DE1763925A1 - Regler fuer Gleichstrom- oder Allstrommotoren - Google Patents
Regler fuer Gleichstrom- oder AllstrommotorenInfo
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Description
Telefont 83 15 10
PoshcheckkontO! München 117071
GENERAL SIGNAL CORPORATION 375 Park Avenue, New York, New York/V.St.A.
Regler für Gleichstrom- oder Allstrommotoren
Die Erfindung bezieht sich auf Regler für elektrische {
Gleichstrom- oder Alletrommotoren.
In der Patentanmeldung P 15 88 568.4 vom 2.März 1967
ist ein Pestkörper-Motorregler beschrieben, bei welchem ein statischer, gattergesteuerter Netzschalter verwendet
wird, welcher durch einen statischen Trigger gesteuert
Bu/Gr. wird
109887/05A5
wird, dessen Zündwinkel durch ein RC-Zeltglled gesteuert
wird. Der Netzschalter und der Trigger sind gewöhnlich ein Triac bzw. ein Diac. Der Regler enthält außerdem
einen Generator, welcher kontinuierlich das Zeitglied mit geregelten Spannungsimpulsen versorgt, die mit der
Netzwechselspannung synchron sind, sowie eine Steuervorrichtung, welche direkt in das Zeitglied eine veränderliche
Steuerspannung gibt. Die Steuerspannung wird den Spannungsimpulsen überlagert und hat die Wirkung,
P daß der Zündwinkel des Dlacs um einen Betrag verändert wird, welcher von deren Größe abhängt. Da die Länge des
Teiles jeder Halbperiode, während welcher der Triac leitet, sich mit dem Zündwinkel des Diacs ändert, hängt die vom
Motor empfangene Leistung und infolgedessen die Motordrehzahl von der Größe des Steuersignals ab.
Wenn der Regler in einer Steueranlage mit hoher Leistung
verwendet wird, beispielsweise als Regler in einem techt
niechen Verfahren, wobei der Motor ein Strömungsregelventil
einstellt, so wird er in einen negativen Rückkopplungskreis eingebaut und die Steuerspannung 1st ein Fehlersignal,
welches der Differenz sswischen dem gewünschten und dem
; tatsächlichen Zustand des Endsteuerelements entspricht«
■ Da gewöhnlich eine hohe Schleifenverstärkung zur Verminderung
des Unwirksamkeitsbereiches erforderlich 1st,
muß
109887/05*5
muß das Pehlersignal verstärkt werden, bevor es auf das Zeit glied gegeben wird. Bei dem gerade beschriebenen
Regler erfordert diese Bedingung den Einschluß einer getrennten, geregelten Spannungsquelle für den Fehlersignalverstärker.
Dies ist offensichtlich teuer.
Der vorgeschlagene Regler ist auch für die Verwendung
in Anlagen mit hoher Leistung ungeeignet, da er nicht auf wirtschaftliche Weise den für geringe Unwlrksamkeits- ^
bereiche erforderlichen Grad der Spannungsregelung erzeup-en
kann. Der Grund dafür liegt darin, daß der Impulsgenerator eine Gleichrichterbrücke mit zwei Widerstandsarmen
verwendet. Er muß daher mit einer geregelten Eingangsleistung versorgt werden, welche wesentlich höher
ist als die Zündspannung des Diacs. Da sich die Wirkungsweise der Zenerdioden-Rege!vorrichtungen verschlechtert,
wenn die Nennspannung steigt, kann ein annehmbarer Regelungsgrad nur durch die Verwendung mehrerer in Reihe geschalteter
Zenerdioden mit niedriger Spannung erzielt werden. f
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Verringerung der für die Verstärkung des Eingangssignals in Reglern der
erwähnten Art aufzuwendenden Kosten. Erfindungsgemäß wird
dieses Ziel erreicht, indem der Signalverstärker, der Spannungsregler und der Impulsgenerator zu einer einzigen,
einheitlichen
