DE2409780A1

DE2409780A1 - Strombegrenzungsschaltung fuer einen gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2409780A1
Application number: DE2409780A
Authority: DE
Inventors: Edward Herman Dinger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-03-06
Filing date: 1974-03-01
Publication date: 1974-09-12
Also published as: GB1466762A; JPS5411491B2; US3812409A; JPS5024725A; DE2409780C2; CA959924A

Description

Strombegrenzungsschaltung für einen Gleichstrommotor

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Stromsteuerschaltungen für Gleichstrommotoren und insbesondere eine solche Steuerschaltung für einen Gleichstrommotor, welche es gestattet, die Stromstärke vorauszusagen, welche in dem Armaturkreis fließen
wird, und zwar durch eine Begrenzung des Zeitraums, in dem gesteuerte Gleichrichter einer als Versorgungsquelle dienenden
Brücke stromdurchlässig sind. Auf diese Weise wird verhindert, daß auch nur vorübergehend Stromwerte erreicht werden, welche die Bauteile der Schaltung, insbesondere die Gleichrichterbrücke beschädigen könnten.

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Die gesteuerten Gleichrichter, welche zur Zeit am häufigsten benutzt werden, sind Halbleitereinrichtungen, welche allgemein als Thyristoren bezeichnet werden. Der üblichste Thyristor ist eine solche Einrichtung, welche auch unter dem Namen "gesteuerter Siliziumgleichrichter¹¹ bekannt ist. In der nachfolgenden Beschreibung wird der Ausdruck "Thyristor" verwendet, wobei dieser Ausdruck jedoch ausdrücklich benutzt wird, um gesteuerte Gleichrichter allgemein zu bezeichnen. Ein Thyristor läßt normalerweise den Strom nur in einer Richtung durch und der Stromdurchlaß wird durch die gleichzeitige Zuführung einer Vorspannung in Durchlaßrichtung über der Anode und der Kathode und eines Gitter- oder Zünd- oder Gattersignals ausgelöst, welches einer dritten oder Gatterelektrode zugeführt wird. Nachdem der Stromdurchlaß ausgelöst ist, wird der Thyristor so lange weiter Strom durchlassen, bis die an seiner Anode und Kathode zugeführte Spannung auf einen ausreichend niedrigen Wert geht, um den Thyristor zu löschen. Dieser Wert liegt gewöhnlich bei etwa null Volt.

Thyristoren sind wie viele elektrische Einrichtungen mit Stromdurchlaß bekanntlich besonders anfällig für Beschädigung durch Stromstärken oberhalb ihrer Stromdurchlaßfähigkeit. Dies gilt selbst für solche vorübergehende oder kurzzeitige Stromstärken. Andererseits können solche Einrichtungen wie Motoren gewöhnlich eine beträchtlich über ihrem Nennwert liegende Stromstärke während kurzer Zeitperioden ohne Beschädigung aushalten.

Es ist bekannt, daß die Drehzahl eines Gleichstrommotors durch Steuerung der ihm zugeführten effektiven Spannung gesteuert werden kann. Ein Verfahren zur Erreichung einer solchen Steuerung besteht darin, daß dem Motor Leistung aus einer Wechselstromquelle über eine Vollweg-Gleichrichterbrücke zugeführt wird, um die Spannung zu steuern, kann die Brücke mindestens zwei Thyristoren in den beiden Hauptleitungswegen verwenden, und die effektive Spannung, welche dem Motor zugeführt wird, wird dadurch abgeändert, daß der Anteil des Zeitraums verändert wird, in dem die Thyristoren

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stromdurchlässig sind. Dies ist im Stand der Technik als Phasensteuerung bekannt und wird dadurch bewerkstelligt, daß der Phasenwinkel, bezogen auf die Wechselspannungsquelle, verändert wird, bei dem die Thyristoren stromdurchlässig gemacht oder "gezündet" werden. Unter Änderung des Phasenwinkels ist dabei zu verstehen, daß der Thyristor zu irgendeinem vorgewählten Zeitpunkt in der zugeführten Halbperiode gezündet wird. Dies ermöglicht eine Änderung der effektiven Spannung, da diese über den GesamtZeitraum gemittelt wird.

