DE1076792B

DE1076792B - Arrangement for speed control of a direct current motor

Info

Publication number: DE1076792B
Application number: DEP7560A
Authority: DE
Inventors: Herbert Schlee
Original assignee: Pintsch Bamag AG
Current assignee: Pintsch Bamag AG
Priority date: 1952-04-28
Filing date: 1952-04-28
Publication date: 1960-03-03

Description

Anordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors Für viele technische Zwecke sind Antriebsmaschinen mit möglichst großer Drehzahlkonstanz erforderlich. Die Solldrehzahl dieser Maschinen muß hierbei unter allen Verhältnissen, z. B. bei veränderlicher Belastung, bei kalter oder warmer Maschine oder, wie es z. B. bei Gleichstrommotoren vorkommt, auch bei verschiedener Höhe der zugeführten Spannung eingehalten werden. Da die Maschinen von sich aus diese Forderungen nicht erfüllen, sind selbsttätige Regler notwendig, deren Aufgabe es ist, die Regelgröße, in diesem Falle also die Drehzahl, wieder auf den Sollwert zu bringen.Arrangement for speed control of a DC motor For many technical For this purpose, drive machines with the greatest possible speed constancy are required. The target speed of these machines must be under all conditions, such. B. at variable load, with cold or warm machine or, as it is z. B. at DC motors occurs, even at different levels of the supplied voltage be respected. Since the machines do not meet these requirements on their own, automatic controllers are necessary, the task of which is to set the controlled variable in this So fall the speed to bring it back to the setpoint.

Es sind in der Technik eine Reihe von Reglern bekannt, die diese Aufgabe in verschiedener Weise lösen. Unter ihnen sind die Fliehkraftregler am bekanntesten. Sie vereinigen in sich Meßglied und Stellglied. Der Fliehkraftregler verändert bei einer durch äußere Einflüsse hervorgerufenen Drehzahlabweichung beispielsweise die Füllung einer Kraftmaschine oder den Erregerstrom eines Motors so lange, bis die Regelgröße den Sollwert wieder erreicht hat. Wenn es sich um die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren handelt, hat der Fliehkraftregler aber den Nachteil, daß die notwendigen Änderungen des magnetischen Feldes im Motor normalerweise durch Zu- und Abschalten eines Widerstandes im Erregerstromkreis erzeugt werden müssen. Über einen längeren Zeitraum gesehen, läßt sich dabei ein Verschleiß der Kontaktstücke nicht verhindern.There are a number of controllers known in the art that accomplish this task solve in different ways. The most famous of these are the governors. They combine measuring element and actuator. The governor changed at a speed deviation caused by external influences, for example the Filling a prime mover or the excitation current of a motor until the Controlled variable has reached the setpoint again. When it comes to speed control is of DC motors, the centrifugal governor has the disadvantage that normally makes the necessary changes in the magnetic field in the motor Connection and disconnection of a resistor in the excitation circuit must be generated. Seen over a longer period of time, wear of the contact pieces can be observed not prevent.

