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"Steuerschaltung für eine Gleichstrommaschine"
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Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für Gleichstrommaschinen;
nämlich Motoren und Generatoren, insbesondere für Elektromotoren zum Antrieb eines
Fahrzeuges. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Steuerschaltung zum
selbsttätigen Steuern des Erregungskoeffizienten einer Gleichstrommaschine mit einer
Ankerwicklung und einer Feldwicklung, wobei die Gleichstrommaschine
unter
Bedingungen betrieben wird, bei denen sich die Belastung von Zeit zu Zeit ändert.
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Gleichstrommotoren werden weitgehend als Antriebsmotoren für zahlreiche
Fahrzeugtypen wegen ihrer relativ einfachen Bedienung und der Fähigkeit verwendet,
ein hohes Drehmoment zu erzeugen. Ein Gleichstrommotor, dessen Feldwicklung mit
der Ankerwicklung in Reihe geschaltet ist (ein Hauptschlußmotor) erzeugt ein hohes
Drehmoment bei geringer Drehzahl, jedoch nimmt seine Ausgangsleistung bei hohen
Drehzahlen erheblich ab. Ein Gleichstrommotor, dessen Feldwicklung parallel mit
der Ankerwicklung geschaltet ist, (ein Parallel-)Jicklungs- oder Nebenschluß-Gleichstrommotor)
erzeugt hohe Ausgangsleistung bei hohen Drehzahlen, jedoch nur in einem schmalen
Drehzahlbereich und außerhalb dieses Bereiches fällt die Leistung und/oder der Wirkungsgrad
erheblich ab. Dieser Drehzahlbereich optimalen Wirkungsgrades kann mit bekannten
Techniken über verschiedene Drehzahlwerte bereitgestellt werden. Für viele Anwendungen,
wie bei Elektro-Automobilen, ist die Größe der Ausgangsleistung für solche üblichen
Motoren bei hohen Dauer- oder Momentan-Geschwindigkeiten erheblich begrenzt, wenn
der Motor ausgelegt ist, um optimalen Wirkungsgrad bei mittleren Geschwindigkeiten
zu erreichen, nämlich solchen, wie sie bei Stadtfahrten von Fahrzeugen auftreten.
Anstrengungen, um dieses Problem zumindest teilweise zu lösen, umfassen die "Feldschwächung'X,
bei der ein Verbundwicklungsmotor oder ein Nebenschlußmotor mit separater Erregung
verwendet wird. Keine dieser.
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Techniken ha-t das Problem vollständig gelöst. Das Verhältnis Feldstrom
oder Erregung zu Ankerstrom wird bei einem Gleichstrommotor als Koeffizient der
Felderregung bezeichnet und wird üblicherweise mit dem
Buchstaben
"k" bezeichnet. In einem separat erregten Nebenschlußmotor ist die Felderregung
unabhängig vom Ankerstrom. Infolgedessen ist k = 0. Bei einem Hauptschlußmotor sind
der Feldstrom und der Ankerstrom gleich. Infolgedessen ist k = 1. Bei einem Verbundwicklungsmotor
kann ein Teil der Felderregung unabhängig vom Ankerstrom verändert werden, so daß
der Koeffizient k sich zwischen Q und 1 ändern kann.
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Bei einer besonderen Drehzahl kann der Koeffizient für einen maximalen
Motorwirkungsgrad optimiert werden.
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Das Problem besteht darin, dai3 der optimale Wert von k sich ändert,
wenn sich die Drehzahlen ändern. Infolgedessen sind Gleichstrommotoren im allgemeinen
für eine spezielle Drehzahloptimiert, bei oder in der Nähe von der die Motoren bei
der beabsichtigten Verwendung arbeiten. Bei einem IQebenschlußmotor wird beispielsweise
die Spitzenleistung nur in einem sehr engen Bereich erreicht, in dem die Anker-Rück-EMK
etwas niedriger (beispielsweise 5 bis 15 ) ist als die Eingangsspannung. Bei einem
Hauptschlußmotor wird der maximale Wirkungsgrad bei einer vorgegebenen Eingangsspannung
und Drehzal bei einer gegebenen Drehmomentbelastung erreicht. Um die Drehzahl zu
erhöhen, muß die Drehmomentbelastung verringert werden, wodurch die Rück-EMK verhindert,
daß weitere Energie vom Anker aufgenommen wird.
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Der Spitzenårbeitsbereich eines Hauptschlußmotors kann durch bekannte
Techniken, wie "Feldschwächung" etwas erstreckt werden, indem ein Widerstand parallel
zur Feldwicklung gelegt wird, so daß ein Teil des Ankerstroms, der sonst durch das
Feld fließen würde, um das Feld herumgeleitet wird, und dadurch die Größe der
Rück-ESE
verringert wird, die vom Anker erzeugt wird.
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Ein Verbundwicklungsmotor hat eine Felderregung, von der ein Teil
unabhängig vom Ankerstrom ist und deren anderer Teil direkt vom Ankerstrom abhängig
ist, der sich mit der Drehmomentbelastung des Motors ändert.
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Der Nebenschlußteil des Feldes kann in'der'Tat verringert oder ,auch
vollständig zum Verschwinden gebracht werden, um die Feldschwächung zu bewirken,
so daß der Motor zwei Bereiche aufweist, in denen der Wirkungsgrad Spitzenwerte
erreicht.
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Die Erfindung bezweckt, eine neue verbesserte Steuerschaltung für
Gleichstrommotore zu schaffen.
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Insbesondere soll dabei eine neue, verbesserte Steuerschaltung für
einen Gleichstrommotor geschaffen werden, die den Bereich optimaler Wirksamkeit
des Gleichstrommotors wesentlich vergrößert.
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Ferner soll eine neue, verbesserte:Steuerschaltung für einen Gleichstrommotor
geschaffen werden, die den optimalen Leistungsbereich des Motors ausdehnt.