Es ist ebenfalls bekannt, irgendeine Form eines überstromschutzes in dem Motorkreis vorzusehen, um die verschiedenen elektrischen Bauteile einschließlich der Thyristoren der als Versorgungsquelle der Armatur dienenden Brücke zu schützen. Die übliche Methode zur Erreichung dieses Schutzes besteht darin, an der Armatur eine Spannung zuzuführen und dann die Stromstärke zu messen, welche in der Armatur fließt. Diese Stromstärke wird dann mit einem vorgegebenen Bezugswert verglichen und der Zündwinkel der Thyristoren wird in der angemessenen Richtung nachgestellt, um den erwünschten Strom zu erzielen. Dieses System einer Stromsteuerung besitzt einen Hauptmangel darin, daß der Stromfluß in der Schaltung, in diesem Falle in der Motorarmaturwicklung, zunächst eingeleitet wird, bevor eine richtige Regelung vorgenommen wird. Das heißt, der Strom muß erst in der Schaltung vorhanden sein, um gemessen zu werden. Wenn diese Stromstärke eine ausreichende Amplitude und Dauer besitzt, dann kann eine Beschädigung erfolgen, bevor angemessene Regelschritte ausgeführt worden sein können. Es war demgemäß im Stand der Technik üblich, zwecks Verhinderung einer Beschädigung an den Gleichrichtern der Brücke Thyristoren mit einer bedeutend größeren Stromdurchlaßfähigkeit vorzusehen, als sie normalerweise erforderlich gewesen wären, um auf diese Weise zu verhindern, daß die wahrscheinlich auftretenden überströme mit einer gewissen Amplitude und Dauer nicht ausreichen, um diese Thyristoren zu beschädigen. Da die Kosten für einen Thyristor normalerweise von seiner Stromdurchlaß-

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-H-

fähigkeit abhängig sind, ergibt dies unnötige Kosten. Weiterhin gestattet dieses System einen über der erforderlichen Spannung und Stromstärke liegenden Wert, welcher eine Neigung dazu be- . sitzen kann, ein willkürliches Geschwindigkeitsprofil für den Motor zu ergeben.

Die vorstehenden Mängel des Standes der Technik werden durch das Steuersystem nach der vorliegenden Erfindung beseitigt, welches die Stromstärke voraussagt, die bei einem gegebenen Motor und einem gegebenen Zündwinkel fließen wird. Dies wird in der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß die Beziehung zwischen dem Thyristorzündwinkel, dem Armaturstrom und auch noch den konstruktiven Kenneigenschaften des Motors erkannt wird, beispielsweise offene oder eingeschlossene Konstruktion, die Art des Isolationssystems und die Grunddrehzahl des Motors. Da der für die Beschränkung der Stromstärke erforderliche Zündwinkel eine Punktion der Betriebsdrehzahl ist und weiterhin bekanntlich die rückwirkende ArmatUrspannung (Gegen-EMK) proportional der Motordrehzahl ist, kann der Zündwinkel der Thyristoren gesteuert werden auf der Basis der vorhandenen Gegen-EMK des Motors und der bekannten Motorkenneigenschaften. Dies wird in der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß ein Signal repräsentativ für die ArmatUrspannung (Gegen-EMK) in richtiger Weise abgemessen wird (scaled) und dieses abgestufte oder abgemessene Signal mit einem Bezugssignal verglichen wird, welches gemäß den elektrischen Konstruktionskenndaten des Motors eingestellt wird. Dieser Vergleich wird dann benutzt, um den größten Zeitpunkt zu ermitteln, an dem die Thyristoren zur Brücke gezündet werden können.

Figur 1- ist eine schematische Darstellung der Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung als Anwendungsfall für einen Steuerkreis eines Gleichstrommotors.

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Die Figuren 2-5 zeigen Wellenformen, welche mit der gleichen Zeitbasis gezeichnet sind und zum besseren Verständnis der Erfindung dienen.

Die Figur 6 zeigt eine ausführliche Schaltzeichnung mit einer möglichen Ausführungsform eines der Elemente, welche in Blockform in Figur 1 gezeigt sind.

Die Figur 1 zeigt eine Wechselspannungsquelle 10, über die eine Vollweg-Dioden-Gleichrichterbrücke 12 geschaltet ist, deren Ausgang gleichgerichtete Wechselstromleistung an die Feldwicklung eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors 1*1 liefert. Eine zweite Vollweg-Gleichrichterbrücke l8 ist ebenfalls über die Leistungsquelle 10 geschaltet und ihr Ausgang wird einer Armaturwicklung des Motors lh zugeführt. Die Brücke 18 besteht vorzugsweise aus vier Thyristoren, welche in ein erstes Paar Thyristoren 21 und und ein zweites Paar Thyristoren 24 und 26 unterteilt sind. Die Thyristorpaare der Brücke 18 werden selektiv stromdurchlässig gemacht durch Zuführung eines geeigneten Zündimpulses, welcher ihren einzelnen Zünd- oder Gatterelektroden aus einer Zündschaltung 28 zugeführt wird. Wie in Figur 1 dargestellt, werden die beiden Thyristoren jedes Paars gleichzeitig gezündet.

