ARRANGEMENT FOR STABILIZING THE ROTATIONAL SPEED OF A DIRECT CURRENT SHUNT-WOUND MOTOR IN CASE OF VARIATIONS OF THE POWER SUPPLY VOLTAGE

Abstract: 1. Arrangement for keeping constant the rotation rate of a direct-current shunt-wound motor fed from a direct-current mains having voltage fluctuations, the exciting current of which motor is controlled in dependence upon the level of the mains voltage or the armature voltage of the direct-current shunt-wound motor by a non-linear resistor connected in series before the field winding of the direct-current shunt-wound motor, in such manner that the rotation rate of the direct-current shunt-wound motor remains constant even in the range of saturation of the iron core of the direct-current shunt-wound motor, characterised in that the non-linear resistor is formed by a parallel connection of a resistor (7) and a Zener diode (8), in that a damping resistor (5) is connected in series before the armature (1) of the direct-current shunt-wound motor and in that a further Zener diode (9) (Z-diode) is connected in series before the field winding - resistor - Zener diode group, this Z-diode (9) forming a series connection with the field winding - resistor - Zener diode group and the damping resistor (5) forming a series connection with a blocking diode (10) and the exciter - resistor - Zener diode group, while the Z-diode (9) is connected in parallel with the damping resistor (5) and the blocking diode (10), which are in series with one another, whereby the rotation rate of the direct-current shunt-wound motor remains (dynamically) nearly constant even in the case of high and rapid mains voltage fluctuations.

Description: Drehzahlkonstantregeleinrichtung eines Gleichstromnebenschlussmotors bei Netzspannungsschwankungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung zur Drehzahlkonstanthaltung eines Gleichstromneben schlussmotors, der aus einem Netz gespeist wird, das Spannungsschwankungen aufweist, mit einem Istmesswert geber, der die Höhe der Netzspannung oder der Anker spannung des Gleichstromnebenschlussmotors ermittelt und verwertet, wodurch der Erregerstrom des Gleichstrommotors gesteuert wird. Es ist bekannt, zur Drehzahlkonstantregelung von Gleich stromnebenschlussregelung einen Drehzahlistmesswertgeber mit dem Gleichstromnebenschlussmotor zu koppeln und der Netzerregerspannung einen weiteren zusätzlichen Er regerspannungsteil mittels eines Stellgliedes des Reglers zu überlagern. Bei einer solchen Regeleinrichtung ist der Aufwand an elektronischen Bauteilen beträchtlich und der Regler ist kompliziert aufgebaut. Ausserdem ist eine Zusatzspannungs ¯quelle erforderlich. Hier will die Erfindung Abhilfeschaffen. Die Erfindung, wie sie in dem Anspruch 1 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Drehzahlkonstantregeleinrichtung für einen Gleichstromnebenschlussmotor , dessen Drehzahl bei Netz spannungsschwankungen auf einen konstanten Wert einregelt, zu schaffen, die nur mit einem Widerstand und einer Zenerdiode aufgebaut ist, wobei diese beiden Bauelemente zueinander parallel geschaltet und der Feldwicklung des Gleichstrommotors vorgeschaltet sind. Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass nur zwei Bauelemente (Widerstand, Zenerdiode) zur Drehzahlkonstantregelung des Gleichstromnebenschlussmotors benötigt werden. Ausserdem ist keine zusätzliche Spannungsquelle erforderlich. Nach Anspruch 2 wird die Drehzahl des Gleichstromnebenschlussmotors auch bei grosser und plötzlicher Netzspannungsschwankung und trotz Ankerstrombegrenzung schnell wieder auf den bestimmten Wert eingeregelt. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen Fig. 1 ein Schaltbild einer Regeleinrichtung zur Drehzahlkonstanthaltung eines Gleichstrom nebenschlussmotors bei langsamen und schnellen Netzspannungsschwankungen, Fig. 2 eine Magnetisierungskurve des Eisens des Gleichstromnebens chlussmotors, Fig. 3 das Drehzahlverhalten des Gleichstromneben schlussmotors bei unterschiedlicher Belastung, Fig. 4 einen Ausschnitt aus Fig. 1, Fig. 5 einen Ausschnitt aus Fig. 1, wobei der Anker des Gleichstrommotors für sein dynamisches Verhalten dargestellt ist, Fig. 6 jeweils eine Regeleinrichtung zur Dreh bis 8 zahlkonstanthaltung des Gleichstromneben schlussmotors bei langsamen Netzspannungs schwankungen mit den zugehörigen Werten der Erregerströme des Gleichstromneben schlussmotors und den Netzspannungs- sowie Erregerstromverhältnissen bei unterschied licher Wahl des Widerstands des Erreger wicklungsvorwiderstandes und der Zenerspan nung der dazu parallel geschalteten Zener diode, Fig. 9 das Netzspannungs- und Erregerstromverhal ten graphisch dargestellt gemäss Fig. 6 bis 8 Fig. 10 jeweils eine Regeleinrichtung zur Drehzahl bisl3 konstanthaltung des Gleichstromnebenschluss motors bei schnellen Netzspannungsschwankun gen. Der in Fig. 1 der Zeichnung dargestellte Gleichstromnebenschlussmotor weist einen Anker 1 und eine Feldwicklung 2 auf. An dem Anker 1 des Gleichstromnebenschlussmotors ist ein Generator 3 mechanisch angekoppelt. Dem Anker -1 des Gleichstromnebenschlussmotors sind ein Anlaufwiderstand 4, ein Dämpfungswiderstand 5 und der Schliesskontakt eines Einschaltschützes 6 vorgeschaltet. Parallel zu dem Anlaufwiderstand 4 ist ein Schliesskontakt eines Anlaufwiderstandsüberbrückungwchützes ge schaltet. Der Feldwicklung 2 des Gleichstromnebenschlussmotors sind in Parallelschaltung ein Widerstand 7 und eine Zenerdiode 8 vorgeschaltet. Diesem Widerstand 7 und der Zenerdiode8sind in Parallelschaltung eine Z-Diode 9 sowie zueinander in Reihe eine Sperrdiode 10 und der Dämpfungswiderstand 5 vorgeschaltet. In Fig. 2 ist anhand der MagnetisSerungskurve erläutert, wie der Erregerstrom durch die Drehzahlkonstantregel- einrichtung auch im Sättigungsbereich des Eisens so gesteuert wird, dass¯ssbe-D6ae sich ein magnetischeT Flu.B einstellt, der proportional zur Höhe der anliegenden Netzspannung ist. An der Abzisse des Koordinatensystems gemäss Fig. 2 ist der Erregerstrom und an der Ordinate ist der magnetische Fluss angetragen. Erhöht sich die Netzspannung von ihrem minimalen Wert auf einen bestimmten höheren Wert, so erhöht sich auch die Erregerspannung und der Erregerstrom proportional zu der Netzspannung. Dieses ist in Fig. 2 durch A und B auf der Abzisse dargestellt. In Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Magnetisierungskennlinie sich im linearen Bereich befindet. Dadurch verändert sich der magnetische Fluss auch proportional zur Höhe der Netzspannung. Geht man davon aus, dass der Ankerwiderstand des Ankers 1 des Gleichstromnebenschlussmotors sehr klein ist, so wird die Leerlaufdsehzahl des Gleichstromnebenschlussmotors bei Spannungsänderungen (zwischen A und B) konstant bleiben. Würde nun die Netzspannung weiter steigen, so würde, wenn die erfindungsgemässe Regeleinrichtung (die weiter unten erläutert wird) nicht vorhanden wäre, sich ein Erregerstrom einstellen, der nicht mehr proportional zur Netzspannung wäre. Dieses ist in Fig. 2 durch C auf der Abzisse dargestellt. In Fig. 2 ist ersichtlich, dass sich die Magnetisierungskennlinie nicht mehr im linearen Bereich befindet. Dieses würde zur Folge haben, dass der magnetische Fluss (D) nicht mehr proportional zur Netzspannung wäre, sondern kleiner. Dadurch würde sich die Drehzahl erhöhen. Da