DE975852C - Anordnung zum Steuern und Regeln der Drehzahl und Drehrichtung eines Gleichstromstellmotors - Google Patents

Description

Es tritt häufig die Aufgabe auf, irgendein Organ selbsttätig mit Hilfe eines Elektromotors nach Maßgabe einer Regelgröße zu verstellen, wobei die Verstellung je nach den Vorzeichen der Regelgröße in der einen oder anderen Richtung erfolgen muß. Als Beispiel sei die Elektrodenregelung eines Lichtbogenofens genannt, bei welchem die Elektrode gehoben oder gesenkt werden muß, wenn der Zustand des betreffenden Lichtbogens von dem Sollzustand abweicht. Es wird dabei verlangt, daß die Elektrode bei Sollzustand des Lichtbogens in Ruhe bleibt und daß ihre Verstellgeschwindigkeit von der Abweichung des Lichtbogens vom Sollzustand abhängt. Als Stellmotor kommt bei allen derartigen Aufgaben ein Gleichstrommotor in Betracht, da sich dieser am einfachsten in seiner Drehzahl regeln läßt. Es ist bereits der Vorschlag gemacht worden, den Stellmotor über Gas- oder Dampfentladungsstrecken zu speisen, die in Abhängigkeit von der Regelgröße veränderlich ausgesteuert werden. Bei einem Lichtbogenofen kann als Regelgröße z. B. die Differenz zwischen der Lichtbogenspannung und dem Lichtbogenstrom dienen. Man erreicht durch die Verwendung steuerbarer Entladungsstrecken den Vorteil einer sehr empfindliehen und mit geringer Trägheit arbeitenden

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Steuerung unter Vermeidung mechanischer Kontakte, die bei unruhigem Betrieb naturgemäß einem starken Verschleiß ausgesetzt wären. Die Schwierigkeit bei Verwendung steuerbarer Entladungsstrecken für diesen Zweck liegt jedoch darin, daß es wegen der Ventil wirkung der Entladungsstrecken nicht ohne weiteres möglich ist, den Stellmotor in beiden Drehrichtungen zu steuern.

Es ist bereits bekannt, von den beiden Entladungsstrecken innerhalb einer Periode jeweils nur die eine zu zünden, so daß dem Stellmotor jeweils eine volle Halbwelle zufließt; dadurch setzt die Regelung in jedem Falle mit der vollen konstanten Stellgeschwindigkeit ein, unabhängig von der Größe der Regelabweichung. Dies kann jedoch zu einer unerwünschten Übersteuerung des Stellvorganges mit Pendelungen um den Nullpunkt führen. Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der bekannten Anordnungen durch eine von der Größe der Regelabweichung abhängige Stellgeschwindigkeit. Die Erfindung betrifft somit eine Anordnung zum Steuern und Regeln der Drehzahl und Drehrichtung eines Gleichstromstellmotors, insbesondere für die Verstellung von Lichtbogenofenelektroden, der über zwei gesteuerte Entladungsstrecken an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, bei der die die beiden Entladungsstrecken abwechselnd durchfließenden Ströme durch Verstellen des Zündwinkels abhängig von der Abweichung einer Regelgröße von einem Sollwert gesteuert werden. Die Erfindung besteht darin, daß beide Entladungsstrecken gegensinnig parallel geschaltet sind und in jeder Periode derart gezündet werden, daß die Zündwinkel abhängig von der Größe der Regelabweichung derart gegensinnig verschoben werden, daß der mittlere, durch den Motor fließende Gleichstrom nach Größe und Richtung durch die Regelabweichung stetig gesteuert wird.

In Fig. ι ist als Ausführungsbeispiel eine Schaltung gemäß der Erfindung dargestellt. An dem Wechselstromnetz RS liegen hintereinander der Anker des konstant erregten Stellmotors 1 und die beiden mit Glühkathoden ausgerüsteten, gittergesteuerten Ouecksilberdampfentladungsgefäße 2 und 3, die ihrerseits gegensinnig parallel geschaltet sind. Den Gittern der Entladungsgefäße 2 und 3 wird zunächst ein Sperrpotential aufgedrückt, welches an den Widerständen 7 und 8 abgegriffen wird. Zu diesem Zweck werden diese Widerstände über Trockengleichrichter 5 und 6 von dem Transformator 4 gespeist. Diesen Sperrpotentialen werden Zündspannungsspitzen überlagert, die von den Stoßtransformatoren 9 und 10 geliefert werden. Die Ventile 11 und 12 schließen die in falscher Richtung liegenden Spannungsstöße kurz.