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Die Steuerschaltung soll ferner die maximale Leistungsaufnahme eines
Gleichstrommotors wesentlich erhöhen.
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Eine solche neue, verbesserte Steuerschaltung ist besonders zur Verwendung
in einem Fahrzeug geeignet.
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Gemäß der Erfindung umfaßt eine Steuerschaltung zum selbsttätigen
Steuern des Koeffizienten der Erregung eines Gleichstrommotors im allgemeinen einen
Generator zum Erzeugen eines Impulssignals, das eine vorbestimmte
Frequenz
und Impulsbreite hat. Zum Erzeugen eines elektrischen Belastungssignals, das der
Belastung des Gleichstrommotors entspricht, wird eine Belastungssignaleinrichtung
verwendet. Eine Einrichtung zum Erfassen des Ankerstroms ist mit der Ankerwicklung
zum Erzeugen eines elektrischen Treibersignals gekoppelt, das dem Ankerstrom des
Gleichstrommotors entspricht. Eine Teilsteuerschaltung ist mit dem Generator gekoppelt,
spricht auf das Belastungssignal und das Treibersignal an und stellt die Impulsbreite
des Impulssignals ein. Zwischen die Teilsteuerschaltung und der Anker- und der Feldwicklung
ist eine Einrichtung zwischengeschaltet, die auf das Impulssignal anspricht und
Signale an die Anker- und Feldwicklungen gibt, die sich in Abhängigkeit von der
eingestellten Impulsbreite ändern, wodurch der Koeffizient der Felderregung in Abhängigkeit
von der entsprechenden Belastung und dem Ankerstrom verändert und der Wirkungsgrad
des Gleichstrommotors wesentlich erhöht wird.
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Weitere Einzelheiten der Weiterbildung der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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AusfUhrungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung sind
in der Zeichnung dargestellt. In den verschiedenen Figuren sind für gleiche Elemente
gleiche Bezugszeichen verwendet. In dieser Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische
Schaltung in Blockdiagrammform zum Betrieb eines Gleichstrommotors;
Fig.
2 eine schematische Schaltung in Blockdiagrammform zum Bremsen eines Gleichstrommotors;
Fig. 3 eine schematische Schaltung einer Beschleunigungs-Bremsanordnung, die in
Verbindung mit der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform verwendet wird; Fig.
4 eine schematische Schaltung einer Volt-Millivolt-Umformschaltung, die für mehrere
Blöcke der in Fig. 1 dargestellten Schaltung verwendbar ist; Fig. 5 eine schematische
Schaltung, die einen "Ganz-ein"-Erfassungskreis darstellt, der für den entsprechenden
Teil der in Fig. 1 dargestellten Schaltung in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform
verwendet wird; Fig. 6 eine schematische Schaltung einer Spitzen-Erfassungsschaltung,
die für den entsprechenden Teil der Schaltung de: in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform
verwendet wird; Fig. 7 eine schematische Schaltung in Blockdiagrammform einer Motorleistungssteuerschaltung
zum Betrieb eines Gleichstrommotors;
Fig. 8 eine schematische Schaltung
in Blockdiagrammform, die eine Motorleistungssteuerschaltung zum Bremsen eines Gleichstrommotors
darstellt; Fig. 9 eine schematische Schaltung in Blockdiagrammform einer Motorleistungssteuerschaltung
für den Betrieb und das Bremsen eines Gleichstrommotors, der einen Stromverstärker
umfaßt; Fig. 10 eine schematische Schaltung einer Zwischenflächenschaltung, die
in Verbindung mit den in Fig. 7, 8 und 9 dargestellten Ausführungen verwendet wird;
Fig. 11, 12 und 13 grafische Darstellungen verschiedener Gesichtspunkte beim Arzweiten
mit der erfindungsgemäßen Steuerschaltung; Fig. 14 eine schematische Schaltung in
Blockdiagrammform einer abgewandelten Ausführungsform, bei der eine vereinfacht,e
Steuerlogikschaltung zum Betrieb und zum Bremsen eines Gleichstrommo-, tors verwendet
ist; Fig. 15 eine schematische Schaltung in Blockdiagrammform eines Wechselrichters
konstanter Frequenz, der zum Betrieb der Basistreiberstufe, des Gleichstrom-Gleichstromumformers,
und der Steuer-
logikschaltung der Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 16 eine schematische Schaltung in Blockdiagrammform einer Gleichstromversorgung
und einer Logikschaltung und Fig. 17 eine schematische Schaltung einer kombinierten
Beschleunigungs- und Nutzbremssteuerschaltung, die zum Zufiihren der Belastungs-
und Bremssignale zur Motorsteuerlogikschaltung verwendet wird.
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Bei der nachstehend erläuterten Steuerschaltung wird ein durchschnittlicher
Ankerstrom durch einen Impulsbreiten-Steuerkreis erzeugt und mit einem Belastungssignal
verglichen, das den Grad der Vorstellung oder Rückstellung des Beschleunigers darstellt.
In ähnlicher Weise wird der durchschnittliche Feldstrom durch einen Impulsbreiten-Steuerkreis
bestimmt, der auf die Beschleunigerrückstellung und den gemessenen Ankerstrom anspricht.
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Fig. 1 zeigt die MotorsteuerlogiR gemäß der Erfindung zum Betrieb
eines Gleichstrommotors. An einen ersten Eingang 20 ist ein "Betriebsstrom"-Signål
angelegt, das dem wirklichen Ankerstrom entspricht und das mit einem Stromnetzfühler
gemessen oder vom Emitter-Stromsignal der Ausgangsstufe (siehe Fig. 7 bis 9) einschließlich
des Welligkeitssignals abgeleitet werden kann, das während niedriger Drehzahlen
vorhanden ist. Dieses Signal liegt im Millivoltbereich und wird über einen
Widerstand
22 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 24 angelegt, der als
Spannungskomparator verwendet wird. Ein maximal gewünschter Wert für dieses Signal
ist in einer Spitzen-erfassenden Schaltung 30 gespeichert, um das Beschleunigersignal
zu begrenzen, das an den Komparator 24 angelegt ist.
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Das Betriebsstromeingangssignal zum Komparator 24 ist mit einem Rechteckwellensignal
moduliert, das an einen Punkt 26 angelegt wird und seinerseits durch einen Kondensator
28 in eine dreieckförmige Welle umgewandelt wird. Das Rechteckwellensignal ist von
einer in Fig. 1 nicht dargestellten, jedoch aus Fig. 15 ersichtlichen Spannungsversorgungsschaltung
abgeleitet.
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An die zweite Eingangsklemme 32 in Fig. 1 ist ein "Beschleuniger"Signal
angelegt, das dem Grad der Belastung (d.h. der Größe der Beschleuniger-Rückstellung)
entspricht und das im Voltbereich liegt. Dieses Signal ist von einer in Fig. 3 der
Zeichnung gezeigten Schaltung abgeleitet und wird durch ein Volt/Millivolt-Netzwerk
34 in ein Millivolt-Signal umgewandelt und dann über einen Widerstand 38 an den
nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 36 angelegt. Der Operationsverstärker
36 arbeitet als Komparator und vergleicht das Beschleunigersignal mit einem Dreieckwellensignal,
das an den invertierenden Eingang angelegt ist. Dieses Dreieckwellensignal wird
aus einer Rechteckwelle, die über eine Klemme 40 an einen Widerstand 42 angelegt
ist, durch einen Kondensator 44 erzeugt. Der Pegel des Beschleunigersignals bestimmt
den Punkt auf der dreieckförmigeii Welle, an dem die Ausgangsinformation 46 des
Komparators 36 von Tief nach Hoch umschaltet. Infolgedessen bestimmt er die Breite
des
Ausgangssignals. Diese Ausgangsinformation 46 ist an einen Feld-Impulsbreiten-Regler
(Fig. 7 bis 9) angelegt.
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Das Beschleunigersignal wird auch über ein Volt/Millivolt-Netzwerk
46 an den nicht-invertierenden Eingang des Komparators 24 angelegt. In einer der
Wirkungsweise des Komparators 36 ähnlichen Weise Vergleicht der Komparator 24 das
kombinierte Gleichstromsignal und die dreieckförmige Welle mit dem Beschleunigersignal,
das durch die Spitzenerfassungsschaltung 30 begrenzt ist. Die Ausgangsinformation
des Komparators 24 ist ein impulsbreiten-gesteuertes Signal, das zum Treiben des
Anker-Impulsbreiten-Reglers (Fig. 7 bis 9) verwendet wird.
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Ein dritter Operationsverstärker 48 wird zum Umschalten der Schaltung
von einer ersten Art der Motorsteuerung, bei-der der Ankerstrom gesteuert wird,
auf eine zweite Art der Motorsteuerung benutzt, bei der der Feldstrom gesteuert
wird. Das Beschleunigersignal wird an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
48 über ein Volt/Millivolt-Netzwerlt 50 und einen Widerstand 52 angelegt und das
Betriebsstromsignal wird an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
48 über einen. Widerstand 54 angelegt. Ein Widerstand 55 verbindet den nicht-invertierenden
Ein-, gang des Operationsverstärkers 48 mit einer "Hochzieh"-Schaltung 56, die durch
einen "Gan7-ein"-Erfassungskreis 58 gesteuert wird. Die Ausgangsinformation des
Operationsverstärkers 48 ist an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
36 über Dioden 6Q und 62 angelegt. Wenn der "Ganz-ein"-Erfassungskreis 46 feststellt,
daß der Ankerstrom sich auf seinem Maximal-
Pegel .(d.h. die Ausgangsinformation
des Operationsverstärkers 24 ist konstant' hoch) befindet, legt dieser durch die
"Hochzieh"-Schaltung 56 ein Entaktivierungssignal an und nimmt den Widerstand 55
aus der Schaltung mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
4t3, um ein Anlegen des Signals, das aus dem Vergleich des Betriebsstromsignals
über den Widerstand 54 mit dem Beschleunigersignal aus dem Netzwerk 50 resultiert,
an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 36 zu ermöglichen.
Das Fehlen des Betriebsstromsignals, das mit dem Beschleunigersignal verglichen
wird, wird als ein Verschiebungssignal verstärkt, wobei der Verstärkungsgrad des
Operationsverstärkeres 48 durch die Widerstände 64 und 52 bestimmt ist. Dieses Verschiebungssignal
wird durch die Isolationsdioden 60 und 62 angelegt, um die Impulsbreite des Ausgangssignals
vom Operationsverstärker 36 zu reduzieren, was die Felderregung reduziert. Dies
reduziert' ebenfalls die Anker-Rück-EMK, die in einem Anstieg des Ankerstroms resultiert,
der seinerseits die Eingangs information zum Operationsverstärker 48 ausgleicht.
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Bei dem dargestellten Ausfilirungsbetspiel verwendet die Logikschaltung
auch ein Signal "Minuspolbatterie" an der Klemme 66, das mit dem Beschleunigersignal
kombinier-t wird, um den Ankerstrom selbsttätig zu verringern (d.h. die Grenze der
maximalen Beschleunigerrückstellung effektiv zu bestimmen).
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Ein Stronasignalverstärker (Fig. 9) wird dazu verwendet, urn das Ankerstromsignal
im Millivoltbereich in den Voltbereich zu verstärken, wodurch die Volt/Millivolt-Netzwerke
34, 36 und 50 fortfallen.
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In Fig. 2 ist eine Steuerlogikschaltunjjzum Bremsen eines Gleichstrommotors
dargestellt. Die Schaltung entspricht der in Fig. 1 dargestellten Schaltung zum
Betrieb des Motors mit der Ausnahme, daß sie im wesentlichen als Spamlungsvervielfacher
anstelle eines Stromvervielfachers wirkt, was bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung
der Fall ist. Darüber hinaus sind die relativen Polaritäten der verschiedenen Eingangs-und
Ausgangssignale in Fig. 2 im wesentlichen'umgekehrt gegenüber denen in Fig. 1, um
Signale zum Bremsen eines Gleichstrommotors zu erhalten. Kurz gesagt, der Eingang
-120 erhält ein'Bremsstrom"-Signal, das dem zum Bremsen erforderlichen Ankerstrom
entspricht. Dieses Signal ist über einen Widerstand 122 an den invertierenden Eingang
eines Operationsverstärkers 124angelegt. Dieses Signal wird ferner mit einem Rechteclvellensignal,
das an eine Klemme 126 angelegt ist, durch einen Kondensator 128 in eine dreieckförmige
Welle umgewandelt.
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Ein Bremssignaleingang, der von der'Stellung des Beschleunigers zum
Bremsen abgeleitet ist und negative Polarität hat, wird einer zweiten Eingangsklemme
132 zugeführt und über ein Volt/Nillivolt-Uetzwerk 134 und einen Widerstand 138
an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 13f) angelegt. Der Operationsverstärker
136 vergleicht dieses Signal mit einer Dreieckwei?e, die von einem Rechteckwellensigna'
abgeleitet ist, das an eine Klemme 140 angelegt und durch einen Widerstand 142 und
einen Kondensator 144 modifiziert wird. Dieser Operationsverstärker,führt ein Steuer-Impulsbreiten-Signal
zum Ankerregler (Fig. 7 bis 9).
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Das Bremssignal an der Klemme 32 wird auch über ein Volt!Millivolt-Netzwerk
146 an den nicht-invertierenden Eingang des Komparators 124 angelegt. Der Operationsverstarker
124 wirkt dann als Komparator, um das modulierte Bremsstromsignal mit dem Bremssignal
zu vergleichen, und erzeugt an seinem Ausgang ein nulsbreitengesteuertes Signal,
das verwendet wird, um den Feld-Impulsbreiten-Regler (Fig. 7 bis 9) zu treiben.
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Ein dritter Operationsverstärker 148 ist für die Bremssteuerung des
Operationsverstärkers 48 gemäß Fig. 1 für die Betriebssteuerung in seiner Funktion
analog. Das Beschleunigersignal wird dem nicht-invertierenden Eingang des Gperationsverstärkers
48 über ein Volt/Millivolt-lQetzwerk 50 und einen Widerstand 52 zugeführt und das
Bremsstromsignal über einen Widerstand 154 dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
148 zugeführt. Ein Widerstand 155 verbindet den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
148 mit einer "Absenk"-Schaltung 156, die durch eine "teilweise-ein"-Erfassungsschaltung
158 gesteuert ist. Die Ausgangsinformation des Operationsverstärkers 148 wird dem
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 38 über Dioden 160 und 162 zugeführt.
Wenn die "teilweiseein"-Erfassungsschaltung 158 einen vorbestimmten Pegel des Ankerstroms
feststellt, legt sie über die Absenkschaltung 156 ein Entaktivierungssignal an,
um den Widerstand 155 aus der Schaltung mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
148 auszuschalten. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird
ein Pluspolbatterie-Signal von einer Klemme 166 mit dem Bremssignal kombiniert,
das den maximalen Bremspegel effektiv bestimmt.
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Fig. 3 zeigt eine Schaltung, die zum Erzeugen des Beschleuniger- (und
auch des Brems-)Signals (an den Klemmen 32 und 132) für die Steuerlogikschaltung
nach Fig. 1 und 2 verwendet werden kann. Ein Potentiometer 180 ist mit dem Beschleuniger
und ein Potentiometer 182 mit der Bremse verbunden. Ein Schalter 184 ist in dem
Beschleunigerzweig der Schaltung vorgesehen, um die Wahl des gewünschten Arbeitsbereichs
zu ermöglichen.
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Steht der Schalter 184 in der mit At bezeichneten Stellung, dann sind
die Widerstände 186,und 188 überbrückt, um einen hohen Arbeitsbereich zu ergeben.
In der Stellung "B" überbrückt der Schalter 184 nur den Widerstand 188 und die Schaltung
befindet sich in einem mittleren Bereich, während dann, wenn der Schalter 184 in
der mit C" bezeichneten Stellung steht, die Widerstände 186 und 188 beide eingeschaltet
sind, was einen niedrigen Bereich ergibt. Ein Schalter 190 ist vorgesehen, um einen
Ruheabgleich und damit einen Leerlauf des Motors zu ermöglichen, um die hydraulischen
Pumpen in Betrieb zu halten, wenn diese beispielsweise für ein Automatikgetriebe
benötigt werden, Fig. 4 zeigt eine Volt/Millivolt-S'chaltung, die für die Netzwerke
34, 46, 50 und 134, 146, 150 der Fig. 1 und 2 verwendet wird. Ein Eingang 200 erhält
das Beschleunigersignal von der Klemme 32 oder ein Bremssignal von der Klemme 179
und umfaßt zwei in Reihe geschaltete Widerstände 202 und 204, die ihrerseits zum
Ausgang 206 fuhren. Ein.Widerstand 208 ist zwischen den Ausgang und der Schaltungsmasse
vorgesehen, wobei die Größen der Widerstände 202 und 204 und 2C8 so gewählt sind,
daß sie das gewünschte Spannungsteilerverhältnis ergeben.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch Vorsorge getroffen
für das Anlegen einer Umkehrvorspannung, falls diese erforderlich ist. Dies umfaßt
eine Eingangsklemme 210, die durch einen Widerstand mit der Verbindung der beiden
Widerstände 202 und 204 verbunden ist.
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Ein geeigneter Geräuschfilter-Kondensator 214 ist ebenfalls zwischen
dieser Verbindung und Masse vorgesehen.
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Fig. 5 zeigt eine Schaltung zur Verwendung als "Ganzein11-Erfassungsschaltung
58 und als "Hochzieh"-Schaltung 56 der Fig. 1 zusammen mit dem Operationsverstärker
24 und dem Hochzieh-Widerstand 55. Die "Ganz-ein"-Erfassungsschaltung 58 und die
"Hochzieh"-Schaltung 56 umfassen einen pnp-Transistor 220, dessen Emitter eine positive
Versorgungsspannung erhält und dessen Kollektor den Hochzieh-Widerstand 55 speist.
Die Basis des Transistors 220 erhält die Ausgangsinformation des Operationsverstärkers
24 über zwei in Serie geschaltete Widerstände 222 und 224. Die Verbindung der Widerstände
222 und 224 ist mit dem Emitter des Hochzieh-Transistors 220 (und infolgedessen
der gleichen Vorspannung) durch die Parallelschaltung eines Widerstandes 226 und
eines integrierenden Kondensators 228 verbunden.
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Fig. 6 zeigt eine Schaltung zur Verwendung als Spitzenerfassungsschaltung
30 in Fifs. 1. Ein npn-Transistor 230 erhalt an seiner Basis das Betriebsstromsignal
von der Eingangsklemme 2C über einen widerstand 232. Ein Geräuschfilterkondensator
234 ist ebenfalls an die Basis des Transistors 230 angeschlossen. Der Kollektor
des Transistors 230 erzeugt das Ausgangssignal der Schaltung (das den nicht invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 24 speist). Dieser Ausgang ist
durch
einen Kondensator 238 mit dem Emitter des Transistors 230 verbunden. Ein weiterer
Kondensator verbindet den Emit-ter des Transistors 23£ mit Masse.
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Ein Vorspannungs-Potentiometer 242 liegt zwischen Masse und dem negativen
Pol einer Spannungsquelle, wobei der Schleifer des Potentiometers mit dem Emitter
des Transistors 230 verbunden is-t.
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Fig. 7, 8 und 9 zeigen einen Motorleistungsregler oder bzw. eine Treiberschaltung
für Feld- und Ankerstrom zum Betreiben und Bremsen des Gleichstrommotors in Abhängigkeit
von den Signalen, die wie zu Fig. 1 und 2 beschrieben worden ist, verwendet werden.
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In Fig. 7 ist ein Motorleistungsregler bzw. eine Treiberschaltung
zum Betrieb mit dem Ankerstrom-vervielfacher oder der Steuerlogikschaltung für den
Betrieb nach Fig. 1 dargestellt. Zwei Treiberschaltungen 25G, -252 für das Feld
und den Anker sind hier in Blockform veranschaulicht und eine solche Schaltung ist
detailliert in Fig. 10 dargestellt, die nachstehend erläutert wird. Der Feldtniber
250 treibt die Basis eines npn-Transi-stors, dessen Kollektor und Emitter in einer
Schaltung zur Absenkung des -Stroms durch ,die Feldspule F liegen. Der Kollektor
ist mit einem Ende der Feldspule F verbunden, deren anderes Ende mit einer positiven
Sammelschiene verbunden ist. Der Emitter des Transistors 254 ist über einen Widerstand
256 mit einer Negativsammelschiene verbunden. Eine Freilaufdiode 258 liegt parallel
zur Feldspule F und eine Umkehrnebenschlußdiode 260 ist mit der Feldspule F und
der Negativsammelschiene in Reihe geschaltet.
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Der Ankerstromtreiber 252 treibt die Basis von zwei npn-Transistoren
262 und 264, deren Kollektoren zusammen mit eiIleln Ende der Ankerspule A verbunden
sind.
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Eine Freilaufdrossel 266' ist zwischen die Ankerspule und die Positivsammelschiene
geschaltet. Eine Freilaufdiode 268 verbindet die Kollektoren der Transistoren 262
und 264 mit der Positivsammelschiene Eine Diode 269 ist parallel mit dem Transistor
264 und dessen Emitterwiderstand geschaltet. Die Emitter der Transistoren 262 und
264 senken den Strom vom Anker A zur Negativsammelschiene durch in Serie geschaltete
Transistoren 270 und 272. Diese Emitter führen ebenfalls das Betriebssignal von
der Eingangsklemme 20 in Fig. 1 iiber in Serie geschaltete Widerstände 274 und.
276. Die positive Sammelschiene kann auch durch ein Abschaltrelais .278 gesteuert
werden, das durch eine Uberwachungssteuerlogik 279 gesteuert wird und die Erregung
der in Fig. 7 dargestellten Versorgungsschaltung steuert.
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Fig. 8 zeigt einen Motorversorgungsregler oder Treiberschaltkreis
zum Bremsen. Eine Ankerbrems-Treiberschaltung 28C und eine Feld-ltreiberschaltung
250, beide von dem Typ, der in Fig. 10 dargestellt ist und später näher erläutert
werden wird., speisen Treibertransistoren für den Anker A und die Feldspule F. In
ähnlicher Weise wie Fig. 7 speist der Feldtreiber die Basis eines einzigen npn-Transistors
254, der mit seinem Kollektor mit der Feldspule F verbunden ist und an seinem Emitter
einen Widerstand 256 aufweist zum Senken des Stroms durch die Feldspule F von der
Positivsammelschiene zu der Negativsammelschiene. Die Freilaufdiode 258 liegt parallel
zur Feldspule F und eine Nebenschlußdiode liegt in Reihe zwischen der Feldspule
F und der Negativ-
sammelschiene.
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In gleicher Weise wie in Fig. 7 speist der Ankerbremstreiber 280 die
Basis von zwei npn-Transistoren 282 und 284. Die Transistoren 282 und 284 liegen
mit ihren Kollektoren gemeinsam an der Positivsammelschiene und ihre Emitter, die
durch Widerstçinde 286 und 288 miteinander verbunden sind, liegen an einer eite
des Ankers A und an der tiefen Seite der Ankerbrems-Treiberschaltung 280. Die Dioden
268 und 269 sind die gleichen wie diejenigen, die in Fig.'7 dargestellt sind.
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Fig. 9 zeigt die gesamten Schaltungen der Fig. 7 und 8 sowohl für
die Betriebs- wie auch für die Bremsschaltungen, wobei die gleichen Teile mit den
gleichen Bezugszeichen versehen sind. Eine geänderte Anordnung für die zwei den
Ankerstrom zuführenden Klemmen 20 und-120 der Fig. 1 und 2 ist in Fig. 9 dargestellt.
Die Widerstände 274 und 27G sind durch eine Schaltung ersetzt, die einen Operationsverstä'rker
308 umfaßt, dessen invertierender Eingang iiber einen Strombegrenzungswiderstand
302.von der Negativsammelschiene gespeist wird und dessen niciit-invertierender
Eingang über einen strombegrenzenden Widerstand 304 von einer Stelle gespeist wird,
die durch einen Stromerfassungs-(Meßshunt)-Widerstand 306 von der tiefen eite des
Ankerbetriebs-Treibers 252 getrennt ist. Zwei mit 308 bezeichnete Klemindioden sind
an den gegenüberliegenden Anoden-Kathodenpolen über den invertierenden und den nichtinvertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 300 verbunden. Ein Rückkopplungswiderstand 310
ist von dem Ausgang zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 300 vorgesehen.
Der Ausgang des Operations-
verstarkers 300 wird dann abwechselnd
verwendet als Quelle des Betriebsstromsignals und/oder des Bremsstromsignals für
die in Fig. 1 und 2 dargestellte Schaltung, wodurch die Volt/Millivolt-Netzwerke
von der Beschleuniger- oder Bremssignalklemme 32 und 132 nicht mehr nötig sind.
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In Fig. 10 ist eine Treiber- und Interface-Schaltung zur Verwendung
als Reldtreiber 250 und Ankertreiber 252 und 280 dargestellt. Die dargestellte Schaltung
ist eine zweipolige strom- und spannungsbegrenzte Basistreiberschaltung. Die Anzahl
der (Beispiel 340, 390 usw.) verwendeten Einrichtungen hängt von der Größe der Belastung
(d.h. der Anzahl der zum Treiben des Ankers verwendeten Transistoren) ab. In Fig.
10 umfaßt ein Optokoppler ein LED 320 und einen Fototransistor 322, wodurch ein
isolierter Eingang für die Logiksignalausgänge der in Fig. 1 und 2 dargestellten
Schaltungen gebildet wird. Es ist klar, daß eine separate Treiberschaltung und eine
Optokoppleranordnung fJ1r aden Logikausgang (Ausgänge der Operationsverstärker 24
und 36 und der Operationsverstärker 124 und 136) verwendet werden. Die entsprechenden
Logikausgangssignale werden der Basis eines npn-Transistors 324 über einen Strombegrenzungswiders-tand
326 zugeführt. Dertransistor 324 wird zum Senken des Stroms durch die LED 320 verwendet.
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Die Zerhacker-Treiberschaltung verwendet die Impulssignale von der
abwechselnden Leitung und tWichtleitung des Fototransistors 322 in Abhängigkeit
von dem Logiksignal, das von den Schaltungen nach Fig. 1 und 2 erhalten wird. Der
Kollektor des Transistors 322 ist über einen Entkopplungskreis, der zwei in Reihe
geschaltete Widerstilde 334, 336 und einen Kondensator
umfaßt,
mit der positiven Zuführung verbunden. Die Kollektoren dieser drei Transistoren
340, 342 und 344 sind miteinander verbunden und bilden den Ausgang der Treiberschaltung
zur Basis der entsprechenden Treibertransistoren 254, 262, 264 und 282, 284 der
Fig. 7, 8 und 9. Die Basen dieser drei Transistoren 340, 342 und 344 sind ebenfalls
gemeinsam iiber einen Widerstand 346 mit dem Kollektor eines npn-Transistors 348
verbunden. Die Basis dieses Transistors 348 ist über einen Widerstand 350 mit dem
Kollektor des Transistors 338 verbunden.
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Der Emitterkreis des Fototransistors 322 speist die Basis eines npn-Transistors
352. Wider Transistor 352 ist mit seinem Kollektor über einen Strombegrenzungswiderstand
354 mit der Basis des Transistors 338 verbunden. Dieser Punkt ist ferner über einen
Widerstand 356 mit der positiven Versorgungsleitung verbunden. Die positive Versorgungsleitung
ist zu den Emittern der Transistoren 340, 342 und 344 über Widerstände 341, 343
und 345 geführt. Ein Basiswiderstand 347 führt ebenfalls von der positiven Versorgungsleitung
zu den Basen der Transistoren 340, 342 und 344. Der Emitter des Transistors 352
ist mit der Mitte von zwei Sekundärspulen eines Transformatprs 370 verbunden.
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Der Transformator 370 wird in erster Linie von einer geeigneten Wechselstromquelle
(beispielsweise von dem Ausgang in Fig. 15 dargestellten Inventerkreises konstanter
Frequenz) versorgt. Sein sekundärer Treiber umfaßt einen Vollweg-Diodengleichrichter,
der als Ganzes mit 372 bezeichnet ist und zwei Filterkondensatoren 374 und 376.
Die positive Seite des Gleichrichterkreises speist die Emitter der Transistoren
340, 342 und 344 über die entsprechenden Widerstände 341, 345 und
speist
auch die Basen über den Widerstand 347. Um ein zweipoliges Basistreibersystem zu
schaffen, das strom-und spannungsbegrezt ist, ist ein Spiegelbildkreis auf der negativen
Seite des Gleichrichterkreises durch npn-Transistoren 380, 382 und 384 gebildet.
Diese Transistoren senken den Strom durch die negative Seite des Gleichrichters
372 über entsprechende, in Reihe geschaltete Widerstände 381, 383 und 385 ab. In
gleicher Weise ist ein Widerstand 387 zwischen die negative Seite. des Gleichrichters
372 und die Basen der Transistoren 380, 382 und 384 geschaltet, die miteinander
verbunden sind. Die Kollektoren der Transistoren 380, 382 und 584 speisen ferner
den Ausgang des Kreises. Ein pnp-Transistor 390 spiegelt den Transistor 348 und
ist mit seinem Kollektor über einen Widerstand 392 mit der gemeinsamen Basis der
Transistoren 38O, 382 und 384 verbunden. Die Basis des Transistors 392 ist über
einen Widerstand 394 mit der negativen Seite des Gleichrichters 372 verbunden, während
sein Emitter mit dem Eraitter des Transistors 348 verbunden ist, wobei eine Diode
396 zwischen die Basen der Transistoren 348 und 390 geschaltet ist. Eine gemeinsame
Emitter-Sammellitung 398 ist von den Emittern der Transistoren 348 und 390 vorgesehen,
wie die Transistoren in der Zerhacker-Treiber-.
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schaltung, die in Blockform in Fig. 7, 8 und 9 illustriert ist. Drei
in Serie geschaltete Klemmdioden, die als Ganzes räit ISo bezeichnet sind, verbinden
die Ausgangsleitung mit dieser gemeinsamen Emitter-Sammelleitung 398.
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In Fig. 11 und 12 sind grafisch die Betriebsmerkmale der erfindungsgemäßen
Schaltung im Vergleich zu fuheren ilotorsteuerungseinrichtungen dargestellt.
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Fig. 11 zeigt die Abhängigkeit des Feldstroms vom Ankerstrom für verschiedene
Werte des Koeffizienten k.
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Fig. 12 spiegelt im wesentlichen die Maximal- und Minimal-k-Werte
Wieder, die in Fig. 11 illustriert sind, und zeigt den weiten Betriebsbereich, der
durch die erfindungsgemäße Motorsteuerung gewährleistet ist, in typischen Feldstromkurven
zu Ankerstromkurven für eine Anzahl von bekannten Nebenschluß- und Verbundwicklungsmotoren.
Die angegebenen Linien 100A, 200! und 3COA zeigen verschiedene Beschleunigerstellungen
in Abhängigkeit vom entsprechenden Wingangsstrom zu diesen in Fig. 1 und 2 dargestellten
Schaltungen.
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Tabelle I zeigt eine Aufstellung, die ein Schema des Reglers gemaß
der Erfindung illustriert. Die Aufstellung zeigt die relative Stellung des Beschleunigerpedals,
sowohl die Größe des Ankerstroms und der Betriebsart (d.h. ob sie groß, zerhackt,
zerhackt-und vervielfacht oder "ganz ein" ist), den Betriebsstrom, den Feldstrom
und dessen Betriebsart und den k-Koeffizienten. Alle diese Werte sind als Funktion
der Geschwindigkeit dargestellt.
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Tabelle I Schema des Ansprechens des Reglers Anker-Geschwin- Beschleu-
Strim Betriebsart Batteriedikeit niger Strom
| aus aus aus aus |
| niedrig |
| zerhacken |
| niedrig niedrig vervielfacher niedrig |
| 0 bis 5 zerhacken |
| mittel mittel vervielfachen niedrig |
| MPH zerhacken |
| hoch hoch vervielfacher mittel |
| ausiniedrig aus/ aus/ |
| aus negativ GEN negativ |
| m,ittel |
| niedrig niedrig zerhacken niedrig |
| 5 bis 30 |
| mittel mittel zerhacken mittel |
| MPH |
| hoch hoch ganz ein hoch |
| aus aus/niedrig aus/ aus/ |
| negativ GEN negativ |
| hoch aus/ |
| niedrig niedrig zerhacken negativ |
| 30 MPH |
| mittel mittel ganz ein mittel |
| und |
| darüber |
| hoch hoch ganz ein hoch |
Tabelle I (Fortsetzung) Feld -Geschwin- #Feld/#Anker digkeitStrom
Betriebsart Koeffizient
| niedrig |
| O bis 5 |
| MPH |
| aus/aus |
| mittel mittel zerhacken positiv |
| 5 bis 3 mittel zerhacken positiv |
| MPH |
| mittel zerhacken eins |
| niedrig zerhacken negativ |
| hoch aus/ aus/ |
| mittel zerhacken positiv |
| 30 MPH |
| und # mittel zerhacken positiv |
| darüber |
| niedrig zerhacken negativ |
| sehr |
| niedrig zerhacken negativ |
Tabelle II, die der Tabelle I ähnlich ist, veranschaulicht ein
Betriebsschema für die Verwendung der Erfindung in Verbindung mit einem Generator.
Eine derartige hnwendung ist eine Windkraftanlage, bei der ein Wechselstromgenerator
von einem windgetriebenen Rotor angetrieben wird, wobei natürlich für die meisten
Anwendungen keine Beschleunigerschaltung benötigt wird.
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Andere derartige Anwendungen sind beispielsweise Kraftwandler für
Segelboote, Solarzellen-Kraftsysteme, Solar-Wärmekraftsysteme, Temperaturgradient-Krafterzeugungssysteme
und Wasserkraftwerke.