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einheitlichen Schaltung zusammengefaßt wird. Diese Anordnung ist wirtschaftlicher als die vorgeschlagene
Anordnung, da gemeinsame Bestandteile die drei Punktionen der Erzeugung der Zeitgeberimpulse, der Regelung der
Netzspannung und der Lieferung von Spannung für den Verstärker ausführen. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird in der kombinierten Vorrichtung eine Gleichrichterbrücke
mit vier Dioden verwendet, welche nicht nur die Verwendung von Zener-Regeldioden mit einer
P enger an der Zündspannung des Diacs liegenden Nennspannung
ermöglicht und dadurch eine bessere Spannungsregelung ergibt, sondern auch billiger ist als die
Brücke des bereits vorgeschlagenen Reglers. Der Preisunterschied beruht auf der Tatsache, daß die vier Dioden
als vorgepackte Einheit gekauft werden können, welche weniger kostet und leichter einzubauen ist als die beim
vorgeschlagenen Regler verwendeten einzelnen Widerstände und Dioden. Die bevorzugte Ausführungsform ist auch durch
^ wirksame Spannungsregel- μηα Impulserzeugungsanordnungen,
welche die WärmeVerluste auf einem Minimum halten, und durch Isolieranordnungen gekennzeichnet, welche die Erzeugung
von Erdschleifen ausschließen.
Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt
Figur 1
109887/0545
-p-
Pigur 1 eine Schaltskizze einer Ausführungsform eines
vollständigen Reglers mit der bevorzugten Verstiirkungs-,
Impulserzeugungs- und Spannungsregelvorriehtung,
Figur 2 eine Schaltskizze einer anderen Ausführungsform des statischen Netzschalters,
Figur 3 eine Teilschaltskizze einer anderen Ausführungsform des in Figur 1 gezeigten Reglers, bei welcher
Wärmeverluste verringert und die Entstehung von Erd- M
schleifen ausgeschlossen werden, und
Figur 4 eine Schaltskizze einer Anordnung, durch welche
Erdschleifen in Reglern mit der Hetzschalteranordnunf;
gemäß Figur 2 verhindert werden können.
Der in Figur 1 gezeigte Regler ist mit einem Hauptschlußmotor
verbunden, dessen Rotor 11 und Feldspule 12 in einen die Leitungen L. und L~ sowie den Triac 13 uufassenden
IJechselspannungskreis geschaltet sind. Eina der /lcklungen "
des Motors, in diesem Fall der Rotor 11, ist parallel zu
den Ausgangsklemmen eines Brückenrleichrichtors lh t~eschaltet.
Diese Anordnung ermöglicht eine UmkehHtnr' der
Drehrichtung des iiotors. Dor Triac 13 wird von einem Diac
c:teuert; v/elchca in entgegengesetzten Cichtun, on durch
ImpuLüe
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Impulse r:ezündet wird, die von einem RC-Zeitglied 16
geliefert werden. Dieses Zeitglied empfängt netzsynchronisierte Spannungsinipulse von der Verstärkung-,
Impulserzeugungs- und Regelvorrichtung 17. Der Ausgang der Vorrichtung 17 besitzt die Form einer abgekappten
Sinus'welle., welche im stationären Zustand oder bei Nullpunkts
abwände rung um die Null-Volt-Achse symmetrisch
ist und eine Amplitude besitzt, welche entweder nicht ausreicht, das Zeltglied 16 zum Zünden des Diacs 15 zu
^ veranlassen, oder welche ermöglicht, daß das Zeitglied
den Diac 15 sehr spät in jeder Kalbperiode zündet. Unter Einschwingbedingungen erzeugt die Vorrichtung 17 eine
asymmetrische Ausgangswelle, welche bezüglich der Null-Volt-Achse um einen Betrag und in einer Richtung verschoben
ist, die von der Größe und der Polarität des vom Summierglied 18 gelieferten Fehlersignals abhängen.
