DE2257713B1 - Schaltungsanordnung zur Glättung pulsierender Spannungen - Google Patents

Description

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eweils zwei hinsichtlich ihrer Phasenlage benachbarte F i g. 4 eine Schaltungsanordnung gemäß der Er-Wechselspannungen geometrisch summiert sind und findung bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor. daß diese Summenspannungen ebenfalls gegenein- In der F i g. 1 ist die Statorwicklung eines kollektorander entkoppelt zusammen mit den hinsichtlich der losen Gleichstrommotors dargestellt, deren Teil-Scheitelwerte an die Summenspannungen angegli- 5 wicklungen Wl, Wl, W2> und WA derart symmetrisch chenen Wechselspannungen auf den gemeinsamen zueinander angeordnet sind, daß jeweils benachbarte Lastwiderstand geführt sind. Wicklungen um 90° gegeneinander versetzt sind. Bei

Durch die Erfindung wird erreicht, daß am gemein- Betrieb des Motors werden die Wicklungsanschlüsse samen Lastwiderstand eine pulsierende Spannung Al, Al, A3 und A4 zyklisch mittels einer noch zu erzeugt werden kann, bei der die Anzahl der Span- io beschreibenden Steuerschaltung an eine Gleichspannungsmaxima während einer vollständigen Periode nung angeschaltet, so daß auf den Permanentmagnetdoppelt so groß ist wie diejenige der ursprünglich läufer P ein Drehmoment ausgeübt wird. An den vorhandenen Wechselspannungen. Auf diese Weise jeweils stromlosen Wicklungen entsteht dabei eine wird nach einer Gleichrichtung eine mittlere Gleich- sinusförmige Induktionsspannung, die als Istspannung spannung erzielt, deren Welligkeit wesentlich geringer 15 zu Regelzwecken verwendet werden kann. Ebenso ist als die der aus den ursprünglich vorhandenen kann diese Spannung jedoch auch zu anderen Zwecken Spannungen gebildeten pulsierenden Gleichspannung. ausgenutzt werden, beispielsweise zur Anzeige der So ist es beispielsweise möglich, bei drei Wechsel- Drehzahl oder zur Steuerung von dem Motor zugespannungen durch Zusammenfassung jeweils zweier ordneten Einrichtungen.

zeitlich aufeinanderfolgender Wechselspannungen drei 20 Wenn die an den vier Teilwicklungen Wl, Wl, Wi zusätzliche Summenspannungen zu erzeugen, die den und WA der in der F i g. 1 gezeigten Anordnung aufdrei Wechselspannungen am gemeinsamen Lastwider- tretenden Wechselspannungen gegeneinander entstand überlagert werden, so daß insgesamt sechs koppelt auf einen gemeinsamen Lastwiderstand ge-Spannungsmaxima entstehen, die zu einer wesentlich führt werden, so entspricht die an diesem Widerstand gleichmäßigeren mittleren Gleichspannung führen. 25 auftretende Spannung dem Verlauf, der in der F i g. 2 Durch die Verdopplung der Spannungsmaxima wird stark durchgezogen für eine Läuferumdrehung dardie Welligkeit auf etwa ein Viertel ihres Wertes ver- gestellt und durch Wechselspannungen ul, ul, m3, uA ringen. gleicher Amplitude gebildet ist. Aus diesem Verlauf

Die Angleichung der Scheitelwerte der Wechsel- ist zu erkennen, daß eine nach Gleichrichtung er-

spannungen an die Scheitelwerte der Summenspan- 30 haltene pulsierende Gleichspannung eine sehr hohe

nungen erfolgt zweckmäßig durch eine Spannungs- Welligkeit von etwa 30% aufweist, da die Minima

teilung der Wechselspannungen. Besonders einfach ., „. , . . .. , . , .., . ,r

. , ,.^&„. ·. ^r, ^e j . _c ihres Wechselspannungsanteils bei dem Wert -=-1/

ist die Dimensionierung der verwendeten Spannungs- ro 2 '

teiler, wenn pulsierende Spannungen, die aus vier liegen, wenn für die Maxima der Wert 1 vorausgesetzt