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Tabelle II Spannungsregler für die Generator-Drehzahl Betriebsschema
(z.B. W.E.C.S. 128 Ladespannung) schwin- Anker-Betriebs Anker-Betriebs-gangsstrom
digkeit Strom art Strom art Amp. Bemerkung
| 0 0 aus 0 aus 0 kein Energteverlus |
| Nebenschl. ganz keine verfügbare |
| 2 10 zerhackt 10 ein 0 Energie |
| Nebenschl. ganz Spannungsver- |
| 4 20 zerhackt 10 ein 10 vielfachung |
| Nebenschl. ganz Spannungsver- |
| 6 30 zerhackt 10 ein 20 vielfachung |
| Nebenschl. ganz |
| 8 40 zerhackt 10 ein 30 üblich eins |
| Nebenschl. ganz Spannungsver- |
| 10 50 zerhadt 10 ein 40 vielfachung |
| ganz ganz Drehverbindung |
| 15 75 ein 10 ein 65 |
| ganz ganz |
| 20 100 ein 10 ein 90 Drehverbindung |
| ganz mittleres |
| 25 125 ein 7 zerhackt 118 Feld |
| ganz schwaches |
| 30 150 ein 5 zerhackt 145 Feld |
| Hauptschl. Stromverviel- |
| 35 175 zerhackt 5 zerhackt 190 fachung |
| Hauptschl. Stromverviel- |
| 40 200 zerhackt 5 zerhackt 225 fachung |
| Hauptschl. Stromverviel- |
| 45 225 zerhackt 5 zerhackt 260 fachung |
Infolgedessen ist die vorliegende Erfindung für den Betrieb von
Gleichstrommaschinen, nämlich sowohl Motoren als auch Generatoren, nützlich.
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Im Falle eines Motors dehnt die Erfindung den Leistungsbereich des
Motors erheblich aus, während sie überraschenderweise auch die maximale Le'istungsaufnahme
bei hoheren Drehzahlen vergrößert.
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Im Falle eines Generators wird die Leistungsfähigkeit im Betrieb durch
die Erfindung erheblich verbessert.
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solche Generatorsysteme können beispielsweise die Form eines Wechselstromgenerators,
eines Außenbordmotorgenerators oder eines permanenterregten Generators haberi. Bei
einem solchen Generatorsystem bleibt das Grundprinzip dem ähnlich, was in Verbindung
mit einem Gleichstrommotor beschrieben wurde, nur mit der Ausnahme, daß eine Beschleunigerschaltung
üblicherweise nicht verwendet wird. Bei niedrigen Drehzahlen wird die Spannungsvervielfachung
durch Nebenschlußzerhackung (shuntchopping) des gesamten Feldes derart bewirkt,
daß die Anker-EMK geringer ist, als bei Standardgleichstromsystemen. Bei mittleren
Drehzahlen erreicht eine im wesentlichen direkte Speisung eine Anker-EtS, die etwa
gleich denen bei einem Gleichstromsystem sind, während die Vorteile einer ,tromvervielfachung
gemäß der Erfindung bei hohen Drehzahlen durch die Serienunterbrechung des normalen
Feldes derart erreicht werden, daß die Anker-EMK größer ist, als bei Standard-Gleichstromsystemen.
Vorteilhafterweise ist ein gemäß der Erfindung gesteuertes Generatorsystem in der
Lage, auch dann eine Leistung zu erbringen, wenn die Anker-EMK kleiner ist, als
bei üblichen Gleichstromsystemen.
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Darüber hinaus ist ein gemaß der Erfindung betriebener Generator in
der Lage, mehr zu erzeugen, als ein bliches System, indem in diesem System an zahlreichen
Stellen in seinem Betrieb vorhandene überschüssige Spannungspotentiale in einen
Nutzstrom umgewandelt werden.
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In Fig. 14 ist ein schematisches ';chaltungsdiagramm einer abgewandelten
Motorsteuerschaltung zum Betreiben und Bremsen dargestellt, die gegenüber der vorher
beschriebenen etwas vereinfadt ist. Der Betrieb erfolgt wie bei dem i in Fig. 1
und 2 dargestellten AusfWhrungsbeispiel.
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Das in Fig. 15 dargestellte schematische Schaltungsdisgramm eines
Urnformers konstanter Frequenz kann in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, um Rechteckwellensignale zu erzeugen, die in der'erfindungsgemäi3en
Schaltung benutzt werden können.
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Ein kristallgesteuerte Oszillator 501 erzeugt ein Schwingungssignal
konstanter Frequenz, das seinerseits durch einen Teiler 52 geteilt wird, um die
gewünschte Frequenz zu erhalten. Zwei Operationsverstärker 503 und 504 verstärken
die Signale vom Teiler 502 (gleiche Frequenz, jedoch 1800 Phasendifferenz) und speisen
einen Transformator 510. Das Ausgangssignal an der Sekundärwicklung des Transformators
510 wird einem Verstarker 515 zugeführt, um die Leistung des Rechteckwellensignals
wesentlich zu erhöhen, das dann einem-Ausgangstransformator 52C zugeführt wird.
Es kann eine übliche Begrenzungsschaltung in dieser Schaltung vorgesehen werden,
wenn es erwünscht ist, die Signalwellenforiii von einer Sinuswelle in eine Rechteckwelle
um-
zuwandern. Darüber hinaus ist die Anzahl der Verstärkerstufen
durch die Ausgangsleistung bestimmt, die für einen gegebenen Anwendungsfall erforderlich
ist.
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In Fig. 16 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, teilweise in
Blockdiagrammform, einer Logikschaltung für die dargestellte Ausführungsform der
Erfindung veranschaulicht. Die Darstellung der Schaltung spricht für sich'selbst
und die schaltung erzeugt Signale für verschiedene Logikeingänge in den in den Zeichnungen
dargestellten Schaltungen.
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i?ig. 17 illustriert eine kombinierte Beschleuniger-und Bremssteuerschaltung,
die als Alternative zur vorbeschriebenen Schaltung verwendet werden kann.
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Die Leistungsabstimmung wird verwendet, um die Schaltung auf unterschiedliche
Umgebungsverhältnisse "fein abszustim@en".