DE2416734B2 - Drehmomentbegrenzer für eine Drehzahlregelanordnung eines Gleichstrommotors in Phasenanschnittsteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehmomentbegrenzer für eine Drehzahlregelanordnung eines Gleichstrommotois in Phasenanschnittsteuerung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher ist bekannt durch die DE-OS 1 963 199.

Ein derartiger Drehmomentbegrenzer kann insbesondere in einer Zentrifuge eingesetzt werden, wenn die Antriebswelle vom Antriebsmotor zum Zentrifugenkopf eine merkliche Längsbiegsamkeit hat, also nur mit verhältnismäßig niedrigen Drehmomenten belastet werden darf.

Bei dem bekannten Drehmomentbegrenzer ist ein Fotowiderstand vorgesehen, der von einer mit einer den Ankerstrom des Motors proportionalen Spannung gespeisten Lichtquelle beaufschlagt ist, die den Widerstandswert des Fotowiderstands bei Erreichen eines dem maximal zulässigen Drehmoment entspre¹ chenden Ankerstroms so weit herabsetzt, daß er klein gegenüber dem Innenwiderstand einer dem Fotowiderstand parallelgeschalteten Spannungsquelle ist, deren Spannung proportional der Drehzahl des Motors ist, wobei diese Spannungsquelle durch einen Brückengleichrichter gegeben ist, dem eine drehzahlproportionale, von einem elektromagnetischen Drehgeber erzeugte Impulsspannung zugeführt ist.

Bei diesem bekannten Drehmomentbegrenzer ist nachteilig, daß die Motorleistung über den Ankerstrom unmittelbar vom Motor selbst erfaßt wird, ein derartiges Erfassungssignal aber gegenüber der Motorerregung um mehrere Halbperioden verzögert ist, so daß nicht ausgeschlossen werden kann, daß der

Motor seine Last einschließlich der Antriebswelle kurzzeitig mit einem zu großen Drehmoment beaufschlagt, also die Welle bricht. Außerdem ist es wegen des komplexen Blindwiderstands des Motors schwierig, die Eingangsleistung des Motors wirklich genau zu erfassen, insbesondere bei Vorsehen einer Drehzahlregelung in üblicher Weise mit Thyristoren, da dann die Ansteuerspannung des Motors einen komplizierten und diskontinuierlichen Signalverlauf hat.

Weiter ist bei diesem bekannten Drehmomentbegrenzer nachteilig, daß er wegen der Verwendung der Lichtquelle besonders störanfällig ist, da sich zwischen Lichtquelle und Fotowiderstand Fremdkörper absetzen können, was bei festverdrahteten elektrischen Schaltungen nicht der Fall ist; außerdem dürfte dort die Lichtquelle nicht schlagartig, sondern nur allmählich aufleuchten, so daß bereits dann der Fotowiderstand bestrahlt wird und in gewisser Weise seinen Widevstandswert verringert.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, den Drehmomentbegrenzer der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er praktisch verzögerungsfrei und genau die Drehmomentbegrenzung vornimmt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Der erfindungsgemäße Drehmomentbegrenzer begrenzt das Drehmoment des Gleichstrommotors in allen Betriebszuständen, insbesondere auch beim Anlaufen, und zwar unabhängig von komplizierten Verläufen des Stroms und/oder der Spannung des Gleichstrommotors.

Die Drehzahlregelanordnung mit dem erfindungsgemäßen Drehmomentbegrenzer besteht letztlich aus zwei Regelkreisen, von denen die eigentliche Drehzahlregelanordnung eine Drehzahlregelung vornimmt, also den Motor auf einer vorgegebenen Soll-Drehzahl hält, während der andere Regelkreis durch den Drehmomentbegrenzer gebildet ist, der auf den ersten Regelkreis einwirkt, um das Drehmoment des Gleichstrommotors zu begrenzen, und zwar über eine Begrenzung der Motor-Anlaufspannung, eine Änderung der Motorbeschleunigung und die maximal anlegbare Motorspannung. Diese letztere Begrenzung ist z. B. wirksam, wenn der Gleichstrommotor überlastet wird, indem dann die Motordrehzahl ständig abnimmt, bis entweder der Motor stillgesetzt wird oder der Überlastungszustand aufhört.

Der Drehmomentbegrenzer oder zweite Regelkreis hat zwei Eingangssignale, von denen das eine ein bereits im ersten Regelkreis verwendetes, der Ist-Drehzahl entsprechendes Signal ist, während das zweite von der begrenzten, d. h. maximal möglichen Motor-Eingangsleistung bei der jeweils gegebenen Moiordrehzahl (wie durch den ersten Regelkreis geregelt) abhängt. Dieses zweite Eingangssignal wird im Gegensatz zum vorbekannten Stand der Technik nicht vom Gleichstrommotor selbst, sondern von der den Gleichstrommotor simulierenden Bezugslast, die elektrisch gleichzeitig mit dem Motor angesteuert wird, abgeleitet. Durch Vorsehen dieser Bezugslast anstatt des Gleichstrommotors selbst wird ein der Leistung entsprechendes Rückkopplungssignal erzeugt, das automatisch und genau der maximal möglichen Eingangsleistung des Motors entspricht, ohne daß ein komplizierter Funktionsgenerator verwendet werden muß oder Antriebsströme und/oder -spannungen des Motors selbst erfaßt werden müssen, was die ober.

aufgezeigten Schwierigkeiten verursacht. Indem der Drehmomentbegrenzer oder zweite Regelkreis mit einem drehzahlabhängigen Signal und einem leistungsabhängigen Signal gespeist wird, wobei Drehzahl und maximale Eingangsleistung des Motors jeweils einen festen Wert je nach Einstellung einnehmen, ist das Ausgangssignal des Drehmomentbegrenzers oder zweiten Regelkreises, das in den ersten Regelkreis oder die Drehzahlregelanordnung eingespeist wird, einem bestimmten Drehmoment proportional, da bekanntlich die Motorleistung gleich dem Produkt von Motordrehmoment und Motordrehzahl ist.

