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Drehzahlsteuerschaltung für elektrische Motore
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Die Erfindung betrifft eine Drehzahlsteuerschaltung für einen Einphasen-Reihenschluß-Commutator-Motor,
die einen einfachen Aufbau hat, Thyristoren enthält und die Phasen der Wechselstromspannung
von der Halbwelle bis zur Vollwelle steuert, um so die Kompensationseigenschaft
des Motors zu erhöhen, insbesondere die Abgabeleistung des Motors abhängig von seiner
Belastung zu steigern oder zu verringern, insbesondere, wenn der Motor mit niedriger
Drehzahl läuft.
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Eine Phasensteuerschaltung für eine Halbwelle mit einem Thyristor,
wie sie in der Figur 1 der Zeichnung dargestellt ist, ist als Schaltung zur Drehzahlsteuerung
eines Einphasen-Reihenschluß-Commutator-Motors bekannt. Die Wechselspannungsquelle
ist in der Figur 1 mit AC bezeichnet, der Einphasen-Reihenschluß-Comnutator-Motor
mit M, und ein in Reihe mit dem Motor liegender Thyristor mit SCR1, über den die
Drehzahlsteuerung vorgenommen wird. Der Phasenanschnitt der Wechselspannungsquelle
wird mit Hilfe des Thyristors gesteuert und die so gewonnene Spannung dem Motor
zugeführt.
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Ein Widerstand R1, ein Stellwiderstand VR, ein Kondensator C1 und
eine Diode D1 bilden eine Schaltung, mit der eine Bezugsspannung erzeugt wird, um
dem Thyristor SCR1 einen Triggerstrom zuzuführen. Die die Bezugsspannung erzeugende
Schaltung ist mit dem Steueranschluß G1 des Thyristors SCR1 über eine Diode D2 und
den Stellabgriff MC verbunden, der durch einen Steller betätigt wird, um auf diese
Weise aus der die Bezugsspannung erzeugenden Schaltung eine Teilspannung zu entnehmen.
Zum Schutz des Steueranschlusses G1 des Thyristors SCR1 sind ein Widerstand R2 und
ein Kondensator C2 vorgesehen. Wenn die Spannung dem Thyristor SCR1 in Durchlaßrichtung
des Thyristors zugeführt wird, wird am Stellwiderstand VR eine Spannung El in der
mit Pfeil dargestellten Richtung zwischen der Diode D1 und dem Abgriffspunkt des
Abgriffs MC erzeugt, und die Spannung kann dann durch Verschieben des Abgriffs MC
auf dem Stellwiderstand VR eingestellt werden. Zum anderen wird, wenn der Motor
M läuft, eine Gegen-EMK E2 im Motor proportional zur Motordrehzahl erzeugt, in entgegengesetzter
Richtung zur Spannung El. Die Gegen-EMK E2 während der Nichtleitungsperiode des
Thyristors SCR1 basiert auf dem Restmagnetismus, der während der vorangehenden leitenden
Periode des Thyristors aufgebaut wurde. Es wird deshalb der Steuerelektrode G1 des
Thyristors SCR1 eine Triggerspannung E1-E2 zugeführt, und der Thyristor wird gezündet,
wenn die Triggerspannung den Zündspannungswert erreicht, und zwar in Ubereinstimmung
mit den Spannungswellen der Spannungsquelle.
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Wenn die Belastung ansteigt und die Drehzahl des Motors absinkt, nimmt
auch die Gegen-EMK E2 ab, was einen Anstieg der Triggerspannung E1-E2 zur Folge
hat, was zu einer Beschleunigung der Zündphase (frühere Zündung) und damit einem
Anwachsen des Motordrehmoments führt. Damit läßt sich also ein Rückkopplungseffekt
erzielen. Die in der Figur 1 dargestellte Schaltung ist jedoch eine Steuereinrichtung
für die Phasensteuerung nur einer Halbwelle; eine Vollwellen-Spannungssteuerung
für den Motor M ist mit ihr nicht zu s A A X ~ ~
erzielen. Der Elektromotor,
der dafür ausgelegt ist, bei Speisung mit einer Vollwellenspannung seine hohe Drehzahl
zu erreichen, läßt sich zwar gut mit dieser Halbwellen-Phasenanschnittssteuerung
steuern, doch kann man eine hohe Drehzahl auf diese Weise nicht erhalten. Damit
mit Hilfe dieser Steuerschaltung der Motor auch eine hohe Drehzahl erreicht, muß
er besonders umgestaltet werden, denn nur so kann bei der beschriebenen Halbwellen-Phasenanschnittssteuerung
eine hohe Drehzahl erzielt werden. Andererseits kann der Thyristors SCR1 in der
Steuerschaltung durch einen besonderen Schalter kurzgeschlossen werden, wenn die
Forderung nach hoher Drehzahl des Motors besteht. Ein speziell umgestalteter Motor
läßt sich zum einen nicht mehr mit der vollen Spannung betreiben, und außerdem werden
solche Motoren klobig. Das Kurzschließen des Thyristors SCR1 andererseits steht
einer guten Steuerung des Motors entgegen, denn der Motor steigert seine Drehzahl
plötzlich von einer mittleren Drehzahl auf den Höchstwert. Darüber hinaus muß ein
verhältnismäßig komplizierter Verbindungsmechanismus zwischen dem besonderen Schalter
und dem Abgriff MC vorgesehen werden, und außerdem muß der Thyristor SCR1 vor der
Stoßspannung geschützt werden, die im Schaltaugenblick beim Öffnen und Schließen
auftritt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die aufgezählten Nachteile der bekannten
Schaltungsanordnungen auszuschließen, so daß die Drehzahl eines Einphasen-Reihen-Comnutator-Motors
von niedrigen bis zu hohen Werten gestellt werden kann.
