöht seine Drehzahl In
dem Augenblick der Einschaltung des Motors M wird der Emitter des Transistors T5
positiv gegenüber der Basis, 60 daß T5 leitet und den Schmitt-Trigger einschaltet.
Der Transistor T7 wird daher nichtleitend , so daß die Steuerleitung St ein verhltnismäßig
positives Potential annimmt und den Transistor T1 nach der Umladung des Kondensators
C1 leitend macht Demzufolge werden die Transistoren T2,T3 und T4 nichtleitend und
schalten den Motor wieder ab, so daß auch die Transistoren T5 und T8 wieder nichtleitend
und der Transistor T7 leitend werden. Auf diese Weise wird der Motor M während des
Anlaufens dauernd ein- und ausgeschaltetv Die Dauer des Einschaltzustandes und der
Abschaltpausen läßt sich durch an sich bekannte Maßnahmen beeinflussen, ebenfalls
das Verhältnis der Einschaltdauer zur Abschaltdauer beispielsweise durch die Kombination
von RC-Gliedern mit Dioden Sobald der Motor nun eine solche Drehzahl erreicht hat,
daß die Generatorspannung positiver wird als die vom Potentio meter abgegriffene
Spannung, leitet der Transistor T5 und schaltet daher den Schmitt»Trig8er ein, dessen
Transistor T7 dann nichtleitend wird Daher wird die Steuerleitung positiver vorgespannt
und ist bestrebt den Transistor T1 einzuschalten und demgemäß den Motor M abzuschalten;
Die Schaltung bleibt solange in diesem abgeschalteten Zustand, bis die Generatornegativer
geworden
ist als die vom Potentiometer abgegriffene Spannung, denn erst dann wird der Transistor
T5 nichtleitend und bewirkt die Einschaltung des Motors M.
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Da bei eingeschaltetem Motor der Transistor T5 immer leitend ist,
ändert sich der Zustand des Schmitt-Triggers T ,T7 nach der darauffolgenden Abschaltung
des Motors erst, wenn dieser eine bestimmte Drehzahl unterschreitet. Sodann beginnt
der oben beschriebene Schaltzyklus von neuem Die oben beschFiebene Schaltung bewirkt
also eine Drehzahlregelung durch die Xnderung der Abstände der Einschaltimpulse
Die Erfindung läßt sich jedoch auch noch in anderer Weise realisieren, etwa durch
Andern der Einschaltdauer bei konstanter Frequenz der Einschaltimpulse, entsprechend
einer Impulsbreitenmodulation-Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung
lassen sich an jeden beliebigen Gleichstrommotor anwenden und auch nachträglich
anbringen Eine Schwierigkeit bei der Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung
nach der Erfindung liegt darin, daß Gleichstrommotoren, wenn sie als Generatoren
betrieben werden, keine gleich mäßige Spannung abgeben. Die Spannung andert sich
vielmehr von Kommutatorfeld zu Kommutatorfeld Falls das Produkt aus der Drehzahl
und der Anzahl der Kcmmutatorlamellen genügend groß ist, wenn also mit anderen Worten
genügend viele Kommutatorlameilenwechsel während der Abschaltpausen auftreten, kann
man die Steuerspannung durch Integration der Generatorspannung wahrend gleichbleibender
Zeitabschnitte gewinnen. Ganz allgemein läßt sich jedoch auch die Generatorspannung
verwenden, die in kurzen Zeitabschnitten in der Größenordnung eines Kommutatorlamellenwechsels
auftritt, da sich die möglicherweise unterschiedlichen Generatorspannungen an den
einzelnen Kommutatorlamellen über mehrere Schaltzyklen mitteln. Es ist auch möglich,
Sifl-C,'ieder für die Ce.tratorpannung vcrzusehenr