Je nach Ausgangssignal des Drehmomentbegrenzers wird der Zündwinkel in der Drehzahlregelanordnung, mit dem diese den Gleichstrommotor erregt, mehr oder weniger begrenzt.

Die Drehmomentbegrenzung findet - wie gesagt — beim Anlaufen, beim Beschleunigen und bei Überlastung des Motors statt. Darüber hinaus tritt sie sogar vor einer übermäßig starken Motorbelastung auf, so daß auch ein stoßartiges übergroßes Drehmoment abgefangen werden kann. Da also die Drehmomentbegrenzung sehr schnell und damit auch innerhalb sehr geringer Toleranzen erfolgt, können selbst gegenüber kleineren Überschreitungen eines maximalen Drehmoments anfällige vom Gleichstrommotor angetriebene Lasten vor einem Bruch geschützt werden.

Der erfindungsgemäße Drehmomentbegrenzer ist insbesondere bei einem Zentrifugenmotor zufriedenstellend erprobt worden, der mit dem Zentrifugenkopf unmittelbar über eine dünne, biegsame Antriebswelle mit einer Torsionsfestigkeit vonnurca. 1 mkp verbunden war, wobei die maximale Drehzahl wenigstens 6000 U/min betrug, ohne daß diese Antriebswelle überdreht worden wäre.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, wobei die damit erreichten besonderen Vorteile im einzelnen in der Figurenbeschreibung abgehandelt sind.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Drehzahlregelanordnung eines Gleichstrommotors mit dem Drehniomentbegrenzer,

Fig. 2 die Arbeitsweise der Drehzahlregclanordnung von Fig. 1 erläuternde Signale,

Fig. 3 ein genaueres Schaltbild der Drchzahlregelanordnung von Fig. I und

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Drehmomentbegrenzung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl.

Fig. 1 zeigt einen Gleichstrommotor 10, der ■/.. B. ein Universal-Reihenschlußmotor ist und eine an eine Motorwelle 14 angeschlossene Last 12 antreibt, wobei ein Hand-Drehzahlwähler 16 zum Einstellen eines Potentiometers 18 dient, um eine ausgewählte Gleichspannung in einen Eingang eines Dreiizahlvergleichers 20 in Form eines Differenzverstärkers einzuspeisen. Das Potentiometer 18 liegt zwischen Erde und einer Gleichspannungsquelle DC, und zwar über einstellbare Niedrig- und Hochdrehzahl-Eichwiderstände 22 und 24.

Am anderen Eingang des Drehzahlvergleichers 20 Hegt eine zur Motordrehzahl proportionale Gleichspannung. Diese Spannung wird mit Hilfe einer gelochten, auf der Motorwelle 14 angebrachten und durch diese angetriebenen Lichtzerhackerscheibe 26

entsprechend der Motordrehzahl hergestellt. Ein Lichtfühler 28 nimmt das Licht aus einer Lampe 30 auf, das die Löcher in der Scheibe passieren kann, um elektrische Impulse mit einer der Scheibendrehzahl und somit der Motordrehzahl entsprechenden Frequenz zu erzeugen. Jeder Impuls stößt ein Monoflop (monostabilen Multivibrator) 32 an und erzeugt ein Impulssignal, das in einen Gleichstrom-Drehzahlmesser 34 eingespeist wird. Der Drehzahlmesser integriert das Impulssignal auf und erzeugt eine Gleichspannung proportional zur Ist-Motordrehzahl.

Der bisher beschriebene Teil der Fig. 1 ist bekannt, und der Drehzahlvergleicher 20 erzeugt ein Drehzahlabweichungssignal entsprechend der arithmetischen Differenz zwischen zwei Eingangssignalen, was ebenfalls bei einer Proportionalregelung der Motordrehzahl üblich ist. Ein Steuer- oder Trigger-Generator 36 spricht auf dieses Gleichspannungs-Drehzahlabweichungssignal an und erregt ein Leistungsstellglied 38 in jeder halben Periode der Wechselspannung mit geeigneter Phase, um den Gleichstrommotor 10 proportional anzutreiben, damit die Soll-Drehzahl erreicht wird und beibehalten bleibt.

Wie aus Fig. 1 weiter hervorgeht, ist auch eine Sperrschaltung 40, die den Impulszug aus einem Monoflop 42 aufnimmt, an den Trigger-Generator 36 angeschlossen. Eine Synchronisiereinheit 44 speist Synchronisiersignale in den Trigger-Generator 36 und in das Monoflop 42 mit der doppelten Frequenz der Wechselspannung ein, d. h. jedesmal, wenn die w Wechselspannung einen Nulldurchgang hat.

Der Einfluß dieser Blöcke 40, 42 und 44 auf den Trigger-Generator 36 und somit auf den Gleichstrommotor 10, zusammen mit dem Regelkreis, in den das Monoflop 42 eingefügt ist, wird in Fig. 2 erläutert.

