DE2223044A1

DE2223044A1 - Steuerkreis fuer Gleichstrom-Elektromotore

Info

Publication number: DE2223044A1
Application number: DE19722223044
Authority: DE
Inventors: Stevens Keith Drummond; Bridge Marple; John Morton; Thexton Graham Spencer
Original assignee: Cableform Ltd
Current assignee: Cableform Ltd
Priority date: 1971-05-11
Filing date: 1972-05-08
Publication date: 1972-11-23
Also published as: IT957730B; GB1388688A; FR2139429A5; US3811080A; SE386784B

Description

PATENTANWÄLTE Dipi.-ing. H.Seiler Dipi.-ing. J. Pfenning Dipi.-Phys. K. H. Meinig

1 Berlin 19

Oldenburgallee 10 Tel. 0311/304 55 21 80563 304 55 22

Drahtwort: Seilwehrpatent j Postscheckkto. Bln.W. 59 38

8. Mai 1972 Me/St

CABLEFORM LIMITED

Green Lane, Romiley nr. Stockport

Cheshire, England

Steuerkreis für Gleichstrom-Elektromotore

Die Erfindung bezieht sich auf Steuerkreise für steuerbare Gleichstrom-Elektromotore, beispielsweise für einen mittels batteriebetätigten Motor, wie er in Fahrzeugen Anwendung findet, die batteriegebrleben sind.

Derartige Steuerkreise führen den Strom einer Gleichstromquelle, nämlich einer Batterie, dem Motor über eine Thyristorschaltung impulsgesteuert zu, wobei die Beschaffenheit der Impulse von einem Impulsgenerator vorgegeben wird, indem die Energiezufuhr zu dem Motor über die Änderung der Frequenz und/oder des Impuls-Abstandsverhältnisses der Generatorimpulse variabel gehalten werden kann.

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Bei einer derartigen Anordnung wird die elektrische Bremsung durch Betätigung eines Umsteuerungsschalters ermöglicht, welcher die Feldrichtung im Motor umkehrt, bzw. Wicklungsanschlüsse umpolt. Zufolge der erzeugten hohen EMK und entsprechender Ströme ist jedoch der Feldstrom gerade bei heftiger Bremsung relativ niedrig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Steuerkreis für den genannten Zweck zu entwickeln, mittels welchem es möglich wird, hohe Feldströme dem Motor zuzuführen, nachdem der Umsteuerungsschalter betätigt worden ist und bevor der Motor zur Ruhe gekommen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in der Schaffung eines Steuerkreises für die Steuerung eines Gleichstrom-Elektromotors mit einem Anker und einem Feld sowie einer über der Ankerwicklung liegenden, an diese angeschlossenen Diode, die dann entsprechend umgepolt vorgespannt ist, wenn sich der Motor in seinem antreibenden Zustand befindet, wobei ein Gleichstromschalter dem Motor Stromimpulse zuführt und Hilfsmittel vorgesehen sind, die feststellen, ob und wenn der Ankerstrom den Feldstrom während eines bzw. jedes Stromimpulses übersteigt, und wobei schließlich Mittel zur Begrenzung eines Strombereiches, welcher an den Motor angelegt werden kann, wenn der Ankerstrom den Feldstrom über einen vorbestimmten Wert übersteigt, vorhanden sind.

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Erfindungsgemäß wird ein Steuerkreis für die Steuerung eines Gleichstom-Elektromotors mit einem Anker und einem Feld geschaffen, wobei zu dem Anker eine Diode parallelgeschaltet ist, die bei Betätigung des Motors mit umgekehrter Polarität vorgespannt ist. Zu dem Steuerkreis gehört ein Gleichstom-Schalter, der Stromimpulse einer Gleichstromquelle für den Motor liefert und der eine Veränderung der Impulse bezüglich ihrer Frequenz und/oder ihres Abstandsverhältnisses in Übereinstimmung mit einem Steuersignal ermöglicht, wobei zu dem Kreis auch ein Kondensator gehört, welcher mit dem Beginn jedes Stromimpulses sich aufzuladen beginnt und der über Schaltmittel entladen werden kann, die sich dann in ihrem leitenden Zustand befinden, wenn die genannte, parallel zum Anker liegende Diode in umgekehrter Richtung vorgespannt bzw. vorpolarisiert ist. Des weiteren sind Mittel vorgesehen, die während jedes Impulses feststellen, ob der Kondensator einen bestimmten vorgegebenen Wert der Aufladung erreicht hat, wobei ein voller Strombereich an den Motor angelegt werden kann, wenn der vorbestimmte Betrag nicht erreicht ist, und nur dann ein beschränkter Bereich oder besser ein entsprechendes Stromintervall angelegt werden kann, wenn der vorgegebene Wert erreicht ist.

Mit der Anordnung der Ankerdiode ist der Strom in dem Anker stets gleich oder größer als der in der Feldwicklung, wenn der Gleichstromschalter eingeschaltet ist.

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Wenn der Anker stationär oder eine Gegen-EMK zu der Batteriespannung geliefert wird, ist die Diode umgekehrt vorgespannt., und Anker- und Feldstrom sind gleich. Wenn sich der Anker hin gegen in seinem erregenden Zustand befindet, wird über die Diode ein Erregungsstrom geführt, der oberhalb desjenigen des Feldes liegt, d.h., sie ist dann in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Insofern kann die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt sein während einer Impuls-Zwischenperiode, wenn die Ankerzeitkonstante größer als die des Feldes ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung unterscheidet zwischen motorischen und einem generatorartigen Zustand, ohne daß eine Verwechselung durch die Vorwärtsvorspannung während der Impuls-Zwischenperiode möglich wäre.

Im motorischen Zustand ist am Ende einer Zwischenimpulsperiode ein noch vorhandener Strom in dem Anker sehr klein. Wenn der Gleichstromschalter eingeschaltet ist, steigt der Feldstrom an und erreicht innerhalb einer sehr kurzen Zeit den Wert des Ankerstroms, wobei an diesem Punkt an der Ankerdiode die Spannung umgedreht wird.

Arbeitet der Motor hingegen wie ein Generator, so wird der ;

Strom der Ankerdiode über die gesamte Impuls^Zwischenperiode j

auf einem hohen Wert gehalten, während der Feldstrom wie vorher abfällt. Nach Einschaltung des Gleichstromschalters be-

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nötigt der Strom eine wesentlich längere Zeit zur Erreichung des Stromwertes des Ankers, so daß unter diesen Bedingungen eine starke Bremsung niemals erreicht werden kann.

Damit ist es möglich, klar zwischen dem motorischen und dem generatorartigen oder erzeugenden Zustand zufolge der Messung der Zeitverzögerung (j) zwischen Einschaltung, des Gleichstromschalters und der Umkehrung der Vorspannung der Ankerdiode zu unterscheiden.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung wird nachfolgend an Hand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es bedeuten:

Fig. 1 ein schematisches Schaltdiagramm eines erfindungsgemäßen Steuerkreises und

Fig. 2 Diagrammdarstellungen von Spannung und Strom in verschiedenen Abschnitten der Schaltung nach Fig* I.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, liegen in dem Steuerkreis ein Gleichstromschalter S, das Feld F und eine Armatur bzw. ein Anker A eines Elektromotors in Reihe , über die eine Batteriespannung abfällt, die mit ihren Polen die Spannungswerte +Vb und -Vb vorgibt. Eine Diode Dl ist zu dem Anker A parallel-

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geschaltet, so daß sie bei der normalen motorischen Betätigung des Ankers in rückwärtiger oder auch Sperr-Richtung vorgespannt ist. Eine weitere Diode D2 liegt parallel zu dem Feld F, d.h. einer dieses vorgebenden Wicklung und dem damit in Reihe liegenden Anker A. Der Gleichstromschalter S führt Stromimpulse mit veränderbarer Frequenz und/oder variablen Impulsabständen der Feld-Anker Anordnung zu, wodurch die durchschnittliche Stromspeisung für den Motor variiert werden kann. Der Gleichstromschalter besteht im wesentlichen aus einer Thyristorschaltung mit bekannten Sammelmitteln, Der leitende Zustand der Thyristoren wird über ein Tor-Impulssignal gesteuert, und zwar durch von einem nicht dargestellten Impulsgenerator abgegebene Impulse, die der Basis des Transistors T3 zugeführt werden, dessen Kollektor über einen Widerstand Rl mit dem Gleichstromschalter S und des weiteren über eine Diode D3 und den Ladungswiderstand R2 mit einem Kondensator Cl in Verbindung steht.

Mit Beginn jedes Tor-Impulses beginnt sich der Kondensator Cl aufzulad-en und der Schalter S führt dem Motor Strom zu. Wenn irgendein Strom in dem Anker den Feldstrom ansteigen läßt, bis dieser den Ankerstrom erreicht, wird die Diode Dl umgepolt bzw. in umgekehrter Richtung vorgespannt und der Transistor Tl, dessen Basis-Emitter-Kreis parallel zum Anker liegt, wird in den leitenden Zustand übergeführt, so daß auch der Transistor T2 leitend wird und sich der Kondensator Cl

entlädt. . -7-

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Im Anlauf- oder allgemein im motorischen Zustand des Motors steigt der Feldstrom desselben in sehr kurzer Zeit und erreicht den Ankerstrom, wobei nur eine sehr geringe Aufladung des Kondensators Cl erreicht werden kann. Wenn der Motor hingegen als Generator arbeiten soll, bzw. wenn er sich in seinem erzeugenden Zustand befindet, d.h., wenn dieser zur Ausführung eines Bremsvorganges benutzt wird, dann ist der Ankerstrom außerordentlich groß und der Feldstrom benötigt ein sehr langes Zeitintervall, um den Wert des Ankerstromes zu erreichen, so daß sich der Kondensator Cl fortwährend aufladen kann, bis er die durch eine Zenner-Diode ZDl begrenzte Spannung erreicht hat. Unter diesen Bedingungen ist dann die Zenner-Diode ZDl leitend, und ein zu einem nicht dargestellten Impulsgenerator geführtes Signal führt zu der Einschränkung des Strombereiches bzw. -intervalles, welches dem Motor zugeführt werden kann, beispielsweise zur Begrenzung der maximalen Impulsfrequenz, des Stromes, welche dem Motor während Bedingungen vorliegen, die durch den Bremsvorgang gekennzeichnet sind, zuführbar ist.

In Fig. 2 sind Stromdiagramme für unterschiedliche Abschnitte des Steuerkreises wiedergegeben. Die Impulsformen (a) und (g) zeigen die Tor-Impulssignale, die der Thyristorschaltung in dem Gleichstromschalter zugeführt werden. Die Impulsverläufe entsprechen den Signalen, die an der Basis des Transistors T3

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von dem Impulsgenerator anliegen. Die gleichen Signale liegen am Ladekreis der durch die Diode D3,den Widerstand R2 und den Kondensator Cl vorgegeben ist.

Das Impulsdiagramm (b) entspricht dem Spannungsabfall über die Diode D2 und damit dem Spannungsabfall über die Reihenschaltung von Feld F und Anker A.

Die Wellenform (c) stellt den Spannungsverlauf dar, der über die Ankerdiode Dl abfällt, wenn sich der Anker in seinem motorischen Zustand befindet, wobei die voll ausgezogene Linie die Spannung zeigt, wenn der Ankerstrom Ia der Kurve IaI entsprechend dem Wellenverlauf (d) folgt, während die gebrochene Linie die Differenz zeigt, wenn der Ankerstrom der Kurve Ia2 folgt.

Die Wellen-Form (d) zeigt die Stromkurven für den Feldstrom I: und die beiden vorgenannten Beträge von IaI und Ia2 des Ankerstroms für den motorischen Zustand.

Die Wellen-Form (e) stellt die Stromkurven für den Feldstrom If und die beiden Werte des Ankerstromes Ia3 und Ia4 dar, wenn der Motor während des Bremsvorganges gewissermaßen als Generator arbeitet.

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Die Wellen-Form (f) zeigt die Spannung₉ die über die Ankerdiode Dl abfällt, wenn sich der Motor in dem generatorartigen Zustand befindet, wobei die gebrochene Linie die Differenz angibt, wenn die Armatur bga_o der Ankerstrom Xa4 folgt₉ während die voll ausgezeichnete Linie sich auf den Ankerstrom Ia3 bezieht. Die Zeitverzögerung ff zwischen Beginn des Torimpulses, und der Umkehrung der Spannung₉ die Ober die Diode abfällt, ist ohne weiteres ersichtliche

Bei Einstellung einer zulässigen Zeitverzögerung₉ d„ho bei Einstellung des Widerstandswertes R2 und/oder eines entsprechenden Wertes für den Kondensator Cl ist es möglich;, eine Schwellenwertgeschwindigkeit für die elektrische Bremsung vorzugeben, wie auch für Start und Umkehrung derNei-i gungsanstiege.

Die Vorteile der beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Anordnung nach der Erfindung sind im wesentlichen die folgenden:

a) Die Bedienungsperson des Fahrzeuges kann dieses mit einer hohen Wiederholungsrate starten und es für eine Bremsung auf eine niedrige Rate zurücksetzen. Dadurch werden irgendwelche Verzögerungen im normalen Startablauf vermieden, wie sie sonst bei Einrichtungen vorliegen, die stets mit einer Verzögerungsrate starten.

