DE1159078B - Anordnung zur Regelung der Ankerspannung eines konstant erregten Gleichstrom-Nebenschlusskleinmotors mit Hilfe von Transistoren - Google Patents

Description

• Anordnung zur Regelung der Ankerspannung eines konstant erregten Gleichstrom-Nebenschlußkleinmotors mit Hilfe von Transistoren Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Regelung der Ankerspannung eines konstant erregten Gleichstrom-Nebenschlußkleinmotors mit Hilfe von Transistoren und einem Netzanschlußtransformator mit mehreren Sekundärwicklungen zur Stromversorgung des Motors und des elektronischen Steuer- und Regelteils. Dieser Steuer- und Regelteil besteht hierbei aus Steuergliedern zur Einstellung einer Ankersollspannung entsprechend der jeweils gewünschten Motordrehzahl und aus Regelgliedern zum selbsttätigen Korrigieren der belastungsabhängigen Ankeristspannung auf den Spannungssollwert. Die Regelung erfolgt hierbei mit Rechteckimpulsen von konstanter Frequenz durch Andern der Impulsbreite.
• Es sind Regelanordnungen bekannt. bei denen Gleichstrom-Nebenschlußkleinmotoren mit rechteckförmigen Spannungsimpulsen gesteuert werden. Eine bekannte Regelanordnung steuert durch Verändern der Impulsfrequenz bei konstanter Impulsbreite (Impulsfrequenzsteuerung). Sie verwendet einen monostabilen Multivibrator zum Erzeugen von Impulsen konstanter Breite, ferner einen Schalttransistor zum Vergleichen der an einem Potentiometer eingestellten Ankersollspannung mit der Ankeristspannung. Sinkt die Ankeristspannung, so wird der Transistor leitend, seine Kollektorspannung sinkt und bewirkt damit, daß über zwei weitere Transistoren die die Impulse erzeugende Multivibratorschaltung in Tätigkeit tritt. Die Impulse werden dann über weitere Transistoren verstärkt und dem Motoranker zugeführt, der von diesen Impulsen erregt wird. Hat die Ankeristspannung die Ankersollspannung ereicht, so schaltet die Anordnung so lange ab, bis die Ankeristspannung wieder sinkt. Diese Regelanordnung arbeitet im allgemeinen mit einer Impulsfrequenz zwischen 200 und 700 Impulsen pro Sekunde. Ungünstig ist bei dieser Regelanordnung ihr aufwendiger und teurer Aufbau infolge der benötigten großen Anzahl von Transistoren.
• Bei einer weiteren bekannten Regelanordnung wird mit Impulsbreitenveränderung bei konstanter Impulsfrequenz gesteuert (Impulsbreitensteuerung). Diese Regelanordnung ist jedoch mindestens ebenso aufwendig wie die vorgenannte Regelanordnung mit veränderbarer Impulsfrequenz. Zur Steuerung eines Rechteckimpulserzeugers werden Dreieckimpulse verwendet, die durch eine Multivibratorschaltung gebildet werden. Zum Vergleich einer an einem Potentiometer eingestellten Ankersollspannung mit einer drehzahlproportionalen Gleichspannung und ein Tachogenerator, ein Vergleichstransistor und eine eigene Gleichstromquelle vorgesehen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine über einen großen Drehzahlbereich sich erstreckende. möglichst einfache und billige Anordnung zur Regelung der Ankerspannung eines konstant erregten Gleichstrom-Nebenschlußkleinmotors mit Hilfe von Transistoren zu schaffen.
• Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung eines Transistors, der die rechteckförmigen Spannungsimpulse von konstanter Frequenz und variierender Impulsbreite erzeugt, wobei die Impulsbreite von der an einem Potentiometer als Steuerglied eingestellten Ankersollspannung und der lastabhängigen mittleren Ankeristspannung abhängt, an dessen Basis-Emitter-Strecke eine gleichgerichtete sinushalbwellenförmige Spannung gelegt ist, die durch Veränderung ihres Grundpotentials in Abhängigkeit von der Regelabweichung die jeweilige Impulsbreite bestimmt. Zur Veränderung des Grundpotentials der Steuerspannung des Transistors sind Mittel vorgesehen, die das an sich gegenüber Null negative Grundpotential der Steuerspannung in den positiven Bereich heben und den Regelbereich der Ankerspannung derart erweitern, daß die Motordrehzahl bis auf den Wert Null einstellbar ist. Um eine besonders einfache, leistungsstarke Regelanordnung zu erhalten, sind in Ausgestaltung der Erfindung noch folgende. zum Teil bekannte Maßnahmen angewendet: a) Als selbsttätige Regelanordnung ist ein als veränderbarer Widerstand arbeitender weiterer Transistor vorgesehen, dessen Innenwiderstand von der an einem Potentiometer eingestellten, an der Basis dieses Transistors gelegten Ankersollspannung und von der durch einen Kondensator geglätteten mittleren Ankerspannung des Motors, die an den Emitter dieses Transistors gelegt ist, abhängt; b) das vom Innenwiderstand abhängige Kollektorpotential dieses Transistors beeinflußt das Potential an einem Spannungsteilerabgriffpunkt, der zwischen dem Kollektor dieses Transistors und einem daran angeschlossenen Widerstand angeordnet ist; c) von dem Spannungsteilerabgriffpunkt ist eine Leitung über eine Zenerdiode, einen Zweiweggleichrichter und eine Sekundärwicklung des Transformators an die Basis des die Rechteckimpulse erzeugenden Transistors gelegt, so daß das Potential der gleichgerichteten sinushalbbogenförmigen Steuerspannung, das die Breite der Rechteckimpulse bestimmt, vom Potential am Spannungsteilerabgriffpunkt beeinflußt wird; d) die rechteckförmigen Spannungsimpulse werden in bekannter Weise mit Hilfe weiterer Transistoren verstärkt und bilden als Folge von Im- pulsen mit einer der Motorbelastung ständig angepaßten Breite die Ankerspannung.
• Da bei Motorbelastung die Ankerspannung nur so viel sinkt, wie zum Einleiten des Regelvorganges notwendig ist, der dann ein weiteres Absinken unterbindet, kann der eingestellte Ankerspannungsmittelwert auch bei wechselnder Belastung konstant gehalten werden.
• In einfacher Weise kann die Leistungsstärke der Regelanordnung noch erhöht werden, indem, wie an sich bekannt, eine Drosselspule vor den Motor geschaltet wird, so daß die von den Impulsen in der Drosselspule induzierten Spannungen sich zur jeweiligen Betriebsspannung addieren. Als überspannungsschutz für den letzten Transistor der Impulsverstärkerstufe ist in bekannter Weise eine Löschdiode parallel zur Drosselspule und zum Anker so angeordnet, daß der nach dem Sperren des letzten Transistors der Impulsverstärkerstufe am Ende jedes Impulses fließende Induktionsstrom über den Motoranker fließt und so zur Drehmomentbildung beiträgt.
• Das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Regelanordnung ist in der Zeichnung dargestellt. Es wird an Hand dieser Zeichnung im folgenden näher beschrieben.
• Ein Netzanschlußtransformator 1 ist mit seiner Primärwicklung 10 über eine Sicherung 11 und einen zweipoligen Schalter 12 an eine Wechselstromquelle anzuschließen. Auf der Sekundärseite des Transformators 1 befinden sich vier Wicklungen. Eine Wicklung mit den Anschlüssen 21 und 22 erzeugt mit der Gleichrichterbrücke 3 eine zweiweggleichgerichtete, sinushalbbogenförmige Gleichspannung, die über eine Zenerdiode 4 zwischen den Spannungsteilerabgriffpunkt A und den Basisanschluß eines Transistors 30 gelegt ist. Von einer weiteren Sekundärwicklung mit den Anschlüssen 23 und 24 und dem Mittelanschluß 25 wird über ein Diodenpaar 5 und 6 die Erregerwicklung 200 und über eine Drosselspule 201, einen Drehrichtungsschalter 202 und einen Transistor 50 die Ankerwicklung 204 eines Gleichstrom-Nebenschlußkleinmotors gespeist. Als überspannungsschutz für den Transistor 50 ist parallel zur Drosselspule 201 und zum Anker 204 des Motors eine Löschdiode 205 angeordnet.
• An einem Potentiometer 206 ist eine Ankersollspannung stufenlos einstellbar. Die Potentiometerspeisespannung wird einer Sekundärwicklung mit den Anschlüssen 28 und 29 über eine Gleichrichterbrücke 71 an einem Glättungskondensator 711 entnommen.
• Zum Reduzieren der Motordrehzahl wird am Potentiometer 206 die Ankersollspannung vermindert. Zum Erhöhen der Motordrehzahl wird die Ankersollspannung dagegen erhöht.
• Eine weitere Sekundärwicklung mit den Anschlüssen 26 und 27 liefert über eine Gleichrichterbrücke 70 an einem Glättungskondensator 701 eine negative Vorspannung.
• Bei der folgenden Betrachtung des Regelvorganges wird zugrunde gelegt, daß die Leitung O das Potential Null hat. Bekanntlich ist die mittlere Drehzahl des Motors von dessen mittlerer Ankerspannung abhängig. Die mittlere Ankerspannung wird durch die am Potentiometer 206 eingestellte Ankersollspannung vorgegeben. Die Ankersollspannung ist zwischen die Leitung O und die Basis des Transistors 203 gelegt. Sie ist bei der gezeigten Regelanordnung gegenüber Leitung 0 positiv, jedoch um den Wert der Steuerspannung des Transistors 203 (beispielsweise etwa 0,1 Volt) kleiner als die positive, durch einen Kondensator geglättete mittlere Ankerspannung des Motors. Diese ist zwischen den Emitter des Transistors 203 und die Leitung O gelegt und von etwa 6 bis 60 Volt veränderbar.
• Der Innenwiderstand des Transistors 203 hängt von der zwischen seiner Basis und dem Leiter O liegenden Ankersollspannung und von der mittleren Ankeristspannung ab, die zwischen seinem Emitter und dem Leiter 0 liegt und vom Drehmoment des Motors beeinflußt wird. Bei großer Drehzahl und großem Drehmoment ist der Innenwiderstand groß, bei kleiner Drehzahl und kleinem Drehmoment klein. Bei kleiner Drehzahl und großem Drehmoment und bei großer Drehzahl und kleinem Drehmoment sowie bei allen möglichen Zwischenstufen ergibt sich ein zwischen diesen Extremwerten liegender Innenwiderstand.
• Ist der Innenwiderstand des Transistors 203 groß, so ist auch der Spannungsabfall zwischen Emitter und Kollektor groß und das Potential am Kollektor stark negativ. Da das Potential des Widerstandes 207 ebenfalls negativ ist. so ist auch das Potential am Spannungsteilerabgriffpunkt A stark negativ. Ist hingegen der Innenwiderstand des Transistors 203 klein, so ist auch das negative Potential am Kollektor klein, und damit wird auch das Potential am Spannungsteilerabgriffpunkt A kleiner, d. h., das Potential am Punkt A verschiebt sich nach Null hin.
• Diese Potentialänderung am Punkt A wirkt sich auf den Steuervorgang des Transistors 30 aus, da zwischen dem Punkt A und der Basis des Transistors 30 die um den Wert der Zenerspannung nach Plus verschobene gleichgerichtete sinushalbbogenförmige Steuerspannung liegt. Um ein einwandfreies Schalten und Steuern des Transistors 30 zu erhalten, müssen bei der Wahl der Zenerdiode folgende Bedingungen beachtet werden: Das Grundpotential der Steuerspannung muß kleiner als die Zenerspannung sein, und die Summe aus Steuerspannung und Abgriffsspannung zwischen Punkt A und Leitung O muß größer als die Zenerspannung sein.
