DE2109645A1 - Vorrichtung zur Regelung der Drehzahl von halbwellengespeisten Gleichstrommotoren - Google Patents

Description

Die Priorität der Anmeldung

_τ, . _{Ί ις} 011379/70 vom 28.7.1910 in der ^{x Λ} ~ ^1:) Schweiz ist in Anspruch genommen.

EOJ₁ZDU PATEFf AG, OK-6301 Zug, Posts tr. 14

■Vorrichtuns Kur Regelung der Drehzahl von halbv/ellenge speisten Gleichstrommotoren

Die Erfindung betrifft eine nach dem Phasenanschnittprinzip arbeitende Torrichtung ziir Regelung der Dreh- " zahl von halbwellengespeisten G-leiclistroiraaotoroii mit einem im Motorstromlcreis liegenden elelrbronischen Schalter, der von einem Zündsignalgeber gesteuert wird, dessen Eingangssignal- im wesentlichen aus der Differenz einer Eeferenzspannung und einer drehzahlabhängigen Spannung besteht.

Die Ankerwicklungen von Gleichstrommotoren sind in der Eegel niederohmig, so daß Hebenschlußnotoreii und Permanentmagnetmotoren sehr niederohaig und SeihenschlußLiotoren, bei denen dor V/idsrstand des Peldes berücksichtigt werden mu.ß, etwas hochohniger sind. ä

Die Stromaufnahme solcher Motoren wird im Betrieb nicht durch den ohmschsn bsw. komplexen Widerstand bestimmt, sondern im wesentlichen durch in den Wicklungen induzierte Spannungen, welche die effektiv wirksame Speisespannung verkleinern. .'Die Gogen-1-.ΙΙΙΓ. ist

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drehzahlabhängig und stellt wegen der Uirkur.gsv/eise des Kollektors pr airtisch sine Gleichspannung dar.

JJiο Begrenzung des Ilotorstrones durch die C-ercn-IdilC tritt bekanntlich nur bei laufendem Motor auf. Zu Beginn des Anlaufens bsv:. bei blockiertem Motor ist der Innenv/iderctand des I-Iotors praktisch identisch, mit seinem ο hinsehen Widerstand. Da dieser, in der Hegel nur einige Ohm beträgt,- steigt der Strom auf extrem hohe Vierte an, was. zu .ernsthaften Beschädigungen des Motors führen kann.. Bei Motoren r-:it permanentnagnetisehem ITeId und bei E'ebenschlu£r.iotoreii verläuft die änderung der G-egen-Ξϊ-ΧΚ .gr» propo.rtion&l der Motordrehzahl. Bei Ileihenschlußmotoren sind die Verhältnisse nicht so einfach,' da hierbei die Bildung der Gregsn-SMK von der Belastung des Motors mitbestimmt wird. Die obere Motordrehsahl liegt bei Permanentmagnetmotoren z.B bei 12000 U/min. T,^rill m&n einen solchen Motor beispielsweise für den Antrieb einer "waschtrommel in einer Ivaschmaschine verwenden, so nüssen für die ifaschtrommel Umdrehungszahlen von ca. 35 bis 800 TJ/iüin. gewonnen werden. 3s ist also eine Untersetzung von 1:15 erforderlich. Die iintere Motoer-drehzahl liegt dann etwa bei 525 U/min. In Tiaschriasohinen müssen die sogenannten "Bloclrierbedingungen" erfüllt sein, d.h. bei mechanisch blocIdLerteni liotor darf Iceine Beschädigung durch dan hierbei auftroterülon" hohen Motor strom eintreten. Außerdem darf der Ilotorstrom natürlich auch kurzfristig keine so hohen Spitzenwerte annehmen, daß die ret-s.oicherung auopricht. Hierbei muß besonderes bei Anwendung eines derartigen

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als Antrieb für eine './acehmaschine beachtet v.^rerclen, clr,ß die iletssicherung nit den I-iotorstrom und der j".c;i^un~ belastet wird; der iiotorstron eiu/3 ει! G ο noch, erheblich unter dem Auslöse strom der •'.!ielieriir·;^ "Lio,;;eji, im genügend Spielraun für die Auslegung tor Hei sung zu haben.