Diese effektive Verschiebung der Ausgangswelle bewirkt, daß das Zeitglied l6 den Diac 15 bei Halbperioden einer
Polarität früher zündet und ein Zünden des Diacs bei den
ψ entgegengesetzten Halbperioden des Wechselstromes vollständig
verhindert.
Die Verstärkungs-, Impulserzeugungs- und Regelvorrichtung weist einen Funktionsverstärker 19 auf, der eine gemeinsame
Klemme 21, an welcher eine Leitung 22 befestigt ist,
positive 10 0 8 8 7/0545
6AD
positive und negative Eingangsklemmen 23 bzw. 24,
welche mit den Sumriierglied 18 bzw. der Leitung 22
verbunden sind, eine Ausgangs klemme 25, Vielehe zum
Zeitglied 16 führt, plus- und minus-ITetzspannungskleinmen
26 und 27 sowie eine Abgleichklemme 28 besitzt. Der Verstärker ist mit einem Rückkopplungsllebenzweig
versehen, welcher einen Widerstand 29 enthält, und ein zweiter VJiderstand 31 ist in den Kreis
der negativen Eingangsklemme 21 geschaltet. Das Verhältnis der Großen dieser Widerstände bestimmt den ^
Gewinn des Verstärkers 19 im stationären Zustand und dieser Gewinn ist hoch genug angesetzt, um zu gewährleisten,
daß der Verstärker im nichtlinearen oder gesättigten Zustand arbeitet. Die Verstärkungswiaerstfnde
und 31 sind durch Kondensatoren 32 bzw. 33 überbrückt, welche so bemessen sind, daß der für einen stabilen
Betrieb erforderliche Grad von Voreil-liacheil-Ausgleich
erzielt wird.
Der Funktionsverstärker 19 wird mit Spannung von einer Gleichrichterbrücke 31J versorgt, welche einen Eingongsteil
35j der mit der Leitung L^ über einen Strombegrenzerviiderstand
36 verbunden ist, einen zweiten Eingangsteil 37, der direkt mit der Leitung L. Verbunden ΙνΛ . einen positiven
Ausgangsteil 38 und einen negativen Ausgangsteil 39 sowie
vj_er
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vier Verbindungsarme aufweist, die Dioden 4l, 4la, 4lb
und 4lc enthalten. Die Ausgangsspannungen der Brücke werden durch ein Paar von Zener-Dioden 42 und 43 geregelt,
deren eine zwischen die gemeinsame Leitung 22 und den Ausgangsteil 38 und deren andere zwischen die gemeinsame
Leitung und den Ausgangsteil 39 geschaltet ist. Ein Glättungskondensator 44, welcher zwischen die beiden
Ausgangsteile 38 und 39 geschaltet ist, filtert die zum
Verstärker 19 gelieferte Spannung.
Bei Betrieb ist der Elektromotor so angeschaltet, daß er eine Last, beispielsweise ein Strömungsregelventil,
einstellt und einen Einstellungs-Rückkopplungssignalerzeuger 45 antreibt. Wenn die Last sich in einer dem
vom Generator 46 erzeugten Steuersignal entsprechenden Stellung befindet, empfängt der Verstärker 19 keinen
Eingang vom Summierglied 18 und die Spannungen an der Ausgangsklerrjne 25 und der gemeinsamen Klemme 21 sind
gleich. Unter dieser Bedingung liefert die Vorrichtung eine symmetrische Ausgangswelle zum Zeitglied 16. Während
jeder Halbperiode der Wechselspannung wird der Kondensator 16a in der einen oder anderen Richtung geladen, aber die
am Kondensator liegende Spannung erreicht entweder nicht die Zündspannung des Diacs 15 oder sie erreicht diesen
V/ert sehr spät in der Halbperiode. Daher zündet der Triac
entweder
109887/054$
entweder nicht und der Motor bleibt stehen oder der Triac
wird für eine kurze Zeit am Ende jeder Halbperiode leitend und der Motor zittert (d.h. sucht sich in entgegengesetzten
Richtungen bei aufeinanderfolgenden positiven und negativen Halbperioden zu drehen).