Fig. 2 A zeigt die Wechselspannung als Funktion der Zeit für zwei Perioden, und Fig. 2 B zeigt dieselbe Spannung nach einer Zweiwcggleichrichtung. In Fig. 2C ist die Synchronisierspannung aus der Synchronisiereinheit 44 dargestellt; sie gehört zur Wech- -to selspannung nach Fig. 2A.

c5hne Regelung durch die Sperrschaltung 40 spricht der Trigger-Generator 36 auf das Drehzahl-Abweichungssignal aus dem Drehzahlvergleicher 20 an und betreibt das Leistungsstellglied 38, indem ein Teil jeder Halbwelle des gleichgerichteten Wechselspannungssignals (Fig. 2B) zum Gleichstrommotor 10 übertragen wird. Dementsprechend weist die in den Gleichstrommotor 10 eingespeiste Spannung beispielsweise den in Fig. 2D dargestellten Signalverlauf auf. Durch die Sperrschaltung 40 wird jedoch verhindert, daß der Trigger-Generator 36 auf das Drehzahl-Abwcichungssignal innerhalb einer »Sperrzeit« in jeder Halbwelle der Wechselspannung ansprechen kann, wobei das Monoflop 42 im zweiten Regelkreis die Dauer dieser Sperrzeit bestimmt. Das Monoflop 42 erzeugt also ein Ausgangssignal, das in Fig. 2E dargestellt ist. Der niedrige Wert dieser Spannung bewirkt, daß die Sperrschaltung das Ansprechen des Trigger-Generators auf das Drehzahl-Abweichungssignal verhindert. Somit ist die Dauer des niedrigen Spannungswertes in jeder Halbwellc gleichbedeutend mit der Sperrzeit /,. In diesem Beispiel besitzt das Drehzahl-Abwcichungssignal für den Gleichstrommotor 10 einen Signalvcrlauf nach Fig. 2 D, und das Monoflop erzeugt ein Signal nach Fig. 2 E, so daß der Trigger-Generator 36 für die Dauer der Spcrr/eit I₁ daran gehindert wird, auf das Dreh/.ahl-Abwei-

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50 chungssignal anzusprechen. Infolgedessen ist die Antriebsspannung des Gleichstrommotors 10 auf den ir Fig. 2F dargestellten Signalverlauf beschränkt, und der Gleichstrommotor 10 kann nicht das Signal nach Fig. 2D mit der höheren Leistung aufnehmen.

Die Synchronisiereinheit 44 synchronisiert das Schalten des Monoflops 42 auf die Wechselspannung, so daß der Trigger-Generator 36 dann, wenn die Wechselspannung Null ist, kein Triggersignal erzeugen kann.

Bei der beschriebenen Operation stellt der zweite Regelkreis als Antwort auf die tatsächliche Motordrehzahl und auf den begrenzenden Wert der Motor-Eingangsspannung und -leistung die astabile Periode des Monoflops 42 und damit dieSperrzeit ein. Die Information über die Motordrehzahl wird aus dem drehzahlabhängigen Gleichspannungs-Ausgangspegel des Drehzahlmessers 34 abgeleitet. Dieser Pegel wird ir ein Verzögerungsglied 46 in Form eines Integrator; eingespeist, dessen Ausgangssignal an einen Eingang eines Vergleichers 48 eingespeist wird. Das Verzögerungsglied 46 verzögert das Anlegen eines eine Erhöhung der tatsächlichen Motordrehzahl darstellender Signals an den Vergleicher 48, wodurch die Änderungsgeschwindigkeit der Motorbeschleunigung begrenzt wird. Bei abnehmender Motordrehzahl, d. h bei abnehmendem Drehzahlsignal, ist die Verzögerungszeit jedoch verhältnismäßig niedrig bzw. unbedeutend.

Fig. 1 enthält weiterhin ein Begrenzungsglied 5( zum Einstellen der Maximalamplitude des verzögerten Drehzahlsignals, um die in den Vergleicher 48 eingespeiste Information über die maximale Motordrehzahl zu begrenzen. Dadurch wird wiederum dit maximale Motor-Antricbsspannung auf den bei dei Grenzdrehzahl verfügbaren Wert begrenzt, obwoh der Gleichstrommotor 10 tatsächlich eine höhen Drehzahl hat.

Das andere Eingangssignal des Vergleichen 48 is von der maximal verfügbaren Motor-Eingangsspannung abhängig. Das ist diejenige maximale Spannung die durch das Monoflop 42 und die Sperrschaltunj 40 über den Trigger-Generator 36 und das Leistungsstellglied 38 in den Gleichstrommotor 10 einspeisbai ist.

Erfindungsgemäß wird dieses maximal verfügbare Motor-Spannungssignal für den Vergleichcr 48 mi Hilfe einer ohmschen, den Gleichstrommotor 10 simulierenden Bezugslast 52 erzeugt. Ein Bezugsleistungssteller 53, der durch einen Bezugs-Triggergenerator 54 und ein Bezugsleistungsstcllglied 5( gebildet wird, überträgt als Antwort auf das Synchronisiersignal aus der Synchronisicreinheit 44 unc auf dieselben Sperrimpulse, die das Monoflop 42 ir die Sperrschaltung 40 einspeist, die Wechselspannung an die Bezugslast. Somit entspricht die Spannung unc damit die Leistung, die die Bezugslast 52 aufnimmt in Betrag und Phase dem Spannungsgrenzwert, de: durch das Monoflop 42 und die Sperrschaltung 40 ii den Gleichstrommotor 10 cinspcisbar ist, außerden sind die Spannungen synchron zueinander.

Beispielsweise zeigt Fig. 2G die Spannung an de Bezugslast, wenn das Monoflop 42 das Ausgangssi gnal nach Fig. 2E erzeugt.

Ein an die Bczugslast 52 gekoppelter Fühler 58 er zeugt ein direkt von der Spannung an der Bczugslas abhängiges Wcchsclstromsignal. Eine Bczugs-Rück kopplungsändcrungs- und Grundpcgclstell-Einrich

tung 60 richtet dieses Bczugs-Rückkopplungs-Wechselstrom-Signal gleich und speist einen Soll-Teil daraus, zusammen mit einer einstellbaren Grundpegelspannung, in den zweiten Eingang des Vergleichers 48 ein.