Wechselspannungen mit einer Phasendifferenz von 35 wird.

jeweils 90° zwischen hinsichtlich ihrer Phasenlage Eine bessere Glättung ergibt sich dann, wenn hinbenachbarten Wechselspannungen gebildet sind, ge- sichtlich ihrer Phasenlage jeweils benachbarte Wechselglättet werden sollen. Dies ist bei den meisten kollek- spannungen geometrisch addiert werden. In der torlosen Gleichstrommotoren der Fall, da solche F i g. 3 ist gezeigt, wie sich vier Summenspannungen Motoren zum sicheren Anlauf aus jeder Position vier 40 durch geometrische Addition jeweils zweier Wechselsymmetrisch zueinander angeordnete Ständer-Teil- spannungen ul und ul, ul und «3, t/3 und uA, uA wicklungen aufweisen. Die Zusammenfassung der und u\ ergeben. Dabei ist der besseren Übersicht Wechselspannungen zu den Summenspannungen er- halber lediglich eine durch die geometrische Addition folgt dann durch ohmsche Verknüpfung der hinsieht- erhaltene Summenspannung ul + ul dargestellt, die lieh ihrer Phasenlage jeweils benachbarten Wechsel- 45 sich bei Zusammenfassung der Wechselspannungen u 1 spannungen, die Angleichung der Scheitelwerte der und ul einstellt. Da die Wechselspannungen ul Summenspannungen durch Spannungsteilung auf den und ul durch die Bewegung des Permanentläufers P

1 1/2-fachen Wert, da dieser Wert sich auch bei der ^ '^l* ¹^ⁱⁿ f ⁿ Teüwicklungen Wl und Wl induziert

2 ' werden, sind sie Wechselspannungsanteile einer von Zusammenfassung der jeweiligen Wechselspannungen 50 einer Quelle erzeugten Wechselspannung. Bei einer zu den Summenspannungen ergibt. Addition der Wechselspannungen über gleiche ohm-

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im sehe Widerstände bilden die Widerstände bezüglich folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. der Quelle eine Reihenschaltung, so daß bei gleichen Dieses Ausführungsbeispiel betrifft die Glättung einer Widerstandswerten sich jeweils nur die halbe Summenzur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleich- 55 spannung ergibt. Aus der Addition der Wechselspanstrommotors aus dessen Ständerwicklung abgeleiteten nungen
Istspannung. Es zeigt ul = U- sin oc

F i g. 1 eine symmetrische Wicklungsanordnung / „\

eines kollektorlosen Gleichstrommotors, dessen jeweils ^w^ ⁼ ^ " ^sin \^a ~ yj
benachbarte Wicklungen um 90° zueinander räumlich 60 _{äß der Bezieh für die Addition der} Funktionen

versetzt sind, _{zweier winke}i

F i g. 2 eine schematische Darstellung der in den

Wicklungen gemäß der F i g. 1 im jeweils stromlosen _{sm Ä} j_ _sj_n Λ ₌ 2 sin ^x ~^~ ^ · cos · * ~ ^

Zustand durch den Permanentmagnetläufer indu- 2 2

zierten Wechselspannungen, 65 . ,

F i g. 3 eine schematische Darstellung der bei der ^er8^{lbt slch dann als} Summenspannung

erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gebildeten ,/. . / n\

Spannungen und u_s = U )/2 sin [oc - _Tj

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Durch die zuvor beschriebene Halbierung dieser wird. Der Steuerstrom für die Hallgeneratoren Hl

Summenspannung ergibt sich dann die Spannung und H2 bestimmt die Aussteuerung der Transistoren

U ι _π\ Tl bis T4. Wird der Steuerstrom in der Regelschal-

ul + u2 = — ]/2sin I« — — j, tung J? entsprechend der dort erhaltenen Vergleichs-