Wenn etas vom Generator 46 gelieferte Steuersignal erhöht
wird und das Summierglied 18 ein Fehlersignal erzeugt, erhöht der Verstärker 19 die Spannung an der Ausgangsklemme
bezüglich der Spannung an der gemeinsamen Klemme 21. Dies %
hat die Wirkung,.daß die Ausgangswelle der Vorrichtung 17 so verschoben wird, daß die Größen der positiven bzw. negativen
Impulse erhöht bzw. erniedrigt werden. Nun wird bei jeder Halbperiode, in welcher die Leitung Lp bezüglich der Leitung
L. positiv ist, der Kondensator l6a auf die Zündspannung
des Diacs 15 aufgeladen und der letztere gibt einen kurzdauernden positiven Impuls mit hoher Stromstärke auf das
Gatter des Triacs 13. Infolgedessen wird der Triac in Richtung der Leitung L^ leitend gemacht und es fließt ein a
Strom durch die Feldwicklung 12, die Diode l4a, den Rotor und die Diode l4b. Bei den negativen Halbperioden, d.h. wenn
die Leitung L^ bezüglich der Leitung L2 positiv ist, laden
die auf das Zeitglied 16 gegebenen negativen Impulse den Kondensator l6a nicht auf die Zündspannung des Diacs 15 auf
und der Triac 13 bleibt nichtleitend. Da unter diesen Um
ständen
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- ίο -
ständen der iiotor Spannung nur in den positiven HaIbperioden
empfängt, dreht er sich in einer Richtung. Die Drehzahl hängt von der Länge des Teils Jeder positiven
Halbperiode ab, während dessen der Triac leitend ist, und dieser ist seinerseits eine Funktion der Größe des
auf den Verstärker gegebenen Fehlersignals.
Wenn das vom Generator 46 gelieferte Steuersignal unter das Rückkopplungssignal erniedrigt wird, wird die Polari-
™ tat des auf den Verstärker 19 gegebenen Fehlersignals umgekehrt
und die Spannung an der Ausgangsklemme 25 wird unter diejenige an der gemeinsamen Klemme 21 abgesenkt.
In diesem Fall wird die Größe des positiven Teils der auf das Zeitglied 16 gegebenen Ausgangswelle verringert und
die Größe des negativen Teils wird vergrößert. Daher zündet der Diac 15 nunmehr nur bei den negativen Halbperioden
(d.h. wenn die Leitung L. bezüglich der Leitung L2 positiv ist) und der Triac 13 wird in Richtung der
fc Leitung Lp leitend gemacht. Unter diesen Umständen fließt
ein Strom im Netzkreis durch die Diode l4c, den Rotor 11,
die Diode I1Id und die Feldwicklung 12 und der Motor dreht
sich in der entg_egengesetzten Richtung. Wie im vorhergehenden Fall hängt die Drehzahl von der Größe des Fehlersignals
ab.
Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform der Verstärkungs-,
Signalerzeugung^ -
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Signalerzeugungs- und Regelvorrichtung 17 wird bevorzugt }
aber einige ihrer Teile können abgeändert v/erden, beispielsweise
kann der Funktionsverstürker 19 durch einen Linearverstärker in solchen Fallen ersetzt werden, in
denen kein Voreil-Kacheil-Ausgleich erforderlich ist, und die oberen Dioden 4Ib und 4Ic der "rücke 34 kennen
durch Spannungsabfall-Widerstände ersetzt v/erden, wenn
die sich ergebenden EnergieVerluste, erhöhten Kosten und
Wärmewirkungen zugelassen werden können. Die dargestellte
Spannungsregelanordnung ergibt eine ausgezeichnete Regelung, da die Zenerdioden 42 und 43 nur auf 15 Volt
ausgelegt "erden nüssen, aber in Fällen, in denen die Anforderungen an den Unwirksamkeitsbereich geringer sind
und eine schlechtere Regelung ausreichend ist, können die Dioden 42 und 43 durch Spannungsabfall-VJiaerstrnde
ersetzt werden und eine einzige 30 Volt-Zenerdioae kann
parallel zu den Lrückenausgangsteilen 33 und 39 geschaltet
werden, natürlich weist diese Ausführungsform Energieverluste
auf und es können Wärmeabführungsprobleire auf treten. ä
Es wirci vielter bemerkt, daß bei den umkehrbaren Mis-führungsformen
der erfindungsgei.'äßen Anordnung der Diac
durch andere statische Triggeranordnungen_. wie einen in
zwei Richtungen wirksamen Giliciumschalter (silicon bidirectional switch), und der Triac 13 durcJi ein Pi-ar
VCl)
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von steuerbaren Siliciumgleichrichtern ersetzt werden
kann, Vielehe durch einen Impulsumformer gesteuert werden. Die letztgenannte Ausführungsform ist in Figur 2 dargestellt,
wobei die beiden steuerbaren Siliciumgleichrichter 47 und 48 in der Gleichrichterbrücke 14 enthalten
sind und dadurch zwei der vorher in dieser Schaltung verwendeten Dioden überflüssig machen. Die steuerbaren
Siliciumgleichrichter 47 und 48 werden in den positiven bzw. negativen Halbperioden durch Impulse gesteuert, Vielehe
^ in den Sekundärwicklungen eines Impulsumformers 49 erzeugt
werden, dessen Primärwicklung in einen Kreis geschaltet ist, der durch den Diac 15 gesteuert wird.
Der in Figur 1 gezeigte Regler ist zwar für die meisten Fälle zufriedenstellend, er erzeugt Jedoch eine beträchtliche
Wärmemenge, welche vom Widerstand 36 abgeleitet wird. Dies ist so, weil der die Vorrichtung 17, das Zeitglied l6
und den Diac 15 enthaltende Steuerteil bei einer wesentfc
lieh unter der Netzspannung liegenden Spannungshöhe arbeitet und die Funktion der Spannungsverringerung lediglich durch
den VJiderstand 36 ausgeführt wird. Der Leistungsverlust ist so groß, daß der Widerstand 36 eine Nennleistung von 10 Watt
aufweisen muß. Dieser Nachteil wird bei dem in Figur 3 gezeigten, bevorzugten Regler beseitigt, bei welchem ein Abwärtstransformator
51 verwendet wird, um die auf den Steuerteil 109887/0545
teil gegebene Spannung auf etwa 60 Volt zu verringern. Bei dieser niedrigeren Spannungshöhe kann die Nennleistung
des Widerstandes 36 auf 5 Watt verringert werden. Die Einschaltung des Transformators 51 und
des zugehörigen Transformators 52, welcher den Diac 15
mit dem Gatterkreis des Triacs 13 koppelt, beseitigt alle Gleiehstromzweige zwischen dem Steuerteil'' und den
ließleitungen L^ und L- und verhindert daher Erdschleifen
in den Fällen, in denen der Signalgenerator 46 eine Gleichspannungsverbindung zwischen der Signalausgangsleitung
und der Wechselspannungsleitung hat. Diese Isolierungsanordnung kann auch in Reglern angewendet
werden, welche die I ;etzsehaltvorrichtung gemäß Figur 2
verwenden. In diesem Fall muß jedoch nur der Transformator 51 hinzugefügt werden, da der Impulsumformer 49,
wenn er in der in Figur 4 gezeigten V/eise angeschlossen ist, notwendigerweise die Gleichspannungs-Isolierwirkung
am Ausgangsende des Steuerteils ausführt.