In Abhängigkeit von der arithmetischen Differenz der Pegel seiner aufgenommenen Gleichspannungen, deren eine von der tatsächlichen Motordrehzahl und deren andere von der maximal verfügbaren Motorspannung abhängt, erzeugt der Vergleicher 48 ein Begrenzungs-Abweichungssignal, das in einen Zeitsteller 62 eingespeist wird. Der Zeitsteller 62 stellt die Dauer der astabilen Periode des Monoflops 42 entsprechend der Größe des Begrenzungs-Abweichungssignals ein. Wie bereits diskutiert wurde, wird dadurch die Sperrzeit des Trigger-Generators 36 zum Begrenzen der Motor-Eingangsspannung und des Ausgangsdrehmoments eingestellt.

Nach Fig. 3 besteht das Verzögerungsglied 46 aus Transistoren 70 und 72 in Doppel-Emitterfolgerschaltung und nimmt an der Basis des Transistors 70 das drehzahlabhängige Gleichspannungs-Ausgangssignal des Drehzahlmessers 34 nach Fig. 1 auf. Wegen dieses Signals erzeugt das Transistorpaar über einen Widerstand 76, der zwischen einem Kondensator 74 und dem Emitter des Transistors 72 liegt, einen Ladestrom für den Kondensator. Die sich ergebende Spannung am Kondensator 74 ist die verzögerte Motordrehzahl-Spannung und wird über einen Impedanzanpassungs-Widerstand 78 in einen Eingang des Vergleichers 48 eingespeist.

Eine Diode 80 im Verzögerungsglied 46 entlädt bei Pausen in der Motordrehzahl-Zunahme den Kondensator 74 und erzeugt eine verhältnismäßig kleine Zeitverzögerung des drehzahlabhängigen Eingangssignals des Vergleichers 48, wenn die Motordrehzahl abnimmt. Eine weitere Diode 82 verschiebt die Spannung, auf die die Diode 80 den Kondensator 74 entlädt, um denselben Betrag des Spannungsabfalls in der letzteren Diode. Dadurch wird der Kondensator 74 auf die Spannung am Emitter des Transistors 72 entladen.

Das Verzögerungsglied 46 ',peist somit die Ausgangs-Gleichspannung des Drehzahlmessers verzögert in einen Eingang des Vergleichers 48 ein, wenn diese Spannung und entsprechend die Motordrehzahl ansteigt; im anderen Fall ist im wesentlichen keine Verzögerung vorhanden. Durch die sich ergebende Verzögerung wird die maximal verfügbare Motorspannung während der Motor-Beschleunigung auf einen Wert begrenzt, der der kurz zuvor vorhandenen Motordrehzahl entspricht.

Das Begrenzungsglied 50 besitzt ein einstelbares Spannungsteiler-Bcgrenzungspotentiometer 86 zwischen einer Gleichspannungsquelle DC und Erde. Der Potentiometcrabgriff ist an die Basis eines Emittcrfolger-Transistors 88 angeschlossen. Durch die Einstellung des begrenzungsstcuernden Potentiometerabgriffs wird die Leitung des Transistors 88 eingestellt, wodurch wiederum die Emitterspannung des Transistors an einem Widerstand 92 bestimmt wird. Eine Diode 90 klemmt den Maximalwert der Spannung am Kondensator 74 auf diese Emitterspannung fest, so daß eine einstellbare Begrenzung für die drehzahlabhängig^ Eingangsspannung des Vergleichcrs 48 gebildet wird.

Die Bczugs-Rückkopplungsänderungs- und Grundpcgclstcll-Einrichtung60 (in Fig. 3 in der linken oberen Ecke dargestellt) nimmt die Bezugs-Rückkopplungsspannung des Fühlers 58 aus Fig. 1 an Klemmen a-a auf und speist diese in einen Zweiweg-Brückengleichrichter 94 ein. Ein Ausgang des Brückcngleichrichters 94 ist an den Abgriff eines Potentiometers 96 angeschlossen, das wiederum mit der Gleichspannungsquelle DC verbunden ist, um der gleichgerichteten Bezugs-Rückkopplungsspannung aus dem Brückengleichrichter 94 eine einstellbare

ίο Grundpegelspannung zu überlagern.

In der Bezugs-Rückkopplungsänderungs- und Grundpegelstell-Einrichtung 60 liegt weiterhin ein Widerstand 98 in Reihe mit einem Änderungspotentiometer 100 zwischen den Ausgangsklemmen des Brückengleichrichters 94, um einen einstellbaren Spannungsteiler zu ergeben, mit dem ein Soll-Teil der gleichgerichteten Bezugs-Rückkopplungsspannung über den Abgriff des Potentiometers 100 in den anderen Eingang des Vergleichers 48 einspeisbar ist. Ein Widerstand 102, der an einen Widerstand 78 angepaßt ist, liegt in Reihe mit dem Verstärkereingang.

Die Rückkopplungsschaltung des Vergleichers 48 enthält die Parallelschaltung aus einem Widerstand 104 und einem Kondensator 106. Der Widerstand 104 steuert die Spannungsverstärkung des Vergleichers, und der Kondensator dient zur Integration und Glättung der Welligkeit in der im wesentlichen nicht gefilterten Spannung aus der Brücke 94. Es sei jedoch bemerkt, daß die Ausgangsspannung des Vergleichers 48 nicht vollkommen frei von Welligkeit sein muß, denn es wurde festgestelt, daß ein Arbeiten des Zeitstellers 62 und des Monoflops 42 (Fig. 1) auch dann zufriedenstellend und zuverlässig erfolgt, wenn das Verstärker-Ausgangssignal eine Welligkeitskomponente enthält. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Wclligkeit synchron zur Synchronisierspannung und damit zum Monoflopbetrieb ist.