V ⁴ / 5 spannung geregelt, so wirkt sich diese Regelung über

die in der F i g. 3 dargestellt ist. Wird nun außerdem die Hallspannungen und die Transistoren Tl bis TA

die Amplitude der Wechselspannungen ul und ui auf die Drehzahl des Gleichstrommotors aus.

i j „r _A U -,/χ- , ,, j , , . . j Zur Glättung der von den Teilwicklungen Wl bis

auf den Wert_y ifi gebracht, d. h. derjemgen der _{ψ4 abgeleitete}°_{n Istspanmmg ist ein} Widerstandsnetz-

Summenspannung angeglichen, so ergeben sich die io werk vorgesehen, das aus Spannungsteilern und Ver-

in der F i g. 3 dargestellten Wechselspannungen ul' knüpfungsschaltungen gebildet ist. Dieser Anordnung

und u2'. An einem gemeinsamen Lastwiderstand stellt sind Entkopplungsdioden Dl und D2 nachgeschaltet,

sich dann bei Entkopplung der Wechselspannungen die eine Gleichspannung an die Regelschaltung J?

ein Spannungsverlauf ein, der pro Läuferumdrehung liefern.

nicht vier, sondern acht Extremwerte aufweist und 15 Die Wechselspannungen ul, u2, w3 und u4 werden

damit eine wesentlich geringere Welligkeit hat als der an jeweils einem aus Widerständen RIn und R2n

allein durch die Spannungen ul, u2, w3 und w4 gebildeten Spannungsteiler auf einen Scheitelwert

gebildete Spannungsverlauf. Es ist zu erkennen, daß I₁/-

die Schnittpunkte der Spannungen ul' und u2' und gebracht, der um den Faktor _y]/2 gegenüber dem

der Summenspannungen bei Winkelwerten liegen, die so _{ursprünglichen} Scheitelwert verringert ist. Die so

gegenüber den Werten « = 0, -^-, π, -^-, 2π jeweils reduzierten Wechselspannungen (ul' und u2' in der

Fig. 3) werden über Dioden Dl auf einen gemein-

um ± -^- verschoben sind. Durch Gleichsetzung der samen Schaltungspunkt A geführt. Die Spannungs-

_ , . , . , , .j ., teiler aus den Widerständen J?In und R2η liegen mit

Funktionen der einander schneidenden Kurven ergibt 35 _im-_en zweiten Anschlüssen an einem Schaltungspunkt B,

sich am jeweiligen Schnittpunkt der Amplitudenwert _{an den die} Betriebsspannung + Ub angeschaltet ist.
0,924 so daß die Restwelhgkeit 7,6% betragt. Zusätzlich werden die Wechselspannungen ul, u2,

In der F1 g 4 ist eine Steuerschaltung fur einen _{u3 und m4 jeweils paarweise an zwei} Widerstände R3n

kollektorlosen Gleichstrommotor dargestellt mit der _{und R4n führt deren Werte übei}._einstimmen. _An

jeweils eine der Stander-TeilwicMungen Wl bis W4 3° _dem Verbindungspunkt beider Widerstände R3n

an eine Betaebsspannung + Ub anschaltbar ist _{und R4n M sich dann jeweüs eine Summenspan}_ Zwischen den Wicklungsanschlussen Al bis A4 und