die Drehzahl konstant bleiben soll, muss der Erregerstrom bzw. Erregerspannung erhöht werden,und zwar so, dass der magnetische Fluss proportional zur Höhe der Netzspannung verändert wird. Dieses ist in Fig. 2 durch E auf der Abzisse dargestellt. Dieser Erregerstrom (E) bewirkt, dass sich ein magnetischer Fluss (F) einstellt, als befinde sich das Eisen nicht in seinem Sättigungsbereich. Steigt die Netzspannung noch weiter an, so muss die Erregerspannung noch mehr zusätzlich erhöht werden. In Fig. 3 ist dargestellt, welche Drehzahl sich einstellt, wenn der Gleichstromnebenschlussmotor unterschiedlich belastet wird und die Höhe der Netzspannung unterschiedlich ist. Der Motor ist so konstruiert, dass nur kleine Drehzahlabweichungen von der Nenndrehzahl möglich sind und zwar + 1,5 % von der Nenndrehzahl zwischen Leerlauf von Vollast. In Fig. 4 ist die Regeleinrichtung dargestellt, durch die die Drehzahl des Gleichstromnebenschlussmotors auch im Sättigungsbereich des Eisenkerns des Gleichstromnebenschlussmotors konstant bleibt (hohe Netzspannung). Damit die Drehzahl konstant bleibt, muss der Gleichstromwiderstand 2a der Feldwicklung 2 des Gleichstromnebenmotors, die Zenerspannung der Zenerdiode 8 und der Widerstandswert des Widerstandes 7 zueinander in bestimmten Verhiltnissen liegen, damit die Magnetisierungskurve (I ) und die Netzspannuflgs-Erregerstromkurve entsprechend übereinstimmen, wodurch der magnetische Fluss proportional zur Netzspannung ist. Dieses ist anhand von Zahlenwerten in Fig. 6 bis Fig. 8 erläutert. In Fig. 6 beträgt der Gleichstromwiderstand 2a der Feld wicklung 2 10009 . Der Widerstandswert des Widerstands beträgt auch loOoS?. Die Zenerspannung der Zenerdiode 8 beträgt 250 V . Liegt eine Spannung von 1000 V an, so stellt sich ein Erregerstrom von 0,75 A ein. Liegt eine Spannung von 500 V an, so stellt sich ein Erregerstrom von 0,25 A ein. Hierbei kann man erkennen, dass der Erregerstrom bei Halbierung der Netzspannung auf ein Drittel absinkt; bzw. Spannungsverdopplung bewirkt Verdreifachung des Erregerstromes. In Fig. 7 beträgt der Gleichstromwiderstand 2a der Feldwicklung 2 wiederum 100052. Der Widerstandswert des Widerstandes beträgt nun aber 200052. Die Zenerspannung der Zenerdiode 8 beträgt nun 333 V. Liegt eine Spannung von 1000 V an, so stellt sich ein Erregerstrom von 0,7666 A ein. Liegt eine Spannung von 500 V an, so stellt sich ein Erregerstrom von 0t1666 A ein. Hierbei kann man erkennen, dass sich der Erregerstrom bei Verdopplung der Spannung vervierfacht. In Fig. 8 beträgt der Gleichstromwiderstand 20 der Feldwicklung 2 auch wieder 10005?. Der Widerstandswert des Widerstandes 7 beträgt nun 3000j?, und die Zenerspannung der Zenerdiode 8 beträgt 375 V. Bei einer Verdopplung der Höhe der Spannung wird der Erregerstrom verfünffacht. Die in Fig. 6 bis 7 gefundenen Werte und zusätzliche Zwischenwerte wurden in Fig. 9 in einem Koordinatensystem eingezeichnet. An der Ordinate wurde das Verhältnis maximale Spannung zu minimaler Spannung und an der Abzisse das Verhältnis maximaler Erregerstrom zu minimalem Erregerstrom aufgetragen. Ein Spannungsanstieg hat einen überproportionalen Erregerstromanstieg zur Folge. In Fig. 9 sind drei Kurven eingetra gen, wobei die Kurve mit der grössten Steigung etwa wie einen entsprechend ähnlichen Verlauf der Sättigungskurvenverlauf der Magnetisierungskurve gemäss Fig. 2 hat. Es ist also möglich, für jede Magnetisierungskennlinie einen bestimmten Widerstand 7 und eine bestimmte Zenerdiode so einzusetzen, dass sich ein magnetischer Fluss einstellt, der proportional zur Netzspannung ist. In Fig. 5 ist eine Regeleinrichtung dargestellt, durch