DE2112039C2

DE2112039C2 - Wechselspannungsgespeister Universalmotor mit einer Drehzahlstabilisierungsschaltung

Info

Publication number: DE2112039C2
Application number: DE19712112039
Authority: DE
Inventors: Werner Olten Sturm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-01-25
Filing date: 1971-03-12
Publication date: 1983-05-11
Also published as: DE2112039A1; CH533924A

Description

30

Die Erfindung betrifft pinen wechselspannungsgespeisten Universalmotor mit einer Hrehzahlstabilisierungs- schaltung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Ein derartiger Universalmotor ist aus der DE-OS 15 88 354 bekannt. Die Primärwicklung des Transformators der Drehzahlstabilisierungsschaltung liegt In Serie mit dem Motorstromkreis. Der Transformator ist deswegen entsprechend dem jeweils verwendeten Motor, also in Abhängigkeit von der typbezogenen Slromaufnah<ne, zu dimensionieren. Die von der Sekundärwicklung des Transformators gelieferte Ausgangsspannung stellt das Korrektursignal zur Stabilisierung der Drehzahl gegenüber Belastungsschwankungen des Motors dar, dessen Höhe zwar auch von der Größe der (lastabhängigen) Phasenverschiebung zwischen dem Motorstrom und der Motorklemmenspannung, wegen der Schaltung des *° Transformators als Stromwandler aber in erster Linie von der Größe des Motorstromes abhängt. Wie durch praktische Erprobung bestätigt, hat dies bei niedrigen Drehzahlen einen deutlich unrunden Lauf des Motors zufolge. In die Höhe des Korrektursignals gehen außerdem noch Nctzspannungsschwankungen ein und verschlechtern daher die Drehzahlstabilisierung.

Eine von dem jeweiligen Motortyp und dessen Stromaufnahme sowie von Netzspannungsschwankungen unabhängiges Korrektursignal kann zwar mit Hilfe eines Tachogenmtofs gewonnen werden, wie dies ebenfalls aus der DE-OS 15 88 354 bekannt Ist. jedoch kommt der Einbau oder Anbau eines Tachogenerators sowohl aus Kosten als auch aus Platzgrtlnden bei den In großen Serien gefertigten Universalmotoren kleiner Leistung häufig nicht In Betracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Universalmotor der einteilend angegebenen Gattung mit einer Drehzahlstsbllfsierungsscbaltung zu schaffen, die für Motoren unterschiedlicher Nennleistung ohne Änderung verwendbar Ist und eine gute Drehzahlstabilisierung über einen großen Drehzahlbereich ermöglicht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemSß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Die Verwendung des Transformators als Spannungswandler macht hierbei die Drehzahlstabillsi^rungsschaltung von der Stromaufnahme des Motors unabhängig, wertet allein die lastabhängige Phasenverschiebung zwischen dem Motorstram und der Motorklemmenspannung aus (wodurch ein ruhiger Motorlauf insbesondere auch bei niedrigen Drehzahlen erreicht wird) und ermöglicht in einfacher Weise die Gewinnung einer von Netzspannungsschwankungen weitgehend unabhängigen Bezugsspannung mittels eines spannungsabhängigen Widerstandes. Die Verwendung spannungsabhängiger Widerstände zur Spannungsstabilisierung ist allerdings bekannt aus Wolfram Bitterlich, »Einführung in die Elektronik«, 1967, Seiten 103 bis 107.

Ein Ausführungsbeispiel eines Universalmotor mit Drehzahlstabilisierungsschaltung, nachfolgend kurz als »Regelschaltung« bezeichnet, wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben.

Fi g. 1 zeigt das Schema einer Regelschaltung für einen elektrischen Universalmotor, wobei als Phasenanschnitt-Stellglied ein in beiden Stromrichtungen steuerbares Halbleiter-Ventil verwendet wird (Funkentstörmittel sind nicht dargestellt),

Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Drehzahlstabilisierungsschaltung nach Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt eine Regelschaltung für einen sog. Unlversal-Reihenschlußmotor, dessen Feldwicklungen Il und 12 zum Anker 10 In Serie geschaltet sind. Zwecks Phasenanschnittsteuerung liegt der Universalmotor in Serie mit einem in beiden Stromrichtungen steuerbaren Halblelterventil 14 (sog. Wechselstromsteller), nachstehend mit der Handelsbezeichnung »Triac« benannt, am Wechselstrom-Speisenetz. Parallel zum Triac 14 liegt die Serienschaltung eines Widerslandes R₁. einer Sekundärwicklung 17 eines Rückführtransformalors 16, 17 und eines Einstellwiderstandes Λ₄ mit einem Zündkondensator C|. Der Zündkondensator C_x ist mit einem Widerstand R₁ in Serie mit einem Kondensator C₂ überbrückt. Von der Verbindungsstelle zwischen W₂ und C₂ führt eine sog. Triggerdiode T (Dreischichtdiode mit Kippeigenschaften »Diac«) zur Steuerelektrode 15 des Triac 14. Die Schaltelemente R_x.. C₁. R₁ und C₁ und T bilden einen an sich bekannten Zündkreis für den Triac 14. um dessen Steuerelektrode 15 auf die Halbwellen der Speisewechselspannung synchronisierte Zündimpulse zuzuleiten. Während jeder Halbwelle werden zunächst die Zündkondensatoren C, und C₂ Oberfl,, Wicklung 17. W₄ und R₁ aufgeladen, bis die Kondensatorspannung von C₂ die Höhe der für die Triggerdiode T charakteristischen Durchbruchspannung erreicht, worauf sich der Kondensator sehr rasch über die Triggerdiode T und die Sieuerelektrode 15 entlädt, wodurch der Triac 14 gezündet wird. Die Elemente R₁ und C₁ dienen In an sich bekannter Welse zur Verminderung des Hysterese-Effektes beim Phasenanschitt. Grundsätzlich Ist die Aufladegeschwindigkelt von C₂. d. h. die Dauer des Zeitabschnittes jeder Halbperlode, bis die Zündspannung von der Triggerdiode T erreicht Ist und somit der Triac 14 leitend wird, von der Einstellung des Widerstandes R_t abhängig. An diesem läßt sich somit ein bestimmter Sollwert für die

Motordrehzahl einsteilen, Zwischen dem Motor, welcher die zu regelnde Last darstellt, und dem Zündkreis liegt nach Fig, J nun ein in Serie im Zündkreis angeschlossener Rückrahrplad, Dazu ist die PrimSrwfcklung 16 eines Transformators zum Motor parallel geschaltet. Die Sekundärwicklung 17 liegt in Serie zwischen dem Vorwiderstand Ä| und dem ElnstelUviderstand R₄, Nach dem Einstellwiderstand Rj, liegt dfinn der Zündkondensator C, und nach dem Widerstand Λ₂ der Zündkondensaior C₂. Durch den EinstsIIwiderstand R₄ wird das Ausmaß der Rückführung von der Motorseite auf den Zündkreis festgelegt, und zwar erhöht sich die Rückführung gleichzeitig mit größerer Drehzahl, da R₄ zur Einstellung der Drehzahl dient und bei großen Drehzahlen sehr klein ist. Bei kleineren Drehzahlen ist R₄ sehr groß, und damit wird der Einfluß des Rückführsignales kleinen

Die Sekundärwicklung 17 mit dem dazu in Serie liegenden Einstellwiderstand R₄ und den Kondensatoren C[ und C₂ wird von einem spannungsabhängigen Widerstand R₅ (VDR) überbrückt. Dieser dient einmal zur Begrenzung der Eingangsspannung, er legt diese auf den Wert des VDR-Widerstandes fest und wirkt Netzspannunsveränderungen, die auch automatisch den Zündzeitpunkt verstellen, entgegen. Es erfolgt somit ein? Stabilisierung der Schaltung gegenüber Netzspannungsänderungen.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 soll die Fig. 2 betrachtet werden. Diese zeigt das Spannungs- und Strom-Zeitdiagramm während etwa einer Periode der Speisespannung. Der Verlauf d;r Netzwechselspannung ist gestrichelt eingetragen und mit u bezeichnet. Nach Maßgabe der Steuerung des Triac 14 wechseln Sperrintervalle α mit Leitfähigkeitsintervallen b ab. Jeweils während dem Sperrintervail α ist der Triac 14 nichtleitend, und es liegt praktisch die ganze Netzspannung an diesem und damit auch am Zündkreis. Jeweils während dem Leitfähigkeitsintervall b ist der Triac 14 leitend, und die Netzspannung liegt praktisch am Motor. In jeder Halbperiode beginnt das Leitfähigkeitsintervall b zum Zündzeitpunkt z, wenn der Triac 14 in den leitenden Zustand nippt. Es beginnt nun ein Belastungsstrom etwa mit dem Verlauf/ zu fließen. Zufolge der durch den Motor gebildeten, induktiven Last eilt nach Maßgabe des (variablen) Verhältnisses zwischen Wirk- und Blindlastanteil der Strom der Spannung nach, so daß der nächste « Siromnulldurchgang gegenüber dem Nulldurchgang der Spannung um einen Phasenwinkel φ verschoben Ist. Mit dem Nulldurchgang des Stroms endet das Leitfähigkeitsintervall b, indem dadurch der Triac 14 wieder In den Sperrzustand kippt. Damit erscheint die Spannung erneut am Zündkreis und die Kondensatoren C, und C₂ werden aufgeladen, bis, wie oben erwähnt, die Durchbruchspannung der Triggerdiode T erreicht Ist und sich der Kondensator C₂ über den Triac zur Bildung des neuen Zündimpulses entlädt.

Die erwähnte Phasenverschiebung bei induktiver Belastung hat bekanntlich zur Folge, daß der Triac 14, wenn er bei Stromnulldurchgang In den Sperrzustand zurückkippt, sofort einen bestimmten Spannungswert übernehmen muß, auf den die Netzspannung In der neuen Halb-Periode bereits angestiegen ist. Dieser Umstand wird im allgemeinen als nachteilig empfunden und erfordert In der Regel beim Betrieb mit induktiven Lasten eine Überbrückung des Triac mit einem RC-Parallelzwelg (in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet), um unzulässige Werte im Bezug auf du/dt zn vermeiden.

Da eine gleiche Laständerung bei hoher Motordrehzahl wegen der hohen Gegen-ί,ΜΚ eine kleinere Phasenverschiebung und somit ein kleineres ROckführslgnal ergibt als bei niedriger Motordrehzahl, muß der Grad der Rückführung bei höheren Drehzahlen zunehmen, um auch kleine DrehzahlSnderungen mit ausreichender Empfindlichkeit ausgleichen zu können.

Gerade diese mit der Phasenverschiebung verknüpfte Erscheinung wird nun In der vorliegenden Schaltung mit Hilfe des genannten, in Serie geschalteten Rückführpfades zwischen Last und Zündkreis in folgender Weise ausgewertet: es ist klar, daß ohne einen solchen Rückrührzweig die Aufladung der Kondensatoren C₍ und C₂ jeweils erst am Anfang eines Sperrintervalls ρ beginnen würden. Über den Rückführpfad erhalt jedoch der Zündkreis bzw. die Kondensatoren Ci und C₂ jeweils bereits während jedem Leitfähigkeitsintervall b ein Rückführsignal, das am Ende der Spannungsperiode seine Vorzeichen wechselt und dann den Kondensatoren C, und C₂ eine Spannung gemäß der Fläche A zufühit, so daß die Kondensatoren bereits eine Teilladung aufweisen, wenn bei Beginn des Sperrzustandes des Triac 14 ein Ladestrom über den Vorwiderstand R,, die Se¹ ondärwicklung 17 und den Einsicüwiderstand R₄ zu flisSer beginnt. Dies bewirkt, daß der Zündpunkt in der nächsten Halbwelle nach Maßgabe der erwähnten Vorausladung A entsprechend früher erreicht wird. Da die Fläche A bzw. der Phasenwinkel φ mit zunehmender induktiver Belastung des Motors ansteigt, wird in diesem Fall das Leitfähigkeitsintervall gegenüber dem Sperrintervall bereits während der nachfolgenden Halbwelle vergrößert, wodurch der Motor eine größere Leistung aufnimmt und im Sinne einer Konstanthaltung der Drehzahl der Störgröße entgegenwirkt.

Das Ausmaß dieser Rückführung auf den Zündkreis hängt natürlich von der Dimensionierung des Rückführpfades ab und wird durch den Einstellwiderstand R₄ bestimmt. Da durch R₄ die Drehzahl regulierbar ist und mit höherer Drehzahl R₄ abnimmt, wird das Ausmaß der Rückführung mit höherer Drehzahl größer, während bei kleiner Drehzahl R₄ zunimmt und dadurch der Hlnfluß der Rückführung auf die Aufladung der Kondensatoren C| und C₂ verringert wird. Da Veränderungen höherer Drehzahlen keinen großen Einfluß auf die Spannungsreitfläche A ausüben, die Fläche A aber bei kleinen Drehzahländerungen sehr stark variiert, muß der Grad der Rückführung mit höheren Drehzahlen zunehmen, um auch noch kleine Belastungsänderungen mit ausreichender Empfindlichkeit ausgleichen zu können. Dies wird gerade durch die angegebene Schaltung erreicht und es ergibt sich eine ausgezeichnete Stabilisierung der gewählten Drehzahl innerhalb eines großen Drehzahlberelches. Das Soll-Drehmoment bleibt praktisch fest und ist durch die Dimensionierung der ganzen Serieschaltung des Zündkreises festgelegt.

Für den einfachen Aufbau und die gute Wirksamkeit der Regelschaltung ist von Bedeutung, daß die Kondensator-Vorausladung (Fläche A) mit dem Winkel φ (Fig. 2) im maßgebenden Bereich näherungsweise linear zusammenhängt.

Die beschriebene Regelschaltung eignet sich selbstverständlich auch für andersartige induktive Lasten, sofern der erforderliche Zusammenhang zwischen Belastung und Stromnacheilung gegeben ist. Als Phasenanschnitt-Stellglieder können auch anderweitige, an jlch bekannte Wechselslromteller Verwendung finden. Für den Zündkreis sinfl ebenfalls mannigfaltige Varianten möglich, insbesondere auch die Anwendung anderer Kippeleniente anstelle de Triggerdiode T. Auch der Rückführpfad kann in verschiedener Welse abgewandelt werden, vor allem

können zur Erzielung eines bestimmten Regelverhaltens besondere Verzögerungs- und/oder Dämpfungsgileder eingefügt werden.

Die beschriebene Regelschaltung läßt sich mit Vorteil bei den verschiedensten Anwendungen von Kleinmotoren einsetzen, jedoch auch zur Regelung von Triebwerkmotoren sowie beispielsweise Motoren für Hebezeuge oder Förderanlagen.

Ihr besonderer Vorteil besteht darin, daß auch kleine und große Drehzahlen unter Last einwandfrei regelbar sind, wobei auch bei plötzlichem Wegfall der Belastung die Drehzahl konstant bleibt. Allgemein ergibt sich eine sehr kurze Ansprechzeil auf Belastungeänderungen bei ruhigem, schonendem Betrieb dank Vollwellenregelung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch;

Wechselspannungsgespeister Universalmotor mit einer Drehzahlstablllsierungsschaltung, bestehend aus s einem In Serie Im Motorsiromkreis liegenden Wecbselspannungs-Phasenanschnittglied mit einer Zündschaltung für das Phasenanschnlttglled, die mindestens einen, sich über ein Potentiometer aufladenden und sich Ober eine das PhasenanschniUglled zündende Vierschichtdiode entladenden Kondensator sowie einen Transformator enthält, dessen Sekundärwicklung mit ihrem einen Anschluß mit dem Potentiometer verbunden ist und dessen Ausgangsspannung die Anstiegszelt der Spannung an dem Kondensator in Abhängigkeit von der belastungsabhängigen Nacheilung des Molorstroms gegenüber dessen Klemmenspannung in Richtung einer Konstanthaltung der Moiordrehzahl beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (16) des Transfor- maiors parallel zum Motor (10, U, 12) liegt und die Sekundärwicklung (17) mit ihrem anderen Anschluß mit einem zu dem Phasenanschnittglied (14) parallel geschalteten Spannungsleiter (Λ,, R ₅) verbunden ist, der aus einem mit dem Verbindungspunkt des Motors (10, 11. 12) mit dem Phasenanschnittglied (14) verbundenen Widerstand (A₁) i.nd einem spannungsabhängigen Widerstand (Λ₅) besteht.