Die Thyristor-Zündschaltung 28 wird nicht im einzelnen gezeigt, da ihre Einzelheiten keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung bilden und viele solcher Zündschaltungen an sich bekannt sind. Prinzipiell ist die Thyristor-Zündschaltung 28 steuerbar, so daß sieden richtigen Paar von Thyristoren der Brücke 18 einen Impuls an einer erwünschten Stelle in den jeweiligen Halbperioden der zugeführten Eingangswechselspannung zuführt. Der Punkt, an dem dieser Impuls zugeführt wird, kann eine Funktion e„iner geeit^r.' - Handeinstellung sein oder kann durch irgendeinen anderen Betriebsparameter des Motors in einer solchen Weise bestimmt werden, daß mit der Änderung des Winkels, an dem Thyristoren gezündet werden, die an der Motorarmatur zugeführte effektive

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Spannung verändert wird und die Drehzahl und die Stromstärke des Motors ebenfalls entsprechend geändert werden.

Es ist zu beachten, daß die Brücke 18 aus vier Thyristoren besteht. Sie unterscheidet sich hierin von der Brücke, die allgemein im Stand der Technik verwendet wurde und aus zwei Thyristoren und zwei Dioden besteht. Im Stand der Technik ist auch normalerweise eine Freilaufdiode enthalten, welche parallel zur Armatur geschaltet ist, wie dies noch näher in der gleichzeitig hinterlegten deutschen Patentanmeldung P (US Serial Nr.

338615) der Anmelderin mit dem Titel "Steuerschaltung für die Drehzahl eines Gleichstrommotors" ausgeführt ist. Grundsätzlich gestattet jedoch die Vollwegbrücke mit Verwendung von vier Thyristoren das Weglassen der im Stand der Technik bekannten Freilaufdiode und gestattet weiterhin das Bestehen einer umgekehrten Spannung über der Armatur des Motors.

Eine geeignete Einrichtung ist zur Erfassung oder als Meßfühler für die ArmatUrspannung vorgesehen. In der dargestellten Ausführungsform ist diese Einrichtung als Spannungsteiler-Netzwerk gezeigt, welches parallel zur Armatur geschaltet ist und aus zwei Widerständen 30 und 32 besteht. Die beiden Widerstände 30 und 32 besitzen normalerweise einen hohen Widerstandswert, um das Auftreten irgendeines merklichen Stroms durch diese Widerstände zu verhindern. Andererseits sind sie so bemessen, daß an ihrem Verzweigungspunkt 3^ ein Signal erscheint, welches proportional zur Spannung über der Armatur ist.

Wie in Figur 1 gezeigt, ist eine Phasenschieberschaltung 36 über die Wechselspannungsquelle 10 geschaltet, um auf der Leitung 38 ein Ausgangssignal zu liefern, welches eine vorgegebene Phasenverschiebung bezüglich der Phase der Quelle 10 anzeigt. Die Phasenschieberschaltung 36 kann irgendeine der an sich bekannten Schaltungsarten sein, einschließlich Widerstands-Reaktanz-Netz-

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werke. Vorzugsweise wird jedoch eine solche Schaltung verwendet, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 23 47 030.6 der Anmelderin beschrieben ist.

Das Signal auf der Leitung 38 bildet ein Eingangssignal für einen geeigneten Rampenfunktionsgenerator 40 und gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient dieses Signal dazu, den Betrieb des Rampenfunktionsgenerators an einem vorgeschriebenen Punkt in jeder Halbperiode der Spannung der Quelle auszulösen mit einer Frequenz, welche doppelt so groß ist wie die Frequenz der Quelle 10. Das Ausgangssignal des Rampenfunktionsgenerators 40 erscheint auf der Leitung 42 und bildet einen Eingang zu einem Summierungspunkt 44 mit zwei Eingängen. Der zweite Eingang zum Summierungspunkt 44 erfolgt über eine Leitung 46, welche ein Signal führt, das den Wert der Spannung über der Armatur 20 von dem Spannungsteilernetzwerk (Punkt 34) wiedergibt. Auf einer Ausgangsleitung 48 der Summierungsverbindung 44 erscheint daher ein Signal, welches die algebraische Summe der Signale vom Rampenfunktionsgenerator 40 und vom Spannungsteiler ist.

Das Signal auf der Leitung 48 von dem Summierungsverbindungspunkt 44 bildet einen Eingang für eine Signalvergleichssehaltung 50. Die Signalvergleichsschaltung 50 ist eine solche Schaltung eines Typs, welcher durch die Art der Eingangssignale bestimmt ist. Diese können entweder Spannungssignale oder Stromsignale sein. Ein zweites Eingangssignal zur Signalvergleichsschaltung 50 erfolgt über die Leitung 52 von einem Schleiferarm 54 eines Bezugspotentiometers 56. Das Bezugspotentiometer 56 wird noch im einzelnen nachstehend beschrieben und jst über eine geeignete Spannungsquelle geschaltet, welche hier zur Vereinfachung in Form einer Batterie dargestellt ist.

