DE1938746B2 - Kompensationsschaltung für Reihenschluß-Servomotor - Google Patents

Description

die Widerstände der Gleichrichtelemeate D₁ bis D₄ und D\ bis D'₄ in der Durchlaßrichtung und damit einen Spannungsabfall in dieser Richtung vernachlässigt, liegt die Kompensationsspannung e an den gegenüberliegenden Enden der Feldwicklung an. In diesem Fall wird die Steuerspannung e zwischen den Anschlüssen 4 und 5 so angelegt, daß der Anschluß 4 auf der gegenüberliegenden Seite liegt. Der Strom ia fließt zu dieser Zeit in die in F i g. 2 strichpunktiert angedeutete Richtung. Wenn jedoch die Steuerspannung e relativ niedrig ist und der Strom ia niedriger als der Kompensationsstrom if ist, ist der zur Feldwicklung 6 fließende Strom zwangläufig auf den konstanten Strom if beschränkt, was durch die Impedanz des Feldkreises und die Kompensationsspannung e' bewirkt wird, so daß der Strom ia zum Anker 7 fließt. Die Impedanz des Feldkreises hi gleich der Impedanz der Feldwicklung, da, wie erwähnt, die Widerstände der Gleichrichterelemente in Durchlaßrichtung vernachlässigt ,verden.

Da der Strom if zur Feldwicklung 6 und der Strom ia zum Anker 7 fließen, gelten unter Anwendung der Kirchhoffschen Gesetze auf die Brückenschaltung 1 und der in F i g. 3 angegebenen Stromrichtungen die nachfolgenden Gleichungen:

/2	+ /3 = ii	(D
il	+ /4 = if	(2)
fl	— (3 = ia	(3)
(2	— (4 = ia	(4)

30

Aus den Gleichungen (1) und (3) sowie den Gleichungen (1) und (4) lassen sich folgende Gleichungen ableiten:

/I+ 12 = 17 +ία (5)

i3 + i4 = i/

ία
ία

(6)

35

Da die Gleichricht-Brückenschaltungen symmetrisch sind, gilt: Z₁ = i, und i₃ = <₄, so daß sich daraus wiederum die folgenden Beziehungen herleiten lassen:

/I = il = (i7~t-ifl)/2

/3 = /4 = (j/-1-/_fl)/2.

Unter dieser Voraussetzung fließt der Strom (if + /α)/2 zu den Gleichrichtelementen D₁ und D.„ während der Strom (if — ia)/2 zu den Gleichrichtelemenien D₃ und D₄ fließt (F i g. 3).

Wie oben bereits erwähnt, arbeiten der Feldkreis und der Ankerkreis unabhängig voneinander, wobei der Kompensationsstrom zur Feldwicklung 6 als Feldstrom if fließt und der von der Steuerspannung e herrührende Strom zum Anker? als Ankerstrom ia getrennt und unabhängig vom Feldstrom fließt. Dadurch arbeitet der Servomotor als Nebenschlußmotor. Dieser Betriebszustand währt so lange, bis die Gleichrichtelemente D₃ und D₄ unwirksam werden oder der Strom ia als Ergebnis des Ansteigens der Steuerspannung e gleich dem Strom if wird. In diesem Zeitpunkt wird der zu den Gleichrichtelementen D₁ und D₄ fließende Strom (if - ia)/2 Null, so daß diese Gleichrichtelemeate D., und D₄ unwirksam werden. Auch der zu den Gleichrichtelementen D₁ und D₂ fließende Strom (if + ia)/2 wird gleich dem Strom ία und damit auch dem Strom if. Sobald ία gleich if wird, werden die Steuerspannung e, die Feldwicklung 6, die Kompensationsspannungsquelle 3 und der Anker 7 mit der Briickenschaltiing 1 in Serie geschaltet, so daß durch diese Schaltung ein Strom gleicher Höhe fließt. Daraufhin arbeitet der Servomotor als Reihenschlußmotor.