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Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung.
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Es zeigen:
Fig. 1 eine herkömmliche Drehzahlsteuerschaltung
für einen Elektromotor der genannten Art; Fig. 2 eine erste Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Drehzahlsteuerschaltung; Fig. 3 die erfindungsgemäße Drehzahlsteuerschaltung
in einer zweiten Ausführungsform und Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der
Drehzahlsteuerschaltung nach der Erfindung.
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Die Drehzahlsteuerschaltung gemäß Fig. 2 basiert auf der in Fig. 1
gezeigten bekannten Steuerschaltung. In ihr sind enthalten: Ein Thyristor SCR1 und
ein zweiter Thyristor SCR2, die gegenparallel zueinander geschaltet sind, so daß
der Thyristor SCR1 die Halbwellenphasensteuerung von niedrigen bis zu mittleren
Drehzahlwerten des Motors übernimmt und der Thyristor SCR2 die zusätzliche Steuerung
der entgegengesetzten Halbwellenphase von mittlerer bis zu hoher Motordrehzahl.
Zusammen sorgen die Thyristoren SCR1 und SCR2 dafür, daß die Spannung der Wechselstromquelle
durch Vollwellen-Phasenanschnittssteuerung gesteuert wird. D1, D3, D4 und D5 sind
Dioden, mit denen die Vollwelle der Spannungsquelle so gleichgerichtet wird, daß
die Bezugsspannungsschaltung über die gesamte Periode wirksam ist.
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Als Folge davon wird die Spannung V1, die zwischen dem Stellwiderstand
VR und der Diode D1 oder der Diode D5 erzeugt wird, eine Vollwellenspannung in der
durch Pfeil angedeuteten Richtung, im Gegensatz zu der entsprechenden Spannung El
in Fig. 1, die nur eine Halbwellenspannung ist.
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Der Thyristor SCR2 hat einen Steueranschluß G2, der über einen Widerstand
R3 und eine Diode D6 mit dem Abgriff MC verbunden ist. Der Widerstand R3 verringert
die Empfindlichkeit des Thyristors SCR2 im Vergleich zum Thyristor SCR1, dessen
Steueranschluß G1 unmittelbar mit dem Abgriff MC verbunden ist. Ein Schutzwiderstand
R4, der einen kleineren Wert als der Widerstand R2 hat, senkt abermals die Empfindlichkeit
des
Thyristors SCR2. Somit ist in der Steuerschaltung gemaß Fig. 2 der Thyristors SCR2
so angeordnet, daß er erst zündet, nachdem der Zündbereich des Thyristors SCR1 bereits
in einem gewissen Maß vorangeschritten ist, wenn der Abgriff MC verschoben ist.
C3 ist ein Zündelektroden-Schutzkondensator für den Thyristor SCR2, der dem gleich
wirkenden Kondensator C2 am Thyristor SCR1 vergleichbar ist.
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Wenn in der Fig. 2 der Abgriff MC um ein bestimmtes Stück nach links
verschoben wird, zündet nur der Thyristor SCR1.
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Für diesen Fall ist die im Motor M erzeugte Gegen-EMK V2 der Gegen-EMK
E2 aus Fig. 1 nach Wert und Richtung gleich.
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In diesem Steuerbereich befindet sich also nur der Thyristors SCR1
in gezündetem Zustand, wobei die Triggerspannung V1-V2 gleichermaßen wie im Falle
der Fig. 1 zugeführt wird, und die Drehzahlsteuerung des Motors wird mit demselben
Rückkopplungseffekt wie beim Stand der Technik durchgeführt.
