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Stellantrieb mit einem Mehrphaseninduktionsmotor Bei zahlreichen Steuer-
und Regelaufgaben sind Stellantriebe erforderlich, um einen mechanischen Eingriff
in die Steuerkette bzw. den Regelkreis vornehmen zu können. Beispiele hierfür sind
Nachlaufregelungen, Registerregelungen für Mehrfarben- Rotationsdruck, Fernsteueranlagen,
Verstellung von Drehtransformatoren usw.
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Es sind bereits Stellantriebe mit Zweiphaseninduktionsmotoren bekanntge"vorden,
die über phasenempfindlich arbeitende Schalttransistoren hinsichtlich Drehzahl und
Drehrichtung gesteuert werden. Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, nicht nur den Betrieb des Stellmotors, sondern auch
das Einlaufen in die neue Sollstellung zu überwachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an einem vom
Steuersignal und vom Netz gespeisten Ringmodulator eine Kippstufe zur Umformung
der Modulatorausgangsspannung in Rechteckimpulse und an diese zwei Steuersätze für
die beiden Drehrichtungen angeschlossen sind, die in Abhängigkeit vom Steuersignal
die Phasenwechselspannung des Motors bzw. einen Bremsgleichstrom liefern.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann jeder Steuersatz eine
Zwischenstufe in Form einer Kippstufe enthalten, die die Dauer des Bremsvorganges
bestimmt.
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Die Verwendung eines Ringmodulators in Verbindung mit einer nachgeschalteten
Kippstufe zur Impulsformung ermöglicht es, beim Einlaufen in die neue Sollstellung,
also beim Verschwinden des Steuersignals, selbsttätig Bremsstrom auf die gesteuerten
Phasen des Motors zu geben. Die Ableitung des Signals für die Steuersätze aus der
Kippstufe führt zu einer betriebssicheren, übersichtlichen und rauansparenden Steuereinrichtung.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften des Erfindungsgegenstandes sowie
seine Wirkungsweise sollen an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird von einem Zweiphaseninduktionsmotor
ausgegangen, welcher in drei Betriebsweisen arbeiten soll, nämlich auf Vorwärts-
und auf Rückwärtslauf und der schließlich noch abgebremst werden soll. An Stelle
eines Zweiphaseninduktionsmotors kann sinngemäß auch ein anderer Mehrphasenmotor,
z. B. ein Dreiphasenmotor, herangezogen werden, wobei sich zwar ein gewisser höherer
Aufwand an Schaltmitteln als notwendig erweist, andererseits aber der Wirkungsgrad
erheblich günstiger ausfällt. Man wird von Fall zu Fall, vor allem dann, wenn es
sich um größere Verstellmotoren handelt und dementsprechend die Verluste gering
zu halten sind, sich für einen Dreiphasenmotor entscheiden, während für kleinere
Anlagen ein Zweiphasenmotor wegen des geringeren schaltungsmäßigen Aufwandes zu
bevorzugen sein wird. Für das Verständnis der Erfindung ist es zweckmäßig, von einem
Zweiphaseninduktionsmotor auszugehen, da dann die Verhältnisse wesentlich einfacher
liegen, insbesondere dann, wenn die eine Motorwicklung unmittelbar vorn Netz mit
Wechselspannung gespeist wird, obgleich es auch möglich wäre, für die beiden um
einen Winkel von 90° gegeneinander versetzten Motorwicklungen getrennte Steuergeräte
heranzuziehen.
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Ein Zweiphaseninduktionsmotor mit Kurzschlußläufer, also ohne Bürsten,
hat in Zusammenarbeit mit einem ruhenden, insbesondere elektronischen Steuergerät
ohne mechanisch bewegte Schaltkontakte den Vorteil, daß keine beweglichen, sich
abnutzenden und einer Wartung bedürfenden Teile vorhanden sind, so daß eine große
Betriebssicherheit der Anlage gewährleistet ist.
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Der Motor 3T möge einen Widerstandskurzschlußläufer mit Eisenblechpaket
enthalten und zwei getrennte Ständerwicklungen aufweisen. Die Wicklung 1 liegt mit
ihren Zuleitungen 5 und 6 unmittelbar an der Wechselspannung, während die um 90°
versetzte Wicklung 2 in die beiden Teilwicklungen. 2 a und 2 b
aufgeteilt
ist. Diese Aufteilung der Wicklung 2 dient Zwecken, welche weiter unten erläutert
werden sollen.
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Die beiden äußeren Zuleitungen der Wicklung 2 liegen an den Ausgängen
der Endstufen 3 a und 3 b der beiden Steuersätze, denen jeweils noch die Zwischenstufen
4a und 4b angehören.
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Solange die Schalttransistoren in den Endstufen 3a und 3 b gesperrt
sind, sind die Teilwicklungen 2 a und 2 b stromlos, so daß die einphasige Erregung
der Wick-
Jung 1 kein Anzugsmoment des Motors zu erzeugen vermag.
In einer-später näher erläuterten Weise wird nun mit der gleichen Frequenz, die
der Strom in der Wicklung 1 besitzt, ein Steuertakt an die Endstufen 3 a und 3 b
gegeben. Dadurch werden die S chalttransistoren in diesen Endstufen abwechselnd
geöffnet und gesperrt. Die Wicklungen 2 a und 2 b werden dementsprechend von Wechselströmen
durchflossen, welche um 90° gegen die die Wicklung 1 durchfließenden Ströme phasenverschoben
sind.
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Die Wicklungsdurchflutung mit diesen Wechselflüssen entwickelt ein
Anzugsmoment in einer bestimmten Drehrichtung. Durch Umpolen der Steuergröße in
einer noch näher zu schildernden Weise wird der Steuertakt der Endstufe um einen
Winkel von 180° in der Phase gedreht, und es entsteht dann ein Drehmoment im umgekehrten
Richtungssinn. Geht der Steuerbefehl auf Null zurück, so bleibt in einer der beiden
Endstufen 3 a oder 3 b der Schalttransistor noch eine gewisse Zeit durchlässig.
Es fließt dann über eine der Teilwicklungen 2 a oder 2 b eine gewisse Zeit ein Gleichstrom,
der den Motor abbremst. Die Zeitdauer dieses Bremsimpulses läßt sich leicht so abstimmen,
daß der Motor innerhalb dieser Zeitspanne mit Sicherheit zum Stillstand gelangt.
Nach Beendigung dieser vorbestimmten Zeit wird dann auch der zuletzt in geöffneter
Stellung gehaltene Schalttransistor gesperrt. Dies erfolgt durch ein Koppel- bzw.
Entkoppelglied, welches weiter unten noch näher behandelt werden soll, in den Zwischenstufen
4a und 4 b.
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Den beiden Zwischenstufen 4 a und 4 b ist eine Kippstufe 7 und ein
Modulator 8 vorgeschaltet. Der Modulator 8 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
als Ringmodulator ausgebildet, bei dem eine dem Wechselspannungsnetz entnommene
Spannung mit ,einem Gleichspannungssignal moduliert wird. Die Modulationswechselspannung
wird an den Klemmen 9 und 10 zugeführt, während der Steuereingang für das Gleichstromsignal
an den Klemmen 11 und 12 liegt. Ist das Gleichspannungssignal positiv, so ist die
Ausgangsspannung praktisch in Phase mit der Modulationswechselspannung. Ist das
Signal negativ, so ist die Ausgangsspannung um einen Winkel von 180° gegen die Modulationswechselspannung
verschoben.
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Die Kippstufe 7, die mit zwei Transistoren 13 und 14 ausgerüstet ist,
hat die Aufgabe, die sinusförmige Wechselspannung in eine Rechteckspannung umzubilden.
Dadurch ist es möglich, sämtliche Transistoren, welche in den Zwischen- und Endstufen
nachfolgen, als Schalttransistoren zu betreiben. Die Spannungen an den Ausgangsleitungen
15 a und 15 b der Kippstufe sind stets einander entgegengesetzt. Bleibt das Steuersignal
aus, so verharrt die Kippstufe in ihrer letzten Stellung. Dann liegt an der einen
der beiden Ausgangsleitungen 15 a und 15 b die Betriebsspannung, vermindert
um den Spannungsabfall am Transistorwiderstand, während am anderen Ausgang keine
Spannung vorhanden ist. Infolgedessen führt jetzt die eine der beiden Endstufen
den Bremsgleichstrom.
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Die zwischen der Kippstufe 7 und den Endstufen 3 a und 3 b befindlichen
Zwischenstufen 4 ca und 4 b haben außer einer zusätzlichen Verstärkung die Aufgabe,
nach einer vorgegebenen Zeit den Bremsbefehl für die Endstufe zu beenden und die
Endstufe zu sperren. Hierfür sind die Koppelkondensatoren 16 ca und 16 b von Bedeutung,
wobei in Zusammenwirken mit einer nachfolgenden weiteren Kippstufe bewirkt wird,
daß der Sperrbefehl für die Endstufe in jedem Falle stoßartig erfolgt, da auch die
Endstufe im Schaltbetrieb arbeitet. Die Endstufe selbst besteht bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel aus mehreren in Verbund geschalteten Leistungstransistoren.
Je nach Höhe der erforderlichen Schaltleistung und Leistungsaufnahme des Motors
sowie der zur Verfügung stehenden Transistortypen wird man eine mehr oder weniger
große Anzahl von Schalttransistoren in den Endstufen verwenden. Bei Verwendung von
Transistoren höherer Belastbarkeit wird man in vielen Fällen mit einem einzigen
Transistor auskommen können.
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Der Modulator 8, der als Ringmodulator aufgebaut ist, enthält als
wesentliches Bauelement eine Gleichrichterschaltung mit vier Dioden 17, 18, 19 und
20. Wird an die Klemmen 11 und 12 kein Gleichstromsignal angelegt, fließt also dementsprechend
kein Steuergleichstrom, so ist nur die an den Klemmen 9 und 10 angelegte Wechselspannung
wirksam. Die Potentiale an den Ausgangsleitungen 21 und 22 sind dann stets gleich
groß und auch richtungsmäßig gleich. Dementsprechend ist die Differenz Null, und
die Kippstufe, welche nur auf die Differenz dieser Spannungen anspricht, wird nicht
beeinflußt, so daß auch an die nachfolgenden Stufen kein Signal weitergeleitet wird.
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Wird nun ein Steuergleichstrom in den Eingang gegeben, so tritt zwischen
den Leitungen 21 und 22 eine Differenzspannung auf, die im Takt der Wechselspannung
ihr Vorzeichen wechselt. Wird der Steuergleichstrom an den Klemmen 11 und 12 umgepolt,
so wird die Stromführung jeweils durch andere Dioden übernommen, so daß das Ausgangssignal
an den Leitungen 21 und 22 in seiner Phase um einen Winkel von 180° verdreht ist.
Die Kippstufe und die nachfolgende Stufe werden im Takt der Potentialdifferenzen
gesteuert, sofern der Ansprechwert der Kippstufe überschritten wird. Erhält die
Kippstufe kein Signal oder wird der Ansprechwert unterschritten, so behält sie ihre
letzte Lage bei.
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Im Eingangskreis für die an die Klemmen 9 und 10 angelegte Wechselspannung
liegt ein Widerstand 23 und ein Kondensator 24 zum Zwecke einer gewissen Phasenkorrektur.
Da nämlich die Kippstufe nicht bei Stromnulldurchgang, sondern erst später umschlägt,
würde eine kleine Phasenverschiebung auftreten, wenn man dieses RC-Glied wegließe.
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Die Kippstufe 7 mit den Transistoren 13 und 14 ist so aufgebaut, daß
sie nur auf Spannungsdifferenzen an ihren Eingangsleitungen 21 und 22 anspricht.
Wichtig ist hierbei, daß für die beiden Transistoren 13 und 14 ein gemeinsamer Emitterwiderstand
15 vorgesehen wird. Dieser Widerstand sorgt für diese Arbeitsweise. Werden nämlich
die beiden Basisanschlüsse der Transistoren 13 und 14 in gleicher Weise ins negative
Gebiet angehoben, so werden beide Transistoren nur wenig durchlässig. Das Emitterpotential
folgt dem Basispotential, da der gemeinsame Emitterwiderstand 25 mehr Strom erhält.
Die steuernde Spannung zwischen Basis und Emitter ändert sich aber praktisch nicht.
Der Widerstand 25 wird so bemessen, daß die Emitter nahezu auf Erdpotential liegen.
Die Wirkungsweise der Kippstufe bedingt, daß jeweils nur einer der Transistoren
13 oder 14 durchlässig ist. Der Widerstand 25 führt dann den Strom eines der beiden
Transistoren. Der Rückkoppelstrom fließt über die Widerstände 26 und 27.