Die Pig. 1 bis 3 zeigen bekannte I-Iotorregelschaltungen und beziehen sich auf Pemanentmagnetmotoren. Derartige Schaltungen v/erden in Zusammenhang mit von den Motoren angetriebenen Tachogeiiera/toren auch I

auf andere Hotorarten angewendet". Eine bekannte Schaltung (Pig. 1) ist mit einem Vorwiderstand 26 in der Größenordnung von etwa 20 Ohm so ausgelegt, daß der aus einem Hetz 12 gezogene Hotorstrorn su keinem Zeitpunkt einen tiert von etwa 11 A übersteigen kann. Zxcr Regelung wird die an den Klemmen des Motors 1 liegende Generatorspannung bei gesperrtem Thyristor 2 benützt.

Angenommen der Thyristor 2 sei gesperrt und der Motor 1 laufe schneller als es einer Referenz--

speoinung U, -> entspricht. Die vom Motor 1 erzeugte *

Generatorspannung ist dann größer als die Referenzspannung, d.h. die Steuerelektrode des Thyristors ist negativ gegenüber der Kathode des Thyristors. Hierbei bleibt Thyristor 2 gesperrt. Sinkt die Drehzahl unter den Vert der Referenzspannung U_ref ab, dann ist letztere größer als die Generatorspannung des Hotors 1. Hierdurch wird der Thyristor gezündet und aus dem Hetz 12 kann Motorstrom fließen.

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Sobald Strom durch den Thyristor fliegt, steigt die 3panr.n^~ vom IIoto?:· au:i? "rcrte ar, die über dar Referenzspannting liegen und mit der Drehzahl an sich. nichts₍ zu tun haben. Die Regelung ist also außer Kraft' gesetzt. Dieser Zustand hält aber nur bis zum linde der Halbv/elle an, denn dann wird der Thyristor 2 ja.ohnehin gelöscht. In diesem Moment' ist die Regelung aber wieder wirksam und prüft, ob in der folgenden Halbv/elle eine erneute Zündung notwendig ist,-

lieben der Schaltung nach Fig. 1 sind grundsätzlich in gleicher Weise arbeitende Schaltungen nach den Pig. Z und 3 bereits bekannt. Die Schaltung nach Pig. 2 weist gegenüber der aus Pig. 1 lediglich einen Zweiweg-G-leichrichter auf. Die Schaltung nach Pig. 3 verwendet ebenfalls beide Halbv/ellen der Netzspannung. ·■*

Bei derartigen Motorregelschaltungen treten immer bei Abschaltung des Motors Spannungsspitzen auf. Um diese Spannungsspitzen für den Motor noch nutzbar machen zu können, liegt dem Motor 1 eine sogenannte "Freilauf-Diode" 21 parallel. Eine derartige Diode kann auch bei den weiter unten beschriebenen, erfindungEgemö-fien Ausführungsbeispielen verwendet werden. .

Den in den Pig. 1 bis 3 gezeigten, bekc-omten Schaltungen ist ein liachteil gemeinsam.' Alle drei Schaltungen müssen mit einem VorwiderEtand 26 ausgestattet werden, der z.B. bei einer ITe t ζ spannring von 220 V und

