DE1588360C - Schaltungsanordnung zur Steuerung der Drehzahl eines Emphasen Reihen schlußkommutator Motors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Drehzahl eines Einphasen-Reihenschlußkommutator-Motors, der in Reihe mit einem Diac (Zweiweg-Thyristor ohne Steueranschluß) und einer Sekundärwicklung eines Impulstransformators an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, mit einer die Zündimpulse erzeugenden Steuerschaltung, deren einen veränderbaren Widerstand enthaltender Eingangskreis parallel zum Motor und der Wechselspannungsquelle liegt. Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der USA.-Patentschrift 3,188,490 bekannt.

• Es gibt eine Reihe von Geräten, die aufgrund ihres Aufbaus und ihrer Betriebsweise intermittierend ein Drehmoment und auch ein veränderliches Drehmo-. ment aufbringen müssen. Beispielsweise wird bei einem hin- und herbeweglichen Mechanismus, bei dem Stillstand und-Bewegung aufeinanderfolgen, ein relativ hohes Drehmoment benötigt, wenn der Mechanismus vom Stillstand in die Bewegung übergeht. Selbst bei Mechanismen, die eine Drehbewegung ausführen, liegen ähnliche Verhältnisse vor, wie bei einem hin- und hergehenden Mechanismus. Weiterhin wird beispielsweise durch Schneid-, Reibungsvorgänge usw. die Last sehr häufig intermittierend geändert. Als typisches Beispiel kann das Drehmoment einer Nähmaschine bei geringer Drehzahl genannt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Arbeitsweise bekannter Steuerschaltungen für Nähmaschinen, und zur Erläuterung der Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels einer noch zu beschreibenden erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird zunächst auf die Zeichnung hingewiesen. Es zeigt

Fig. IA und IB den Drehmomentverlauf bei niedriger Drehzahl einer Nähmaschine;

Fig. 2A bis 2C, Fig. 2A' bis 2C' und Fig. 2A" bis 2C" die Beziehungen zwischen den Spannungswellenformen, dem vom Motor erzeugten Drehmoment und dem Drehmoment der Nähmaschine gemäß bisher verwendeter Steuerschaltungen;

F i g. 3 die Beziehung zwischen dem vom Motor erzeugten Drehmoment und dem Drehmoment der Nähmaschine" bei einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung;

ίο Fig. 4a bis 4g eine Darstellung der erfindungsgemäßen Spannungssteuerung;

F i g. 5 das Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

F i g. 6 und 7 Darstellungen der Wirkungsweise der Schaltung der F i g. 5.

Fig. 1 zeigt das Drehmoment einer Nähmaschine bei geradlinigem Nähen, wobei der Abschnitt α einen Drehmomentanstieg angibt, der infolge der Arbeitsweise bei jeder Umdrehung notwendig ist, wenn die Nadel durch den Stoff geht. Fig. Ib stellt ein beim Zickzacknähen verlangtes Drehmoment dar, wobei das Zickzacknähen durch einen Hauptnocken ausgeführt wird. In diesem Falle tritt durch den Anstieg des Drehmoments, das bei jeder Umdrehung, wenn die Nadel durch den Stoff geht, notwendig ist, ebenfalls eine Erhöhung α auf. Ferner erscheint vor dieser Erhöhung α alle zwei Umdrehungen eine weitere Erhöhung b. Die Erhöhung b stellt das Drehmoment dar, das notwendig ist, um die Nadel durch einen Arbeitsmechanismus, wie etwa einen Nocken, auf eine Seite des Ausschlages zu bewegen. Insbesondere tritt dieses Drehmoment deshalb alle zwei Umdrehungen auf, weil die Rückführung der Nadel in ihre ursprüngliehe Stellung durch eine Feder bewerkstelligt wird, wobei nur ein geringes Drehmoment notwendig ist. Somit steigt das Drehmoment bei niedriger Drehzahl einer Nähmaschine in einer bestimmten Phase beim geradlinigen Nähen oder beim Zickzacknähen abrupt an. Die Höhe des Drehmoments hangt von der Härte oder Dicke des Stoffes, von der Anzahl der Bahnen oder der Form der Zickzacknocke usw. ab. Darüber hinaus ändert sie sich ununterbrochen im Laufe der Zeit, wie es beim Nähen mit einer Nähmaschine üb-Hch ist. '

Bekanntlich beruht bei der bisherigen Drehzahl- \. steuerung eines allgemein verwendeten Nähmaschinenmotors, nämlich eines Einphasen-Reihenkommutator-Motors, die Eingangsklemmenspannung des Motors auf Amplitudensteuerung der Wechselspannung (Fig. 2A), auf zweiseitiger Phasenanschnittssteuerung durch ein symmetrisches Halbleiterelement (USA.-Patentschrift 3,188,490, Fig. 6), das geöffnet und geschlossen werden kann (Fig. 2B) oder auf der Phasenanschnittssteuerung einer halben Welle (USA.-Patentschrift 3,188,490, Fig. 1), die mit einem asymmetrischen Halbleiterschaltelement durchgeführt wird (F i g. 2C). Die durch diese Systeme im Motor erzeugten Drehmomente sind jeweils in den Fig. 2A', B' und C' wiedergegeben. Im Falle der Amplitudensteuerung beträgt bei einer Netzfrequenz von 50 Hz die PuI-sationsfrequenz des erzeugten Drehmoments 100 Hz, im Falle der zweiseitigen Phasenanschnittssteuerung ebenfalls 100 Hz, wobei ein geringer Unterschied in der Wellenform vorhanden ist, und bei der Phasenanschnittssteuerung einer halben Welle 50 Hz. Diese Pulsationsfrequenz ist jeweils konstant, unabhängig von der Höhe des erzeugten Drehmoments. Nimmt man

an, daß die Periode des abrupten Drehmomentanstiegs einer Nähmaschine 0,5 Sekunden beträgt (entsprechend 120 U/Min., also im Bereich geringer Drehzahl einer Nähmaschine), so verhalten sich das Drehmoment der Nähmaschine und das des Antriebsmotors gemäß der Darstellung der Fig. 2A", B" und C". Daraus geht hervor, daß bei einer Nähmaschine in Zonen geringen Drehmoments ein weit höheres Drehmoment als erforderlich ist erzeugt wird. Demzufolge ist beispielsweise die Startdrehzahl, die gerade nach der Überwindung eines sehr hohen Anfangsdrehmoments auftritt, hoch. Unter dem Einfluß dieses Anfangsdrehmoments kann man keine ausreichend niedrige Drehzahl erreichen. Insbesondere hält eine Nähmaschine bei geringer Drehzahl sofort an, wenn der Maximalwert des verlangten Nähmaschinendrehmoments das im Motor erzeugte Drehmoment nur etwas übersteigt. Im mittleren und oberen Drehzahlbereich steigt das vom Schwungrad oder anderen Teilen der Nähmaschine abgegebene Drehmoment aufgrund der Trägheit beträchtlich an, so daß die Maschine nicht stehenbleibt, abgesehen von einem gewissen Anstieg des Maschinendrehmoments, wodurch sich eine im wesentlichen stabile Drehzahl einstellt. Demnach kann offensichtlich der Betrieb einer Nähmaschine in vorteilhafter Weise theoretisch dadurch verbessert werden, daß man eine Änderung des Maschinendrehmoments auf einen Steuerkreis durch gewisse Einrichtungen rückwirken läßt, so daß das Maschinendrehmoment entsprechend den Änderungen des Drehmoments in eine Eingangsklemmenspannung des Motors umgewandelt wird. Bei einem sogenannten Rückkopplungssteuersystem ändert sich, wenn man dieses System insbesondere bei geringer Drehzahl voll wirksam machen will, die Wirkung der Steuerung abrupt, wodurch man eine sehr stark schwankende Drehzahl, wie etwa beim Auftreten eines Stoßes, erhält. Dieses Problem kann technisch und wirtschaftlich nur unter Schwierigkeiten gelöst werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß sie auch bei sehr niedrigen Drehzahlen einen gleichmäßigen Betrieb gestattet und insbesondere intermittierend auftretenden Drehmomentänderungen gut anpaßbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Eingangskreis der Steuerschaltung aus einer Reihenschaltung des veränderbaren Widerstandes und eines Festwiderstandes besteht, daß eine Reihenschaltung eines weiteren Diac und eines Kondensators parallel zum Festwiderstand geschaltet ist und daß dem Diac eine erste Reihenschaltung, bestehend aus einem Kondensator und der Primärspule des Impulstransformators, und eine zweite Reihenschaltung, bestehend aus einer Diode und einem Widerstand, parallel geschaltet sind, und letzterer derart bemessen ist, daß sein Widerstand kleiner ist als die Impedanz der ersten Reihenschaltung.

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist die in F i g. 3 dargestellte Beziehung zwischen dem Nähmaschinendrehmoment und dem durch den Motor · bei geringer Drehzahl abgegebenen Drehmoment möglich. In dieser Figur ist das vom Motor in Form eines Impulses erzeugte Drehmoment r größer als das angenommene maximale Maschinendrehmoment T, das durch eine Betriebsänderung hervorgerufen wird. Hierbei wird die Drehzahlsteuerung durch wiederholte Frequenzänderung ohne Änderung der Amplitude eines Wellenimpulses des vom Motor erzeugten Drehmoments durchgeführt. Mit dieser Schaltung kann man eine Startdrehung bzw. -drehzahl und eine niedertourige Drehung erhalten, die bei einer Nähmaschine beide extrem niedrig liegen. Außerdem wird damit ein Stehenbleiben der Nähmaschine verhindert, so daß ein stabilisierter Betrieb möglich ist, selbst wenn sich das Maschinendrehmoment etwas ändert.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltung wird das Betriebsverhalten des oben beschriebenen Mechanismus bei niedriger Drehzahl erheblich verbessert und ein beträchtlicher Fortschritt bezüglich Startfähigkeit, π Brauchbarkeit und Stabilität einer solchen Nähmaschine bei niedriger Drehzahl erzielt Damit kann eine Stickerei oder eine andere, bei niedriger Drehzahl auszuführende Arbeit mit einer Nähmaschine sehr leicht und einfach durchgeführt werden, wodurch das Anwendungsgebiet beträchtlich vergrößert wird. Beim Sticken ist keine besondere Technik notwendig und die Bedienungsperson ist von der mühsamen Bedienung der Nähmaschine befreit. Jede Hausfrau kann Stickarbeiten ausführen und die Bedienungsperson ist in der Lage, ihre gesamte Aufmerksamkeit dem Nähen zu widmen, so daß eine Stickerei in zufriedenstellender Weise ausgeführt werden kann.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Impulsfrequenzsteuerung geschaffen, die in der Lage ist, die oben angegebene Charakteristik hervorzubringen und die bisher verwendete, ausschließlich nach dem Phasenanschnittsprinzip arbeitende Schaltungsanordnung zu verbessern. Bekanntlich wird die bisher für einen Antriebsmotor gebräuchliche Phasenanschnittssteuerung für hochtourigen Antrieb unter Last vorgezogen. Bei den bisherigen Nähmaschinen ist der hochtourige Betrieb für die Gewährleistung einer hohen Arbeitsleistung erforderlich. Die vorliegende Erfindung verbessert die Brauchbarkeit bei niedrigtouri-

-10 gern Antrieb unter Last und ermöglicht ebenso eine Phasenanschnitssteuerung mit ein- und demselben Aufbau, wobei die volle Leistungsfähigkeit bei hohen Drehzahlen beibehalten ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist einfach aufgebaut. Insbesondere kann die Impulsfrequenz- und Phasenanschnittssteuerung mit ein- und demselben Aufbau durchgeführt werden. Mit einer solchen wirtschaftlichen elektrischen Schaltung kann Wechselstrom, wie in den Fig. 4a bis g einer bei-

jo spielsweisen Steuerung dargestellt ist, gesteuert werden. In F i g. 4 gibt die gestrichelte Linie die Wellenform der Netzspannung wieder, der durchgezogene Linienabschnitt stellt die dem Motor zugeführte Wechselspannung dar. Aus der Darstellung geht hervor, daß in den Fig. 4a bis 4d die jeweiligen Spannungswellenformen nicht einer veränderbaren Phasenanschnittssteuerung unterworfen sind, jedoch wird der Abstand zwischen zwei Impulsen gesteuert. In den Fig. 4d und 4e werden die betreffenden Spannungswellenformen durch Phasenanschnittssteuerung gesteuert. In den F i g. 4e bis 4g werden die Wellen in Phasenanschnittssteuerung von einer halben Welle zu einer vollen Welle ergänzt, und in Fig. 4g wird eine Phasenanschnittssteuerung der vollen Welle durchge-

führt. Die erfindungsgemäße Ausführungsform mit

einer solchen Vielzahl von Steuerungsmöglichkeiten verbessert die Leistungsfähigkeit unter Last_erhejbjicj\...

Schließlich wird mit der vorliegenden Erfindung

eine Verringerung des Energieverbrauchs erzielt. Man paßt das vom Motor erzeugte Drehmoment dem Drehmoment einer Nähmaschine oder einer anderen Belastung, insbesondere im niedertourigen Betrieb an. Außerdem wird, wie oben bereits ausgeführt, in der Zone eines geringen Maschinendrehmoments die Erzeugung eines unnötig hohen Motordrehmoments weitgehend vermieden. Damit kann offensichtlich der Energieverbrauch für einen Antriebsmotor eingeschränkt werden.

Das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in Fig. 5 dargestellt. In dieser Figur ist mit AC eine Wechselstromquelle bezeichnet, mit M ein Einphasen-Reihenschlußkommutator-Motor, mit SSS_M ^e'ⁿ Diac für den Hauptkreis, das geöffnet und gesperrt werden kann, und mit Lz die Sekundärwicklung eines Impulstransformators PT. Diese Glieder bilden einen geschlossenen Reihenhauptkreis 1.

Zu einer Reihenschaltung 1' aus der Sekundärwicklung L₂ des Impulstransformators PT und dem Diac SSS_M für den Hauptkreis ist eine Reihenschaltung 2 aus einem variablen Widerstand VR und einem Widerstand R₁ parallel geschaltet. Zu der Schaltung 2, die den Widerstand R₁ enthält, ist weiterhin ein Reihenzündkreis 3, der aus einem Diac SSS₇- für die Zündung, das geschlossen und geöffnet werden kann, und einem Kondensator C₁ besteht, parallel geschaltet. Zu dem Diac SSS_T ist ferner ein Reihendiodenkreis 4 aus einer Diode D und einem Widerstand R₁ parallel geschaltet. Statt des bekannten Reihenzündverfahrens, bei dem die Sekundärwicklung L₂ des Impulstransformators mit dem Diac SSSm für den Hauptkreis in Reihe geschaltet ist, kann ebenso das parallele Zündverfahren verwendet werden. Im letzteren Fall muß man lediglich eine Reihenschaltung aus der Sekundärwicklung L₂ und einem anderen Kondensator parallel zum Diac SSS_M für den Hauptkreis schalten.

Die erfindungsgemäße Schaltung arbeitet wie folgt. Das Diac SSS_M wird in bekannter Weise geschaltet. Die im Kondensator C₂ gespeicherte elektrische Ladung wird durch die Durchbruchsspannung am Diac SSS_T abrupt entladen, und sie bewirkt einen Stromfluß zur Primärwicklung L₁ des Impulstransformators PT zur Erzeugung eines Signalimpulses in der Sekundärwicklung L₂. Dieser Signalimpuls bringt das Diac SSS_M ^m Hauptkreis in den leitenden Zustand. In diesem Falle wird die Impulsfrequenzsteuerung durch eine halbe Welle, die in Fig. 4a bis d dargestellt und ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, wie folgt durchgeführt.

Grundsätzlich beruht diese Steuerung darauf, daß der Kondensator C₁ über die Diode D des Diodenkreises 4 und den Widerstand R₂ mit Gleichstrom aufgeladen wird. Wie aus dem Schaltbild ersichtlich ist, kann man die Klemmenspannung des Zünddiac SSS_T während der Zeit, in der das Diac SSS_M für den Hauptkreis geöffnet bzw. gesperrt ist, durch Spannungsteilung der Netzspannung mit dem Widerstand VR erhalten. Die Spannung am Diac SSS_T ist gleich der Potentialdifferenz zwischen der Klemmenspannung Vp des Widerstandes R, und der Spannung V₀ am Kondensator C, nämlich V_P— V_Q, wobei V_P die durch den Spannungsabfall am Widerstandswert des Widerstandes VR reduzierte Netzspannung ist. Wenn der Widerstandswert des in Reihe mit der Diode D geschalteten Widerstandes R₂ so gewählt wird, daß er kleiner ist als die Impedanz der Reihenschaltung des Kondensators C₂ und der Primärwicklung L₁, und daß die an Kondensator C₁ des Zündkreises 3 gelegte Wechselspannung positiv und negativ unsymmetrisch ist, so wird der Kondensator C₁ auf der Potentialseite der größeren Spannungsamplitude aufgeladen. Fig. 6 zeigt eine Wellenform, die das Verhältnis von V_P— V_Q mit dieser Aufladung darstellt. Nimmt man an, daß V_P— V_Q gleich V(P₁ -Q₁) ist, wenn die Polarität oder das Potential der Netzperiode hinter der Diode D liegt, und daß V_P— V_Q gleich V(P₂ — Q₂) ist, wenn das Potential davor liegt, so bewegt sich die Spannung V_Q insgesamt in Richtung des Ladungspotentials, wenn auch abwechselnd, so doch mit zunehmender Aufladung des Kondensators

π C₁ in Form von Gleichstrom. Da V_P konstant ist, soweit der variable Widerstand VR nicht verändert wird, steigt V(P₁ — Q₁) mehr und mehr an, und V(P₂ — Q₂) nimmt mehr und mehr ab, wie aus F i g. 7 hervorgeht.

Durch geeignete Wahl des Widerstandes R₂ wird erfindungsgemäß die Ladungskonstante und damit die Klemmenspannung des Zünddiacs SSS₇- während des Aufladens eingestellt, wenn die Netzspannung in Durchlaßrichtung der Diode D angelegt ist. Bezeichnet man die Summe aus dem Widerstandswert des Widerstandes R₂ und dem maximalen Widerstandswert des veränderlichen Widerstandes VR mit R₀, so wird der Wert des Widerstandes R₂ entsprechend dem gewünschten Steuerverhalten der Impulsfrequenzsteuerung gewählt, daß durch die sich aus dem Widerstandswert R₀ und dem Kondensator C₁ ergebende Zeitkonstante bestimmt ist. In Fig. 6a erreicht V(P₁ — P₂) jede zweite Periode die Durchbruchsspannung des Zünddiac SSS₇. Die Figur zeigt, daß beim Zünden des Zünddiac SSSr, wenn das Diac SSS_M des Hauptkreises leitend bzw. geschlossen wird, die Spannungen V_P und V_Q Null werden, so daß auch V_P— V_Q Null wird. Wenn das Diac SSS_M

des Hauptkreises nach einer halben Periode gesperrt wird, werden die Spannungen V_P und V_Q wieder angelegt, und gleichzeitig beginnt sich die Spannung V_Q mehr und mehr zu der mit Gleichstrom aufgeladenen Potentialseite hin zu bewegen. Wenn die Ladungsmenge des Kondensators C₁ und die Spannung V_P des Widerstandes R₁ durch die Erhöhung des Widerstandswertes des variablen Widerstandes VR verringert werden, geht die Phase der Durchbruchsspannung des Zünddiac SSS_x zurück, und der Augenblickswert der Periode einer Seite erreicht die Durchbruchsspannung nicht bei jeder einzelnen Periode. Somit kann die Eingangsklemmenspannung des Motors unter verschiedenen Bedingungen, wie in Fig. 4a bis c dargestellt, mit Hilfe der Impulsfrequenzsteuerung geändert werden. Wird andererseits der Widerstandswert des variablen Widerstands VR weiter reduziert, so kann die Eingangsklemmenspannung entsprechend Fig. 6b geändert werden, und die Phase der Durchbruchsspannung des Zünddiac SSS_T rückt vor, so daß eine Phasensteuerung durchgeführt wird, wie aus den F i g. 4d und e hervorgeht. Wenn der Widerstandswert des Widerstandes weiter reduziert wird, kann eine spezielle Impulsfrequenzsteuerung durchgeführt werden, wie sie in Fig. 4f dargestellt ist. In diesem Falle erreicht der Augenblickswert der Periode einer Seite der Klemmenspannung des Zünddiac SSS_T ebenfalls den Durchbruchsspannungswert des Zünddiac SSS_r bei jeder einzelnen Periode, wie es durch V(P₂ bis Q₂) in Fig. 6b dargestellt ist. Wenn

der Widerstandswert des variablen Widerstandes VR noch weiter reduziert wird, als im Fall der Fig. 4f, so kann eine vollkommene zweiseitige Wellensteuerung, wie sie in Fig. 4g wiedergegeben ist, und ebenso eine Phasenanschnittssteuerung durchgeführt werden. Der Grund dafür, daß die Perioddnzahl für die Zeitdauer bis zur Spannung V(P₂ — Q₁), wie in F i g. 4f und g dargestellt, den Durchbruchsspannungs-

wert des Zünddiac erreicht, ist etwas verschieden vom Fall der Spannung V(P₁ — Q₁), da sich jede Halbperiode einer Seite bereits im leitenden Zustand befindet. Jedoch ist diese Steuerung der Periodenzahl ebenso durch die Aufladung des Kondensators C₁, durch die Diode D und den Widerstand R-, beeinflußt.

¹ Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209544/125

Claims (1)

1. ι .

   Patentanspruch:

   ■2

   Schaltungsanordnung zur Steuerung der Drehzahl eines Einphasen-Reihenschlußkommutator-Motors, der in Reihe mit einem Diac (Zweiweg-Thyristor ohne Steueranschluß) und einer Sekundärwicklung eines Impulstransformators an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, mit .einer die Zündimpulse erzeugenden Steuerschaltung, deren einen veränderbaren Widerstand enthaltender Eingangskreis parallel zum Motor und der Wechselspannungsquelle liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis der Steuerschaltung aus einer Reihenschaltung des veränderbaren Widerstandes (VR) und eines Festwiderstandes (R₁) besteht, daß eine Reihenschaltung eines weiteren Diac (SSS-,) und eines Kondensators (C₁) parallel zum Festwiderstand geschaltet ist und daß dem Diac eine erste Reihenschaltung, bestehend aus einem Kondensator (C₂) und der Primärspule (L₁) des Impulstransformators, und eine zweite Reihenschaltung, bestehend aus einer Diode (D) und einem Widerstand (A₂), parallel geschaltet sind, und letzterer derart bemessen ist, daß sein Widerstand kleiner ist als die Impedanz der ersten Reihenschaltung.