Pa i-^iitans ρr üci ιe
1098Ö7/0 545
Claims (5)
- - i4 -PatentansprücheRegler für einen Gleichstrom- oder Allstrommotor, gekennzeichnet durch einen VJechselspannungs-lJetzkreis (L^, L2), welcher den Motor (11, 12) enthält und durch eine statische, gattergesteuerte iietzschaltanordnung (13 oder 47 bis 49) gesteuert ist: eine statische Triggeranordnung (15) zum Steuern der Schaltanordnung; eine Gleichrichterbrücke (34) mit einem positiven und negativen Ausgangsteil (38 und 39), einem ersten und zweiten Eingangsteil (35 und 37), Vielehe mit dem V/echselspannungs-Netzkreis verbunden sind, zwei Armen, v/eiche die Ausgangsteile mit dem ersten Eingangs teil (35) verbinden und Spannungsabfalleinrichtungen (4Ib und 1Hc) enthalten, und mit zwei Armen, welche die Ausgangsteile mit dem zweiten Eingangsteil (37) verbinden und umgekehrt geschaltete Dioden (4l und 4la) entholten j einen Strombegrenzerv/iderstand (36) in der Verbindung zwischen dem ersten Eingangsteil (35) und dem V/echselspannungs-IIetzkreis; einen Verstärker (19) mit einer positiven und negativen Zuleitungsklemme (26 und 27), welche mit dem positiven bzw. negativen Ausgangstell109887/0545BADteil verbunden sine, sov:ic mit einer Eingangs-, Ausgangs- und einer je-.ieinsair.cn Klerjue (23, 25 und 21)-, eine Zenerdioden-Sparinungsre: eleinrichtung (42, 43), '..'eiche die geneinsane Klerirne (21) rit den beiden Aus; angsteilcn (3<3 una 39) verbindet una zur Regelung cer L'.pannunf zwischen jeden Aus, anr;steil und der [;ene ins amen Kler.ii.ie dient; ein Zeitglied (Ib) zur Steuerung des Zündv/inkels der Trinfseranordnunp (15), violches zwischen die Ausfan;-sklemne (25) des Verstärkers und den zweiten Lin^an^steil (37) peschaltet ist: und durch eine Einrichtung (l8, 45j 46) ζχχτλ Aufgeben einer veränderlichen Steuerspannunr·; zwischen die Eingangs klemme (23) und die f:eneinsanie Klemme (21) des Verstärkers (19)·
- 2. Repler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannunpsabfallvorrichtunpren in den zwei Armen der brücke (34) umgekehrt geschaltete Dioden (4lb und 4lc)sind.
- 3. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannun":sregeleinrichtung, ein Paar von Zenerdioden (42 und 43) auf vielst, welche zwischen die reueins^me Klemme (21) und aie beiden Aus^angsteile OcJ und 39) geschaltet sind.
- 4. Regler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, <Ί·>Ρ109887/0545 ''■'-'■BADdie Eingangsteile (35 und 37) der Brücke mit dem Wechselspannungs-lJetzkreis über einen Abwärtstransformator (51) verbunden sind und daß die statische Triggeranordnung (15) mit dem Gatter der Netzschalteinrichtung (13 oder 47, 48) über einen Transformator (52 oder 49) gekoppelt ist.
- 5. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ™ die Spannungsabfallvorriclt ungen in den zwei Armender Brücke umgekehrt geschaltete Dioden (4lb und 4lc) sind, die Spannungsrege!einrichtung ein Paar von Zenerdioden (42 und 43) aufweist, welche zwischen die gemeinsame Klemme (21) und die beiden Ausgangsteile (38 und 39) geschaltet sind, die Eingangsteile (35 und 37) der Brücke mit dem Wechselspannungs-Netzkreis über einen Abwärtstransformator (51) verbunden sind und daß die statische Triggeranordnung (15) mit dem Gatter der Hetz- ^ schalteinrichtung (13 oder 47, 48) über einen Transformator (52 oder 49) gekoppelt ist.109887/0545
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|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |