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Anordnung zur Regelung der Drehzahl bzw. der .Ankerspannung eines
im Ankerstromkreis über Magnetverstärker gespeisten Gleichstrom-Nebenschlußmotors
Bei Gleichstrom-Nebenschlußmotoren ist es bekannt, ihre Drehzahl in der Weise zu
regeln, daß bei konstantem Erregerstrom die Spannung am Anker verändert wird. Es
ist ferner bekannt, daß die Ankerspannung mit Hilfe eines magnetischen Verstärkers
geändert wird, wie es Fig. i der Zeichnung zeigt. Hierbei ist die Erregerwicklung
i des Nebenschlußmotors über- den Gleichrichter 2 vom Wechselstromnetz 3 mit konstanter
Spannung erregt. Der magnetische: Verstärker 4 ist in. Selbstsättigungsschaltung
ausgeführt und wird aus dem Netz 3 gespeist. Der Anker 5 des Nebenschlußmotors (Ankerwiderstand
RL) ist als Belastung in den Ausgangskreis des Magnetverstärkers q. eingeschaltet.
In Fig. 2 ist die zugehörige Verstärker kennlinie des magnetischen Verstärkers q.
dargestellt, die die Abhängigkeit der am Motoranker 5 liegenden Ausgangsspannung
UM des Magnetverstärkers von seinem Steuerstrom Ist zeigt. Aus der Kurve
ist zu ersehen, das. sich entsprechend. dein
Steuerstrom Ist eine
Ankerspannung UM einstellt, die zwischen einem Maximalwert UM.", und
einem Minimalwert UM,ntn liegt.
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Aus der Gleichung für den Gleichstrom-Nebenschlußmotor K' 0'
%z = UM-RL' I" geht hervor, daß bei konstantem magnetischem Fluß 0 die Drehzahl
n = o dann erreicht wird, wenn die Spannung UM bis auf einen Wert UM = RL
- I a abfällt. Da der Widerstand RL annähernd konstant ist und der Motor
normalerweise im Höchstfalle mit seinem Nenndrehmoment belastet wird, ergibt sich,
daß die Spannung UM wenigstens bis auf einen Wert UM"in=RL'Ianenn herunterzuregeln
sein muß. Im allgemeinen kann dieser Wert UMmi, der meistens nur einige Bruchteile
der Nennspannung beträgt, bei Magnetverstärkern nicht erreicht werden, so daß eine
Drehzahlregelung bis zum Stillstand nicht möglich ist.
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Eine Möglichkeit, die Regelung bis zum Stillstand 7i = o trotzdem
durchzuführen, ergäbe sich, wenn man in den Ankerkreis einen relativ großen Vorwiderstand
R" einschalten würde, der so bemessen ist, daß (Rv+RL)Ianenn= Umurin des Magnetverstärkers
ist, Man müßte dann jedoch vermeidbare große Zusatzverluste N,,=R,-In2nenn mit in
Kauf nehmen; da bekanntlich durch das Vorschalten eines Vorwiderstandes in den Ankerstromkreis
ein weicheres Drehzahlverhalten des Motors erzielt wird, müßte man gleichzeitig
größere Drehzahlschwankungen bei nur geringer Belastungsschwankung mit in Kauf nehmen.
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Auf dem -Gebiet der Meßtechnik ist eine Schaltung bekannt (s. Fig.3),
bei der durch den BelastungswiderstandRa des Magnetverstärkers außer dem Arbeitsstrom
I" des Magnetverstärkers ein Gegenstrom Ig geschickt wird, der gleiche Amplitude
wie der kleinstmögliche Arbeitsstrom Ia,niny jedoch entgegengesetzte Phase hat.
Dadurch wird der resultierende Strom bzw. die Spannung an diesem Widerstand gleich
Null, wenn In gleich I, ist. Damit aber der Strom I" nicht über den parallel
zum Widerstand Ra liegenden Gleichrichter G fließen kann, ist die Einschaltung von
zwei gegen Ra großen Vorwiderständen R,1 und R" 2 nötig. Die in diesen Widerständen
umgesetzte Verlustleistung ist wirtschaftlich nur tragbar, wenn die im Widerstand#Y-umgesetzte
Leistung klein ist, was zwar für Meßsysteme oder Relaisspulen, nicht aber für größere
Motoren zutrifft.
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Zur Umsteuerung der Ankerspannung von Gleichstromnebenschlußmotoren
ist es bekannt, zwei selbstsättigende Magnetverstärker in Gegentaktschaltung zu
verwenden; bei dieser Anordnung sind die beiden Magnetverstärkerausgänge über einen
ohmschenWiderstand mit Mittelanzapfung parallel geschaltet, und der Anker des Motors
ist über die Mittelanzapfung des Widerstandes mit den beiden direkt verbundenen
Ausgangsklemmen der Magnetverstärker zusammengeschaltet. Die Polarität der miteinander
verbundenen Ausgangsklemmen der Magnetverstärker ist so gewählt, daß jeweils die
Plusklemme des einen Magnetverstärkers mit der Minusklemme des anderen verbunden
ist. Da beide Magnetverstärker gleich bemessen sind, ist jeweils der eine von beiden
zugesteuert, während der andere geöffnet ist; bei einer Änderung der Steuerstromrichtung
über den Wert Ist = o hinaus wird somit jeweils die Richtung der Ankerspannung
gewechselt, so daß eine Umkehr der Motordrehrichtung erfolgt.
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Der große Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die beiden
Teilwiderstände im Ankerstromkreis weitaus den größten Teil der von den Magnetverstärkern
aufzubringenden Leistung verzehren. Eine Entfernung dieser unerwünschten Energieverzehrer
ist deshalb nicht möglich, weil sonst für den jeweils steuernden Magnetverstärker
der Motor über die Gleichrichter des anderen Magnetverstärkers kurzgeschlossen ist.
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Nach Angaben in der Fachliteratur soll ein optimaler Wirkungsgrad
dieser Anordnung erreicht werden, wenn man jeden der beiden Teilwiderstände mit
dem T2--fachen Wert des Ankerwiderstandes wählt; in diesem Falle soll der Wirkungsgrad
etwa r5°/o betragen, so daß jeder der beiden Magnetverstärker für etwa die 6fache
Nennleistung des Motors zu bemessen ist.
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Für den Fall, daß mit Hilfe der oben beschriebenen Anordnung die Ankerspannung
von einem positiven oder negativen Endwert nur bis auf den Wert Null regelbar sein
muß, also beispielsweise bei einer Drehzahlregelung des Motors von Nenndrehzahl
bis zum Stillstand, kann der eine der beiden Magnetverstärker, der die Regelung
übernimmt, wenn der andere Magnetverstärker seine Spannung UM min erreicht,
für eine geringere Gesamtleistung ausgelegt werden; da in diesem Fall jedoch im
übrigen die Bemessung der Widerstände unverändert bleiben muß, wird auch der Wirkungsgrad
dieser Anordnung nicht besser.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Regelung der Drehzahl
bzw. der Ankerspannung eines im Ankerstromkreis über einen Vorwiderstand und Gleichrichter
mit Hilfe zweier selbstsättigender Magnetverstärker aus dem Wechselstromnetz gespeisten
Gleichstrom-Nebenschlußmotors. Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht darin,
daß die Leistungsverluste auf einen gegenüber den bekannten Anordnungen sehr geringen
Betrag begrenzt sind, so daß die Verwendung von Magnetverstärkern zur Drehzahlregelung
von Motoren größerer Leistung damit erst einigermaßen rentabel wird. Gemäß der Erfindung
werden diese Vorteile dadurch erreicht, daß der zweite Magnetverstärker, der die
Regelung dann übernimmt; wenn der erste Magnetverstärker auf seine kleinste Ausgangsspannung
ausgesteuert ist, den Spannungsabfall an dem Vorwiderstand so weit vergrößert, bis
die für die induzierte Ankerspannung resultierende Restspannung im Ankerstromkreis
schließlich Null wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig.
4 . und die zugehörige
Verstärkerkennlinie in Fig. 5 der Zeichnung
dargestellt.
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Fig. 4 zeigt den Motor 5 (Ankerwiderstand RL), der über einen Vorwiderstand
Rz von der Ausgangsspannung UM des an das Wechselstromnetz 3 angeschlossenen Magnetverstärkers
4 gespeist wird. Die Ausgangsspannung Um des Magnetverstärkers 4 stellt sich
selbsttätig so ein, daß die für den äußeren Stromkreis geltende Beziehung
Um =k'0'n+(RL+Rz)'Ia (i)
erfüllt ist. (In dieser Gleichung ist
wieder mit n die Drehzahl, mit $ der Erregerfluß und mit k eine Konstante bezeichnet,
die von der geometrischen Bemessung und den Wicklungsdaten des Motors abhängt.)
Da im vorliegenden Fall - die Erregerwicklung i des Motors 5 wird von einer konstantefl
Fremdgleichspannung gespeist - der Fluß 0 konstant ist, ergibt sich nach entsprechender
Umstellung der Gleichung (i), daß n @ UM - (RL -I- Rz) ' I a (2)
ist.
Der Wert (RL+RZ) ' I" ist bei konstanter Belastung (konstantes Drehmoment) stets
konstant und beträgt, bezogen auf die Nenndaten der Maschine, nur einen geringen
Bruchteil der Nennspannung. Mit Herabregelung der Spannung UM durch Verringern
des Steuerstromes Ist (s. Fig. 5) sinkt die Drehzahl proportional der Spannung Um,
bis diese ihren Wert UM min erreicht und der Magnetverstärker i sperrt. Da
die Spannung UMmin bei kleinem Drehmoment an der Motorwelle aber noch größer ist
als der Spannungsabfall (RL+RZ) - Ia, kann die Drehzahl n = o durch Aussteuerung
des Magnetverstärkers 4 allein nicht erreicht werden. Gemäß der Erfindung wird deshalb
ein zweiter Magnetverstärker 6 verwendet, der bei weiterer Verringerung des Steuerstromes
Ist (vgl. Kennlinie Fig. 5) dann die Regelung übernimmt, wenn die Spannung
UM des Magnetverstärkers 4 ihren kleinsten Wert UM"" erreicht. Der
vom Magnetverstärker 6 gelieferte Strom Iz fließt in gleicher Richtung wie der Ankerstrom
I" durch den VorwiderstandRz im Ankerstromkreis des Motors und erzeugt so einen
zusätzlichen Spannungsabfall RZ-Iz, so daß jetzt folgende Beziehung besteht: n-<#
Um l. - Rz(Ia+Iz) - RL'Ia (3)
Wird jetzt durch
weitere Verringerung des Steuerstromes Ist der zusätzliche Spannungsabfall UZ=RZ-Iz
vergrößert, so wird schließlich der gesamte Spannungsabfall im Ankerstromkreis gleich
der kleinsten Ausgangsspannung UM"", des Magnetverstärkers 4 und damit die
Drehzahl Null des Motors erreicht.
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Formt man die Gleichung (3) um, so ergibt sich, daß für n = o die
zusätzliche Spannung Uz max = UM min - (RL + Rz)
I a (4)
sein muß.
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Wie ohne weiteres aus der Gleichung (4) ersehen werden kann, braucht
der Magnetverstärker 6 nur für eine geringe Leistung bemessen zu werden, die im
wesentlichen nur abhängig ist von der Größe UMmin des Magnetverstärkers 4 und der
Größe Rz des Vorwiderstandes im Ankerstromkreis. Diese Leistung des Magnetverstärkers
6, die in voller Höhe eine Verlustleistung ist und Uze""x/Rz beträgt, ist also um
so geringer, je kleiner UMmin ist.
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Ein besonderer wesentlicher Vorteil bei dieser Anordnung ist dadurch
gegeben, daß man den Magnetverstärker 6 bei gleicher Leistung für hohe Ströme auslegen
und damit den Vorwiderstand Rz im Ankerkreis entsprechend verkleinern kann, wodurch
dann die vom Magnetverstärker 4 abzugebende Verlustleistung Rz . I,2 verringert
wird. Ebenso bleibt durch die mögliche Verkleinerung des Vorwiderstandes Rz das
starre Drehzahlverhalten des Motors bei Belastungsschwankungen weitgehend erhalten.