Ein durch Widerstände 108 und 110 im Zeitsteller 62 gebildeter Spannungsteiler liegt am Ausgang des Vergleichers 48 und speist einen Teil dieses Ausgangssignals in die Basis eines Transistors 112 in Emitterschaltung ein.

Die Leitung des Transistors 112 ändert sich gemäß der Amplitude des Ausgangssignals des Vergleichers 48 und steuert wiederum die Leitung eines Transistors 114. Eine Serienschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke dieses Transistors mit Widerständen 116 und 118 liegt parallel zu einem Widerstand 120, und der Strom durch diese Parallelschaltung lädt einen Kondensator 122, der zum Einstellen der Dauer der astabilen Periode des Monoflops 42 dient. Somit sind der Kondensator 122 und Ladewiderstand 120 die Grund-Zeiteinstellbauelemente des Monoflops. Durch die einstellbare Parallelschaltung des Ladewiderstandes 120 mit dem Transistor 114 wird eine einstellbare Verringerung der astabilen Periode des Monoflops ermöglicht. Auf diese Weise steuert der Zeitsteller die Sperrzeit des Monoflops 42.

Nach den Fig. 3 und 1 wird der Impulszug am Ausgang des Monoflops 42 weiterhin sowohl in die Sperrschaltung 40 als auch in den Bezugs-Triggergenerator 54 eingespeist, die beide im unteren linken Teil der Fig. 3 dargestellt sind. In der Sperrschaltung 40 speisen ein Begrenzungswiderstand 124 und eine EnI-

b5 kopplungsdiode 126 die Ausgangsimpulsc des Monoflops in die Basis eines Verstärkertransistors 128 ein, der die Leitung eines Transistors 130 steuert.
Der Kollektor des letzteren Transistors, der gleich-

zeitig den Ausgang der Sperrschaltung 40 darstellt, ist direkt an die Basis eines Eingangstransistors 132 des Trigger-Generators 36 angekoppelt. Ein Widerstand 134, der mit einem Ende an die Gleichspannungsquelle DC des Trigger-Generators 36 ange- ^r> schlossen ist, ist mit seinem anderen Ende an einen geerdeten Widerstand 136 und über einen größeren Widerstand 138 mit dem Emitter des Transistors 132 verbunden. Diese Anordnung der Widerstände 134, 136 und 138 bewirkt, daß der Emitter des Transistors m 132 auf einem merklich positiven Potential gegenüber der Basis liegt, wenn der Transistor 130 leitet. Diese Arbeitspunkteinstellung stellt sicher, daß der Transistor 132 nicht auf das Drehzahl-Abweichungssignal an seiner Basis anspricht, wenn der Transistor ande- r> rerseits durch die Sperrschaltung 40 im nichtleitenden Zustand gehalten wird. D. h. der niedrige Sperrspannungspegel am Ausgang des Monoflops 42, wenn sich dieses im astabilen Zustand befindet, bewirkt, daß der Transistor 128 sperrt, wodurch der Transistor 130 eingeschaltet wird. Durch das sich daraus ergebende Leiten der Koilektor-Emitter-Strecke wird die Basis des Transistors 132 auf ein niedrigeres Potential als das durch die Widerstände 134, 136 und 138 am Emitter dieses Transistors eingestellte Potential festgeklemmt. Infolgedessen sperrt der Transistor 132 in diesem Zustand der Monoflopspannung.

Wenn im umgekehrten Fall die Spannung des Monoflops 42 nach Fig. 2 E auf seinen höheren Wert ansteigt, leitet der Transistor 128, so daß der Transistor «> 130 nichtleitend wird. Die Leitung des Transistors 132 ist in diesem Fall gegenüber dem Drehzahlvergleichs-Abweichungssignal an seiner Basis empfindlich.

Die resultierende Leitung des Transistors 132 bc- ;^r> wirkt, daß ein weiterer Transistor 140 im Trigger-Generator 36 einen Kondensator 142 lädt, der wiederum an einen Unijunction-Transistor 144 in einer üblichen Zündschaltung angeschlossen ist. Der Unijunction-Transistor 144 bezieht seine Energieversorgung aus dem Synchronisiersignal. Nach Fig. 2C besitzt dieses Signal einen positiven Spannungspegel, ausgenommen die Zeit, während der die Wechselspannung durch Null geht, so daß der Unijunction-Transistor 144 dann, wenn die Wechselspannung Null ist, nicht zünden kann.

Das Triggersignal aus dem Unijunction-Transistor 144, das gleichzeitig das Ausgangssignal des Trigger-Generators 36 ist, wird im Leistungsstellglied 38 in die Primärwicklung eines Impulstransformators 146 ίο eingespeist. Dieser Transformator hat zwei Wicklungen 146a und 1466, deren jede über einen Schutz-Reihenwiderstand 148 bzw. 150 an das Tor eines gesteuerten Gleichrichters oder Thyristors 152 bzw. 154 angeschlossen ist. Diese Gleichrichter sind zusammen 5^r> mit Gleichrichterdioden 156 und 158 in einer Brükkenanordnung zusammengeschaltet.

Der Gleichstrommotor 10, der als Univcrsal-Reihenschlußmotor dargestellt ist, besitzt eine Feldwicklung 10a, die in Reihe mit seiner Ankerwicklung IQb to und parallel zum Ausgang der Thyristorbrücke liegt. Die Wechselspannung wird in die Eingangsklcmmcn dieser Brücke eingespeist.

