DE3445135C2 - Schaltungsanordnung zur gleichrichterlosen, thyristorgesteuerten Drehzahlregelung eines Kleinspannungs-Gleichstrommotors für den Betrieb an Wechselspannung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur gleichrichterlosen, thyristorgesteuerten Drehzahlregelung von Kleinspannungs-Gleichstrommotoren für Betrieb an Wechselspannung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Gegen-EMK des zu steuernden Motors nach Aufbereitung in einer Regelspannungsstufe und über ein Potentiometer zur Einstellung der Drehzahl dem nicht invertierenden Eingang einer Differenzkomparatorstufe zugeleitet wird, deren Ausgang über je eine mit einer Referenzspannungsquelle verbundenen Treiberstufe mit den Gates von zwei Thyristoren verbunden ist, die von den Sekundärwicklungsenden eines Transformators auf den Verbindungspunkt zum Motor geschaltet sind, und daß die Sekundärspannung des Transformators über Dioden einem Rampengenerator zugeführt wird, dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang der Differenzkomparatorstufe verbunden ist, wobei die über die Dioden gewonnene Spannung zur Bildung der Referenzquelle und zur automatischen Nullpunktnachführung verwendet wird, die mit dem Rampengenerator verbunden ist.

Description

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und billiger Bauteile preisgünstig hergestellt werden Schnittpunkt mit Ua den Zündzeitpunkt der Thyristoren

kann. TyX und Ty 2. Der Spannungsverlauf für die Rampen-

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung soll spannung Ug ergibt sich aus IH von F i g. 3. am Beispiel einer bevorzugten Ausfühnmgsform an- Durch die hohe Obersteuerung des Transistors Tl

I? hand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt 5 wird eine niedrige Kollektor-Emitter-Restspannung er- H Fi g. 1 ein Blockschaltbild der Schaleungsanordnung reicht Dies hat den Vorteil, daß bei einer Gegen-EMK

if gemäß der Erfindung, nahe 0 Volt noch voll ausgeregelt wird bei größtmögli-

P Fig.2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- chemZündwinkel.

f; mäßen Schaltungsanordnung, Im folgenden werden die Drehzahleinstellung und die & F i g. 3 die verschiedenen Kurvenformen der einzel- io Aufbereitung der Gegen-EMK als Regelgröße bell nen Stufen und die Spannungsverläufe. schrieben. Die Höhe der Regelspannung Uh wird einmal H Wie sich aus den Figuren der Zeichnung ergibt wird durch die Stellung des Potentiometers P1, zum anderen ff die Sekundärspannung (Mittelpunktschaltung) des durch die aufbereitete Gegen-EMK U_K bestimmt Zu p Transformators Tr zur Versorgung der Steuerelektro- Beginn einer Halbwelle ist Ug noch < Uh und somit If; nik zunächst über die Dioden DX, D 2 gleichgerichtet 15 Uj = HIGH. Hierdurch wird der Kondensator C5 mit ff und zur sauberen Aufbereitung des Synchronisierimpul- kurzer Zeitkonstante über RXX und D 7 geladen. Die I? ses mit R X und R 2 belastet und ergibt die gleichgerich- Spannung ist mit Uk bezeichnet Durch die Diode D 8 ψ_: tete Spannung Ua- Diese Spannung wird über die Diode wird Uk auf dem Niveau der Gegen-EMK Um gehalten. y^: _}, D 3 und den Kondensator CX geglättet und führt zur Da sich der Spannungsabfall an D 7 und D 8 aufhebt % Spannung Ub- 20 entspricht Uk exakt der geglätteten Spannung Um- So-% Der Netzsynchronisierimpuls mit automatischer bald nun Ug > Uh wird, springt Uj nach LOW, und es ;| Nullpunktnachführung wird durch den Operationsver- fließt kein Ladestrom mehr durch den Widerstand All. ι, stärker OP X erzeugt an dessen Ausgang die impulsför- Dies ist notwendig, da durch das Zünden des Thyristors I mige Spannung Uf auftritt Damit der Netzsynchroni- Ty Um den Wert der Motorbetriebsspannung annimmt %,. sierimpuls in jedem Betriebs- und Belastungsfall des 25 die als Regelgröße nicht verwertbar ist und so ausgetaf Transformators auch bei sehr verzerrtem Sinus noch stet wird. Der Kodensator C 5 speichert den U_K-Wert, |. sicher erzeugt wird, wird nicht der absolute Wert der da er sich über die große Zeitkonstante der Widerstän-& niedrigsten Spannung U_A min, sondern der relative de P X-R XQ-R 9 nur langsam entladen kann. I Niedrigstwert verwendet. Hierzu muß der nicht inver- Kurz vor Ende der Halbwelle wird durch den Syn-%. tierende Eingang 5 des Operationsverstärkers OPl 30 chronisierimpuls die Rampenspannung Uc < Uh- U₁ I dem Niedrigstwert am invertierenden Eingang 6 ständig springt wieder nach HIGH, der Thyristor sperrt im :| nachgeführt werden. Zu diesem Zweck ist ein ÄC-Glied Strom-Nulldurchgang, und die Gegen-EMK steht wie-% RA, C 2 von der geglätteten Spannung U₈ nach Masse der als Regelgröße Um zur Verfügung. Der Vorgang f geschaltet. wiederholt sich nun zu Beginn der nächsten Halbwelle % Am Anfang einer Halbwelle wird C 2 über A4 mit 35 wie oben beschrieben.

,Vf einer Zeitkonstanten von ca. 50 ms geladen. Somit wird Da nun bei Absenkung der Drehzahl, z. B. durch Lästig die Eingangsspannung Uf, die gleich Ua ist, größer als erhöhung, die Gegen-EMK, und somit die Spannung p die Spannung Ue am Eingang 5 des Operationsverstär- Uk, im gleichen Maße abnimmt nimmt auch die Regel- \f. kers OP1. Damit ist die impulsförmige Spannung Uf am spannung Uh ab und schneidet sich früher mit der Ram-'); Ausgang des Operationsverstärkers OP X LOW. 40 penspannung Ug, wodurch der Zündzeitpunkt nach f. Sobald die Spannung Ua kleiner als Ud wird, kippt Uf vorn rutscht und dem Motor mehr Leistung für den f; nach HIGH. Up wird über die Diode D 5 durch U_A mit Ausgleich des Drehzahlverlustes zur Verfügung stellt. I 0,8 V Abstand zwangsgeführt, da sich C2 über R X Bei Drehzahlerhöhung, z. B. durch Lastwegnahme, ;< schnell entladen kann. Damit bleibt Uf sicher HIGH. erfolgt voriger Ablauf in umgekehrter Richtung. ■ Sobald mit der folgenden aufsteigenden Flanke Ua wie- 45 Die Spannungsverläufe sind in der Darstellung IV

der Ud wird, kippt Uf wieder nach LOW, während sich von F i g. 3 wiedergegeben.

,' C 2 wieder langsam auflädt. Somit stellt sich die Span- Steht der Schleifer des Potentiometers P X ganz beim

\ nung Ud mit max. Verzögerugvon 2 bis 3 Halbwellen Widerstand R 10, so muß die Spannung Uk einen hohen

f. automatisch auf jeden Niedrigswert von U_A ein. Wert annehmen, damit sich an der Regelspannung Uh

Si Der Widerstand R 5 dient lediglich als Schutzwider- 50 noch ausreichend hohes Potential einstellt d. h. der Mo-

y stand für den Eingang 6 des Operationsverstärkers tor läuft mit Höchstdrehzahl. Hierbei beträgt das Wi-

f; OfI. damit er durch Störspitzen nicht zerstört wird. In derstandsverhältnis PXIR 10 + R9 = 100/1, und somit

5 Extremfällen kann noch ein kleiner Blockkordensator UkIUH auch 100/1. Umgekehrt ist bei Schleiferstellung

'■ C3 (470 pF) gegen Masse gelegt werden. am Kondensator C5 das Verhältnis des Wertes UkI

i·: Die Spannungsverläufe Ua, Ub, Ud ergeben sich aus 55 Uh = 1, d.h. die Gegen-EMK braucht nur 1/100 der

ν der Darstellung I und der Spannungsverlauf Uf aus der Maximalstellung zu sein, was der Minimaldrehzahl ent-

fl Darstellung II von F ig. 3. spricht.

!;? Zur Bestimmung des Zündzeitpunktes steuert die im- Zur Erhaltung der Funktionssicherheit der Schaltung

'f pulsförmige Spannung t/füber den Transistor TX durch bei blockiertem Motor ist eine Sicherheitsschaltung

I und entlädt den Kondensator CA schlagartig. Nach En- 60 vorgesehen.

I. de des Impulses sperrt Ti, wodurch sich CA über den Da bei blockiertem Motor die Uegen-EMK = 0 V ist. Widerstand R 7 langsam auflädt, bis der nächste Impuls würde auch die Spannung Uk und somit die Regelspan-CA wieder entlädt. Somit steht am invertierenden Ein- nun_fe Uh = OW werden, während die Rampenspangang 2 des Operationsverstärkers OP2 über die ganze nungt/c min durch die Kollektor-Emitter-Restspannung Breite einer Halbwelle, abzüglich der Breite des Syn- 65 von TX immer leicht positiv bleibt. Dies hätte zur Folge, chronisierimpulses, eine kontinuierlich ansteigende daß Uj ständig auf LOW, und daraus folgend Uk = 0 V, Rampenspannung Ug- Die am nicht invertierenden Ein- bleibt, auch wenn die Blockierung des Motors aufgehogang 3 anliegende Regelspannung Uh bestimmt nun am ben wird.

Der Motor würde nun ungeregelt mit voller Betriebsspannung laufen. Um dies zu verhindern, muß die Regelspannung Uh min stets etwas größer sein als die Rampenspannung Ug min. Dies wird dadurch erreicht, daß über den niederohmigen Spannungsteiler Ä8/Ä9 der Fußpunkt des Kondensators C5 konstand etwas über 0 V gehalten wird. Damit diese Spannung in jedem Betriebsfall konstant bleibt, wird der Spannungsteiler mit der Referenzspannung Uref gespeist, welche durch die Diode D 4 erzeugt wird. ι ο

Durch diese Maßnahme bleibt die Regelschaltung auch im ungünstigsten Betriebsfall (z. B. blockierter Motor, plötzliche Entlastung) sicher funktionsfähig.

Zur Lastkreissteuerung werden die beiden in den Außenleitern der geteilten Sekundärwicklung von Tr1 lie- is genden Thyristoren Ty \, Ty 2 durch die als Treiber-Komparatoren geschalteten Operationsverstärker OP 3 und OP 4 angesteuert. Die abfallende Flanke der Spannung U] bestimmt den Zündzeitpunkt, und solange Ui = LOW ist, steht an den Ausgängen eine positive Zündspannung, die über R12/D 9 bzw. R13/D10 an die Thyristor-Gates gelangt

Durch die Dimensionierung der Widerstände R12 und R13 kann jeder dem Thyristor angepaßte Gatestrom eingestellt werden bis zu je 20 mA.

Bei Thyristoren mit hochempfindlichen Gates (< 1 mA) sollte je ein Gate-Kathode-Kondensator C 6, Cl eingesetzt werden, um eine Selbstzündung durch Störspitzen zu vermeiden.