Das Ausgangssignal der Signalvergleichsschaltung 50 wird über eine Leitung 60 der Thyristor-Zündschaltung 28 zugeführt. Das Signal auf der Leitung 60 dient dazu, den Betrieb der Thyristor-Zünd-

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— ο —

schaltung unabhängig von der Anweisung durch deren normale Steuerung bis zu demjenigen Zeitpunkt zu hemmen, an dem das Signal auf der Leitung 48 das Signal auf der Leitung 52 übersteigt. Das heißt j die Signalvergleichsschaltung 50 vergleicht zwei Signale auf den Leitungen 48 und 52 und liefert ein Signal an die Thyristor-Zündschaltung zur Verhinderung des normalen Betriebs dieser Zündschaltung bis zu dem Zeitpunkt^ an dem das Signal auf der Leitung 48 gleich oder größer ist als das Signal auf der Leitung 52.

Für den Fachmann ist hieraus ersichtlich, daß die resultierende Auswirkung des Verbindungspunktes 44 und der Schaltung 50 die Gesamtvereinigung der auf den Leitungen 42, 46 und 52 vorhandenen Signale ist. Für die bevorzugte Ausführungsform ist diese Gesamtvereinigung als ein zweistufiger Vorgang dargestellt. Die resultierende Auswirkung könnte jedoch auch in einer einzigen geeigneten Summierungsschaltung erreicht werden, deren Ausgang dann dem Ausgangssignal entsprechen würde, welches auf der Leitung 60 der abgebildeten Ausführungsform erscheint.

Vor dem Beginn einer ausführlichen Beschreibung der Arbeitsweise der Erfindung gemäß der Darstellung in Figur 1 werden zunächst die Kurvenabbildungen nach Figur 2 bis 5 und ihre Beziehung zu der Schaltung nach Figur 1 erläutert. Die Figur 2 zeigt zunächst die Wellenform der Vollweg-gleichgerichteten Spannung (V) der Quelle 10. über dieser Abbildung überlagert ist ein schraffierter Bereich, welcher eine typische Spannung über der Armaturwicklung 20 darstellt. Dies wird noch im einzelnen in der zuvor erwähnten

gleichzeitig hinterlegten deutschen Patentanmeldung P

der Anmelderin erläutert. Die Einfügung der vollständig aus Thyristoren bestehenden Brücke 18 gestattet das Auftreten einer negativen Spannung über der Armatur und gewährleistet, daß ein Zeitraum vorhanden ist, in dem der Armaturstrom Null ist, um hierdurch eine wahre Anzeige der Gegen-EMK des Motors zu erhalten. Die Gegen-EMK ist als der horizontale Teil des schraffierten Bereichs in Figur 2 dargestellt und ist bezeichnet mit

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Ein scharfer Anstieg im letzteren Teil jeder Halbperiode ist beispielsweise für die erste Halbperiode am Punkt A gezeigt und ist der Punkt, an dem ein Thyristor gezündet wird, um die Spannung von der Brücke an die Armatur zu legen. In Figur 2 erfolgt dieses Zünden bei etwa 120° innerhalb der Halbperiode oder in den auf diesem Gebiet gebräuchlichen Ausdrücken ausgedrückt beträgt der Zündwinkel etwa 60°.

Figur 3 zeigt typische Wellenformen des Armaturstroms für einen gegebenen Motor, wobei die Spannung nach Figur 2 zugeführt wird. Die mittlere Welle wurde mit I bezeichnet und zeigt die Stromstärke, welche bei einem Zündwinkel von etwa 60 auftreten würde. Die größere mit I ' bezeichnete Welle stellt den Strom dar, welcher

EL

in gleichem Motor bei einem geringfügig größeren Zündwinkel, beispielsweise 70° liegt. Die kleinere Wellenform I₀ ¹¹ würde im

Falle eines kleineren Zündwinkels von beispielsweise 50 auftreten.

Es wird erneut Bezug genommen auf die Figur 1. Wie dort ausgeführt, ist das Potentiometer 56 einstellbar, um ein Bezugssignal auf der Leitung 52 zu erhalten. Dieses Potentiometer ist so eingerichtet, daß es ein Bezugssignal liefert, welches dem Wert für einen vorgegebenen Zündwinkel zur Erzielung des erwünschten Armaturstroms entspricht. Es wird einstellbar gemacht, da verschiedene Motoren verschiedene Betriebskenndaten besitzen. Typischerweise können Motoren unabhängig von ihrer Größe in die drei grundlegenden Kategorien von Motoren eingeteilt werden, welche niedrige, mittlere und hohe Induktivität besitzen. Für einen gegebenen Motor besteht ein Zündwinkel, welcher als Funktion der Motordrehzahl programmiert werden kann. Diese bekannte Kennlinie eines Motors ist durch die nachstehende Tabelle veranschaulicht, in der der prozentuale Anteil der vollen Nenndrehzahl mit den Zündwinkeln verglichen wird, welcher zur Erzielung eines erwünschten prozentualen Anteils des Nennstroms, beispielsweise 150 % erforderlich ist.

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60	ο
70	ο
80	ο
90	O
100	O

- ίο -

in Prozent der Nenndrehzahl Zündwinkel für 150 '

der Nennstromstärke für die Armatur

0 25 50

75 100

Die Werte in der obigen Tabelle können als typisch für einen Motor mit mittlerer Induktivität betrachtet werden. Ein Motor mit hoher Induktivität könnte bei einer gleichen Art der Tabelle einen um 5 bis 10° größeren Zündwinkel für jede der angegebenen Prozentualanteile der Nenndrehzahl erfordern. Ein Motor mit niedriger Induktivität könnte einen um 5 bis 10° verminderten Zündwinkel erfordern. Die Einstellung auf dem Potentiometer stellt daher ein Grundprogramm für den verwendeten Motor dar. Dieses Programm, d. h. die Einstellung des Potentiometers, entspricht dann einem vorgegebenen prozentualen Anteil der Nennstromstärke bei einer vorgegebenen Drehzahl. Typischerweise ist dies ein Wert von 150 % der Nennstromstärke bei Stillstand oder Drehzahl Null des Motors. Alternativ zu dem gezeigten unendlich variablen Potentiometers 56 könnte ein System zum Betrieb mit einer begrenzten Zahl von Motoren ein mit Abgriffen versehenes Potentiometer enthalten, so daß dann eine vorgegebene Zahl von Einstellwerten verfügbar ist. Beispielsweise könnte ein solcher Einstellwert jeweils für Motoren mit niedriger, mittlerer und hoher Induktivität vorgesehen werden.

Die Figur 4 zeigt die Auswirkung der Änderungen der Induktivität verschiedener Motoren. Hier besitzen die drei Kurven für die Stromstärke alle den gleichen mittleren Wert, der beispielsweise 150 % des vollen Nennwertes der Stromstärke für Vollast sein kann. Die mittlere Stromkurve ist mit I bezeichnet und stellt die

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Stromstärke dar, welche bei einem Motor mit mittlerer Induktivität bei einem Zündwinkel von etwa 60° vorhanden ist. Ein Motor mit hoher Induktivität würde beispielsweise einen Zündwinkel von 70° erfordern, um die gleiche Stromstärke zu erzielen, wie dies durch die Kurve I₀ ¹ dargestellt ist. In ähnlicher Weise könnte

beispielsweise ein Motor mit niedriger Induktivität nur einen Zündwinkel von 50° erfordern, um den gewünschten Anteil der Nennstromstärke gemäß der Kurve I ' ' zu erzielen.

α.

Der Rampenfunktionsgenerator 40 nach Figur 1 ist so programmiert, daß er ein Signal liefert, welches zu dem Zeitpunkt innerhalb der Halbperiode für den Betrieb gleich dem Signal vom Bezugspotentiometer 56 ist, bei dem der richtige Thyristorzündwinkel zur Erzielung der oben beschriebenen Stromstärke erhalten wird. D. h. unter Annahme der Verwendung eines Motors mit mittlerer Induktivität/ welche 150 % der Nennstromstärke bei einem Zündwinkel von im Stillstand erreicht, wäre dann der Rampenfunktionsgenerator so ausgelegt, daß er ein Signal mit einer Amplitude gleich der Amplitude vom Potentiometer 56 an einem Punkt in dem Betriebszyklus liefert, der einem Zündwinkel von 60° entspricht (an einem Punkt von 120° in der Halbperiode). Dieser Gesichtspunkt ist in Figur 5 abgebildet, in welcher die horizontale Linie "REF" das Signal vom Potentiometer 56 auf der Leitung 52 zeigt. Die geneigte Linie S stellt das Signal von dem Rampenfunktionsgenerator 40 dar, welches etwa bei 30 in der Halbperiode^ wie zuvor erläutert, durch das Signal auf der Leitung 38 von der Phasenschieberschal-

nerators tung 36 ausgelöst wird. Das Aus gangs signal des Rampenfunk ti ons ge -.

steigt mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit an, so daß der Wert des Signals auf der Leitung k2 gleich dem Wert des Bezugssignals auf der Leitung 52 an dem richtigen Zündwinkel für den Stillstandszustand und den "verwendeten Motor ist. Im vorliegenden Beispiel erfolgt diese Schnittstelle am Punkt B und dieser repräsentiert einen Thyristorzündwinkel von 60°. Wenn ein Motor mit niedriger Induktivität verwendet würde, würde dann das Bezugs-

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potentiometer 56 so eingestellt, daß es ein geringfügig größeres Bezugssignal abgibt und der Schnitt der beiden Kurven würde zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen, beispielsweise an einem Punkt von 130° in der Halbperiode (Zündwinkel 50°). Wenn andererseits ein Motor mit einer hohen Induktivität verwendet würde, dann würde das Bezugspotentiomter so eingestellt, daß es ein kleineres Bezugssignal erzeugt, und der Schnitt würde zu einem früheren Zeitpunkt erfolgen. In dem hier verwendeten Beispiel wäre diese Schnittstelle dann bei 110° in der Halbperiode (Zündwinkel 70°).

Es wird erneut auf die Figur 1 Bezug genommen. Die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung ist die folgende. An einem Zeitpunkt in jeder Halbperiode, welcher durch die Phasenschieberschaltung bestimmt wird, wird auf der Leitung 38 ein Signal erzeugt, um den Betrieb des Ramp en funkt ions generators 40 auszulösen, welcher dann ein erstes Eingangssignal an den.Summierungspunkt 44 liefert. Das zweite Eingangssignal zum Summierungspunkt 44 ist das Signal auf der Leitung 46 und dieses ist proportional der Armaturspannung. Das Signal auf der Leitunpj46 wird in seinem Maßstab" richtig eingestellt, in einer solchen Weise, daß bei einem mit höherer Drehzahl als Stillstand oder Drehzahl Null laufenden Motor der Summierungspunkt 44 das Signal auf 46 zum Rampenfunktionsgeneratorsignal auf der Leitung 42 hinzu addiert. Das Signal auf der Leitung 48 wäre daher größer als das Ausgangssignal des Generators 40 und der Zeitpunkt, an dem die Signalvergleichsschaltung die Thyristorzündschaltung 28 freigeben würde, würde früher liegen. In der Figur 5 ist diese Auswirkung als Linie S¹' gezeigt, welche die Bezugssignallinie an einem Punkt D schneidet, der zeitlich früher liegt als der Punkt B. Die Gesamtauswirkung besteht darin, daß die Thyristoren der Brücke frühzeitiger in der Halbperiode gezündet werden und der Armatur 20 eine größere effektive Spannung zugeführt wird, um den Armaturstrom konstant zu halten. Wenn umgekehrt der Motor durch seine Last in der rückläufigen Richtung angetrieben wird, dann wird das Signal auf der Leitung 46 von dem Rampenfunktionssignal subtrahiert und der

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Wert des Signals auf der Leitung 48 wird vermindert, wie dies durch eine Linie S¹ in der Figur 5 gezeigt ist. In diesem Falle tritt die Freigabe der Thyristorzündschaltung 28 zu einem späteren Zeitpunkt ein, es wird eine geringere effektive Spannung angelegt, und der Armaturstrom wird erneut konstant gehalten. Bei jeder Betriebsgeschwindigkeit im Vörwärtslauf oder Rückwärts lauf und innerhalb des Nenndrehzahlbereiches wird auf der Leitung %6 ein Signal entsprechend der Gegen-EMK am Punkt 34 (Figur 1) zu dem Summierungspunkt 4¹J geführt, um den Freigabezeitpunkt der Zündschaltung 28 in der richtigen Richtung und mit einem richtigen Größenwert nachzuführen, um den Armaturstrom im wesentlichen konstant zu halten.

Wie bereits ausgeführt, verwendet die bevorzugte Ausführungsform eine vollständig mit Thyristoren ausgestattete Brücke nach Figur 1. Zusammengefaßt ist eine solche vollständig mit Thyristoren bestückte Brücke 18 erwünscht, um zu gewährleisten, daß der Strom in jeder Halbperiode vollständig gelöscht wird. In der zuvor genannten gleichzeitig hinterlegten deutschen Patentanmeldung P (US Ser. Nr. 338615) der Anmelderin wird

noch im einzelnen erläutert, daß dies bei einer vollständig mit Thyristoren bestückten Brücke erfolgt. Es ist jedoch festzustellen, daß für eine gegebene Motordrehzahl eine wahre Gegen-EMK und ein Zündwinkel für die Thyristorzündwinkel besteht, welcher die Strombegrenzung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht. Wenn für eine gegebene Gegen-EMK der Armatur der Zündwinkel vergrößert wird, dann wird der Armaturstrom so lange vom Widerstand und der Induktivität der Armatur abhängen, wie der Strom wenn auch nur für eine kurze Zeitdauer während jeder Halbperiode gelöscht wird. Wenn jedoch einmal der Armaturstrom kontinuierlich .wird, dann beeinflußt die Induktivität der Armatur nicht mehr die Steigerung des Stroms bei einer Steigerung der effektiven Spannung und der Strom wird bedeutend empfindlicher bezüglich Vergrößerungen des Zündwinkels der Thyristoren. Weiterhin ist die Spannung am Punkt 3** der Figur 1 nicht mehr eine wahre

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Entsprechung der Gegen-EMK des Motors, wenn einmal der Armaturstrom kontinuierlich wird, da jetzt eine Komponente gemäß einem Spannungsabfall IR vorhanden ist, und die Genauigkeit des Systems gemäß der vorstehenden Erfindung ist ernsthaft beeinträchtigt.

Es ist ebenfalls zu beachten, daß in der bevorzugten Ausführungsform eine Phasenschieberschaltung 36 verwendet wird, um die Auslösung des Rampenfunktionsgenerators vor einem vorgegebenen Zeitpunkt in dem Betriebszyklus auszuschließen. Diese Verzögerung schließt die Möglichkeit aus, daß die Zündung eines Thyristors irgendwo in dem vorgegebenen frühen Teil des Zyklus oder der Periode erfolgt. In bestimmten Fällen, beispielsweise wenn der Motor mit einer relativ hohen Drehzahl arbeitet, würde das Vorhandensein einer Gegen-EMK des Motors, welche größer ist als die Leitungsspannung, eine Vorspannung des Thyristors in Gegenrichtung erzeugen und dessen Zündung ausschließen, wenn die Zündschaltung einen Versuch zur Zündung der Thyristoren zu einem frühen Zeitpunkt der Halbperiode versuchen würde. Dies ist am besten aus dem nachstehenden Beispiel ersichtlich. Es sei zunächst angenommen, daß der Motor in einem stationären Zustand läuft und die Thyristoren bei etwa 100° gezündet werden. Als nächstes sei angenommen, daß die Thyristorzündschaltung so eingerichtet ist, daß sie eine solche Größe der Drehzahlsteigerung anweist, daß die Thyristorzündschaltung normalerweise vollständig vorverlegt würde, und daher die Forderung eingeführt würde, daß die Thyristoren während der vollen Dauer von l80° für eine Halbperiode zünden. Da die im Stand der Technik übliche Zündschaltung nur einen Impuls an die Thyristoren zur Auslösung ihres· Stromdurchlasses abgibt und nicht ein Signal auf dem Thyristorgitter beibehält, ist es leicht ersichtlich, daß bei Vorhandensein einer ausreichend hohen Gegen-EMK der Armatur zur Vorspannung der Thyristoren in Gegenrichtung der zugeführte Teil

daß Impuls keine Auswirkung besitzen würde und/der Thyristor nicht zünden würde. Der Motor würde dann mit einer Verlangsamung beginnen und das Problem noch verstärken und eine Korrektur könnte

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normalerweise erst zu einem solchen Zeitpunkt erreicht werden, an dem die Gegen-EMK des Motors praktisch Null wäre. Daher ist die Einfügung einer Phasenschieberschaltung 36 zur Gewährleistung einer vorgegebenen Mindestverzögerung der Zündung in jeder Halbperiode ein höchst erwünschtes Merkmal.

Die vorstehende Beschreibung der Erfindung wurde unter Erörterung der Signalwerte vorgenommen. Wie zuvor erwähnt, können die Signale entweder Spannungssignale oder Stromsignale sein, und die Abbildung nach Figur 1 würde normalerweise auf Spannungssignale angewendet. Es liegt jedoch ohne weiteres im üblichen Können des Fachmanns, diese Signale in Stromsignale umzuwandeln und für diesen Fall ist die Figur 6 vorgesehen, welche eine angemessene Signalvergleichsschaltung bei Verwendung von Stromsi'gnalen enthält. Die Figur 6 zeigt einen Stromkomparator einschließlich eines Paars von Transistoren 70 und 72₃ welche vorzugsweise aufeinander angepaßte elektrische Kenndaten besitzen. Vorzugsweise sind die Transistoren 70 und 72 auf einem einzelnen monolithischen Substrat hergestellt und bilden einen Teil einer integrierten Schaltung. Die Basen der beiden Transistoren sind miteinander

Θ X Xl θ

verbunden und es wird dort/gemeinsame Spannung zugeführt. Die Basis des Transistors 72 ist in einer Rückkopplungsanordnung mit ihrem Kollektor verbunden, welche bewirkt, daß sich der Gesamtstrom in dem Transistor auf die Basis und den Kollektor gemäß der Stromverstärkung im Transistor aufteilt. In jeder der Kollektorzuleitungen der beiden Transistoren 70 und 72 ist ein Widerstand 7^ bzw. 76 vorgesehen. Diese Widerstände dienen zur Einstellung der Amplitude oder Maßstabeinstellung des Stroms. Gewünschtenfalls können diese variabel gestaltet werden, so daß der Arbeitspunkt der Schaltung verändert werden kann. Die Emitter der beiden Transistoren sind mit einer gemeinsamen Sammelleitung oder Masse verbunden. Ein Anschluß 78 ist mit dem freien Ende des Widerstandes 7¹J verbunden, dessen zweiter Anschluß 80 mit dem freien Ende des Widerstandes 76 verbunden ist.