Im Bezugs-Triggergenerator 54 speist ein Strombegrenzungswiderstand 160 in Reihe mit einer Ent- b? kopplungsdiode 162 die Ausgangsimpulse des Monoflops 42 in die Basis eines Transistors 164 in Emitterschaltung ein, um dessen Leitung ähnlich wie

40

4^r> beim Transistor 128 der Sperrschaltung zu steuern. Ein Widerstand 166 liegt zwischen einer positiven Gleichspannungsquelle DC und dem Verbindungspunkt von Widerständen 168 und 170, die in Reihe mit dem Emitter des Transistors 164 und Erde liegen. Diese Widerstände stellen sicher, daß der Transistor 164 während der Sperrzeiten nichtleitend ist, in gleicher Weise, wie die Leitung des Transistors 132 im Trigger-Generator 36 gesperrt wird.

Der Kollektor des Transistors 164 ist direkt an die Basis eines Ladetransistors 172 angeschlossen, der einen Kondensator 174 in einer Zünd- oder Triggerschaltung mit einem Unijunction-Transistor 176 enthält.

Ein Impulstransformator 180 koppelt die Triggerimpulse aus dem Feldeffekttransistor 176, der, wie bereits oben im Zusammenhang mit dem Trigger-Generator 36 diskutiert wurde, seine Versorgungsenergie aus der Synchronisierspannung bezieht, in den Steueranschluß eines Triacs 182 im Bezugsleistungsstellglied 56 ein. Das Triac 182 liegt in Reihe mit der ohmschen Bezugslast 52 und der Sekundärwicklung eines Leistungstransformators 186, über dessen Primärwicklung dieselbe Wechselspannung angeschlossen ist, die in die Thyristorbrücke in das Leistungsstellglied 38 eingespeist wird.

In dieser Anordnung des Bezugs-Triggergenerators 54 und des Bezugsleistungsstellglieds 56 überträgt der Unijunction-Transistor 176 nach Beendigung jedes Sperrvorgangs im Monoflop 42 ein Signal an das Triac 182, so daß dieses für die folgende Zeit der Wechselspannungs-Halbwelle leitet, wodurch die ohmsche Bezugslast 52 einen Ausschnitt der Wechselspannung aufnimmt, wie in Fig. 2G dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt ferner den Fühler 58 in Form eines Kopplungstransformators, dessen Primärwicklung parallel zur ohmschen Bezugslast 52 liegt und dessen Sekundärwicklung an die Klemmen a-a der Gleichrichterbrückc 94 der Bezugs-Rückkopplungsändcrungs- und Grundpegelstell-Einrichtung 60 angeschlossen ist.

Die Arbeitsweise der Drehzahlregelanordnung nach Fig. 1, die im einzelnen nach Fig. 3 aufgebaut ist, kann wie folgt erläutert werden:

Wenn der Gleichstrommotor 10 stillsteht und der Drehzahlwähler 16 anschließend auf eine Soll-Drehzahl gebracht wird, versucht das sich ergebende Drehzahl-Abweichungssignal aus dem Drehzahlverglcichcr 20, die volle Antriebsspannung an den Gleichstrommotor 10 anzulegen. Wegen der Begrcnzungnfunktion des zweiten Regelkreises kann jedoch der Gleichstrommotor 10 diese Spannung nicht aufnehmen.

Genauer gesagt, hat düs Begrenzungs-Abweichungssignal aus dem Vcrgleichcr 48 zu diesem Zeitpunkt einen in erster Linie durch das Spannungsoffsct-Potentiomcter 96 in der Bczugs-Rückkopplungsänderungs- und Grundpegelstell-Einrichtung 60 bestimmten Wert. Als Antwort auf dieses vom Grundpcgcl abhängige Abweichungssignal ergeben der Zeitsteller 62, das Monoflop 42 und die Sperrschaltung 40 ein maximales Sperren des Trigger-Generators 36. infolgedessen wird der Trigger-Generator 36 während des Haupttcils jeder Halbwelle der Wechselspannung derart gesperrt, daß er nur einen kleinen Teil der Wechselspannung, /.. B. 30°, in jeder Halbwellc (Fig. ?.A), d. h. innerhalb von 180°, ausschneidet und gleichgerichtet an den Gleichstrommo-

tor 10 überträgt.

Fig. 4 zeigt den Verlauf des maximalen oder Grenzwertes der für den Gleichstrommotor 10 verfügbaren Antriebsspannung als Funktion der Drehzahl, wobei der Anfangszustand im Punkt 190 beginnt. Die Grundpegelspannung wird über das Potentiometer 96 eingestellt, so daß das sich ergebende Motordrehmoment unterhalb des gewünschten Maximalwertes liegt.

Der Zeitsteller 62, das Monoflop 42 und die Sperrschaltung 40 setzen das Begrenzungsabweichungs-Gleichspannungssignal aus dem Vergleicher 48 in ein in den Trigger-Generator 36 einspeisbares Sperr-Ausschnittsignal oder -Torsignal mit einer Dauer proportional zur Größe des Abweichungssignals um. Somit bilden diese drei Blöcke zusammen ein Sperrtor 188 (s. Fig. 1). Der Bezugs-Triggergenerator 54, das Bezugsleistungsstellglied 56, die Bezugslast 52, der Fühler 58 und der Brückengleichrichter 94 der Bczugs-Rückkopplungsänderungs- und Grundpegelstell-Einrichtung 60 setzen den Sperr-Impulszug aus dem Monoflop 42 in ein entsprechendes proportionales Gleichspannungssignal um.

Wenn die Motordrehzahl zunimmt, wächst auch das drehzahlabhängige Eingangssignal des Verglcichers 48 aus dem Verzögerungsglied 46 an. Um dieses ansteigende drehzahlabhängige Signal auszugleichen, benötigt der zweite Regelkreis ein größeres Bezugs-Rückkopplungs-Signal am anderen Eingang des Vcrgleichers 48. Dieses wiederum erfordert eine kürzere Sperrzeit aus dem Sperrtor 188 der Fig. 1. Die resultierende Übertragung einer größeren Wcchsclstromleistung an die Bezugslast 52 über das Triac 182 und den Bezugs-Triggergenerator 54 erzeugt das notwendige größere Bezugs-Rückkopplungs-Signal. In entsprechender Weise kann wegen der verringerten Sperrzeit der Trigger-Generator 36 die für die Antriebsspannung des Gleichstrommotors 10 gesetzte Grenze heraufsetzen.

Dieser Vorgang, bei dem die begrenzte Motor-Antriebsspannung mit der Motordrehzahl zunimmt, ist in Fig. 4 durch den linear ansteigenden Teil 192 der Kurve dargestellt. Die Neigung dieses Kurventcils, die der Zuwachsrate der begrenzten verfügbaren Antriebsspannung mit der Motordrehzahl entspricht, wird durch das Änderungspotentiometer 100 in der Bezugs-Rückkopplungsänderungs- und Grundpegelstell-Einrichtung60 eingestellt. Durch die Einstellung dieses Potentiometers wird derjenige Teil der Bezugs-Riickkopplungsspannung (am Brückengleichrichter 94) geändert, der in ilen Vcrgleicher 48 eingespeist wird.

Es hat sich erwiesen, daß während dieser Periode der mit der Motordrehzahl linear ansteigenden begrenzten Spannung, d. h. längs des Kurventeils 192 in Fig. 4, im wesentlichen ein konstanter Strom in den Gleichstrommotor 10 eingespeist wird. Das Motordrehmoment, das nahezu proportional zum Motorstrom ist, bleibt deshalb dabei wie gewünscht im wesentlichen konstant.

Der Betrieb in Fig. 4 mit dem Kurventeil 192, bei dem die maximal zulässige Motor-Antriebsspannung linear mit der Motordrehzahl und mit einer durch das Änderungs-Potentiometer 100 bestimmten Rate oder Änderungsgeschwindigkeit zunimmt, wird fortgesetzt, bis die Motordrehzahl einen gewählten Grenzwert erreicht. Dieser Grenzwert der Motordrehzahl wird mit Hilfe des Bcgrcnzungs-Potcntiometcrs 86 im Bcgrcn-

zungsglied 50 festgelegt. (Wenn die Motordrehzahl sehr schnell zunimmt, wie im Falle ohne Last, stellt das Verzögerungsglied 46 eine weitere Begrenzung für die entsprechende Änderungsgeschwindigkeit der begrenzten Motorspannung dar.)

Wenn die Motordrehzahl den Grenzwert erreicht, klemmt das Begrenzungsglieii 50 die Ausgar.gsspannung des Verzögerungsglieds 46 fest, so daß eine begrenzte maximale drehzahlabhängige Spannung in den Vcrgleicher 48 eingespeist wird. Wenn somit die Moiordrehzahl sogar über den Grenzwert anwächst, zeigt das drehzahlabhängige Eingangssignal des Vergleichers 48 diese höhere Drehzahl nicht an.

Als Antwort auf den fest eingestellten Grenzwert des aufgenommenen drehzahlabhängigen Signals betreibt der Vergleicher 48 das Sperrtor 188 derart, daß ein fest eingestellter Grenzwert der Motor-Antriebsspannung beibehalten bleibt, wie in Fig. 4 durch die Gerade 194graphisch dargestellt ist. wenn die Motordrehzahl weiter ansteigt. Wegen dieses fest eingestellten Grenzwertes der Antriebsspannung nimmt der Motor-Eingangsstrom und dementsprechend das Motordrehmoment mit steigender Drehzahl einen Wert unter diesem Grenzwert an.

Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß im Falle einer Überlastung des Gleichstrommotors 10 die begrenzte zulässige Motorspannung automatisch auf den Grundpegel zurückgesetzt wird, bis der Überlastungszustand verschwindet. D. h. wenn der Gteichstrommotor 10 mit dem Grenzwert der Antriebsspannung arbeitet, also längs der Geraden 194 der Kurve in Fig. 4, bewirkt das Anlegen einer übermäßig starken Last an den Gleichstrommotor 10 infolge eines Fehlers oder aus einem anderen Grunde, daß die Motordrehzahl abnimmt. Wenn die Motordrehzahl auf den Grenzwert abnimmt, nimmt auch der begrenzte Wert der Motor-Antriebsspannung ab. Dadurch wird die Drehzahl weiter erniedrigt und der Betriebszustand oder Arbeitspunkt bewegt sich auf dem linearen Teil 192 der Betriebskurve nach Fig. 4 stetig abwärts. Die stetige Abnahme der begrenzten Motor-Antriebsspannung mit abnehmender Drehzahl setzt sich fort, bis die Motordrehzahl den Wert Null erreicht. Dann ist der Punkt 190 auf der Kurve der Fig. 4 erreicht, und der Antrieb begrenzt die Motor-Antriebsspannung auf den Grundpegcl, der auf einen sicheren Wert eingestellt ist, sogar für den Fall, daß der Motor »abgewürgt« wird. Der Grundpcgel der begrenzten Motorspannung wird also derart gcwählit, daß der Motor sogar beim »Abwürgen« nicht beschädigt wird.