• Sind diese Bedingungen erfüllt. so wird das Grundpotential der Steuerspannung so weit in den positiven Bereich gehoben, daß nur noch die Spitzen der sinushalbbogenförmigen Steuerspannung in den negativen Bereich hinein und über die Schaltspannung des Transistors 30 hinausragen und ein öffnen des Transistors 30 bewirken.
• Bei großer Motordrehzahl und großer Motorbelastung ist das positive Grundpotential der an der Basis des Transistors 30 liegenden Steuerspannung klein, die sinusförmigen Spannungshalbbögen kommen weit in den negativen Bereich und öffnen den Transistor 30 lange. Die Rechteckimpulse am Kollektor des Transistors sind daher breit.
• Bei kleiner Motordrehzahl und kleiner Motorbelastung ist das positive Grundpotential der an der Basis des Transistors 30 liegenden Steuerspannung groß, die sinusförmigen Spannungshalbbögen kommen nur wenig, d. h. nur mit dem nahe dem Scheitel liegenden Teil, in den negativen Bereich. Der Transistor 30 wird dadurch nur kurz geöffnet, die Impulse am Kollektor des Transistors 30 sind daher schmal.
• Bekanntlich kann durch entsprechende Wahl des Transistors 30 ein genaues Schalten, d. h. Impulse mit großer Flankensteilheit, erreicht werden, so daß praktisch die am Kollektor entstehenden Impulse als rechteckförmig bezeichnet werden können.
• Diese rechteckförmigen Impulse werden in an sich bekannter Weise durch die Transistoren 40 und 50 verstärkt. Diese verstärkte, aus einzelnen Rechtecken sich zusammensetzende Spannung, die der Sekundärwicklung mit den Anschlüssen 25 und 23-"24 entnommen ist, wird an den Anker 204 des Motors geführt und ergibt die mittlere Ankeristspannung, die für die jeweilige Drehzahl des Motors maßgebend ist.
• Sinkt durch größere Belastung die mittlere Ankeristspannung, so werden nach dem vorbeschriebenen Regelvorgang die Impulse breiter, und die mittlere Ankeristspannung steigt dann wieder auf den Wert. den sie vor der Belastungserhöhung des Motors hatte.
• Sinkt hingegen die Belastung, so erhöht sich die mittlere Ankeristspannung, da der Motor infolge seiner konstant gehaltenen Erregung dann als Generator wirkt. Der Regelvorgang verläuft nun umgekehrt, die Impulse werden schmäler, und die mittlere Ankeristspannung sinkt damit wieder auf den ursprünglichen Wert ab.
• Wie schon erwähnt, wirkt sich eine Belastungsänderung auf die Ankeristspannung nicht voll aus, sondern nur so weit, wie dies zum Einleiten des Regelvorganges notwendig ist, der dann eine weitere Spannungsänderung unterbindet.
• Eine Veränderung der Ankerspannung am Potentiometer 206 bewirkt den gleichen Regelvorgang wie eine Belastungsänderung; eine Erhöhung der Ankersollspannung wirkt wie eine Erhöhung der Belastung, eine Verminderung der Ankersollspannung wirkt wie eine Verminderung der Belastung des Motors. Vor den Motoranker ist in bekannter Weise eine Drosselspule 201 geschaltet, die die Differenz zwischen der gleichgerichteten Sekundärspannung des Transformators 1 und der mittleren Ankeristspannung übernimmt und eine Gegenspannung erzeugt. Am Ende jedes Impulses. in dem Moment also, in dem der Transistor 50 schlagartig sperrt, entsteht in der Drosselspule eine Spannung, die sich zur gleichgerichteten Spannung addiert. Damit diese Spannung dem Transistor 50 nicht gefährlich werden kann, wird in bekannter Weise parallel zur Drosselspule 201 und zum Anker eine Löschdiode 205 zur überspannungsunterdrückung angeordnet, wodurch der nach dem Sperren des Transistors 50 fließende Induktionsstrom zwangläufig über den Anker 204 des Motors geleitet wird und so zur Drehmomentbildung beiträgt.

Claims (3)

1. PATENTANSPROCHE: 1. Anordnung zur Regelung der Ankerspannung eines konstant erregten Gleichstrom-Nebenschlußkleinmotors mit Hilfe von Transistoren und einem Netzanschluß-Transformator mit mehreren Sekundärwicklungen zur Stromversorgung des Motors und des elektronischen Steuer- und Regelteils sowie mit Steuergliedern zur Einstellung einer Ankersollspannung entsprechend der jeweils gewünschten Motordrehzahl und mit Regelgliedern zum selbsttätigen Korrigieren der belastungsabhängigen Ankeristspannung auf den Spannungssollwert, wobei die Regelung mit Rechteckimpulsen von konstanter Frequenz durch Ändern der Impulsbreite erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung eines Transistors (30), der die rechteckförmigen Spannungsimpulse von konstanter Frequenz und variierender Impulsbreite erzeugt, wobei die Impulsbreite von der an einem Potentiometer (206) als Steuerglied eingestellten Ankersollspannung und der lastabhängigen mittleren Ankeristspannung abhängt, an dessen Basis-Emitter-Strecke eine gleichgerichtete sinushalbbogenförmige Spannung gelegt ist, die durch Veränderung ihres Grundpotentials in Abhängigkeit von der Regelabweichung die jeweilige Impulsbreite bestimmt.
2. 2. Regelanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (4) vorgesehen sind. die das an sich gegenüber Null negative Grundpotential der Steuerspannung des Transistors (30) in den positiven Bereich heben und den Regelbereich der Ankerspannung derart erweitern, daß die Motordrehzahl bis auf den Wert Null einstellbar ist.
3. 3. Regelanordnung nach Anspruch I und ?, gekennzeichnet durch die Anwendung folgender, zum Teil bekannter Maßnahmen: a) daß als selbständige Regelanordnung ein als veränderbarer Widerstand arbeitender weiterer Transistor (203) vorgesehen ist, dessen Innenwiderstand von der an einem Potentiometer (206) eingestellten, an der Basis dieses Transistors (203) gelegten Ankersollspannung und von der durch einen Kondensator geglätteten mittleren Ankerspannung des Motors. die an den Emitter dieses Transistors (203) gelegt ist. abhängt, b) daß das vom Innenwiderstand abhängige Kollektorpotentials dieses Transistors (203) das Potential an einen Spannungsteilerabgriffpunkt (A) beeinflußt, der zwischen dem Kollektor dieses Transistors (203) und einem daran angeschlossenen Widerstand (207) angeordnet ist, e) daß von dem Spannungsteilerabgriffpunkt (A) eine Leitung über eine Zenerdiode (4), einen Zweiweggleichrichter (3) und eine Sekundärwicklung des Transformators (1) an die Basis des die Rechteckimpulse erzeugenden Transistors (30) gelegt ist, so daß das Potential der gleichgerichteten sinushalbbogenförmigen Steuerspannung, das die Breite der Rechtseckimpulse bestimmt, vom Potential am Spannungsteilerabgriffpunkt (A) beeinflußt wird. d) daß die rechteckförmigen Spannungsimpulse in bekannter Weise mit Hilfe weiterer Transistoren (40, 50) verstärkt werden und als Folge von Impulsen mit einer der Motorbelastung ständig angepaßten Breite die Ankerspannung bilden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1021025; »Elektronik«, 1959, Nr. 6, S. 179 bis 182.