In den Sekundärwicklungen der Stoßtransformatoren 9 und 10 wird jeweils dann ein kurzzeitiger Spannungsstoß induziert, wenn die Primärspannung durch Null hindurchgeht. Eine Verschiebung der zeitlichen Lage der Zündspannungsstöße kann also durch Veränderung der Phasenlage der Primärspannung erfolgen. Die Primärspannungen der Stoßtransformatoren 9 und 10 setzen sich nun aus zwei Wechselspannungskomponenten zusammen, von denen die eine konstant ist, die andere dagegen nach Größe und Vorzeichen von der Regelgröße abhängt bzw. dieser proportional ist. Die konstante Spannungskomponente wird von dem Transformator 13 geliefert, dessen Primärwicklung 14 an einem geeigneten Wechselstromnetz liegt. Die veränderliche Komponente wird über die Klemmen 16 dem Mittelpunkt der Sekundärwicklung 15 des Transformators 13 zugeführt. Beide Spannungskomponenten sind um etwa 90⁰ in der Phase gegeneinander verschoben. Es tritt somit an der Wicklung des Transformators 9 z. B. die geometrische Summe, an der Primärwicklung des Transformators 10 die geometrische Differenz zwischen den beiden Spannungskomponenten auf. Ändert sich also die über die Klemmen 16 zügeführte Spannungskomponente der Größe nach, so verschieben sich die an den Transformatoren 9 und 10 auftretenden Primärspannungen der Phase nach in entgegengesetztem Sinne.

Fig. 2 möge diesen Vorgang näher erläutern. Ist U_n die Spannung des Wechselstromnetzes RS und Uy die in der Sekundärwicklung 15 des Transformators 13 induzierte konstante Spannungskomponente, so ändert sich die einem der Transformatoren 9 und 10 zugeführte Primär spannung von dem Wert U₁ auf den Wert CZ₂, wenn sich die veränderliche Spannungskomponente von dem Wert + U_E auf — Ug ändert. Die Zündspannungsimpulse für das dem betreffenden Transformator 9 bzw. 10 zugeordnete Entladungsgefäß ändern dementsprechend ihre Phasenlage.

Wie. sich das auf das betreffende Entladungsgefäß auswirkt, zeigt Fig. 3. Die Kurve 20 stellt den Verlauf der positiven Halbwelle der Anodenwechselspannung an diesem Entladungsgefäß dar. 21 ist seine Zündkennlinie, bei deren Überschreitung durch das Gitterpotential das Entladungsgefäß zündet. Dem Gitter wird ein konstantes Sperrpotential U_SJI aufgedrückt, dem die kurzzeitigen Zündimpulse überlagert werden. Tritt, wie in Fig. 3 angedeutet, im Zeitpunkt t_z ein Zündimpuls auf, so wird das vorher gesperrte Entladungsgefäß stromführend, und sein Entladungsstrom verläuft etwa nach der schraffierten Kurve.

In Fig. 4 sind die von beiden Entladungsgefäßen geführten Ströme, die also den Ankerstrom des Stellmotors darstellen, für verschiedene Lagen der Zündzeitpunkte wiedergegeben.

In Fig. 4 a liegen die Zündzeitpunkte der beiden Entladungsgefäße so, daß die Stromimpulse f₂ und i_z der beiden Entladungsgefäße gleich groß sind. Der arithmetische Mittelwert des Ankerstromes ist demgemäß Null und damit auch das mittlere Drehmoment des Stellmotors. Wenn nun durch Änderung der Regelspannung die Zündzeitpunkte für das Entladungsgefäß 2 vor-, die des Entladungsgefäßes 3 dagegen zurückverlegt werden, so stellt sich das Strombild nach Fig. 4b ein, bei welchem die Impulse i₂ überwiegen und somit ihr Mittelwert positiv wird. Der Stellmotor beginnt also in der einen Drehrichtung zu laufen.

Fig. 4c zeigt den umgekehrten Fall. Der Mittelwert des Ankerstromes ist negativ, und der Motor läuft in umgekehrter Richtung.

Es ist nicht ohne weiteres möglich, die Regelgröße in Form einer Wechselspannung zu erhalten, da es sich dabei um eine Differenzbildung handelt, die wegen ungenauer Phasenlage und nicht rein sinusförmiger Spannungskurve nur zu ungenauen Ergebnissen führen würde. Die Erfindung schlägt

ίο deshalb weiterhin vor, als eigentliche Regelspannung eine Gleichspannung zu verwenden und diese erst in einem magnetischen Modulator in eine ihrer Größe nach veränderliche Wechselspannung konstanter Phasenlage umzuwandeln.

Das Prinzip des magnetischen Modulators und seine Wirkungsweise mögen an Hand der Fig. 5 und 6 erläutert werden. Nach Fig. 5 besteht der magnetische Modulator in der einfachsten Form aus einem dreischenkligen Eisenkern 25, dessen Mittelschenkel eine Wicklung 26 mit der Windungszahl w_e trägt, die von einem Erregerstrom i_e durchflossen wird, der sich aus einer Gleichstromkomponente i_g und einer Wechselstromkomponente i_w zusammensetzt. Die Gleichstromkomponente wird so bemessen, daß dadurch die beiden Außenschenkel des Eisenkernes bis etwa in das Knie der in Fig. 6 dargestellten Magnetisierungskennlinie erregt werden. Die entsprechende Erregung i_g · w_e ist mit AWg bezeichnet. Die Außenschenkel des Eisenkernes tragen nun Wicklungen 27 und 28 mit vorzugsweise gleich großen Windungszahlen W₁ und W₂, die von einem Gleichstrom I₁ = i₂ durchflossen werden. Bezeichnet man die zugehörigen Durchflutungen I₁ · W₁ und i₂ · W₂ mit AW₁ und AW₀, so wird der Arbeitspunkt des linken Schenkels von dem Wert AW_e um AW₁ nach links, der des rechten Schenkels um AW₂ nach rechts verschoben. Man erkennt aus Fig. 6, daß die von der Wicklung 26 ausgeübte Wechselstromerregung AWg = i_w · w_e in dem linken Schenkel eine wesentlich größere Flußänderung hervorruft als in dem rechten Schenkel. Die in den beiden Schenkeln entstehenden Wechselkomponenten des magnetischen Flusses sind mit Φ₁ und Φ₂ bezeichnet. Ihnen ent-

sprechen Wechselspannungen S₁ und S₂, deren Differenz an den Klemmen der beiden hintereinandergeschalteten Wicklungen 27 und 28 auftritt. Diese Differenzbildung ist in Fig. 7 dargestellt. Es entsteht also an den Klemmen eine Spannung S = S₁ — S₂, welche verschwindet, wenn S₁ = S₂ wird, und ihr Vorzeichen umkehrt, wenn S₂ größer als S₁ wird. Macht man also den Gleichstrom in den Außenschenkeln von der Regelgleichspannung abhängig, so ändert sich die Wechselspannung S im gleichen Sinne wie die Regelgleichspannung. Insbesondere verschwindet sie mit dieser und kehrt ihre Vorzeichen mit ihr um.

Der soeben beschriebene, in Fig. 5 dargestellte Modulator kann noch weiter verbessert werden.