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einen ma::ir.iale:a Strom von 10 A innerl-J.:i für 2,2 IcU ausgelegt sein muß. In Haushaltsgeräten.bedeutet ein derart ..großer /Widerstand in Bezug auf den Kaufpreis solcher Geräte einen relativ großen Mehraufwand. Zusätzlich, hat man bei Verwendung von Vorwider ständen, aas Problem, daß die in den "Jiderständen entstehende Verlustwärme abgeführt werden muß. Zwar wird beispielsweise bei Haushaltswaschinaschinen ein Teil der Heizung als Vorwiderstand benützt, das. hat aber wiederum den Nachteil, daß Heizung und Trommel- g

bewegung nicht mehr unabhängig voneinander schaltbar sind. Man'wird also z.B. beim Betriebszustand "SCHLEUDER!?¹¹ die Heizung überhaupt nicht benötigen. Nebenbei sei noch erwähnt, daß Heizungen, die teilweise als Vorwiderstände verwendbar sein sollen, mit zusätzlichen Anzapfungen versehen werden müssen, was auch wieder einen zusätzlichen Aufwand für Isolierung und Leitungsführung nach sich zieht. Darüber hinaus.wird bei den.bekannten Schaltungen durch den Vorwiderstand die höchstmögliche Motordrehzahl herabgesetzt. - .

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu |

schaffen, bei der auf einen Widerstand für die Schaltung völlig verzichtet werden kann. Weiterhin"" soll die Vorrichtung so aufgebaut sein, daß der zu steuernde Motor auch bei großem Strombedarf (Hochlaufen aus dem Stillstand) nur sehr dosiert Speisestrom zugeführt erhält, und hierdurch eine sehr.schonende Drehzahlregelung möglich ist. Bei blockiertem Motor soll dieser nicht durch zu hohen

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Strom verstört werden können. Der -!cirjctro;":;:reiG soll vom HotorßtrorJü?eis unabhängig sein; um Ilotor und Heizung unabhängig voneinander schalten zu können.

Die vorstehend genannten Aufgaben werden dadurch gelöst, de3 clie Heferenss yarning durch ein Zeitglied verzögert ist, und daß bei Überschreitung eines vorgegebenen Hotorstromos ein vom Spannungsabfall eines im Ilotorstromkreis liegenden Heßwiderstandes gesteuertes Schaltglied die Eingangsspannung des Zündsignalgcbers so weit reduziert, daß der vorgegebene Motorstrom nicht überschritten wird.

Der Anmeldungsgegenstand weist gegenüber bekannten Einrichtungen die Vorteile auf, daß .auf einen sonst üblichen, sehr teueren Vorwiderstand verzichtet werden kann, wodurch._:>eine erhebliche Kostensenkung der Ilotorregelschaltung möglich wird. Dadurch kann auf zusätzliche Maßnahmen zur Abführung der im Vorwiderstand entstehenden ^TJ"ärme verzichtet werden. Sollte der Hotor einnal blockiert werden, so kann der Strom-ein-bestimmtes Höchstmaß nicht übersteigen. Da Heiz- und liotorstronkreis völlig ' unabhängig voneinander arbeiten, ist deren getrenntes Ein- und Ausschalten jederzeit möglich. .

ITach einer Ausbildung der Erfindung wird die Referenzspannung des Referenzspannungcgebers mit Hilfe

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eines RC-Gliedes verzögert.

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Gemäß einer v/eiteren, zv.-eelzmäßigen Gestaltung der Erfindung vird als drehzahlabhängige Spannung die Ge^eii-'i:.;. dec I-Iotors .verwendet.

liacli einer weiteren Ausbildung der Erfindung dient als elektronischer Schalter ein Thyristor.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß in Reihe mit dem Referenzspannungsgeber ein Sägeaahnspannungsgeber liegt.

Pie Erfindung v.'ird anhand von Ausfülirungsbeispielen mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen: :·?

Fig. 4 den Strociflußv/inkel CP in einer erfindungsgemäßen Schaltung, bei Hotoranlauf,

ig. 5 eine Ilochlauflcurve eines drehzahlgesteuerten Motors,

Eig. 6 ein Spaniiungsdiagraimn, das die Relation von I¹Tctsspannung und .Generatorspannung bei hoher Drehzahl zeigt,

Fig. 7 eine erfindungsgemäße Regelschaltung,

Fig. 8 eine ähnliche Regelschaltung, v/ie in Fig. 7, die aber beide Halbwellen der ITetzv/echselcpannung ausnützt.