die die Drehzahl des Gleichstrommotors bei schnellem Spannungsanstieg-unter Berücksichtigung, dass der Ankerstrom einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf schnellstens wieder auf einen konstanten Wert eingeregelt wird. Damit der Ankerstrom nicht zu gross werden kann, ist der Dämpfungswiderstand 5 dem Anker 1 vorgeschaltet. Da das Erregerfeld 2 über den Dämpfungswiderstand 5 gespeist wird, würde der Erregerstrom auch gedämpft werden und das Nennmoment würde kleiner werden, wodurch der Gleichstromnebenschlussmotor bei Vollast seine Drehzahl verlangsamen würde und stehen bleiben würde. Um dieses zu verhindern, wird die Feldwicklung mit einer zusätzlichen Erregerspannung beaufschlagt. Dieses erfolgt durch die Z-Diode 9. Damit diese Z-Diode 9 vom Anker 1 entkoppelt ist, ist die Sperrdiode 10 eingesetzt. Durch die kurzzeitige Beaufschlagung der Erregerspannung wird auch der Ankerstrom zusätzlich gedämpft. Die Regelung des Gleichstrommotors bei schnellen Spannungsänderungen ist in Fig. 10 bis 13 anhand von Zahlenwerten erläutert. Gemäss Fig. 10 weist das elektrische Netz eine Spannung in Höhe von 500 V auf (minimaler Wert). Der Dämpfungswiderstand 5 weist einen Widerstandswert von auf Der Ankergleichstroinwiderstand RA des Ankers 1b beträgt 42 . Hierbei wird die Ankerinduktivität nicht berücksichtigt und die Ankergegenspannung wird durch Veränderung des Ohmwertes des Ankergleichstromwiderstandes 1b berücksichtigt. Die Ankerspannung beträgt 400 V gemäss Fig. 10. Die Zerspannung der Z-Diode 9 beträgt 120 V. Da die Ankerspannung (400 V) grösser ist als die Netzspannung minus Zenerspannung der Z-Diode 9 (500 V - 120 V = 380 V) fällt an der Z-Diode 9 eine Spannung (100 V) ab, die kleiner ist als die Zenerspannung der Z-Diode 9, so dass sich die Z-Diode 9 im Sperrbereich befindet und über sie kein Beitrag für die Feldwicklung 2 geliefert wird. Der Erregerstrom fliesst also vom Pluspol des elektrischen Netzes über den Dämpfungswiderstand 5, die Sperrdiode 10, den Widerstand 7 und über den Gleichstromwiderstand 2 a zum Minuspol des elektrischen Netzes. Am Widerstand 7 fällt gemäss Fig. 10 eine Spannung von 200 V ab. Da die Zenerspannung der Zenerdiode 8 eine Sperrspannung von 250 V aufweist, wird über diese Zenerdiode 8 kein Beitrag für die Feldwicklung 2 geliefert. An dem Gleichstromwiderstand 2a der Feldwicklung 2 fällt eine Spannung von 200 V ab. Dadurch fliesst ein Erregerstrom von 0,2 A durch die Feldwicklung. Erhöht sich nun die Netzspannung plötzlich von 500 v auf 1000, V, so verändern sich die Spannungsund die Stromverhältnisse des Gleichstromnebenschlussmotors. Dieses ist in Fig. 11 und 12 dargestellt. Gemäss Fig. 11 wird angenommen, dass die Ankerinduktivität Null sei. Das bedeutet, dass der,- Ankergleichstrom- widerstand 1b beim Spannungsprung seinen' Wert nicht ändert. Dieses hat zur Folge, dass sich zunächst ein Ankerstrom einstellt, der einen Wert von 200 A beträgt. Dadurch stellt sich eine Ankerspannung ein, die einen Wert von 800 V aufweist. Durch diese Spannung würde sich ein Erregerstrom einstellen, dessen Wert 0,55 A betragen würde. Da dieser Wert kleiner ist als der Wert des Erregerstromes bei Anliegen von 1000 V (0,7 A; siehe Fig. 12), würde durch diese Feldschwächung das abzugebene Nennmoment des Gleichstrommotors herabgesetzt werden. Der Gleichstromnebenschlussmotor würde dann bei Vollast betrieb seine Drehzahl immer weiter verringern und stehen bleiben. Damit dies nicht geschieht, wird über die Z-Diode 9 die Feldwicklung 2 mit einem zusätzlichen Erregerstrom versorgt. Gemäss Fig. 11 weist die Zenerspannung der e-Diode 9 einen Wert von 120 V auf. Da die Ankerspannung einen Wert von 800 V aufweist und hinter der Z-Diode 9 eine Spannung von 880 V (100 V - 120 V) anliegt, geht die' Z-Diode 9 ideen eeitz ustand über. Da an der Z-Diode 9 eine Spannung von 120 V und an der Zenerdiode 8 eine Spannung von 250 V abfallen, fällt an der Feldwicklung 2 eine Spannung von 630 V ab. Dadurch fliesst ein zusätzlicher Erregerstrom von 0,63 A. Da sich die beiden Teilerregerströme überlagern, fliesst ein Gesamterregerstrom von 1,18 A durch die Feldwicklung 2. Dieser hohe Erregerstrom bewirkt, dass der Ankerstrom zusätzlich gedämpft wird und der Gleichstromnebenschluss sein maximales Nennmoment abgeben kann. Nach einer kurzen Ausgleichs zeit stellt sich die Nenndrehzahl wieder ein und die Spannungs- und Stromverhältnisse des Gleichstromnebenschlussmotors stabilisieren sich. Dies ist in Fig. 12 dargestellt. Gemäss Fig. 12 weist der Anker gleichstromwiderstand nun keinen Wert von 1 9 auf . Dadurch stellt sich eine Ankerspannung von 950 V ein. Die Z-Diode 9 befindet sich wieder- in ihrem Sperrbereich (100 V - 120 V = 880V ( 950 V). Der Erregerstrom weist einen Wert von 0,7 A auf. In Fig. 13 ist dargestellt, wie sich die Strom- und Spannungsverhältnisse des Gleichstromnebenschlussmotors ändern würden, wenn die Netzspannung von 1000 V (maximale Spannung) auf 500 V (minimale Spannung) ändern würde. Da der Ankergleichstromwiderstandlb kurzzeitig den Wert von 192 beibehält, fällt eine Ankerspannung von 450 V an. Durch diesen Wert der Ankerspannung fliesst ein Erregerstrom von 0,225 A durch die Feldwicklung-L. Dadurch wird in diesem Fall auch die Drehzahl des Gleichstromnebenschlussmotors nicht erhöht, da im statischen Fall gemäss Fig. 10 die Ankerspannung 400 V und der Erregerstrom 0,2 A beträgt. Die Strom- und Spannungsverhältnisse (450 V 0,225 A und 400 V : 0,2 A) sind gleich. Die Zahlenwerte in Fig. 6 bis 13 sind so gewählt worden, dass die Regelvorgänge möglichst einfach dargestellt werden konnten. Die Induktivität der Feldwicklung 2 ist aus anschaulichen Gründen nicht berücksichtigt worden.

Claims: Ansprüche: 1. Regeleinrichtung zur Drehzahlkonstanthaltung eines aus einem Spannungsschwankungen aufweisenden Gleich spannungsnetz gespeisten Gleichstromnebenschluss motor, dessen Erregerstrom mittels eines Istmesswert gebers gesteuert wird, der die Höhe der Netzspannung oder der Ankerspannung des Gleichstromnebenschlussmo tors ermittelt und verwertet, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldwicklung (2) des Gleichstromnebenschluss motors ein Widerstand (7) vorgeschaltet und diesem Widerstand (7) eine Zenerdiode (8) parallel geschaltet ist, wodurch die Drehzahl des Gleichstromnebenschluss motors auch im Sättigungsbereich des Eisenkerns des Gleichstromnebenschlussmotors konstant bleibt. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Anker (1) des Gleichstromnebenschlussmotors ein Dämpfungswiderstand (6) vorgeschaltet ist und dass der Feldwicklung-Widerstand-Zenerdiode-Gruppe eine weitere Zenerdiode (9) (Z-Diode) vorgeschaltet ist, wobei diese Z-Diode (9) mit der Feldwicklung-Widerstand-Zenerdiode- Gruppe eine Reihenschaltung und der Dämpfungswiderstand (6) mit einer Sperrdiode (10) und der Erreger-Widerstand Zenerdiode-Gruppe eine Reihenschaltung bilden sowie die Z-Diode (9) parallel zu der zueinander in Reihe liegenden Dämpfungswiderstand (6) und Sperrdiode (10) geschaltet ist, wodurch die Drehzahl des Gleichstromnebenschluss motors auch bei hohen und schnellen Netzspannungsschwan kungen (dynamisch) nahezu konstant bleibt.

Inventors: SEEGER, HERBERT
Applicants: FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1981
Main classification: H02P7
IPC codes: H02P7