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Bei der Anwendung dieser Schaltung auf die Ausführungsform nach Figur 1 würde am Anschluß 78 das Signal auf der Leitung 48 und am Anschluß 80 das Signal auf der Leitung 52 zugeführt; Der Transistor 72 würde daher praktisch einen stationären Kollektor-Emitters t rom besitzen. Der Transistor 70 würde ein Kollektor-Emitters t rom besitzen, welcher sich gemäß dem Wert des zugeführten Signals ändert. Wenn der Strom in dem Kollektor-Emitterkreis des Transistors 70 kleiner ist als der gleiche Strom im Transistor 72, dann ist der Transistor 70 gesättigt und es ist praktisch keine Spannung am Kollektor vorhanden. Diese kann am Anschluß 82 nach Figur 6 erkannt werden. Wenn jedoch der Kollektor-Emitterstrom des Transistors 70 den entsprechenden Strom des Transistors 72 übersteigt, wird der Transistor 70 aus dem Sättigungsbereich herausgezogen und es ist ersichtlich, daß dann Spannung an seinem Kollektor beginnt anzusteigen. Dieser Spannungsanstieg kann verwendet werden, um einen passenden Impulsgenerator auszulösen oder zu triggern, beispielsweise einen Monovibrator 84, dessen Ausgang zur Freisetzung der Thyristorzündschaltung 28 verwendet werden kann.

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Claims

Patentansprüche

!.^Steuerschaltung für einen Gleichstrommotor mit einer Armatur- ^-^ wicklung und einer Feldwicklung des.Typs, welche phasengesteuerte Gleichrichter zur Änderung der von einer Wechselstromquelle zum Motor zugeführten effektiven Spannung verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung umfaßt:

Einrichtungen (30, 32) zur Bestimmung der Armaturwicklungsτ spannung und zur Erzeugung eines ersten Signals proportional dieser Spannung,

Einrichtungen (40) zur Erzeugung eines zweiten Signals mit veränderlicher Amplitude, welches bei bei einem vorgegebenen Zeitpunkt in jeder Halbperiode der Wechselspannungsquelle beginnt, eine Einrichtung (56) zur Erzeugung eines Bezugssignals proportional einem gewünschten Phasenwinkel zur Durchschaltung der Gleichrichter (21, 22, 24, 26) und Einrichtungen (44) zur Kombination des ersten Signals, des zweiten Signals und des Bezugssignals zur Erzeugung eines Hemmungssignals, durch welches die Zündung oder Stromdurchlässigmachung der gesteuerten Gleichrichter so lange verhinderbar ist, bis das erste Signal, das zweite Signal und das Bezugssignal eine vorgegebene Beziehung zueinander besitzen.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des zweiten Signals ein Rampenfunktionsgenerator (40) ist.
3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß weiterhin eine Phasenschieberschaltung (36) zur Auslösung des Betriebs der Einrichtung (40) zur Erzeugung des zweiten Signals vorgesehen ist.

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4. Steuerschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Erzeugung des zweiten Signals ein Rampenfunktionsgenerator (40) ist.
5· Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Phasenschieberschaltung (36) zur Auslösung des Betriebs der Einrichtung zur Erzeugung des zweiten Signals vorhanden ist.
6. Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangssignal und die Bezugssignale Stromsignale sind und die Einrichtung zum Vergleich dieser Signale ein Paar von Transistoren (70, 72) mit aneinander angepaßten elektrischen Kenndaten umfaßt, wobei an einer Basis jedes der Transistoren (70, 72) eine gemeinsame Spannung zugeführt ist.
7. Steuerschaltung nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet , daß die vorgegebene Beziehung dadurch festgelegt ist, daß das Bezugssignal größer ist als das Ausgangssignal.
8. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter (21, 22, 24, 26)eine Vollweggleichrichterbrücke bilden zur Lieferung von einsinnig gerichteter Leistung von der Quelle (10) zur Armaturwicklung (20), wobei in jedem Zweig der Brücke (18) ein steuerbarer Gleichrichter (21, 22, 24, 26) vorhanden ist, eine Zündschaltung (28) zur Zündung der Gleichrichter (21, 22, 24, 26) an einem vorgeschriebenen Phasenwinkel bezüglich der Leistung von der Quelle (10), wobei das zweite Signal eine veränderliche Amplitude beginnend an einem vorgeschriebenen Zeitpunkt in jeder Halbperiode der Wechselspannungsquelle besitzt.

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9. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerten Gleichrichter Thyristoren sind.

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