Die parallel zum Motor liegende Freilaufdiode DIl verhindert ein Überkopfzünden der Thyristoren, denn sie läßt keine negative Kathodenspannung mehr zu, die eine zündfähige Spannungsdifferenz zum Gate erzeugen könnte. Schließlich verhindert der Widerstand R14, daß bei abgeschaltetem Motor durch Sm sich der Kondensator CS auf die volle Betriebsspannung auflädt Er müßte sich beim Wiedereinschalten erst wieder über PMR10/R 9 entladen, wodurch eine Einschaltverzögerung von über 1 s auftreten würde. Bei richtiger Dirnensionierung des Widerstandes R 14 tritt keine merkliche Einschaltverzögerung auf.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (2)

dem nicht invertierenden Eingang (2) des Opera-Patentansprüche: tionsverstärkers (OP 2) zugeführt wird und dem invertierenden Eingang (3) dieses Operationsverstär-

1. Schaltungsanordnung zur gleichrichterlosen, kers die dem Potentiometer (P 1) entnommene Rethyristorgesteuerten Drehzahlregelung eines Klein- 5 gelspannung (Uh) zugeführt wird, wobei sich der spannungs-GIeichstrommotors für Betrieb an Zündzeitpunkt im Schnittpunkt der beiden letztge-Wechselspannung, bei welcher die Gegen-EMK des nannten Spannungen (Ug) und (Uh) ergibt.

zu steuernden Motors nach Aufbereitung in einer

Regelspannungsstufe und über ein Potentiometer

(Pl) zur Einstellung der Drehzahl dem nicht inver- 10
tierenden Eingang eines Operationsverstärkers

(OP2) zugeleitet ist, dessen Ausgang über je einen Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur

mit einer Referenzspannungsquelle verbundenen gleichrichterlosen, thyristorgesteuerten Drehzahlrege-Operationsverstärker (OP3, OP3) mit den Gates lung eines Kleinspannungs-Gleichstrommotors für Bevon zwei Thyristoren (Ty 1, Ty2) verbunden ist, die 15 trieb an Wechselspannung mit den im Oberbegriff des von den Sekundärwicklungsenden eines Transfer- Anspruchs 1 genannten Merkmalen,
mators (Tr} auf den Verbindungspunkt zum Motor Durch die DE-OS 30 25 995 ist ein Motordrehzahl-

geschal te t sind und der invertierende Eingang des Regelsystem beschrieben das alle wesentlichen Merk-Operationsverstärkers (OP 2) mit einem Rampenge- male der im Oberbegriff vorausgesetzten Schaltungsannerator (Ti, C 4) verbunden ist, der eine netzsyn- 20 Ordnung aufweist, bei dem eine erfaßte induzierte Spanchrone Rampenspannung abgibt, wobei eine mittels nung eines unter Drehzahlregelung betriebenen Gleichmit dem Netztransformator verbundener Dioden strommotors mit einem Geschwindigkeitsbezugssignal (D 1, D 2) gleichgerichtete Spannung (Ua) zur Spei- verglichen wird, bei dem es sich um eine Sägezahnspansung des Rampengenerators (Ti, C 4) verwendet ist, nung handelt, die mit einer Netzfrequenz synchronisiert dadurch gekennzeichnet, daß die gleich- 25 ist Mit dem vorbekannten Motordrehzahl-Regelsystem gerichtete Spannung (Ua) dem invertierenden Ein- soll erreicht werden, daß nur schwache Bctriebsgeräugang (6) eines Operationsverstärkers (OPl) züge- sehe erzeugt werden und das Motorsteuersystem bei führt ist, an dessen mit dem Rampengenerator (Ti, Schwankungen der Netzspannung und -frequenz nur C4) verbundenen Ausgang (7) der Netzsynchroni- geringe Geschwindigkeitsabweichungen zeigt,
sierimpuls mit automatischer Nullpunktnachführung 30 Bei der Herstellung von Drehzahlreglern der einmit einer Spannung (Uf) erzeugt wird, wobei der gangs genannten Art besteht das Bedürfnis, eine Schalnicht invertierende Eingang (5) des Operationsver- tungsanordnung zu finden, die in einem preislich günstistärkers (OP1) mit dem Verbindungspunkt eines mit gen Verhältnis zum Gesamtwert des zu regelnden einer aus der gleichgerichteten Spannung (Ua) ge- Kleinspannungs-Gleichstrommotors eines Kleinwerkwonnenen geglätteten Spannung (Ub) verbundenen 35 zeuges steht Das bedeutet, daß bei einer derartigen Widerstandes (R 4) und eines an Masse gelegten Schaltungsanordnung keine hochwertigen Bauteile, wie Kondensators (C 2) verbunden ist, um den nicht in- z. B. hochwertige Transformatoren, verwendet werden vertierenden Eingang (5) dem Niedrigswert der Ein- können, welche den Preis des Reglers unverhältnismägangsspannung (Ue) am invertierenden Eingang (6) Big stark erhöhen würden.

des Operationsverstärkers (OPl) ständig in der 40 Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-Weise nachzuführen, daß am Anfang jeder Halbwel- gründe, eine einfache Schaltungsanordnung zur Dreh-Ie der Kondensator (C 2) über den Widerstand (R 4) Zahlregelung zu schaffen, bei der auch einfache und billimit einer Zeitkonstanten von ca. 50 ms geladen wird, ge Transformatoren verwendet werden können, wobei wodurch die der gleichgerichteten Spannung (Ua) die Schaltung auch dann noch voll funktionsfähig ist. entsprechende Eingangsspannung (Ue) am invertie- 45 wenn durch den Transformator eine stark verzerrte Sirenden Eingang (6) größer als die Spannung (Ud) am nus-Spannung auftritt.

nicht invertierenden Eingang (5) des Operationsver- Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird eine Schal-

stärkers (OPl) wird, mit der Folge, daß die Aus- tungsanordnung gemäß dem Patentanspruch 1 vorgegangsspannung (Uf) am Ausgang (7) des Opera- schlagen.

tionsverstärkers (OPl) LOW ist, und daß zwischen 50 Mit der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung den nicht invertierenden Eingang (5) des Opera- wird der wesentliche Vorteil erreicht, daß durch die autionsverstärkers (OPl) und die gleichgerichtete tomatische Nachführung der Nullpunktsynchronisie-Spannung (t/4) eine Diode (D 5) geschaltet ist, durch rung auch bei stark verzerrter Sinusspannung, wie sie welche, wenn die gleichgerichtete Spannung (Ua) bei sog. »weichen« Transformatoren durch Rückwirkleiner als die Spannung (Ud) am nicht invertieren- 55 kung des Motors auftreten kann, eine betriebssichere den Eingang ist, letzten Spannung (Ud) mit 0,8 V und einwandfreie Funktion des Reglers gewährleistet Abstand zwangsgeführt wird, wobei durch die Aus- ist. Dies wird dadurch möglich, daß ein Netzsynchronigangsspannung (Uf) mit Sicherheit HIGH bleibt. sierimpuls mit automatischer Nullpuktnachführung er-

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- zeugt wird, mit dem der Regelvorgang durchgeführt durch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des 60 wird.

Zündzeitpunktes die Spannung (Uf) am Ausgang Im Anspruch 2 ist eine besondere Ausbildung des

(17) des Operationsverstärkers (OPl) über einen Rampengenerators beschrieben, der von den netzsyn-Widerstiind (RJ einen Transistor (Ti) durchsteuert chronen Impulsen gesteuert wird,
und einen am Kollektor des Transistors liegenden Durch die Schaltungsanordnung gemäß den Ansprü-

Kondensator (C4) schlagartig entlädt, und wobei 65 chen 1 und 2 kann sehr einfach eine gleichrichterlose, nach Sperrung des Transistors (Ti) und Aufladung thyristorgesteuerte Drehzahlregelung für Kleinspandes Kondensators (C4) über einen Widerstand (R 7) nungs-Gleichstrommotoren durchgeführt werden, die eine Rampenspannung (Uc) erhalten wird, welche den großen Vorteil aufweist, daß sie infolge einfacher