DE2312127B2

DE2312127B2 - Elektrische Drehzahlregelungseinrichtung für einen Einphasen-Reihenschlußkommutatormotor

Info

Publication number: DE2312127B2
Application number: DE2312127A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Hornung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-03-10
Filing date: 1973-03-10
Publication date: 1979-02-08
Also published as: NL186483B; FR2220920B3; DE2312127C3; DE2312127A1; SE405780B; ES424116A1; IT1008407B; FR2220920A1; GB1464792A; JPS49125819A; BR7401653D0; NL7403167A; NL186483C; CH560488A5; US3875485A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Drehzahlregelungseinrichtung für einen Einphasen-Reihenschlußkommutatormotor, mit einer als ein Zweig einer bei einer festgelegten Motordrehzahl und Betriebsspannung abgeglichenen Brückenschaltung geschalteten Ankerwicklung und einem von der Diagonalspannung der Brückenschaltung über einen Signalumformer steuerbaren Stellglied des Ankerstroms.
Es ist schon eine Drehzahlregelungseinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs aus der GB-PS U 10 184 bekannt, bei der das Problem der Signalumformung der Brückendiagonalspannung zur Erlangung einer Steuerspannung für ein Stellglied mittels indukti-

ver Übertrager mit nachgeschalteten Gleichrichteranordnungen gelöst wird Solche Bauteile sind aufwendig und teuer und benötigen einen, insbesondere für tragbare Geräte, störenden Platzbedarf.
Aus der DE-AS 18 01 158 ist zwar die Verwendung der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors im Diagonalzweig einer Brücke zur Abnahme von der Brückenverstimmung proportionaler Signale mit einer gewissen Schaltfunktion an sich bekannt, jedoch ist daraus keine Anregung in Richtung der Erfindung zu entnehmen, da die dort angegebene Schaltung einem anderen Zweck dient, keinen Teil eines Motors in der Brückenschaltung enthält und die aus der Brückenspannung gewonnenen proportionalen Signale einem anderen Zweck zugeführt werden, nämlich z. B. der Temperaturregelung unter

2Ί Vermeidung einer Hysterese.

Weiterhin ist aus der DE-OS 15 13 716 eine Drehzahlregelungseinrichtung für einen elektrischen Motor bekannt, jedoch sind auch hier umfangreiche, teure und einen großen Platzbedarf aufweisende

«ι Maßnahmen für die Regelung vorgesehen. Das Korrektursignal muß aus einem rotierenden Umformer gewonnen werden, anschließend in einem Gleichrichter gleichgerichtet werden, dann in eine Gleichspannungssteuergröße an einem Kondensator umgewandelt

i"> werden und schließlich wiederum über eine komplizierte Anordnung wieder in ein Wechselspannungssteuersignal umgewandelt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit möglichst geringem Aufwand und unter Vermeidung

·'·' aufwendiger Übertrager zur Umwandlung des Wechselspannungs-Korrektursignals in ein Gleichspannungs-Steuersifjnal eine Drehzahlregelungseinrichtung für einen Einphasen-Reihenschlußkommutatormotor zu entwickeln, die einfach mit billigen Bauelementen

'·"> aufgebaut ist und nur einen geringen Platzbedarf hat.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Signalumformer einen durch die Diagonalspannung der Brückenschaltung steuerbaren Transistor aufweist, der den Ladestrom für einen Steuerkondensator bestimmt,

^r>" und daß die Spannung des Steuerkondensators einem Übertragungsglied zugeführt wird, das als 4-PoI mit Potentialtrennung ausgebildet ist und durch das eine zur Gleichspannung am Steuerkondensator proportionale Größe in den von Wechselstrom durchflossenen

■■>"> Steuerkreis übertragbar ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß unter Verwendung einer sehr einfachen und billigen Schaltung bei Belastung des Motors innerhalb des Regelbereiches nur ein minimaler

^h" Drehzahlabfall zu verzeichnen ist, daß das maximale Drehmoment bzw. die maximale Stromaufnahme auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird, daß eine Anlaufstrombegrenzung erreicht wird und daß Netzunter- und Netzüberspannungseinflüsse auf die Leerlauf-