Der Fliehkraftregler gewährleistet deshalb nur eine ungenügende Konstanz der Motordrehzahl. Für die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren benutzt man deshalb auch indirekt wirkende Regeleinrichtungen, bei denen Meßglied und Stellglied voneinander getrennt sind. Als Meßglied für die Drehzahl kann beispielsweise ein Wechselstrom-Tachometer,enerator finit konstanter Erregung verwendet werden, dessen Spannung der Drehzahl proportional ist. Zur Steuerung des Stellgliedes wird in diesem Fall die Spannung oder der Strom des Tachometergenerators benutzt, .die bei einer Abweichung der Drehzahl von der Sollgröße eine Veränderung des Stellgliedes vornehmen. Man kann für diese Zwecke etwa einen Kohledruckregler verwenden, bei dem die Kohlesäule in den Erregerstromkreis des Gleichstrommotors geschaltet ist und durch Spannung oder Strom des Tachometergenerators gesteuert wird. Auf diese Weise wird eine kontinuierliche Veränderung des Motorerregerstromes erreicht und werden Kontaktstörungen mit den damit verbundenen Folgen vermieden.The centrifugal governor therefore only guarantees insufficient constancy the engine speed. Therefore, one uses for the speed control of DC motors also indirectly acting control devices, in which the measuring element and actuator are separated from each other are separated. An alternating current tachometer, enerator, for example, can be used as a measuring element for the speed finite constant excitation can be used, the voltage of which is proportional to the speed is. In this case, the voltage or the current is used to control the actuator of the tachometer generator Make a change in the actuator setpoint. One can use it for this purpose Use a carbon pressure regulator, for example, in which the carbon column is in the excitation circuit of the DC motor is switched and by voltage or current of the tachometer generator is controlled. In this way there is a continuous change in the motor excitation current and contact disturbances and the associated consequences are avoided.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors und bezweckt, die Regelgenauigkeit dieser Anordnung zu erhöhen. Sie geht dabei von folgender Erkenntnis aus: Die Regelgenauigkeit eines durch eine Drehzahlgeberinaschine (Tachometergenerators) gesteuerten Reglers hängt im wesentlichen von zwei Faktoren ab, einmal von der Genauigkeit des Reglers selbst und zum anderen von dem Verhältnis Drehzahlabweichung zu Stromänderung des von der Drehzahlgebermaschine abgegebenen Stromes. Da der Genauigkeit eines Reglers durch Materialeigenschaften und Ausführbarkeit in mechanischer Hinsicht Grenzen gesetzt sind, muß man bestrebt sein, das Verhältnis Drehzahländerung zu Stromänderung günstiger zu gestalten, d. h., es muß schon bei kleiner Drehzahlabweichung eine möglichst sehr große Stromänderung entstehen. Die Erfindung er,Möglicht dies in vorteilhafter Weise.The invention relates to an arrangement for speed control a DC motor and aims to increase the control accuracy of this arrangement. It is based on the following knowledge: The control accuracy of one by one Tachometer machine (tachometer generator) controlled controller depends essentially on two factors, on the one hand on the accuracy of the controller itself and on the other of the ratio of speed deviation to current change of the speed encoder machine delivered current. Because the accuracy of a controller is due to material properties and feasibility are mechanically limited, one must strive be to make the ratio of speed change to change in current more favorable, d. In other words, a very large change in current must be as great as possible even with a small speed deviation develop. The invention he, makes this possible in an advantageous manner.

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors unter Verwendung eines von ihm angetriebenen Wechselstrom-Tachometergenerators, der das Stellglied des Drehzahlreglers beeinflußt. Diese Anordnung ist nach dem Grundgedanken der Erfindung so beschaffen, daß die Spannung des Wechselstrom-Tachometergenerators durch einen von diesem beeinflußten Spannungsregler bei steigender Frequenz der Tachometerspannung auf einen höheren und bei fallender Frequenz. auf einen niedrigeren Wert- geregelt wird. An Hand der Zeichnung wird dies nachstehend näher erläutert.The invention relates to an arrangement for regulating the speed of a DC motor using an AC tachometer generator driven by it, which influences the actuator of the speed controller. This arrangement is after The basic idea of the invention is such that the voltage of the alternating current tachometer generator by a voltage regulator influenced by this with increasing frequency of the Tachometer voltage to a higher and with falling frequency. to a lower one Value is regulated. This is explained in more detail below with reference to the drawing.

In Abb. 1 ist eine Anordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors dargestellt. Der vom Gleichstromnetz N gespeiste Anker 1 des Motors, dessen Hauptfeld vom Strom in der Nebenschlußwicklung2 erregt wird, ist mit einem Wechselstrom-Tachometergenerator 3 mechanisch gekuppelt, so daß die Frequenz der Tachometerspannung der Drehzahl des Motors entspricht. Die Nebenschlußwicklung 2 liegt über einen im Drehzahlregler 7 befindlichen veränderbaren Widerstand an der Netzspannung. Die Erregerwicklung 4 des Tachometergenerators 3 wird ebenfalls über einen im Spannungsregler 5 befindlichen- veränderbaren Widerstand von der Netzspannung gespeist. Die Steuerung der Widerstände im Spannungsregler und Drehzahlregler erfolgt in Abhängigkeit von der vom Tachometergenerator abgegebenen Wechselspannung. Hierbei werden die über einen Gleichrichter zu speisende Erregerspule des Spannungsreglers 5 über eine Drosselspule 6 und die ebenfalls über einen Gleichrichter zu speisende Erregerspule des Drehzahlreglers 7 über die Reihenschaltung einer Drosselspule 8 und eines Kondensators 9 an die Wechselspannung des Tachometergenerators 3 gelegt.In Fig. 1 is an arrangement for speed control of a DC motor shown. The armature 1 of the motor fed by the direct current network N, its main field is excited by the current in the shunt winding 2 is with an alternating current tachometer generator 3 mechanically coupled so that the frequency of the tachometer voltage of the speed of the engine. The shunt winding 2 is located in the speed controller 7 located variable resistor on the mains voltage. The excitation winding 4th of the tachometer generator 3 is also via a voltage regulator 5 located - changeable resistor fed by the mains voltage. The control the resistances in the voltage regulator and speed regulator are dependent on the alternating voltage output by the speedometer generator. Here the over a rectifier to be fed to the excitation coil of the voltage regulator 5 via a choke coil 6 and the excitation coil of the speed controller, which is also to be fed via a rectifier 7 via the series connection of a choke coil 8 and a capacitor 9 to the AC voltage of the tachometer generator 3 applied.

Um die Wirkungsweise zu verstehen, wird vorausgeschickt, daß beide Regler 5 und 7 auf konstanten Strom arbeiten, d. h., die Regler sind asiatisch ausbalanciert. Wird also der Strom in einer Reglererregerspule über den Sollwert gesteigert, so wird das Stellglied, in diesem Fall der zugehörige Widerstand, anfangen, seinen Stellbereich zu durchlaufen.In order to understand how they work, it is first stated that both Regulator 5 and 7 operate on constant current, d. This means that the controls are balanced in Asia. So if the current in a regulator excitation coil is increased above the setpoint, so the actuator, in this case the associated resistor, will begin to work Traversing range.

Solange die Motordrehzahl konstant ist, sind auch Spannung und Frequenz des Tachometergenerators konstant. Spannungs- und Drehzahlregler sprechen daher nicht an. Ändert sich die Motordrehzahl, so regelt der Spannungsregler-5 die Spannung des Tachometergenerators bei steigender Motordrehzahl und damit Frequenz der Tachometerspannung auf einen höheren und bei fallender Drehzahl (Frequenz) auf einen niedrigeren Wert. Die der Erregerspule des Spannungsreglers 5 vorgeschaltete Drossel 6 hat dabei die Aufgabe, die Regelwirkung des Spannungsreglers zu steigern. Dies ist möglich, wenn man im Sättigungsbereich der Drosselkennlinie arbeitet.As long as the motor speed is constant, so are the voltage and frequency of the speedometer generator constant. Voltage and speed regulators therefore speak not on. If the engine speed changes, the voltage regulator-5 regulates the voltage of the tachometer generator with increasing engine speed and thus the frequency of the tachometer voltage to a higher value and, as the speed (frequency) falls, to a lower value. The throttle 6 connected upstream of the excitation coil of the voltage regulator 5 has the Task to increase the regulating effect of the voltage regulator. This is possible, though one works in the saturation range of the throttle characteristic.

Wie aus den Drosselkennlinien in Abb.2 hervorgeht, fließt in der Drosselspule 6 und entsprechend auch in der Erregerspule des Spannungsreglers 5 bei der Nennfrequenz fN der Nennstrom IN, wenn die Sollspannung UN an der Drosselspule 6 vorhanden ist. (Der Spannungsabfall an der Erregerspule des Spannungsreglers ist gegenüber der Spannung an der Drosselspule 6 zu vernachlässigen, so daß die letztere Spannung der Tachometerspannung entspricht.) Steigt die Spannung an der Drosselspule vom Wert UN auf den Wert Ui an, so steigt der Strom, wie aus der Abb. 2 hervorgeht, prozentual wesentlich stärker auf den Wert Il an, als die prozentuale Spannungserhöhung ausmacht. Beim Absinken der Drosselspannung ergibt sich eine relativ größere Stromänderung im umgekehrten Sinne. Man erreicht also durch Vorschalten der Drossel 6 eine verstärkte Beeinflussung des Spannungsreglers und dadurch eine wesentliche Steigerung seiner Regelwirkung, wobei jedoch zunächst konstante Frequenz fN vorausgesetzt ist. Es ist jedoch noch notwendig zu erörtern, welchen Einfluß eine höhere oder niedrigere Frequenz, entsprechend einer höheren oder niedrigeren Drehzahl, auf die Regelwirkung des Spannungsreglers hat. Steigt die Frequenz der Tachometerspannung an, z. B. auf den Wert fa, so steigt bei konstantem Strom der Spannungsabfall in der Drossel 6. Die Erregerspule des Spannungsreglers 5 erfordert jedoch, da sie auf konstanten Strom arbeitet, denselben Erregerstrom und dieselbe Spannung wie bisher. Es muß deshalb die vom Tachometergenerator abgegebene Gesamtwechselspannung um einen gewissen Betrag ansteigen. Sinkt die Frequenz, so fällt auch die Drosselspannung und entsprechend die Gesamtwechselspannung des Tachometergenerators ab. As can be seen from the choke characteristics in Fig. 2, the nominal current IN flows in the choke coil 6 and accordingly also in the excitation coil of the voltage regulator 5 at the nominal frequency fN when the nominal voltage UN is present at the choke coil 6. (The voltage drop at the excitation coil of the voltage regulator is negligible compared to the voltage at the choke coil 6, so that the latter voltage corresponds to the tachometer voltage.) If the voltage at the choke coil increases from the value UN to the value Ui, the current increases as it can be seen from Fig. 2, in percentage terms much more strongly on the value II than the percentage increase in voltage makes. When the inductor voltage drops, there is a relatively greater change in current in the opposite sense. Thus, by connecting the choke 6 upstream, the voltage regulator is more strongly influenced and, as a result, its regulating effect is significantly increased, although a constant frequency fN is initially assumed. However, it is still necessary to discuss what influence a higher or lower frequency, corresponding to a higher or lower speed, has on the regulating effect of the voltage regulator. If the frequency of the speedometer voltage increases, e.g. B. to the value fa, the voltage drop in the choke 6 increases with a constant current. The total alternating voltage output by the tachometer generator must therefore increase by a certain amount. If the frequency drops, the choke voltage and, accordingly, the total alternating voltage of the tachometer generator also drop.

Bei den obigen Betrachtungen wurde zunächst eine kcnstante Frequenz vorausgesetzt. Diese ergibt sich bei konstanter Drehzahl des Gleichstrommotors. Um eine konstante Drehzahl auch bei Belastungsschwankungen u. dgl. zu erzielen, ist der Drehzahlregler 7 vorgesehen. Die Erregerspule des Drehzahlreglers ist über die Reihenschaltung eines Kondensators 9 und einer Drosselspule 8 ebenfalls an die Wechselspannung des Tachometergenerators angeschlossen. Der aus Drosselspule und Kondensator bestehende Reihenresonanzkreis ist so ausgelegt, daß seine Resonanzfrequenz kurz oberhalb der Nennfrequenz fN liegt. Der Strom in der Erregerspule des Drehzahlreglers 7 hat in Abhängigkeit von der Frequenz den in Abb, 3 gezeigten Verlauf. Hierbei stellt die mittlere Kurve UN den Stromverlauf bei der Nennspannung UN dar. Bei der Nennfrequenz fN fließt in der Errgerspule des Drehzahlreglers 7 der Nennstrom IN'. Weicht durch irgendwelche Einflüsse die Motordrehzahl von ihrem Sollwert und daher die Frequenz der Tachometerspannung vom Wert fN ab, so treten schon bei kleiner Frequenzänderung sehr große Änderungen des Erregerspulenstromes auf. Der Drehzahlregler spricht also schon bei kleinsten Drehzahländerungen an und regelt diese aus.In the above considerations, a constant frequency was initially assumed. This results from a constant speed of the DC motor. In order to achieve a constant speed even with load fluctuations and the like, the speed controller 7 is provided. The excitation coil of the speed controller is also connected to the alternating voltage of the tachometer generator via the series connection of a capacitor 9 and a choke coil 8. The series resonance circuit, which consists of a choke coil and capacitor, is designed so that its resonance frequency is just above the nominal frequency fN. The current in the excitation coil of the speed controller 7 has the course shown in Fig. 3 as a function of the frequency. The middle curve UN represents the current profile at the nominal voltage UN . At the nominal frequency fN, the nominal current IN 'flows in the excitation coil of the speed controller 7. If the motor speed deviates from its setpoint value and therefore the frequency of the tachometer voltage deviates from the value fN due to some influences, very large changes in the excitation coil current occur even with a small change in frequency. The speed controller responds to even the smallest changes in speed and regulates them.

Um die Betrachtungen abzuschließen, muß auch der Fall diskutiert werden, der bei der mit der Frequenzänderung verbundenen Änderung der Tachometerspannung auftritt. Steigt z. B. die Tachometerspannung auf den Wert U" an, so wird der Nennstrom IN , wie die Abb. 3 zeigt, bei einer tieferen Frequenz auftreten, d. h., die Drehzahl wird auf einen etwas niedrigeren Wert geregelt. Sinkt die Tachometerspannung auf den Wert Ub, so wird die Drehzahl auf einen höheren Wert geregelt. In derAbb. 4 ist unter anderem diese Kennlinie für den Drehzahlregler prinzipiell dargestellt. Sie ist hier mit Dr bezeichnet. Wie die Abb. 4 zeigt, kreuzen sich die Kennlinien Dr und Sp für den Drehzahl- bzw. für den Spannungsregler. Bei der Nennspannung UN ist hierbei die Sollfrequenz fN vorhanden. Da naturgemäß jeder Regler eine gewisse Toleranz hat, die durch Parallelen zu den LinienSp und Dr dargestellt sind, ergeben sich in der "Praxis sowohl Frequenz- als auch Spannungsabweichungen. Die dadurch auftretenden Spannungs- und Frequenzungenauigkeiten sind mit Ui, U2, f1 und f2 bezeichnet. Wie die Abb. 4 zeigt, werden die Abweichungen f1 und f2 dabei um so kleiner, je mehr sich die beiden Geraden Dr und Sp unter einem Winkel von 90° kreuzen.In order to conclude the considerations, the case must also be discussed which occurs with the change in the tachometer voltage associated with the change in frequency. Increases z. If, for example, the tachometer voltage is set to the value U ", the nominal current IN, as Fig. 3 shows, will occur at a lower frequency, ie the speed is regulated to a slightly lower value. If the tachometer voltage drops to the value Ub, This way the speed is controlled to a higher value. In Fig. 4, among other things, this characteristic curve for the speed controller is shown in principle. It is designated here by Dr. As Fig. 4 shows, the characteristic curves Dr and Sp cross for the speed controller. For the nominal voltage UN , the nominal frequency fN is available. Since every regulator naturally has a certain tolerance, which is represented by parallels to the lines Sp and Dr, there are both frequency and voltage deviations in practice. The resulting voltage and frequency inaccuracies are labeled Ui, U2, f1 and f2. As Fig. 4 shows, the deviations f1 and f2 become smaller the more the two straight lines Dr and Sp intersect at an angle of 90 °.

Bei der Erfindung ist also die Kombination eines Spannungsreglers mit einem Drehzahlregler so gewählt, daß sowohl die Frequenzabweichung als auch die Spannungsabweichung möglichst klein werden. Wollte man z. B., wie üblich, die Spannung bei gleicher Toleranz des Drehzahlreglers unabhängig von der Frequenz konstant halten, so würde die Gerade Sp waagerecht verlaufen. An den gestrichelten Linien ist zu erkennen, daß in diesem Fall die Frequenzabweichungen f3 und f4 wesentlich größer werden. Es ist somit klar, daß eine größere Frequenz- und daher Drehzahlgenauigkeit nur erreicht werden kann, wenn im Sinne der Erfindung bei gleicher Regeltoleranz die Spannung frequenzabhängig und die Drehzahl spannungsabhängig beeinflußt wird.In the invention, therefore, is the combination of a voltage regulator selected with a speed controller so that both the frequency deviation and the voltage deviation will be as small as possible. If you wanted to z. B., as usual, the Voltage with the same tolerance of the speed controller is constant regardless of the frequency hold, the straight line Sp would run horizontally. On the dashed lines it can be seen that in this case the frequency deviations f3 and f4 are essential grow. It is thus clear that greater frequency and therefore speed accuracy can only be achieved if, within the meaning of the invention, with the same control tolerance the voltage is influenced as a function of the frequency and the speed as a function of the voltage.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Arrangement for speed control of a direct current motor using an alternating current tachometer generator driven by it, which influences the actuator of the speed controller, characterized in that the voltage of the alternating current tachometer generator by a voltage regulator influenced by it to a higher frequency of the tachometer voltage increases and is regulated to a lower value when the frequency falls.

2. Arrangement according to claim 1, characterized denotes Ge, that the actuator of the voltage regulator from the AC tachometer generator is fed via a working area in the saturation reactor.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that that the actuator of the speed controller from the AC tachometer generator is fed via a resonance circuit, the resonance frequency of which is just above the Nominal frequency.