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Eine Regelschaltung, die ohne Vorwiderstand auskommen soll, nuß Mittel enthalten, die den Hotorstron. auf einen Höchctwert begrenzen. Das kann man. dadurch erreichen, daß der elektronische Schalter, z.B. ein Thyristor, entsprechend gesteuert v:ird. 3ino solche ilaßnahme ißt einfach durchzuführen, v/enn es nur darum geht, die Stromzunahne beim Abbremsen des Motors zu verhindern. 2s genügt hierzu, den Hotorstrom durch einen Ileßwiderstand zu leiten, am Meßwiderstand eine Spannung abzugreifen und über diese Spannung zu integrieren, um ein Signal für den mittleren Strom zu erhalten. Übersteigt dieses Signal einen Höchstwert, so wird der Thyristor gesperrt.

Die beschriebene, einfache Schaltung versagt jedoch beim Einschalten des Hotors völlig. Der Thyristor wird nämlich hierbei zu irgondeinem beliebigen Zeitpunkt gezündet. Im schlimmsten Pail geschieht dies gerade bei Erreichen der Spitzenspannung des ITetzes. Der Iiotor steht in diesem Moment noch still, erzeugt also selbst keine Gegen-ΞΗΚ. Deshalb steigt der Strom auf extrem hohe lterte an, der Thyristor wird zerstört, und die lletssicherung spricht an. Die vorstehend beschriebene Begrenzung ist unwirksam, denn der Thyristor kann ja während der Kerbwelle nicht wieder ausgeschaltet werden.

Genau der gleiche Hiielrt tritt auf, wenn bei laufendem Motor plötzlich die Solldrehaanl höher eingestellt wird. Zur Vermeidung dieses Effektes nuß also die

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baooliriaberc; Bο-ransung cos nittloreii Stronoc cairsleine zusätzliche Begrenzung des Anlaufstromes ergänzt v/er. den. Da kein V/i dor stand vorhanden ist, kann der Strom beim Anlaufen nur über die Phasenlage der Slindung des Thyristors gesteuert v/erden. Pig. 4 aei^t den Stromflußv/inkcl CP in einer positiven Ilalbwelle nach dem Sündzeitpunkt t_r . Je kleiner CP ist, um so kleiner ist der fließende Spitson-

strom sum Zeitpunlrt t und um so kleiner ist auch ' * der mittlere Strom. ™

■Beim Einschalten des Motors, muß der Winkel Cp zuerst einmal zu ftull gemacht v/erden. 'Hierbei kann kein Strom fließen, und der Motor läuft nicht an. In der nächsten Halbwelle muß CP etwas größer als Hull sein. Der Motor wird mit einem kleinen Strom au laufen beginnen und eine Gegdn-EMK aufbauen, natürlich reicht der kleine Anfangsstrom nicht aus, um den Motor auf die Solldrehzahl zu bringen. Der Stromflußwinkel CP muß also mit einer bestimmten Geschwindigkeit solange vergrößert werden, bis die Solldrehaahl erreicht ist. Die Geschwindigkeit, {

mit der sich Cf vergrößert, muß dabei vergleichbar mit der Hoehlaxif geschwindigkeit des Motors sein, damit der Strom immer in Grenzen bleibt. Fig. 5 zeigt diesen Hochlauf schematisch. Hierbei ist zu erwähnen, daß die Darstellung nach Fig. 5 zwar den Stromflußwinkel als Punktion der Seit zeigt, daß aber der Stromflußwinkel sich proportional mit steigender Drehzahl bzw. steigender Belastung vergrößert, so daß man anstatt cP in diese Grafik z.B. ebenso die Drehzahl einsetzen könnte, •