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Wenn der Abgriff MC dann weiter nach links verschoben wird, wird zusätzlich
neben dem Thyristor SCR1 auch der Thyristor SCR2 gezündet, in dem Phasenbereich,
in dem dem Thyristor die Spannung der Wechselstromquelle in Durchlaßrichtung zugeführt
wird, und der Elektromotor M wird mit einem asymmetrischen Wechselstrom betrieben.
Betrachtet man die Triggerspannung V1-V2 des Thyristors SCR1 in diesem Steuerbereich,
während der Motor M vom Strom getrieben wird, der durch den Thyristor SCR2 fließt,
während der Thyristor SCR1 nicht-leitend ist, dann ist die Gegen-EMK V2 entgegen
der Richtung gerichtet, die durch den Pfeil angedeutet ist, so daß der Rückkopplungseffekt
des Motors nicht mehr vorhanden ist. Da andererseits im Hinblick auf den Thyristor
SCR2 der Motor M sich nicht innerhalb des Schaltkreises befindet, durch den der
Zündelektrodenstrom des Thyristors SCR2 fließt, setzt sich die Triggerspannung nur
aus der Differenz zwischen der Spannung V1 und der
durch den Widerstand
R3 verminderten Triggerspannung zusammen, und der Rückkopplungseffekt kann ebenfalls
nicht auftreten.
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Es sei jedoch vermerkt, daß der Rückkopplungseffekt in diesem Steuerbereich
(von mittlerer bis hoher Drehzahl) nicht benötigt wird, da der Lauf des Motors durch
das Schwungmoment der Last stabilisiert ist.
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Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung,
bei welcher die Kombination des Stellwiderstandes VR und des Abgriffs MC in Fig.
2 durch eine Kombination eines Stellwiderstandes VR, eines Widerstandes R6 und eines
Spannungsteilerabgriffs DP ersetzt ist. Der Spannungsteilerabgriff DP ist an die
Verbindungsstelle zwischen dem Stellwiderstand VR' und dem Widerstand R6 geführt,
so daß durch Verstellen des Stellwiderstandes VR t die Teilerspannung verändert
werden kann. Diese Widerstands-Abgriff-Kombination läßt sich auch bei der Schaltung
gemäß Fig. 4 einsetzen.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung ist
in Fig. 4 dargestellt, bei der ein Widerstand R5 und ein Kondensator C4 zusätzlich
parallel zwischen die Diode D1 und den Verbindungspunkt des Stellwiderstandes VR
mit der Diode D5 in Fig. 2 eingesetzt sind. Im Gegensatz zu der Ausführungsform
nach Fig. 2, bei welcher der Bezugsspannungsschaltkreis gemeinsam für den Thyristor
SCR1 und den Thyristor SCR2 verwendet wird, wird der Bezugsspannungsschaltkreis
bei der Fig. 4 wie im Falle der Fig. 2 wirksam, während die Speisespannung dem zweiten
Thyristor SCR2 in Durchlaßrichtung zugeleitet wird. Während die Speisespannung dem
ersten Thyristor SCR1 in Durchlaßrichtung zugeführt wird, wird die Bezugsspannungsschaltung
zusammen mit der Parallelschaltung des Widerstandes R5 und des Kondensators C4 wirksam.
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Beim Anlauf des Motors M, wenn der Abgriff MC am Stellwiderstand VR
nach rechts geschoben ist, erhält der Steuerelektrodeneingang G1 des ersten Thyristors
SCR1 eine Triggerspannung E3-V2 in Abhängigkeit vorder Gleichspannung E3, die auf
beiden Seiten des Widerstandes R5 erzeugt wird, während dem Steueranschluß G2 des
zweiten Thyristors SCR2 keine
Triggerspannung zugeleitet wird, weil
die Spannung V1 Null ist. Wenn der Motor M anläuft, und in diesem Augenblick mit
der niedrigsten Drehzahl laufen soll, kann man eine unnötige Verschiebung des Abgriffs
MC unterlassen, so daß der Motor M keinen unnötigen Antriebsstrom erhält. Gleichzeitig
kann mit weiterer Verbesserung der Empfindlichkeit für das Vorspannen der Betriebszeit
der Thyristoren SCR1 und SCR2 und durch Ausnutzen der Eigenschaften einer niedrigeren
konstanten, gesteuerten Drehzahl des Motors M mit der Spannung V1 die Steuerschaltung
z. B. bei einer Nähmaschine eingesetzt werden, die intermittierend arbeiten muß,
um große Zwischenstiche machen zu können.