Erdpotential sind als Schaltelemente Transistoren Tl _{nungj deren} Scheitelwert den 4-1/2 -fachen Wert des bis TA mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand Re ²
vorgesehen, deren Basiselektroden paarweise mit 35 Scheitelwerts der Wechselspannungen hat. Diese einem Lagemelder verbunden sind. Sie haben die Summenspannungen werden über Dioden D 2 dem Aufgabe, den magnetischen Fluß des Permanent- gemeinsamen Schaltungspunkt A zugeführt. Zwischen magnetläufers P (Fig. 1) und damit dessen Stellung den Schaltungspunkten A und B ergibt sich somit eine relativ zu den Teilwicklungen Wl bis WA abzufragen. geglättete Gleichspannung, die aus acht pulsierenden Hierzu werden Hallgeneratoren Hl und H2 ver- 40 Gleichspannungsanteilen mit unterschiedlicher Phasenwendet, die an zwei einander benachbarten Teilwick- lage besteht, welche infolge der Angleichung ihrer lungen um 90° gegeneinander versetzt angeordnet sind. Scheitelwerte einen praktisch konstanten Gleichwert Wenn die Hallgeneratoren Hl und H2, die über einen der Spannung liefern. Die Differenz der Phasengemeinsamen Vorwiderstand Rh an Erdpotential lage jeweils benachbarter Gleichspannungsanteile beliegen, von einem konstanten Steuergleichstrom durch- 45 _t -^ n_
flössen werden und die Feldverteilung über den Läufer- ^ra^" 4 '

umfang sinusförmig ist, tiitt an den Basiselektroden Die so erzeugte geglättete Gleichspannung hat der Transistoren Tl bis TA eine sinusförmig verlau- Maximalwerte und Minimalwerte, die jeweils als von fende Hallspannung auf. Wenn die Transistoren Tl Spannungsquellen unterschiedlichen Innenwiderstanbis TA im linearen Bereich arbeiten, ist auch ihr 50 des geliefert anzusehen sind. So sind die Maximalwerte Kollektorstrom und damit der von den Teilwick- aus Spannungsquellen mit einem Innenwiderstand Ri lungen Wl bis WA erzeugte Magnetfluß sinusförmig. abgeleitet, der jeweils der Parallelschaltung der Wider-Bei richtiger Zuordnung der Hallgeneratoren Hl stände RIn und R2n bzw. der Widerstände R3n und H2 zu den Teilwicklungen einerseits und jeweils und R4n entspricht, da zum jeweiligen Zeitpunkt eines zwei Transistoren andererseits stellt sich in der ge- 55 Maximalwertes jeweils nur eine dieser Widerstandssamten Ständerwicklung in bekannter Weise ein anordnungen wirksam ist. Für die Minimalwerte des Drehfeld ein, das ein praktisch konstantes Dreh- Spannungsverlaufs gilt hingegen die Parallelschaltung moment am Permanentmagnetläufer P (Fig. 1) er- der beiden zuvor genannten Innenwiderstände, da zeugt. zum jeweiligen Zeitpunkt eines Minimalwertes zwei

An den Wicklungsanschlüssen Al bis A4 kann 60 der genannten Widerstandanordnungen wirksam sind, jeweils eine Wechselspannung ul bis w4 im stromlosen Die Welligkeit der geglätteten Gleichspannung kann Zustand der jeweiligen Teilwicklung abgenommen nun weiter herabgesetzt werden, wenn als Lastwiderwerden. Die Wechselspannungen werden über Dioden- stand der Eingangswiderstand R 5 der Regelschaltung.^ entkoppelt an einen gemeinsamen Schaltungspunkt unter der Voraussetzung dimensioniert wird, daß die geführt, an dem sie eine der Drehzahl des Gleichstrom- 65 an ihm abfallende Spannung möglichst zu jedem motors proportionale Istspannung bilden. Diese kann Zeitpunkt den gleichen Wert haben soll. Für das in einer Regelschaltung R zugeführt werden, in der sie der F i g. 4 gezeigte Widerstandsnetzwerk, bei dem geglättet und mit einer Sollspannung Ur verglichen die Widerstände RIn und R2n eine Spannungsteilung

mit dem Faktor γ ]/ΐ erzeugen und die Widerstände R3n und R4n übereinstimmen, ergeben sich durch Rechnung, ausgehend von einem gegebenen Widerstandswert R In = R1, die folgenden weiteren Größen:

Λ1 + Α2 2 ' y2-l

R3-.R4 _ itl-i;2 _^ _ _ ,-Λ3 + Λ4 ~ Ä1 + Ä2 "*" ~ pi~

UI-R5 Ul - sin 67,5° · R5

Ri+R5

1L+R5

= 2,75Rl|/2 = 3,89i?l

Durch die Dimensionierung des Widerstandes R5 in der vorstehend dargelegten Weise ergibt sich eine weitere Annäherung der Minimal- und der Maximalwerte der geglätteten Gleichspannung zueinander, wodurch der zuvor dargestellte Wert der Restwelligkeit von etwa 7,6 % ungefähr auf den halben Wert, d. h. auf etwa 4% verringert wird.