In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Gleichrichterkreis 2 auf der Feldseite eine Gleichrichter-Brückenschaltung. An deren Stelle läßt sich jedoch auch eine Einfachphasen-Einweggleichrichterschaltung, bestehend aus einem Transformator T und einem Gleichrichterelement D (F i g. 4). eine Einfachphasen-Zweiweggleichrichterschaltung, bestehend aus einem Transformator T und den in Fig. 5 dargestellten Gleichrichtelementen D oder eine Dreiphasen-Zweigleichrichterschaltung, bestehend aus sechs Gleichrichtelementen / (Fig. 6), einsetzen. Wenn der Gleichrichterkreis 2 auf der Feldseite eine Einfachphasenschaltung gemäß den F i g. 4 und 5 oder eine Dreifachphasenschaltung gemäß Fig. 6 oder sogar eine Mehrfachphasengleichrichtschaltung im allgemeinen darstellt, muß die für die Kompensation verwendete Spannungsquelle eine Wechselstxomquelle sein. Wenn dagegen die Gleichrichtschaltung eine Brükkenschaltung gemäß der Darstellung in Fig. I ist, kann diese Spannungsquelle sowohl Gleich- als auch Wechselstrom liefern.

Wenn die Kompensationsspannungsquelle eine Gleichstromquelle ist, kann die Gleichrichterschaltung 2 dadurch entfallen, daß man die Gleichstromquelle unmittelbar in Reihe mit der Gleichstromseite der Brückenschaltung 1 schaltet oder dadurch, daß man den positiven Anschluß mit dem Punkt P und den negativen Anschluß mit einem Ende der Feldwicklung 6 verbindet. Aus diesem Grunde kann der in den Zeichnungen mit 8 bezeichnete Schaltungsteil als Kompensationsgleichstromquelle zur Versorgung der Feldwicklung 6 mit Gleichstrom durch die Gleichstromseite der Brückenschaltung 1 betrachtet werden.

Wenn die Steuerspannung e zwischen den Anschlüssen 4 und 5 so angelegt wird, daß der Anschluß 5 positiv ist, fließt der Strom zur Feldwicklung 6 stets in gleicher Richtung und lediglich der Ankerstrom ändert seine Richtung, wodurch die Betriebsweise des Servomotors geändert werden kann.

Um die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Motorschaltung voll ins Licht zu rücken, werden nachfolgend Versuchsergebnisse mit der erfindungsgemäßen Schaltung, die an einem Servomotor erzielt wurden, näher erläutert. Diese Ergebnisse werden in Form grafischer Darstellungen gemäß den F i g. 7 bis 10 erläutert. Der in den Versuchen verwendete Servomotor ist ein Reihenschluß-Servomotor mit einer Nennspannung von 1000 Volt, einem Nennstrom von 0,35 Ampere, einer Nennleistung von 10 Watt und einer Drehzahl von 4000 U/Min.

F i g. 7 zeigt die Spannungscharakterislik beim Anlaufen ohne Last des Servomotors, der mit der erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung versehen ist. In dieser Figur sind die Ergebnisse der durchgeführten Versuche in bezug auf unterschiedliche Spannungen beim Anlaufen des Motors niedergelegt, die gemessen wurden, indem die Steuerspannung c allmählich angehoben wurde. Der Kompensationsstrom if (A) ist als Parameter verwendet worden. Aus der F i g. 7 ist zu entnehmen, daß die Anlaufspannung e ohne Last etwa 17 Volt beträgt, wenn kein Kompensationsstrom if fließt. Dieser Fall entspricht einem konventionellen Reihenschluß-Servomotor. Weiterhin ist zu erkennen, daß die Anlauf-

spannung ohne Last auf 4 Volt abgesenkt wird, wenn ein Kompensationsslrom von 0,2 Ampere (etwa 57 ¹Vo des Nennwertes) fließt.

Fig. 8 zeigt die Spannungs-Drchzahlcharaktcristik des Servomotors mit der erfiridungsgcmäßen Kompensationsschaltung. Darin ist die Drehzahl v> in Abhängigkeit von der Stjucrspannung e mit dem Kompcnsationsstrom // als Parameter bei Betrieb ohne Last aufgetragen. Wenn der Kompensalionsstrom // 0,175 Ampere beträgt, gilt die Gerade a, bei // = 0,35 Ampere gilt die Gerade b und bei // = 0 gilt die Gerade c. Daraus läßt sich ableiten, daß die Spannung, bei der der Servomotor anlaufen kann, um so niedriger ist, je höher der Kompensationsstrom ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß durch Erhöhen des Xornpensationsstromes die Zeitdauer herabgesetzt werden kann, die verstreicht, bevor der Servomotor auf die angelegte Spannung anspricht. Allerdings bestehen für die Höhe des Kompensationsstromes insofern gewisse Beschränkungen, als ein übermäßiger Temperaturanstieg im Motor vermieden werden muß.

Fig. 9 zeigt die Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik des Servomotors mit einer erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung. Dort ist das Drehmoment τ in Abhängigkeit von der Drehzahl >·> unter Verwendung des Kompensationsstromes // als Parameter für eine Steuerspannung e von 50 Voll aufgetragen. Wenn der Kompensalionsstrom // 0,1 Ampere beträgt, gilt die Kurve a, bei // = 0,2 Ampere gilt die Kurve b, bei // = 0 gilt die Kurve d. Es läßt sich erkennen, daß der Motor Reihenschlußcharakteristik entwickelt, wenn die Belastung hoch ist, daß er dagegen eine Nebenschlußcharakteristik zeigt, wenn die Last niedrig ist.

Fig. 10 zeigt den Ankerstrom ia, den Fcldstrom i/ und die Drehzahl ω, über der Zeit t aufgetragen, wobei eine Steuerspannung e von 50 Volt anzunehmen ist. Die voll ausgezogenen Kurven zeigen die Werte, die man erhält, wenn kein Kompensationsstrom fließt. Die gestrichelt gezeichneten Kurven kennzeichnen die Werte, die man erhält, wenn ein Kompensationsstrom von 175 Milliampere fließt. Aus den Darstellungen läßt sich erkennen, daß die Ansprechgeschwindigkeit sich außerordentlich erhöht, wenn der Kompensationsstrom fließt.

Die vorstehende Schilderung zeigt, daß durch die erfindungsgemäßc Kompensationsschaltung für einen Reihenschlußservomotor dem Servomotor verschiedene Erregercharakteristiken erteilt werden können. Der Motor läßt sich dadurch automatisch von einer

»ο Nebenschlußcharakteristik auf eine Reihenschlußcharaktcristik oder umgekehrt umschalten. Dadurch läßt sich eine Reihe von Vorteilen erzielen. An erster Stelle ist zu nennnen, daß dadurch der unwirksame Bereich der angewendeten Spannung-Drehzahl-Charakteristik sich erheblich verkleinern läßt. Da weiterhin der Servomotor bei niedriger Steuerspannung (Leistung) eine Nebenschlußcharakteristik aufweist, entwickelt er ein hohes Drehmoment und läuft sogar dann an, wenn die angelegte Spannung niedrig ist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß ein und derselbe Motor sowohl Nebenschluß- als auch Reihenschlußcharakteristik aufweist und daß von der einen zur anderen automatisch übergegangen wird. Wenn beispielsweise dieser Motor in einem geschlossenen Schlcifcnsystem verwendet wird, dann ermöglicht es diese Eigenschaft, bei Auftreten großer Schwankungen im Steuersystem den Motor als Reihenschlußmotor arbeiten zu lassen und bei Auftreten niedriger Schwankungen im System ihn als Nebenschlußmotor einzusetzen. Dies liegt darin begründet, daß im allgemeinen die an den Servomotor angelegte Spannung erhöht wird, wenn im Steuersystem große Schwankungen auftreten, obwohl dies weitgehend von der Last abhängt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kompensa'.ionsschaltung liegt darin, daß die für das Anlaufen des Motors erforderliche Spannung erniedrigt werden kann und sich das Ansprechen des Motors verbessert. Da der Kompensationsstrom in der FeIdwicklung ständig einen magnetischen Fluß erzeugt, wird sowohl die Ansprechcharakteristik als auch die Anlaufcharakteristik des Motors verbessert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 S38 746

Fig. 8 eine Spannungs-Drehzahl-Charakteristik Patentanspruch: des erfindungsgemäßen Schaltsystems,

F i g. 9 eine Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik

Kompensationsschaltung für einen Reihen- des erfindungsgemäßen Schaltsystems und
Schluß-Servomotor zur Verbesserung der Anlauf-

5 Fig. 10 die Stuf en-Ansprechcharakteristik des ercharakteristik, bei der die Erregerwicklung über findungsgemäßen Schaltsystems,
die Gleichstromklemmen einer Brückengleich- In Fig. 1 ist mit 1 eine Gleichrichterbrücken-

richterschaltung an eine Kompensationsspan- schaltung bezeichnet, die aus Gleichrichterelementen nungsquelle und über den Anker des Motors und D₁ bis D₄ besteht. Eine weitere Gleichrichterbrückendie Brückengleichrichterschaltung an eine Steuer- io schaltung 2 besteht aus Gleichrichterelementen D\ Spannungsquelle angeschlossen ist, dadurch bis D'₄. Beide Gleichrichterschaltungen 1 und 2 sind gekennzeichnet, daß die Brückengleich- in Reihe auf ihrer Gleichstromseite gekoppelt bzw. richterschaltung aus zwei gieichstromseitig in an Punkten P und Q' und bilden eine Serienschal-Reihe geschalteten Brückenschaltungen (I, 2) tung, die mit einer Feldwicklung 6 eines Gleichbesteht, von denen die eine wechselstromseitig an 15 strom-Reihenschluß-Servomotors an gegenüberliedie Kompensationsspannungsquelle (e') ange- genden Punkten Q und P' verbunden ist. Der schlossen ist, und daß die Steuerspannungsquelle Anker 7 des Gleichstrom-Reihenstrom-Servomotors (e) über den Anker des Motors an die wechsel- ist in Reihe mit der Gleichrichterbrückenschaltung 1 stromseitigen Klemmen der anderen Brücken- auf deren Wechselstromseite bzw. an den Punkten R schaltung angeschlossen ist. 20 und S in Verbindung. Durch Anschlüsse 4 und S

wird an diese Serienschaltung eine Steuerspannung e

angelegt. Eine Kompensationsstromquelle 3 legt eine

Kompensationsspannung an die Anschlußpunkte R' und S' auf der Wechselstromseite der zweiten Brük-

Die Erfindung betrifft eine Kompensationsschal- 25 kenschaltung 2. Die Stromquelle 3 kann eine Gleichtung für einen Reihenschluß-Servomotor zur Ver- strom- oder Wechselstromquelle sein. Wenn ein gebesserung der Anlaufcharakteristik, bei der die Er- eigneter Wert der Kompensationsspannung e' in regerwicklung über die Gleichstromklemmen einer Übereinstimmung mit der Kapazität des Servomotors Brückengleichrichterschaltung an eine Kompensa- gewählt wird, fließt ein Kompensationsstrom (FeIdtionsspannungsquelle und über den Anker des Mo- 30 strom) // von stets gleichbleibender Richtung wähtors und die Brückengleichrichterschaltung an eine rend der ganzen Zeit in die Feldwicklung 6. Dieser Steuerspannungsquelle angeschlossen ist. Kompensationsstrom if verursacht einen fortwähren-

Eine derartige Kompensationsschaltung ist be- den induzierten magnetischen Fluß in der Feldwickkannt durch die schweizerische Patentschrift 403 953. lung 6.

Bei der bekannten Kompensationsschaltung ist die 35 Das Drehmoment eines Servomotors ist dem Proder Steuerspannung entsprechende Gleichspannung dukt aus dem magnetischen Fluß und dem Ankernicht umkehrbar, und der Motor kann daher bei- strom proportional. Wenn deshalb die Steuerspanspielsweise nicht als Stellmotor ausgebildet sein. nung e allmählich von Null an angehoben wird, läuft Auch weist der Ankerstrom bei der bekannten Korn- der Servomotor selbst dann an, wenn die Steuerspanpensationsschaltung eine verhältnismäßig starke WeI- 40 nung relativ niedrig ist, da in der Feldwicklung inligkeit auf. folge des Kompensationsstromes magnetischer Fluß

Es ist daher Aufgabe vorliegender Erfindung, eine induziert wird. Der Servomotor arbeitet auf zwei Kompensationsschaltung zu zeigen, bei der die verschiedene Weisen, in Abhängigkeit von den Polarität der Steuerspannung umkehrbar ist und Schaltkreiskonstanten, der Last, dem Kompensationsweiche einen Ankerstrom mit niedriger Welligkeit 45 strom und der Steuerspannung,
liefert. Eine Betriebsart besteht darin, daß alle Gleich-

Diese Aufgabe wird bei einer Kompensations- richterelemente D₁ bis D₄ der Brückenschaltung I schaltung der eingangs genannten Art erfindungsge- zünden, während die andere Betriebsart darin bemäß dadurch gelöst, daß die Brückengleichrichter- steht, daß lediglich die beiden einander gegenüberschaltung aus zwei gieichstromseitig in Reihe ge- 50 liegenden Gleichrichterelemente D₁ und D₂ oder D₃ schalteten Brückenschaltungen besteht, von denen und D₄ der Brückenschaltung 1 zünden. Der Servodie eine wechselstromseitig an die Kompensations- motor zeigt eine Nebenschlußcharakteristik, wenn Spannungsquelle angeschlossen ist, und daß die | ia < if, und er zeigt Reihenschlußcharakteristik, Steuerspannungsquelle über den Anker des Motors wennn \ia\ — if, wobei ia der Ankerstrom und if der an die wechselstromseitigen Klemmen der anderen 55 magnetische Feldstrom ist. Dies wird im folgenden Brückenschaltung angeschlossen ist. näher erläutert.

Nachfolgend wird an Ausführungsbeispielen der Angenommen, die Steuerspannung e ist Null, und

Erfindung und an Hand der Zeichnungen die Erfin- die Kompensationsspannung e' wird so angelegt, dung näher erläutert. Es zeigt das R' auf der positiven Seite liegt, dann verursacht

F i g. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungs- 60 die Kompensationsspannung e' eine Richtung des form der erfindungsgemäßen Kompensationsschal- Kompensationsstromes if in Richtung des durchgezotung, genen Pfeiles in Fig. 2 zur Feldwicklung 6 als FeId-

F i g. 2 und 3 Teilschaltbilder zur Erläuterung des strom. Der Strom wird in zwei Teilströme if/2 aufin Fig. 1 gezeigten Schaltbildes, geteilt, von denen jeder zu den Elementen D₁, D₂, F i g. 4 bis

6 Teilschaltbilder weiterer Ausfüh- 65 D., und D₄ fließt und sie zündet. Die Potentialunterriingsformen der Erfindung, schiede zwischen den Punkten P und Q (auf der Fig. 7 eine Spannungscharakteristik beim An- Glcichstromseite) und zwischen den Punkten R undS laufen ohne Last. (auf der Wechselstromseile) sind Null. Wenn man