^h' drehzahl beseitigt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen

Drehzahlregelungseinrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines optoelektronischen Koppelglieds als Übertragungsglied, da diese Bauteile sehr klein und billig sind und darüber hinaus eine galvanische Trennung herbeiführen. Solche Übertragungsglieder sind an sich schon aus »Elektro-Technik«, 1967, Seiten 30 bis 32, und »Radio und Fernsehen«, 1963, Heft 17, Seiten 521 bis 523 bekannt.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert Es zeigen F i g. 1 die Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels, F i g. 2 ein Vergleichsdiagramm für einen ungeregelten und einen erfindungsgemäß geregelten Motor, Fig.3 die Schaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels und F i g. 4 die Schaltung eines dritten Ausführungsbeispiels.

In dem in F i g. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel wird ein Wechselstrom-Hauptschlußmotor, bestehend aus den Feldwicklungen K), Hl und der Ankerwicklung 12 von einer Wechselstromquelle 13 gespeist. Zwischen die Feldwicklung 10 und die Ankerwicklung 12 ist ein Triac 252 in Reihe mit einem ersten Brückenwiderstand 15 geschaltet. Dieser erste Brückenwiderstand 15 bildet zusammen mit der Ankerwicklung 12 einen Längszweig einer Brückenschaltung. Den zweiten Längszweig der Brückenschaltung bildet ein zweiter Brückenwiderstand 16 und ein dritter Brückenwiderstand 17. Zur Kompensation der Ankerinduktivität und zur Aussiebung der Ankerspannungsoberwellen ist parallel zum zweiten Brückenwiderstand 16 ein Kondensator 18 geschaltet. Der Verbindungspunkt der Widerstände 16 und 17 ist an die Basis eines Transistors 190 in einem Signalumformer 19 angeschlossen. Der Verknüpfungspunkt des ersten Brückenwiderstandes 15 mit der Ankerwicklung 12 ist an den Emitter des Transistors 190 angeschlossen. Im Signalumformer 19 ist der Emitter des Transistors 190 über einen Versorgungskondensator 1191, einen Strombegrenzungswiderstand 192 und einen Steuerkondensator 193 mit dem Kollektor des Transistors 190 verbunden. Zur Spannungsstabilisierung ist parallel zum Versorgungskondensator 191 eine Zenerdiode 194 geschaltet Der Verknüpfungspunkt der Ankerwicklung 12 mit der Feldwicklung 11 ist über eine Gleichrichterdiode 20 und einen Netzwiderstand 21 an den Verknüpfungspunkt des Strombegrenzungswiderstandes 192 mit dem Versorgungskondensator 191 angeschlossen. Para'lel zum Steuerkondensator 193 ist der lichterzeugende Zweig 220 eines als optoelektronisches Koppelglied 22 ausgebildeten Übertragungsglieds 23 vorgesehen. Die Sekundärseite des Übertragungsglieds 23 besteht aus einem Fotowiderstand 221, der über einen zusätzlichen Zündkondensator 24 an einen Zündkondensator 250 in einem Stellglied 25 angeschlossen ist. In diesem Stellglied 25 ist der Zündkondensator

250 und ein dazu in Reihe geschalteter Ladewiderstand

251 parallel zu der Anoden-Kathoden-Strecke des Triac

252 geschaltet. Der Verknüpfungspunkt des Zündkondensators 250 mit dem Ladewiderstand 2Sl ist über eine Triggerdiode 253 mit der Steuerelektrode des Triac 252 verbunden.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 soll im folgenden anhand des Drehzahl-Drehmoment-Diagramms nach Fig. 2 beschrieben werden. Die Widerstände der Brückenschallung 15, 16,17,12 sind so festgelegt, daß bei einem festgelegten, mittleren Drehmoment des Motor? 10, 11, 12 die Brücke abgeglichen ist und keine Brückenspannung im Querzweig auftritt Bei Belastung des Motors, d.h. mit zunehmendem Drehmoment M, fällt die Drehzahl η ab, wie es die durchgezogene Linie in F i g. 2 zeigt Damit verringert sich auch die Ankerspannung und der ί Spannungsabfall an dem Widerstand 15 nimmt zu. Der mittlere Belastungszustand des Motors sei durch den Punkt C in F i g. 2 gegeben. Wird dieser Belastungszustand zu höheren oder niederen Drehzahlen hin verschoben, so wird die Brücke verstimmt und es tritt

ίο eine Brückenspannung auf. Diese Brückenspannung wird der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 190 zugeführt Bei einer bestimmten Drehmomentvergrößerung bzw. Drehmomentverkleinerung, gekennzeichnet durch die Punkte D und B im Diagramm nach F i g. 2,

ι -, erreicht die Brückenspannung einen Wert, der über dem Basis-Emitter-Schwellwert des Transistors 190 liegt Der Transistor 190 wird leitend. Die am Anker 12 liegende Spannung wird durch die Gleichrichterdiode 20 gleichgerichtet und lädt den Versorgungskondensator 191 auf. Zur Stabilisierung der Kondensatorspannung des Versorgungskondensators 191 dient die Zenerdiode 194. Der Ladestrom wird durch den Netzwiderstand 21 begrenzt. Der periodisch leitende Transistor 190 lädt über den Strombegrenzerwiderstand

r, 192 den Steuerkondensator 193 über seine Kollektor-Emitter-Strecke periodisch auf. Die den Ladestrom bestimmenden Größen, die Spannung am Versorgungskondensator 191 und die Größe des Strombegrenzerwiderstandes 192 sind konstant. Die Aufladung des

κι Steuerkondensators 193 hängt somit nur von der Zeit bzw. der Amplitude der Brückenspannung ab. Die Kondensatorspannung des Steuerkondensators 193 ist somit ein analoges Maß für die Belastung des Motors in den Bereichen außerhalb der Punkte B und D im

r> Diagramm nach F i g. 2. Die Entladung des Steuerkondensators 193 erfolgt über den lichterzeugenden Zweig 220 des optoelektronischen Koppelgliedes 22. Der Zündzeitpunkt des Triacs 252, der in den Stromkreis des Motors geschaltet ist, wird durch die Größe des

■κι Ladewiderstandes 251 und des Zündkondensators 250 bestimmt. Bei Erreichen ihrer Durchbruchspannung wird die Triggerdiode 253 stromleitend, die wiederum den Triac 252 stromleitend macht. Durch den Fotowiderstand 221, der seinen Widerstandswert in Abhän-

■i". gigkeit vom Lichtstrom des lichterzeugenden Zweigs 220 verändert, wird in Abhängigkeit vom Drehmoment des Motors der zusätzliche Zündkondensator 24 parallel zum Zündkondensator 250 kontinuierlich dazugeschaltet. Die gesamte wirksame Kapazität, die vom

in Ladewiderstand 251 auf die Durchbruchspannung der Triggerdiode aufgeladen wird, verändert sich dadurch und der Zündzeitpunkt des Triacs 252 wird verschoben. Im Bereich B bis D im Diagramm nach Fig. 2 ist die Brückenspannung zu klein, um den Transistor 190 in den

r> leitenden Zustand zu versetzen. Es fließt kein Lichtstrom im lichterzeugenden Zweig 220 des optoelektronischen Koppelglieds 22 und der Zündkondensator 250 ist allein wirksam. Es ergeben sich Stromflußwinkel von etwa 180°, wodurch der Motor praktisch die volle

ho Netzspannung erhält. Wird dar Bereich B bis D zu kleineren Drehmomentwerten hin verlassen, d. h. der Motor entlastet, so wird die Brücke 15, 16, 17, 12 stark verstimmt, der Transistor 190 wird leitend, durch den ei.'stehenden Lichtstrom wird der Fotowiderstand 221

ι-■> niederohmig gemacht,der zusätzliche Zündkondensator 24 wird mit zunehmender Drehzahl des Motors immer mehr wirksam und dadurch wird der Stromflußwinkel verkleinert. Die Drehzahl des Motors steigt nicht weiter

an. Man erhält den drehzahlgeregelten Bereich At— B. Wird der Bereich ßbis D zu höheren Drehmomentwerten hin verlassen, d. h. der Motor stärker belastet, so entstehen Spannungsabfälle am Widerstand 15 bzw. an der Ankerwicklung 12 derart, daß die Spannung am Widerstand 15 zu- und die Spannung an der Ankerwicklung 12 abnimmt, was ebenfalls eine Verstimmung der Brücke zur Folge hat. Die verringerte effektive Motorspannung verhindert in diesem Fall ein weiteres Ansteigen des Drehmoments. Es ergibt sich eine Begrenzung auf ein maximales Drehmoment, welches dem Punkt D im Diagramm nach F i g. 2 entspricht. Im Bereich Punkt D bis £i im Diagramm F i g. 2 erhält man einen Motor mit Kippverhalten ähnlich dem eines Asynchronmotors. Dieser Effekt entsteht dadurch, daß durch Abnahme der Drehzahl η im Bereich D—E2 die Ankerspannung erstens durch die Abnahme der Ankerspannungsamplitude und zweitens durch den vom Stellglied verursachten Phasenanschnitt verringert wird. Der Phasenanschnitt als zweite Einflußgröße trägt zur Brückenverstimmung ebenso bei wie die erste, jedoch mit der Besonderheit, daß der Phasenanschnitt bereits eine Folge der Brückenverstimmung ist. Es ergibt sich eine Rückwirkung im Regelkreis derart, daß jede Abnahme des Stromflußwinkels eine sofortige weitere Verstimmung der Brücke und damit eine weitere Schwächung des Drehmoments M zur Folge hat. Das Anlaufdrehmoment des Motors liegt zwischen den Punkten £2 und D und ist wesentlich geringer wie das Anlaufmoment des ungeregelten Motors (Punkt E₁). Der Regler wirkt somit zusätzlich als Anlaufstrombegrenzer. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft des Reglers ist der Ausgleich von Netzspannungsschwankungen, bzw. Netzunter- und Netzüberspannungen auf die Leerlaufdrehzahl Punkt Ai. Wird beispielsweise durch eine Spannungsschwankung der Betriebsspannung 13 die Spannung am Anker 12 erhöht, so wird die Brücke verstimmt, die Briickenspannung nimmt zu, und es ergibt sich aufgrund der bereits beschriebenen elektrischen Zusammenhänge ein verkleinerter Stromflußwinkel. Die Zunahme des Ankerspannungseffektivwertes durch die erhöhte Amplitude der Betriebsspannung wird durch den verkleinerten Stromflußwinkel ausgeglichen. Die Drehzahl η bleibt konstant.

Der Aufbau und die Wirkungsweise des in F i g. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Unterschiede ergeben sich einmal durch die Verwendung einer Leuchtdiode im lichterzeugenden Zweig 220 des optoelektronischen Kopplers 22, die auf einen geringeren Stromfluß angewiesen ist und erschütterungsunempfindlicher ist, als beispielsweise eine Glühlampe. Der sekundäre Teil des optoelektronischen Kopplers 22 wird durch einen Fototransistor 222 dargestellt. Da der Fototransistor 222 ein polares Schaltelement darstellt, der zusätzliche Zündkondensator 24 jedoch mit Spannung wechselnder Polaritäl geladen wird, muß eine Gleichrichterbrückenschaltung 30 dazwischen geschaltet werden. Als weiterer Unterschied zu dem Schaltungsbeispiel nach Fig. 1 isi ein Transformator 32 vorgesehen, dessen Primärwicklung 33 über eine Brückengleichrichterschaltung 34 als Spannungsversorgung für den Signalumformer 19 dient Diese Schaltungsvariante hat gegenüber der Schaltung nach F i g. 1 den Vorteil, daß zur Aufladung des Versorgungskondensators 191 eine konstante Spannung zur Verfügung steht. In der Schaltung nach F i g. 1 hängt die Spannungsversorgung des Versorgungskondensators 191 von der Ankerspannung 12 und damit vor der Belastung des Motors ab.

Auch das in Fig.4 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem Aufbau und dei Wirkungsweise der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Im Unterschied dazu ist als Übertragungsglied 23 ein magnetfeldabhängiges Koppelglied 40 vorgesehen Dieses enthält primärseitig eine Magnetspule 401 unc sekundärseitig einen magnetfeldabhängigen Widerstand 400. Solche magnetfeldabhängige Koppelgliedei stehen auch als Halbleiterbauelemente, sogenannte Madistoren, zur Verfügung. Ein weiterer Unterschied zi dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 ist die Verwen dung einer Feldwicklung 11 des Motors als Primärwick lung 31 für den Transformator 32. Diese Anordnung is gegenüber der Anordnung nach F i g. 3 einfacher unc billiger auszuführen, bewirkt jedoch ebenfalls gegen über dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ein« galvanische Trennung im Regelkreis. Ein weiterei Unterschied ist die Verwendung zweier antiparalle geschalteter Thyristoren 254, 255 anstelle des Triac 252 Eine solche Anordnung ist erforderlich, wenn Motorlei stungen auftreten, die über die Leistungsfähigkeit dei heute bekannten Triacs hinausgehen. Auch die maxima zulässige Spannungs- und Stromanstiegsgeschwindig keit von Thyristoren ist höher als die von Triacs. Für die Schaltung mit antiparallelen Thyristoren 254,255 ist eir Zündtransformator 256, 257, 258 vorgesehen, desser Primärwicklung 256 zusammen mit der in Reih« geschalteten Triggerdiode 253 parallel zu dem Zünd kondensator 250 geschaltet ist. Di«: Steuerelektroder der Thyristoren 254, 255 sind je über eine Schutzdiode 259, 260 an ein Wicklungsende je einer Sekundärwick lung 257,258 angeschlossen. Das andere Wicklungsende der Sekundärwicklungen 257, 258 ist jeweils mit dei Kathode des entsprechenden Thyristors 254, 25i verbunden. Diese Schaltung der Thyristoren stellt eins an sich bekannte Anordnung dar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Drehzahlregelungseinrichtung für einen Einphasen-Reihenschlußkommutatormotor, mit einer als ein Zweig einer bei einer festgelegten Motordrehzahl und Betriebsspannung abgeglichenen Brückenschaltung geschalteten Ankerwicklung und einem von der Diagonalspannung der Brückenschaltung über einen Signalumformer steuerbaren Stellglied des Ankerstroms, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalumformer (19) einen durch die Diagonalspannung der Brückenschaltung (12,15,16,17) steuerbaren Transistor (190) aufweist, der den Ladestrom für einen Steuerkondensator (193) bestimmt, und daß die Spannung des Steuerkondensators (193) einem Übertragungsglied (23) zugeführt wird, das als 4-Pol mit Foteniialtrennung ausgebildet ist und aurch das eine zur Gleichspannung am Steuerkondensator (193) proportionale Größe in den von Wechselstrom durchflossenen Steuerkreis des Stellgliedes (25) übertragbar ist

2. Elektrische Drehzahlregelungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Ankerwicklung (12) des Wechselstrommotors liegende Spannung über einen Gleichrichter (20) dem Signalumformer (]I9) als Spannungsversorgung zuführbar ist.

3. Elektrische Drehzahlregelungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungsversorgung des Signalumformers (19) ein Versorgungstransformator (33) mit nachgeschaltetem Gleichrichter (34) vorgesehen ist.

4. Elektrische Drehzahlregelungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feldwicklung (11) des Motors als Primärwicklung (31) des Versorgungstransformators (32) dient.

5. Elektrische Drehzahlregelungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Übertragungsglied ein optoelektronisches Koppelglied (22) vorgesehen ist.

6. Elektrische Drehzahlregelungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Übertragungsglied ein magnetfeldabhängiges Koppelglied (40) vergesehen ist.

7. Elektrische Drehzahlregelungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkondensator (193) durch das nachgeschalte:te Übertragungsglied (23) entladbar und als Mittelwertbildner vorgesehen ist.

8. Elektrische Drehzahlregelungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Phasenabschnitt-Stellglied für den Ankerstrom mit mindestens einem Halbleiterschalter (252,254,255) parallel zu dem den Zündzeitpunkt bestimmenden Zündkondensator (250) eine Reihenschaltung eines zusätzlichen Zündkondensators (24) mit einem variablen Widerstand (221, 222, 400) der Sekundärseite des Übertragungsgliedes (23) vorgesehen ist.