Wegen des im wesentlichen imver/.ögeiten drehzahlabhängigen Signals des Verzögerungsglieds 46 bei abnehmender Motordrehzahl und wegen der oben beschriebenen Bezugs-Rückkopplungsspannung (aus der Bezugslast 52), erzeugt der erl'indungsgemäßc Drehmomentbegrenzer die beschriebene Reaktion auf eine Überlastung automatisch und im wesentlichen ohne Verzögerung, so daß nahezu keime Überlastung den Gleichstrommotor IO oder die Motorlast beschädigen kann.

Falls irgendein Bauelement des Toils von Fig. I, der das drchznhlabhängigc Signal normalerweise am Ausgang des Gleichstrom-Drehzahlmessers 34 i:rzeugt, ausfällt, wird wiederum die maximale Motor-Antriebsspannung auf den Grundpegel begrenzt. Dadurch wird ein Weglaufen wie bei früheren Motorregelanordnungen verhindert. Dieser Schutz beim

13 14

Ausbleiben eines Drehzahlsignals wird erfindungsge- auf den Offseiwert begrenzt, wenn

maß automatisch gebildet, da durch das Ausbleiben vergleicher 20 ein Nulldrehzahl-S

das Ausgangssignal des Gleichstrom-Drehzahlmes- d. h. der Gleichstrommotor 10 wird

sers 34 auf den Wert für die Drehzahl Null befällt. trieb am Punkt 190 der Kennlinie r

Wie Fig. 4 zeigt, wird die Motor-Antriebsspannung 5 grenzt.

Hierzu 3 Bunt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Drehmomentbegrenzer für eine Drehzahlregelanordnung eines Gleichstrommotors in Phasenanschnittsteuerung, die einen aus einem Trigger-Generator und einem nachgeschalteten Leistungsstellglied bestehenden Leistungssteller aufweist, mit einer den Trigger-Generator steuernden elektrischen Last durch Einstellen der maximalen ι ο Phasendauer der Phasenanschnittsteuer-Spannung am Gleichstrommotor, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Last eine den Gleichstrommotor (10) simulierende Bezugslast (52) ist, die über einen Bezugsleistungssteller (54, 56) mit einer Bezugs-Phasenanschnittsteuer-Spannung synchron zur Phasenanschnittsteuer-Spannung am Gleichstrommotor (10) beaufschlagt wird; daß eine einstellbare Zeitsteuereinrichtung (188) einerseits mit dem Trigger-Generator (36), um die maximale Phasendauer der Phasenanschnittsteuer-Spannung am Gleichstrommotor (10) zu begrenzen, und andererseits mit dem Bezugsleistungssteller (54, 56) verbunden ist, um die Bezugs-Phasenanschnittsteuer-Spannung während einer maximal zulässigen Phasendauer an der Bezugslast (52) anzulegen; und daß eine Bezugsrückkopplungsschleife zum Einstellen der maximal zulässigen Phasendauer der Zeitsteuereinrichtung (188) mit einem Verglei- jo eher (48) zum Vergleich einer Bezugsspannung entsprechend der vom Bezugsleistungssteller (54. 56) in die Bezugslast (52) eingespeisten Spannung mit einer der Ist-Motordrehzahl entsprechenden Drehzahlspannung vorgesehen ist. i'i

2. Drehmomentbegrenzer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in der Bezugsrückkopplungsschleife vorgesehene Einrichtung (60) zum Beaufschlagen der Bezugsspannung mit einem Grundpegel ungleich Null bei Motordrehzahl -iu gleich Null.

3. Drehmomentbegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (60) in der Bezugsrückkopplungsschleife zum Einstellendes Verhältnisses von Bezugsspannung zu Drehzahlspannung.

4. Drehmomentbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein dem Vergleicher (48) vorgeschaltetes Verzögerungsglied (46), das eine Zunahme der Ist-Motordrehzahl verzögert weiterleitet.

5. Drehmomentbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein dem Vergleicher (48) vorgeschaltetes Begrenzungsglied (50) zum Begrenzen der der Ist-Motordrehzahl entsprechenden Spannung auf einen Maximalwert.

6. Drehmomentbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Zeitsteuereinrichtung (188) eine an den Trigger-Generator (36) angeschlossene Sperrschaltung (40) aufweist, die mit der Wechselspannung synchronisiert ist und auf ein Grenz-Abweichungssignal vom Vergleicher (48) anspricht, um ein Sperrsignal zum Durchschalten des Trigger-Generators (36) zu erzeugen, damit dieser die Spannung am Gleichstrommotor (10) nur nach einer Sperrzeit in jeder Halbwelle

der Wechselspannung anlegen läßt.

7. Drehmomentbegrenzer nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine an die Wechsclspannungsquelle angeschlossene Synchronisiereinheit (44), die jeweils in die Zeitsteuereinrichtung (188), in den Bezugstriggergenerator (54) des Bezugsleistungsstellers (54, 56) und in den Trigger-Generator (36) ein Synchronisiersignal mit einem Impuls bei jedem Nulldurchgang der Wechselspannung einspeist.

8. Drehmomentbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugslast ein Widerstand (52) ist.

9. Drehmomentbegrenzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsrückkopplungsschleife einen an den Widerstand (52) angekoppelten Fühler (58) zum Abtasten der Bezugsspannung am Widerstand (52) aufweist.

10. Drehmomentbegrenzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschaltung (40) das Sperrsignal in jeder HalbweUe der Wechselspannung ab dem Nulldurchgang der Wechselspannung und mit einer Dauer kleiner als die halbe Periode der Wechselspannung erzeugt.

11. Drehmomentbegrenzer nach einem der Ansprüche 4-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (48) ein Differenzverstärker und das Verzögerungsglied (46) ein Integrator ist.

12. Drehmomentbegrenzer nach einem der Ansprüche 5-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Begrenzungsglied (50) eine Klemmschaltung ist.