Es wird darauf hingewiesen, daß an Stelle der beschriebenen Widerstandsnetzwerke auch Schaltungen anderer Art zur Zusammenfassung der Wechselspannungen verwendet werden können. Solche Schaltungen können je nach Art der Erzeugung der Wechselspannungen auch mit induktiven und/oder kapazitiven Elementen arbeiten. Beispielsweise sind

auch Übertrager zur Darstellung, Teilung und Addition der Wechselspannungen unterschiedlicher Phasenlage verwendbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

COPY

409525/272

Claims (3)

1 2 Patentansprüche· tivitäten und/oder Kapazitäten zu verwenden. Bei vielen Anwendungsfällen ist eine Glättung mit solchen

1. Schaltungsanordnung zur Glättung pulsieren- Elementen jedoch nicht erwünscht, da bei Ein- und der Spannungen, insbesondere von aus Gleich- Ausschaltevorgängen sowie bei sonstigen Änderungsstrommotorwicklungen zur Drehzahlregelung ab- 5 vorgängen die Zeitkonstanten der Speicherelemente geleiteten Istspannungen, die aus mehr als zwei schädliche Auswirkungen auf die Charakteristik der gegeneinander entkoppelten und auf einen ge- geglätteten Spannung während der Änderung und meinsamen Lastwiderstand geführten Wechsel- damit auf den jeweils angeschalteten Verbraucher spannungen etwa übereinstimmenden Scheitel- haben. Besonders problematisch sind diese Beeinwerts und unterschiedlicher Phasenlage mit einer io trächtigungen bei elektrischen Maschinen, da diese Phasendifferenz von weniger als 180° zwischen eine mechanische Bewegung durchführen, die durch hinsichtlich ihrer Phasenlage benachbarten Wech- Unregelmäßigkeiten der Speisespannungen gestört selspannungen gebildet sind, dadurch ge- v/erden kann. So ist insbesondere bei Präzisionsanke nnzeichnet, daß jeweils zwei hinsichtlich trieben eine sehr genaue Arbeitsweise erforderlich, ihrer Phasenlage benachbarte Wechselspannungen 15 da solche Geräte z. B. zur Positionierung von Druck- (ul, μ2) geometrisch summiert sind und daß diese köpfen in Druckwerken, zum Schrittransport in Summenspannungen (wl+«2) ebenfalls gegen- Magnetbandgeräten, für Synchronsteuerungen usw. einander entkoppelt zusammen mit den hinsieht- verwendet werden.

lieh der Scheitelwerte an die Summenspannungen Als Präzionsantriebe werden weitläufig kollektor-(m1 + m2) angeglichenen Wechselspannungen («!', 20 lose Gleichstrommotoren eingesetzt. Diese haben w2') auf den gemeinsamen Lastwiderstand ge- einen Dauermagnetläufer und eine aus mehreren Teilführt sind. wicldungen bestehenden Ständerwicklung. Die ersten

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, zur Enden der Teilwicklungen sind miteinander verbunden, Glättung pulsierender Spannungen, die aus vier während die zweiten Enden mit einer Steuerschaltung Wechselspannungen mit einer Phasendifferenz von 25 verbunden sind, in der eine Kommutierung des den jeweils 90° zwischen hinsichtlich ihrer Phasenlage Teilwicklungen zugeführten Stroms im Drehsinn des benachbarten Wechselspannungen gebildet sind, Motors durchgeführt wird.

dadurch gekennzeichnet, daß die Summenspan- Eine Drehzahlregelung kann bei Motoren dieser

nungen (ul-\-u2, u2+u3, u3 + u4, ul-\-u4) Art unter Ausnutzung der in den Teilwicklungen

durch ohmsche Verknüpfung der hinsichtlich ihrer 30 während des jeweils speisestromlosen Zustandes

Phasenlage jeweils benachbarten Wechselspan- induzierten Spannungen durchgeführt werden, die

nungen (ul, u2, u3, u4) gebildet sind und daß die hinsichtlich ihrer Frequenz und Amplitude drehzahl-

Scheitelwerte der Wechselspannungen (ul, «2, w3, abhängig sind. Diese Spannungen werden gegenein-

„4, durch Spa^teitag atf den i- >ϊ**» ^ ££ >%»*?*£ TaTSSSgTd

Wert reduziert sind. Glättung eine Istspannung, die drehzahlabhängig ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, da- und mit einer Sollspannung verglichen werden kann, durch gekennzeichnet, daß zur ohmschen Ver- so daß das Vergleichsergebnis innerhalb der Steuerknüpf ung der Wechselspannungen (ul bis u4) schaltung zur Drehzahlkorrektur herangezogen werden eine ringförmige Reihenschaltung untereinander 40 kann (Siemens-Zeitschrift, 45 [1971], S. 206 und 207). gleicher ohmscher Widerstände (i?31 bis R34, Die Welligkeit der pulsierenden Gleichspannung R41 bis R44) vorgesehen ist, deren Verbindungs- hat bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor mit punkte abwechselnd mit jeweils einer Diode (D 2) 4 Ständer-Teilwicklungen vor der Glättung einen und mit jeweils einem eine der Wechselspannungen Wert von etwa 30%. Ein derart hoher Wert führt bei (ul bis w4) teilenden Spannungsteiler (RIl bis R14, 45 einer Drehmomentänderung an der Motorwelle zu RIl bis R24) verbunden sind, dessen Teilspan- starken Drehzahlabweichungen. Wenn die pulsierende nung an jeweils eine weitere Diode (Dl) geführt Gleichspannung durch zusätzliche Speicherelemente ist, und daß die zweiten Anschlüsse aller Dioden geglättet wird, so tritt bei Änderungsvorgängen des (Dl, D 2) untereinander und mit dem gemein- Motorbetriebs, insbesondere beim Anlaufen und bei samen Lastwiderstand verbunden sind. 50 Lastwechsel, ein starkes und daher unerwünschtes

Überschwingen auf. Damit ist wiederum eine ungenaue Arbeitsweise verbunden, die insbesondere bei Prä-

zisionsantrieben unerwünscht ist.

Außer den vorstehend beschriebenen sind dem 55 Fachmann zahlreiche weitere Anwendungsfälle be-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungs- kannt, bei denen pulsierende Gleichspannungen möganordnung zur Glättung pulsierender Spannungen, liehst ohne Zeitkonstante zu glätten sind, um Wechselinsbesondere von aus Gleichstrommotorwicklungen Wirkungen zwischen Energiespeichern und den Verzur Drehzahlregelung abgeleiteten Istspannungen, die brauchern zu vermeiden.

aus mehr als zwei gegeneinander entkoppelten und 60 Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine auf einen gemeinsamen Lastwiderstand geführten Schaltungsanordnung zur Glättung pulsierender Span-Wechselspannungen etwa übereinstimmenden Scheitel- nungen anzugeben, die zu einer wesentlich geringeren werts und unterschiedlicher Phasenlage mit einer Restwelligkeit führt, so daß eine exaktere und von Phasendifferenz von weniger als 180° zwischen hin- Energiespeichern unbeeinträchtigte Steuerung von sichtlich ihrer Phasenlage benachbarten Wechsel- 65 Verbrauchern möglich ist.

spannungen gebildet sind. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung

Zur Glättung pulsierender Gleichspannungen ist der eingangs genannten, aus der Siemens-Zeitschrift

es bekannt, elektrische Energiespeicher, also Induk- bekannten Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß