DE2409781B2 - Drehzahlregelschaltung für einen Gleichstrommotor - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahlregelschaltung für einen Gleichstrommotor, der aus einer Wechselstromquelle über eine Vollweg-Gleichrichter-Brücke speisbar ist, die in jedem Schenkel einen steuerbaren Gleichrichter enthält, mit einer Zündschaltung für die Gleichrichter zur Änderung der an den Motor angelegten effektiven Spannung, ferner mit Mitteln zur Erzeugung eines der Ist-Drehzahl proportionalen Signals, das der Spannung über der Ankerwicklung des Motors proportional ist, Mitteln zur Lieferung eines Bezugssignals, das der Soll-Drehzahl des Motors proportional ist, und mit einer das der Ist-Drehzahl proportionale Signal mit dem Bezugssignal vergleichenden Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Regelabweichungssignals, das der Differenz zwischen den Soll- und Ist-Werten der Motordrehzahl proportional ist. Eine derartige Drehzahlregelschaltung ist aus der US-PS 36 21 355 bekannt.

Um den Einfluß des durch den Wirkwiderstand bedingten Spannungsabfalles bei der Erfassung des Drehzahlistwertes aus der Ankerspannung zu elliminieren, wird die Ankerspannung während derjenigen Zeitintervalle integriert, zu denen dem Motor keine Leistung zugeführt wird. Dies besitzt jedoch zwei wesentliche Nachteile. Erstens besteht eine Ungenauigkeit der Näherung für die Kompensation des Spannungsabfalls, und zweitens bedingt das Integrationsverfahren eine zeitliche Verzögerung, so daß die am Ausgang des Integrators gelieferte Spannung bezüglich der tatsächlichen Zeit oder der augenblicklichen Motordrehzahl verzögert ist.

Es ist weiterhin bekannt (US-PS 35 04 260), bei einer Drehzahlregelschaltung mit einem selbständigen Oszillator, der die Leistungseinspeisung in den Motor steuert, einen stromlosen Zustand bewirken zu wollen, indem die Ansteuerung der Transistoren einer Brückenschaltung derart verzögert wird, daß in bestimmten Intervallen keiner der Brücken-Transistoren durchgeschaltet ist. Die dann erfolgende Rückkopplung zum Oszillatoreingang über einen Signalsperrschalter, der nur in den Intervallen, in denen kein Motorstrom fließen soll, Durchgang hat, bedingt wiederum die vorstehend bereits erwähnte Zeitverzögerung. Darüber hinaus ist bei der bekannten Regelschaltung nicht sichergestellt, daß in den Intervallen, in denen kein Strom fließen soll, nicht trotzdem ein die Messung der Gegen-EMK verfälschender Strom fließt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Drehzahlregelschaltung zu schaffen, bei der die richtige Ermittlung der der Motordrehzahl proportionalen Gegen-EMK als Ankerspannung im stromlosen Zustand sichergestellt ist und die die Drehzahl verzögerungsfrei dementsprechend regelt.

Diese Aufgabe wird bei einer Drehzahlregelschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur Lieferung eines stromabhängigen Signals, das einen stromlosen Zustand der Ankerwicklung anzeigt, und einen Signalsperrschalter, welcher bei Anliegen dieses stromabhängigen Signals das Regelabweichungssignal der Zündschaltung zur Änderung des Phasenwinkels führt.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auf einfache und kostensparende Weise der tatsächlich fließende Ankerstrom gemessen und ermittelt wird, wann tatsächlich ein stromloser Zustand besteht. Nur während dieser Zeiten wird das Fehlersignal ermittelt, da während der übrigen Zeitintervalle der Durchlaß des Fehlersignals zur Zündschaltung der Brückengleichrichter durch den Signalsperrschalter gemäß der Erfindung verhindert ist.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung der Regelschaltung.

F i g. 2 zeigt Strom- und Spannungswellen für ein besseres Verständnis der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1.

Die in F i g. 1 gezeigte Regelschaltung umfaßt eine Wechselstromquelle 10, über die eine aus Dioden aufgebaute Vollweg-Gleichrichterbrücke 12 geschaltet ist, um einer Feldwicklung 16 des Motors 14 mit einer Ankerwicklung 28 einen gleichgerichteten Strom zuzuführen. Zusätzlich ist eine zweite Vollweg-Gleichrichterbrücke 40 vorgesehen, die an zwei gegenüberliegenden Knotenpunkten von jeweils zwei Brückenschenkeln mit der Wechselstromquelle 10 verbunden ist. Die Brücke 40 enthält in jedem Schenkel einen steuerbaren Gleichrichter z. B. einen Thyristor. Die freien Enden der Brücke 40 sind mit der Ankerwicklung 28 so verbunden, daß der gleichgerichtete Strom dort zugeführt werden kann. In Reihe mit der Ankerwicklung 28 liegt ein als Stromfühler dienender Widerstand 50, der im folgenden noch näher beschrieben wird. Parallel zur Ankerwicklung 28 liegt ein Spannungsteiler zur Bestimmung der Ankerspannung, der zwei Widerstände 52 und 54 in Form normaler Widerstände mit einem sehr hohen Wert enthält, um die Möglichkeit irgendeines merklichen Stromflusses durch diese Widerstände auszuschließen. Die Gründe hierfür werden aus der nachstehenden Beschreibung noch besser verständlich.

Die Thyristoren der Brücke 40 werden paarweise durch eine Zündschaltung 32 gezündet. Das heißt, die Thyristoren 42 und 44 werden gleichzeitig zum erwünschten Zeitpunkt in der ersten Halbperiode gezündet, und in der nächsten Halbperiode werden die

Thyristoren 46 und 48 durch die Zündschaltung 32 gezündet Die Verwendung einer Brücke mit vier Thyristoren im Gegensatz zu einer Brücke mit zwei Thyristoren und zwei Dioden kann bekanntlich eine sonst erforderliche Freilaufdiode weggelassen werden.

Dies kann am besten unter Bezugnahme auf die Kurven der Fig.2 erläutert werden. In der oberen Kurve nach F i g. 2 ist eine Spannungskurve V₁ gezeigt, welche die in beiden Halbwellen gleichgerichtete Quellenspannung zeigt Die über dem Motoranker erscheinende Spannung ist durch den schraffierten Teil der Kurve dargestellt Beim Vergleich mit der Spannungskurve V₅ in F i g. 2 wird deutlich, daß die Thyristoren des ersten Thyristorpaars, beispielsweise die Thyristoren 42 und 44, bei einem Winkel von etwa 130° in der ersten Halbperiode gezündet werden, um die augenblickliche Quellenspannung an den Motor anzulegen (Punkt A)

An dem Zeitpunkt, an dem die Quellenspannung beginnt, bezüglich der Gegen-EMK des Motors negativ zu werden, beginnt die Induktivität des Ankers mit dem Aufbau einer Spannung umgekehrter Polarität und einer Amplitude, die gerade zur Aufrechterhaltung des Ankerstroms in seiner ursprünglichen Richtung ausreichend ist. In diesem Beispiel liegt diese Richtung vom oberen Anschluß der Quelle 10 über die Reihenschaltung, bestehend aus dem Thyristor 42, dem Widerstand 50, der Ankerwicklung 28 und dem Thyristor 44. Der Ankerstrom beginnt zu diesem Zeitpunkt zu sinken. Wenn der Ankerstrom am Ende der Halbperiode nicht auf Null abgesunken ist, wird er weiter in dem gleichen Leitungsweg fließen, da kein anderer Leitungsweg dadurch verfügbar ist, da die anderen Thyristoren auch nach der Umkehrung der Polarität der Quellenspannung durch Ansteuerung eingeschaltet worden sind. Die Ankerinduktivität erzeugt weiterhin eine negative Spannung, bis der Strom an dem Punkt B den Wert Null erreicht.

Die Auswirkung dieser Spannung auf den Ankerstrom ist ersichtlich aus der mittleren Kurve der F i g. 2. Wie zuvor wird bei Anlegen einer Spannung an den Anker (Punkt A) ein Stromfluß beginnen. Dieser Strom ist in F ί g. 2 mit I_a bezeichnet. In diesem Anwendungsfall wird sich der Strom jedoch auf einen bestimmten Wert aufbauen und dann relativ schnell auf Null absinken (Punkt B) im Gegensatz zu dem zuvor erfolgenden langsamen Absinken. Diese schnellere Verkleinerung der Stromstärke ergibt sich aus der vorstehend beschriebenen negativen Ankerspannung. Der Strom wird daher anstatt eines langsamen Absinkens eine Neigung zur Annäherung an eine halbe Sinuswelle besitzen, welche einer Dauer von etwa der Länge der positiven und negativen Abschnitte der Leitungsspannung entspricht, die an die Ankerwicklung angelegt wurde. Wenn das andere Thyristorpaar in der nächsten Halbperiode gemäß Punkt A 'in der Kurve gezündet ist, dann wird der Strom sich etwa an den Verlauf in der ersten Halbperiode annähern.

Wie in F i g. 2 gezeigt, ist ein Zeitraum zwischen der Beendigung des ersten Stromimpulses und der Auslö- so sung des zweiten Impulses vorhanden, d. h. der Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt B und dem Zeitpunkt A', in dem kein Stron fließt. Zu dieser Zeit ist dann die Spannung über der Ankerwicklung (V_emf in der oberen Kurve) die wahre Gegen-EMK des Motors, welche proportional der Drehzahl des Motors ist.

Wenn die Zündung der Thyristoren der Brücke zu einem früheren Zeitpunkt gemäß der unteren Kurve nach F i g. 2 erfolgt, dann wird an der Ankerwicklung 28 eine größere effektive Spannung angelegt. In dem abgebildeten Beispiel liegt der Zündwinkel bei etwa 90°C (Punkt Cin der Kurve). Der dem fließenden Strom I₃ besitzt infolge dieser zugeführten Spannung eine größere Amplitude als der Stron infolge der kleineren zugeführten Spannung und wird sich zu einem relativ größeren Wert aufbauen. Wegen der umgekehrten Ankerspannung, welche ebenfalls relativ größer ist, wird jedoch dieser Strom schnell absinken, und es ist erneut ein Zeitraum vorhanden, in dem kein Ankerstrom fließt und in dem die Ankerspannung allein auf die Gegen-EMK des Motors zurückzuführen ist. In dieser letzteren Abbildung besitzt die Gegen-EMK einen höheren Wert als zuvor, wodurch eine höhere Drehzahl angezeigt wird.

Es wäre zwar theoretisch möglich, die Phasenwinkel für die Zündung der Thyristoren auf einen Punkt einzustellen, an dem ein kontinuierlicher Ankerstrom auftreten würde. In der Praxis wird man das jedoch nicht machen, da dann die Ist-Drehzahl nicht mehr erfaßt werden kann.

In F i g. 1 ist die erfindungsgemäße Regelschaltung dargestellt, mit welcher die wahre Gegen-EMK erkannt und benutzt werden kann. Um einen geeigneten Vergleich zur Ankerspannung zu schaffen, ist eine Bezugssignalquelle enthalten, welche ein Bezugssignal liefert, daß den Sollwert der Motordrehzahl anzeigt. Diese Bezugssignalquelle kann entweder von Hand oder gemäß irgendeinem Parameter des Systems eingestellt werden, in dem der Motor verwendet werden soll. In F i g. 1 ist die Bezugssignalquelle als Potentiometer 60 mit einem einstellbaren Schleiferarm 61 abgebildet, welcher mit einer geeigneten Spannungsquelle z. B einer Batterie 62 verbunden ist. Die Einstellung des Schleiferarms bestimmt die Amplitude des Signals, welches an demselben erscheint, und dieses Signal ist das Bezugssignal für die Drehzahl und bildet ein Eingangssignal für eine Vergleichsschaltung 58 mit zwei Eingängen.

Das zweite Eingangssignal für die Vergleichsschaltung 58 wird über die Leitung 56 vom Verbindungspunkt der beiden Widerstände 52 und 54 erhalten, welche der Ankerwicklung 28 parallel geschaltet sind. Dieses Signal ist daher proportional dem Augenblickswert der Ankerspannung. Die Vergleichsschaltung vergleicht die beiden Eingangssignale und liefert am Ausgang ein analoges Abweichungssignal, welches proportional der Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen ist. Dieses Abweichungssignal, das sowohl eine Amplitude als auch eine Richtung besitzt und proportional zur Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Motordrehzahl ist, wird von der Vergleichsschaltung über eine Leitung 64 einem Signalsperrschalter 66 als ein Eingangssignal zugeführt.

Das zweite Eingangssignal zum Signalsperrschalter 66 wird über die Leitung 68 von dem Widerstand 50 zugeführt. Anstelle dieses Widerstandes könnte auch ein anderer Stromfühler, wie beispielsweise ein Magnetverstärker, verwendet werden, welcher das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines Stroms in der Ankerwicklung 28 erfaßt. In einfachster Ausführungsform ist der Stromfühler ein Widerstand und das davon abgenommene Signal stellt die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Stroms im Stromkreis dar. Der Signalsperrschalter 66 ist so aufgebaut, daß, wenn das Signal auf der Leitung 68 Null ist, d. h. kein Ankerstrom fließt, der Signalsperrschalter 66 durchgängig ist. Dann wird das

analoge Regelabweichungssignal von der Vergleichsschaltung 58 über eine Leitung 70 der Zündschaltung 32 zugeführt, welche dieses Signal benutzt, um den Zeitpunkt der Zündung der Thyristoren in der Brücke 40 einzustellen. Wenn daher das vom Spannungsteiler auf der Leitung 56 erscheinende Signal kleiner ist als das Bezugssignal vom Potentiometer 60, dann wird auf der Leitung 64 ein negatives Regelabweichungssignal vorhanden sein. Dieses dient dann bei der Zuführung über den Sperrschalter 66 zur Zündschaltung 32 dazu, den Zündwinkel zu vergrößern und damit dem Motor eine höhere Spannung zuzuführen, um die Drehzahl des Motors zu erhöhen. Wenn andererseits das Signal auf der Leitung 56 größer ist als das Signal vom Potentiometer 60, dann wird der Zündschaltung 32 ein positives Regelabweichungssignal zugeführt, das dann den Zündwinkel vermindert und weiterhin die an den Motor angelegte Spannung reduziert, so daß die Motordrehzahl gesenkt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Drehzahlregelschaltung für einen Gleichstrommotor, der aus einer Wechselstromquelle über eine Vollweg-Gleichrichter-Brücke speisbar ist, die in jedem Schenkel einen steuerbaren Gleichrichter enthält, mit einer Zündschaltung für die Gleichrichter zur Änderung der an den Motor angelegten effektiven Spannung, ferner mit Mitteln zur Erzeugung eines der Ist-Drehzahl proportionalen Signals, das der Spannung über der Ankerwicklung des Motors proportional ist, Mitteln zur Lieferung eines Bezugssignals, das der Soll-Drehzahl des Motors proportional ist, und mit einer das der Ist-Drehzahl proportionale Signal mit dem Bezugssignal vergleichenden Schaltunganordnung zum Erzeugen eines Regelabweichungssignals, das der Differenz zwischen den Soll- und Istwerten der Motordrehzahl proportional ist, gekennzeichnet durch einen Stromfühler (50) zur Lieferung eines stromabhängigen Signals, das einen stromlosen Zustand der Ankerwicklung (28) anzeigt, und einen Signalsperrschalter (€6), welcher bei Anliegen dieses stromabhängigen Signals das Regelabweichungssignal der Zündschaltung (32) zur Änderung des Phasenwinkels zuführt.