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iier Motors iron hängt nicht nur von "C sondern auch von äer Generatorspannung des ilotors ab. Bsi hohen Drehzahlen ist die Generatorspannung fast so hoch wio die Hetaspitzenspannimg. JJa sich der Thyristor nur bei positiver Anodenspannunä Künden läßt, liegt t also in der liälie der ITctnspitiienspannung (demnach fast bei 90 ). Sobald die iictsspannung kleiner als die Generatorspannung wird, löscht der Thyristor wieder. Der Stronflußwinkel ^P wird also klein, der Zeitpunkt t,, liegt aber in der llähe von 90° (Pig. 6). -—

Gemäß der Erfindung sind folgende Verfahrensschritte notwendig:

1. Beim Anlaufen (bsw. bei Drehzahlumschaltungen) muß der Zündzeitpunkt t„ von 180° (oder einem anderen eingeschwungenen IJert) mit etwa der gleichen Geschwindigkeit nach links wandern (Eig„ 4), wie der Motor hochläuft. Sweckmäfiigerweise wählt man die Geschwindigkeit zunächst einmal etwas niedriger.

2. Der Motorstrom wird laufend überwacht, damit der Thyristor sofort gesperrt v/erden kann, \:οηΐι eine übernormale Bremsung des Motors zu hohen Strömen führt. Da eine solche Bremsung nicht schlagartig erfolgt, genügt die weiter oben beschriebene Überwachung des mittleren Stromes.

Der Anmeldungsgegenstand wird an einer elektrischen Schaltung näher erläutert. Fig. 7 zeigt ein Aus-

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1 ?.ic~L v-'oci¹ ';i:-,cj2 Iior.\;id&rct;-jul S', cinon elektronischen üoiialOor, z.Ls. einen ThyriiiOor 2., und Über eine Gleichriclrtercchartung 11 an einem Wc ehse1-ßtrormotr. -12. -Der Thyristor 2 wird durch einen Zünde j gn:J.£obor 3 gesundet, der inner dann ein Zündsigncl abgibt, \:emi derben !Sinrar^Gcpc-iinu^r, IL·-^^ einen borrciLrnton 7.^rert erreicht. Mocei- vJcrt liängt ab von der G-rüSc der Anrplitudo der Ausgangeßpannimg cineu· uagCGcamgciierators ·-] cov/ie von einer Reiereiisopannung einer v;eiter unten erläuterten Quelle und ä

der C-cgCii-Ij'iHZ dos Hotorc. Zd int nicht unbedingt erforderlich, den Sägezalingenera.tor 4 für die erxiiidungügeiiiaße Vorrichtung au verwenden, der Ar.-raeldvingsgegenstand sei aber am yLUsführmigsbcicpiel mit SägezalniD-pa-inungsgenerator erläutert. .'Dieser C-ene3?ator 4 gibt eine AusgangcBprumung von einigen Volt ab und läuft mit der ITetaireouens synchron. Sie steile Planke der SägezahnDpannung gellt jev/eils durch den ITulldurchgang der lietn&'p

Anstatt der Gegen-EMK könnte ebensogut die Spannung eines vom Ilotor- 1 getriebenen Tachogenerators benutzt v/erden. Die Gleichrichter schaltung ist nicht " unbedingt notwendig, sie \/ird nur dann verwendet, wenn beide Halbwellen der lietzspannung gebraucht werden.

In lieihc mit den SagesoJinspaniiur.gogeiiera.tor 4 liegt eine iLexerensGparmmigscraelle 7· üin Zeitglied, da.s im Ausführungsbeispiel aus einem 'iiderstand 18 und einem Kondensator 14 gebildet ist (HO-Glied), verhindert su schnelle Änderungen der wirksamen Referenzspannung; das bedeutet, daß über'die Elemente 14 und 1G eine langsame Verschiebung des Sü3id«eitOun3rbcü t„ erreicht wiru.