Um zu der verbesserten Ausführung zu gelangen, stelle man sich folgendes vor: Zunächst wird die Wicklung auf jedem äußeren Schenkel in zwei Wicklungen, eine Eingangswicklung und eine Ausgangswicklung, aufgeteilt. In der Eingangswicklung fließt ein Gleichstrom i_w, an der Aus- gangswicklung kann die modulierte Wechselspannung abgegriffen werden. Ebenso möge die Wicklung auf dem Mittelschenkel in zwei Wicklungen aufgeteilt werden. Die eine Wicklung führt den erregenden Gleichstrom i_g, die andere Wicklung den erregenden Wechselstrom i_w. Man nimmt nun zwei gleiche solche Modulatoren und schaltet sie nach Fig. 8. Die erregenden Gleichstromwicklungen 32 und 32' schaltet man also gegeneinander, dagegen die Wechselstromwicklungen 33 und 33' gleichsinnig hintereinander. Entsprechend liegen auch die Eingangswicklungen 30 und 30' bzw. 31 und 31' gleichsinnig in Reihe, während die Ausgangswicklungen 34 und 34' bzw. 35 und 35' gegeneinandergeschaltet sind. Man denke sich nun weiter, daß die beiden Eisenkerne immer näher aneinandergerückt werden, bis sie nach Fig. 9 nebeneinanderstehen. Die gegensinnigen Wicklungen, z. B. 34 und 34', sind auf den beiden Kernen noch vorhanden. Dagegen kann man die gleichsinnigen Wicklungen, z. B. 30 und 30', weiter vereinfachen und sie als eine gemeinsame Wicklung 30" um den entsprechenden Schenkel legen. Man tut dabei weiter nichts, als daß man diejenigen Windungsteile, die sich sowieso in ihrer Wirkung gegenseitig aufheben, wegläßt.

Aus Fig. 8 erkennt man aus der Zuordnung der drei Flußpfeile Φ_α, Φ₆, Φ_ο an den Stellen a, b, c, d, daß alle vier Möglichkeiten, sie mit verschiedenen Richtungen zu kombinieren, erschöpft sind. Das bedeutet, daß Eingangs- und Ausgangswicklung weitgehend entkoppelt sind. Ein Stromstoß in der Eingangswicklung wird praktisch getreu als Wechselspannung nachgebildet. Bei Kopplung zwischen Eingang und Ausgang würde eine mehr oder weniger starke Dämpfung je nach dem Abschlußwiderstand entstehen. Weiter wird durch die Schaltung nach Fig. 8 die Kurvenform der Ausgangsspannung symmetrisch und praktisch sinusförmig. Die in Fig. 6 gezeigte Magnetisierungskennlinie ist in Wirklichkeit auch nicht teilweise geradlinig, sondern schwach gekrümmt. Die für Φ_χ und Φ₂ herausgezeichneten Kurven sind deshalb nicht sinusförmig und auch nicht symmetrisch. Indem man jedoch die vier Kombinationsmöglichkeiten ausnutzt (vgl. Fig. 10), beseitigt man die Unsymmetrie praktisch restlos.

Diese Wechselspannung S kann nun bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 den Klemmen 16 zugeführt werden. Unter Umständen ist es zweckmäßig, sie vorher noch durch einen Röhrenverstärker zu verstärken, was bei einer Wechselspannung ohne Schwierigkeiten möglich ist. Man erkennt aus den geschilderten Verhältnissen, daß tatsächlich der mittlere Ankerstrom des Stellmotors ι nach Größe und Richtung mit einer Änderung der Regelgleichspannung einhergeht, die nun ihrerseits ohne Schwierigkeiten durch Differenzbildung oder Überlagerung mehrerer Komponenten gewonnen werden kann. So kann man beispielsweise bei der Elektrodenregelung eines Lichtbogen-

ofens die Regelspannung durch Differenzbildung einer der Lichtbogenspannung und einer dem Lichtbogenstrom proportionalen Gleichspannung bilden. Dieser Regelspannung können dann noch weitere Befehlsgrößen in Form von Gleichspannungen überlagert werden, z. B. eine der Drehzahl und eine der Beschleunigung des Stellmotors proportionale Gleichspannung, gegebenenfalls auch noch eine dem Differentialquotienten der Regelspannung nach der ίο Zeit proportionale Gleichspannung.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zum Steuern und Regeln der Drehzahl und Drehrichtung eines Gleichstrom-Stellmotors, insbesondere für die Verstellung von Lichtbogenofenelektroden, der über zwei gesteuerte Entladungsstrecken an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, bei der die die beiden Entladungsstrecken abwechselnd

   ao durchfließenden Ströme durch Verstellen des Zündwinkels abhängig von der Abweichung einer Regelgröße von einem Sollwert gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß beide Entladungsstrecken gegensinnig parallel geschaltet sind und in jeder Periode derart gezündet werden, daß die Zündwinkel abhängig von der Größe der Regelabweichung derart gegensinnig verschoben werden, daß der mittlere, durch den Motor fließende Gleichstrom nach Größe und Richtung durch die Regelabweichung stetig gesteuert wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels zweier Stoßtransformatoren (9, 10) in Spannungsimpulse

   entsprechender Phasenlage verwandelten und einer Sperrspannung (4, 5, 7; 4, 6, 8) überlagerten Steuerwechselspannungen für die beiden Entladungsstrecken (2, 3) gebildet werden durch Überlagerung einer Wechselspannung konstanter Phase (U_E), deren Amplitude der Regelabweichung proportional ist, und einer um etwa 90⁰ phasenverschobenen Wechselspannung konstanter Amplitude (U_v), derart, daß an dem einen Stoßtransformator (9) die Summe, an dem anderen (10) die Differenz dieser Spannungen (U_v, U_E) wirksam ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Wechselspannung (Uy) von einem Transformator (13) mit mittelangezapfter Sekundärwicklung (15) geliefert wird, an welche die in Reihe geschalteten Primärwicklungen der beiden Stoßtransformatoren (9, 10) angeschlossen sind, und daß die von der Regelgröße abhängige Wechselspannung (U_E) zwischen der Mittelanzapfung und dem Verbindungspunkt der beiden Primärwicklungen der Stoßtransformatoren (9, 10) zugeführt wird.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße eine bei der Elektrodenregelung von Lichtbogenofen beispielsweise der Differenz zwischen dem Lichtbogenstrom und der Lichtbogenspannung proportionale und gegebenenfalls durch weitere Zustandsgrößen beeinflußte Gleichspannung dient, welche mittels eines an sich bekannten magnetischen Modulators in eine ihr proportionale Wechselspannung verwandelt wird.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Modulator in an sich bekannter Weise aus einem dreischenkligen Eisenkern besteht, dessen einer Außenschenkel von der Summe und dessen anderer Außenschenkel von der Differenz zwischen einer konstanten und einer der Regelgleichspannung proportionalen Gleichstromerregung vormagnetisiert wird, so daß bei zunehmender Regelgleichspannung der Arbeitsbereich des einen Schenkels nach höheren, der des anderen nach geringeren Sättigungswerten hin verschoben wird und eine an einer Wicklung des Mittelschenkels liegende Wechselspannung in dem ersten Außenschenkel eine kleinere, in dem anderen eine größere Wechselspannung induziert, deren Differenz somit eine sich nach Größe und Vorzeichen mit der Regelgleichspannung ändernde Wechselspannung ergibt.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Modulator aus zwei gleichartigen und gleichartig bewickelten Kernen besteht, die beide für die Erzeugung der verschiedenen Durchflutungen und den Ausgangskreis getrennte Wicklungen besitzen, und daß ihre Wechselstromerregerwicklungen sowie ihre gleichstromerregten Eingangswicklungen gleichsinnig, ihre Gleichstromerregerwicklungen auf den Mittelschenkeln und ihre Ausgangswicklungen dagegen paarweise gegeneinander geschaltet sind.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch ge- 1°° kennzeichnet, daß die Eisenkerne in zwei parallelen Ebenen nebeneinander angeordnet und je zwei ihrer gleichsinnig hintereinandergeschalteten Wicklungen durch eine einzige Wicklung ersetzt sind, die beide Kerne gemeinsam umschließt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 561 168, 576 372, 683, 642 068, 644 777, 662 346, 684 699, 293;

   französische Patentschrift Nr. 823 338;

   britische Patentschriften Nr. 441 219, 446 665, 454012,459579;

   Buch von F. V. A. Engel, »Mittelbare Regler "5 und Regelanlagen«, erschienen 1944 im VDI-Verlag, S. 101 bis 103, 174;

   Wissenschaftliche Veröffentlichungen aus dem Siemens Konzern, Jg. 1940, S. 227 bis 269.

   In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 950 216.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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