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b) Es gibt keine V er vie ch se lung ,bei frei schwankenden Strömen in der Ankerdiode yahrsnd der Zwischenimpülsperiode» Dieses ist ein Problem mit Einrichtungen, welche entweder mit augenblicklichen ©der durchschnittlichen Messungen der positivan Spannung cisr Ankardiode arbeiten»

c) I¹^e !-!■"c/ir.rüfi.oe; G^y "/ij:;:Mltni«sss swischisn Ankerstrom und Feldstroisi "ärd fil;: jsdea an den Motor angelegten Stromimpuls möglich, se daß die bisher zur Messung des Durchschnittswertes erforderlichen Verzögerungen und die zugehörigen Meßanordnungen nicht benötigt werden.

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Claims

-11-PATENTANSPRÜCHE

( 1·jsteuerkreis zur Steuerung eines Gleichstrom-Elektromotors mit einem Anker, einem Feld und einer Diode, dadurch gekennzeichnet , daß die parallel zu dem Anker (A) liegende Diode (Di) in umgekehrter und damit in I

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Sperrichtung vorpolarisiert ist) wenn der Motor (A, F) sichj in einem antreibenden Zustand befindet, daß dem Motor (A,F)i über einen Gleichstromschalter (S) Stromimpulse zugeführt werden, und daß Mittel zur Nachprüfung und Feststellung, ob der Anker strom den Feldst.rom während jedes Stromimpulses!

i übersteigt und Mittel zur. Beschränkung des an den Motor angelegten Strombereiches für den Fall, daß der Ankerstrom den Feldstrom bei einer vorgegebenen Größe übersteigt, vorgesehen sind.
2. Steuerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromschalter (S) dem Motor (A, F) Stromimpulse von einer Gleichstromquelle (+Vb, -Vb) zuführt, die in ihrer Frequenz und/oder in ihrem Abstandsverhaltnis in Übereinstimmung mit einem Steuersignal veränderbar sind, daß ein Kondensator (Cl) vorhanden ist, dessen Aufladung mit dem Beginn jedes Stromimpulses beginnt, und der über Schaltmittel entladen werden kann, welche sich dann im

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leitenden Zustand befinden, wenn die parallel zum Anker (A) liegende Diode (Di) umgekehrt vorgespannt ist, wobei während jedes Impulses eine Nachprüfung und Feststellung dahingehend möglich ist, ob die Ladung auf dem Kondensator (Cl) einen vorbestimmten Wert erreicht hat una die Anordnung so getroffen ist, daß dem Motor ein voller Strowbe«* reich zugeführt wird, wenn der vorbestimmte Wert nicht erreicht ist und ein verminderter Strombereich bezüglich Frequenz und/oder Impulsabstand, wenn der vorbeatiamte Pegel erreicht worden ist. ■" . ■ y ,, ■
3. Steuerkreis nach Anspruch'2, dadurch gekennzeichnet,

in dem Entladungskreis ein Transistor (T2) liegt, der dem Kondensator (Cl) parallelgeschaltet ist, und daß der Basis-Emitter-Kreis des Transistors (T2) am Kollektor «ittes zweiten Transistors (Ti) liegt, dessen Basie-E»ift«r-KnsJL» parallel zur Ankerdiode (Dl) geschaltet ist·
4. Steuerkreis nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (Cl) in Reihe mit einem Ladewiderstand (R2) und im Ausgangskreis eines Transistors (T3) liegt, dessen Basis die Impulskontroll- oder Steuersignale zugeführt werden.

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5. Steuerkreis nach den Ansprüchen 2 bis 4₉ dadurch gelcenn« zeichnet, daß Mittel zur Nachprüfung und Festlegung (means for ascertaining) für den Tatbestand vorhanden sind₃ ob und wenn die Ladung des Kondensators einen vorbestimmten Wert erreicht hat, wobei diese Mittel eine Zenner»Diode (ZDl) aufweisen, welche dann in den leitenden Zustand überführt wird, wenn die über den Kondensator CCi) abfallende Spannung den Schwellenwert erreicht_s bei dem die über die Zenner-Diode abfallende Spannung susararaenbrichte
6. Steuerkreis nach Anspruch 5_P dadurch gekennzeichnet_s daß eine ein Steuersignal liefernde Anordnung Cclarap) in einem Impulsgenerator,solange sich die Zenner-Diode (ZDl) in ihrem leitenden Zustand befindet _v betätigt wird_s so daß der Frequenzberexch der Impulse in dem Steuersignal vermindert bzw. zurückgesetzt ist_o

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