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TT ο λ

gelegt, co iac der Kondensator 1-> im ersten ilonient leer, und em Eingang de ο Zündoignalgebers 3 liegt nur öle Hägesalinspannur-g fies Sägezaimspannungsgener3.toi'G Ί-. Icr Zündv/irüccl Cp beträgt also 130 . Hit loiisrjpjaer Av.fladLing des JIonc.cimato:?G \·\- ΐ/roidert der Z-ünd;:eitpim2rfc t^ nach linlra (?ig. Ί-) und der Hot er 1 läuft hoch. Gleichzeitig v:ächst die Grencratorspannung U₉. Je nach mechanischer Belastung des Hotors 1 stellt sich also für die Solldrehaahl des Hotor-B ein bestimmter Zäiidv.^Tin3>;el *ψ ein. Drehzalilschv/anlmngen des Hotors 1 haben zur Polge, daß auch die G-encratorspannung Up nich verändert. Hierdurch schwanJrfc aber auch die Singeaigsspannung des Zündsignalgebers 3 ujid der Sündv/inlrel cP verschiebt sich soweit, daß die Schv/anlrungeii unterdrückt v/erden. Dieser Ilegelvorgang hängt aber nicht von der Zeltkonstante, die sich aus den elektrischen Iverten des V/idcrständeg 18 und des Kondensators 14 ergibt, ab. Der mittlere iJotorstrom nuß begrenzt %;erden, ura eine Überlastung dq|L Jiotors 1 zu vermeiden. Zu diesen Zv/eck v/ird ein'Ileßv.'iderstand 9 entstehender Gpannungsabxall dazu benutzt, einlSchaltglied 5 zu steuern. Übersteigt der Spannungsabfall einen bestimmten V'e:ct, so öffnet das Schaltglied 5 und reduziert die Eingangsspannung des Zündsignalgebers 5. Die Begrenzung v/irlrt sich auf den nittlercn ilotorstrom aus, da der Kondensator 14 übcj: die iJntladestiJ.Ce integriert.

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Pig. 8 seigt ein v/eiteres Atts£ührungsbe±spiel, das im Grunde genauso v;ie das in Pig. 7 geseigte arbeitet, illlerdingö v/srden bei dieser Sclialtung "beide Ilalbvellen der lietscpaimung ausgenützt. Zur Stromversorgung der lilelctronik dienen neben den ohnehin vorhandenen Dioden 22, 23, auch die beiden Dioden 24 und 25.

5 Po.tentanspriiche

4 Bl. Zeichng. m. 8 Fig.

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Claims (5)

1. Hacli aera Phacenanschnittprinsip arbeitende vorrichtvLig sur Regelung der Drehzahl von halbv/ellon^a speisten Gleichstrommotoren mit einen im Hotorstrom]a?eis liegenden elektronischen Schalter, der von einem Zündsignalgober gesteuert "wird, dessen Eingangssignal ±m wesentlichen aus der Differenz einer Referenzspannung und einer drehsahlabhängigen Spannung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung durch ein Zeitglied verzögert ist, und· daß bei ÜberDchreitung eines vorgegebenen Hotorstromes ein vom Spannungsabfall eines im MotorStromkreis liegenden Heßwiderstandes (9) gesteuertes Schaltglied (5) die Eingangsspannung des ZündSignalgebers (3) so weit reduziert, daß der vorgegebene Motorstrom nicht überschritten wird.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung des Referenz-Spannungsgebers (7) mit Hilfe eines IlG-G-liedes verzögert wird.
3. 3· Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als drehsahlabhüngige Spannung die G-egen-131-IIC des Motors (1) verwendet wird.
4. 4· Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronischer Schalter ein Thyristor (2) dient.

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5. 5. Vorr.i clitung nach einen dor "VorheTGei.-eric.en Ansprli'che, cladurch colconnneichiiGt, cla.3 in Reihe r.:it den IlerCerensspaiiniin^DgGber (7) ein rJc^ozahiiDOaniumcsgebGr (4) lic^t.

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