DE1122146B

DE1122146B - Device for keeping the speed of an electric motor constant

Info

Publication number: DE1122146B
Application number: DEM30276A
Authority: DE
Inventors: Sydney Norman Couzens; Peter William Sieber
Original assignee: Muirhead and Co Ltd
Current assignee: Muirhead and Co Ltd
Priority date: 1955-04-22
Filing date: 1956-04-17
Publication date: 1962-01-18

Description

Vorrichtung zur Konstanthaltung der Drehzahl eines Elektromotors Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Drehzahl eines Elektromotors mit Hilfe der Bremswirkung eines mit dem Motor gekuppelten, einen Reihenschwingkreis speisenden Wechselstromgenerators.Device for keeping the speed of an electric motor constant The invention relates to a device for keeping the speed of a constant Electric motor with the help of the braking effect of one coupled to the motor, one Series oscillating circuit feeding alternator.

Es ist bereits ein Drehzahlregler für einen Elektromotor bekannt, in dem eine Resonanzbrücke verwendet wird. Die Brücke wird durch eine Hochfrequenzwechselstrommaschine gespeist, die mit dem Motor gekuppelt ist, und ist so angeordnet, daß sich der Resonanzkreis der Brücke bei einer Frequenz in Resonanz befindet, die der gewünschten Betriebsdrehzahl des Motors entspricht. Wenn sich die Motordrehzahl ändert, so ändert sich auch die Frequenz der Wechselstrommaschine, die Brücke ist nicht mehr abgeglichen, und eine Steuerspannung erscheint an der einen Brückendiagonale. Die Steuerspannung ändert ihre Größe und Phasenlage, wenn sich die Frequenz der Wechselstrommaschine ändert, und die Phasenlage wechselt das Vorzeichen, wenn die Frequenz durch den Resonanzpunkt hindurchgeht. Die Steuerspannung wird einer phasenempfindlichen Einrichtung zugeführt, welche zwei Trioden und ein polarisiertes Relais enthält. Das Relais spricht in der einen oder anderen Richtung entsprechend dem Vorzeichen der Phasenlage der Steuerspannung an, um so die Motordrehzahl konstant zu halten, jedoch erfolgt diese Drebzahlregelung infolge der Verwendung des Relais unstetig bzw. intermittierend.A speed controller for an electric motor is already known, in which a resonance bridge is used. The bridge is powered by a high frequency alternating current machine fed, which is coupled to the motor, and is arranged so that the resonance circuit the bridge resonates at a frequency that is the desired operating speed of the engine. When the engine speed changes, so does it Frequency of the alternator, the bridge is no longer balanced, and one Control voltage appears on one bridge diagonal. The control voltage changes their size and phase position when the frequency of the alternator changes, and the phase position changes sign when the frequency passes through the resonance point passes through. The control voltage is fed to a phase-sensitive device, which contains two triodes and a polarized relay. The relay speaks in one or the other direction according to the sign of the phase position of the control voltage in order to keep the engine speed constant, but this speed control takes place discontinuous or intermittent due to the use of the relay.

Ferner ist eine Vorrichtung zur Regelung der Drehzahl eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors mit einer zusätzlichen Erregerwicklung bekannt. Auch hier wird das Resonanzprinzip verwendet. Bei dem Gleichstrommotor sind zusätzlich Schleifringe vorgesehen, um einen Wechselstrom abnehmen zu können. DieserWechselstrom regt eine Stimmgabel zu Schwingungen an, die eine Normalfrequenz zur Steuerung des Stromes in der zusätzlichen Erregerwicklung mit Hilfe einer zwischengeschalteten Triode bilden.There is also a device for controlling the speed of a direct current shunt motor known with an additional excitation winding. Here too, the principle of resonance is used used. In the case of the DC motor, slip rings are also provided in order to to be able to pick up an alternating current. This alternating current excites a tuning fork Vibrations that are a normal frequency to control the current in the additional Form the excitation winding with the help of an interposed triode.

Bei einer anderen bekannten Einrichtung zur Regelung der Drehzahl eines Elektromotors mit Hilfe der Bremswirkung eines mit dem Motor gekuppelten Wechselstromgenerators speist der letztere einen Reihenresonanzkreis. Unter diesen Belastungsbedingungen nimmt der Strom unterhalb der Resonanzfrequenz mit der Frequenz stark zu und ist am stärksten bei der Resonanzfrequenz. Die Empfindlichkeit dieser Regeleinrichtung hängt von der Steilheit der Resonanzkurve, also von den elektrischen Verlusten des Resonanzkreises ab. Normalerweise kann hierbei die Drehzahl aber nur auf einige Umdrehungen pro Zeiteinheit benachbart zur Solldrehzahl genau geregelt werden. Demgegenüber ist es auf Grund der Erfindung möglich, die Drehzahl so genau zu regeln, daß die Motorwelle nur einen Bruchteil einer Umdrehung von ihrer Sollage abweicht.In another known device for regulating the speed of an electric motor with the aid of the braking action of an alternating current generator coupled to the motor, the latter feeds a series resonant circuit. Under these loading conditions , the current below the resonance frequency increases sharply with frequency and is strongest at the resonance frequency. The sensitivity of this control device depends on the steepness of the resonance curve, i.e. on the electrical losses in the resonance circuit. Normally, however, the speed can only be precisely controlled to a few revolutions per unit of time adjacent to the target speed. In contrast, the invention makes it possible to regulate the speed so precisely that the motor shaft deviates from its nominal position by only a fraction of a revolution.

Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei der die Konstanthaltung der Drehzahl eines Elektromotors ebenfalls mit Hilfe der Bremswirkung eines mit dem Motor gekuppelten, einen Reihenschwingkreis speisenden Wechselstromgenerators bewirkt wird, wird die Frequenz des Generators fortlaufend mit einer sehr stabilen Bezugsfrequenz verglichen. Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß in dem aus einem Kondensator und dem induktiven Widerstand des Wechselstromgenerators bestehenden Reihenschwingkreis ein ungesteuerter Gleichrichter und ein durch eine Steuerwechselspannung mit Sollfrequenz gittergesteuerter Gleichrichter in Antiparallelschaltung liegen.In the device according to the invention, in which the keeping constant the speed of an electric motor also with the help of the braking effect of a AC generator coupled to the engine and feeding a series resonant circuit is effected, the frequency of the generator is continuously running at a very stable one Reference frequency compared. This is achieved in that according to the invention in the consisting of a capacitor and the inductive resistance of the alternator Series resonant circuit an uncontrolled rectifier and a controlled alternating voltage grid-controlled rectifiers with set frequency are in anti-parallel connection.

Dabei kann eine feste Sollfrequenz in bekannter Weise durch eine Stimmgabel gegeben sein, die Sollfrequenz kann aber auch in einem Frequenzbereich einstellbar sein. Vorzugsweise ist in Reihe zur Steuerwechselspannung eine dem Scheitelwert dieser Spannung gleiche Gittervorspannung geschaltet.A fixed setpoint frequency can be set in a known manner by means of a tuning fork be given, but the setpoint frequency can also be set in a frequency range be. One of the peak values is preferably in series with the alternating control voltage the same grid bias voltage connected to this voltage.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Konstanthaltung der Drehzahl eines Elektromotors und ihre Wirkungsweise werden anschließend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Der Elektromotor 1, dessen Drehzahl konstant gehalten werden soll, ist mit einem Einphasen-Wechselstromgenerator 2 gekuppelt, der vorzugsweise eine Spannung verhältnismäßig hoher Frequenz, beispielsweise 1000 Perioden je Sekunde, liefert. Die KlemmeA des Wechselstromgenerators ist über einen KondensatorC mit der Anode einer Dreielektrodenröhre Y verbunden, deren Kathode an die Klemme B des Wechselstromgenerators angeschlossen ist. Ein ungesteuerter Gleichrichter R ist so zwischen Anode und Kathode der Röhre Y geschaltet, daß durch ihn ein Strom in entgegengesetzter Richtung zu dem der Röhre V fließen kann. Ein Oszillator F, dessen Frequenz durch eine Stimmgabel gesteuert wird, ist mit dem Gitter der Röhre V und mit der Vorspannungsbatterie BB verbunden, die andererseits an die Kathode der Röhre V angeschlossen ist. Die Kapazität des Kondensators C ist derart, daß sie in Verbindung mit der Induktivität der Wicklung des Wechselstromerzeugers 2 einen abgestimmten Schwingkreis bildet, dessen Resonanzfrequenz annähernd der gewünschten Drehzahl des Elektromotors entspricht.The device according to the invention for keeping the speed of an electric motor constant and its mode of operation will then be explained with reference to the drawing, which shows an embodiment of the invention. The electric motor 1, the speed of which is to be kept constant, is coupled to a single-phase alternating current generator 2, which preferably supplies a voltage of a relatively high frequency, for example 1000 periods per second. The terminal A of the alternator is connected through a capacitor C to the anode of a three-electrode tube Y , the cathode of which is connected to the terminal B of the alternator. An uncontrolled rectifier R is connected between the anode and cathode of the tube Y so that a current can flow through it in the opposite direction to that of the tube V. An oscillator F, the frequency of which is controlled by a tuning fork, is connected to the grid of the tube V and to the bias battery BB, which is connected to the cathode of the tube V on the other hand. The capacitance of the capacitor C is such that, in conjunction with the inductance of the winding of the alternator 2, it forms a tuned resonant circuit, the resonance frequency of which corresponds approximately to the desired speed of the electric motor.

Die Gittervorspannung durch die Batterie BB kann vorzugsweise gleich dem Scheitelwert der Spannung des Osziflators F sein, so daß, wenn diese Spannung ihren höchsten positiven Wert erreicht, die Gitterspannung der Röhre Y in bezug auf ihre Kathode gleich Null ist. Die Gittervorspannung kann aber auch so eingestellt sein, daß, wenn die Spannung des Oszillators F ihren höchsten positiven Wert erreicht, das Gitter gegenüber der Kathode entweder positiv oder negativ ist. Eine solche Einstellung kann zur Anpassung an die Röhrencharakteristik vorgenommen werden oder zur Anderung der Belastung des Wechselstromgenerators 2.The grid bias through the battery BB can preferably be the same be the peak value of the voltage of the oscillator F, so that when this voltage reaches its highest positive value, the grid voltage of the tube Y with respect to on its cathode is zero. The grid bias can also be set in this way be that when the voltage of the oscillator F reaches its highest positive value, the grid is either positive or negative with respect to the cathode. Such Adjustment can be made to adapt to the tube characteristics or to change the load on the alternator 2.

Bei Abstimmung des Reibenschwingkreises auf Resonanz nimmt dieser aus dem Wechselstromgenerator seinen größten Strom auf, so daß ein Wechselstromgenerator kleiner Leistung genügt, da dieser nur den Resonanzkreis zu speisen braucht.When the friction circuit is tuned to resonance, it decreases from the alternator draws its largest current, so that an alternator low power is sufficient, since it only needs to feed the resonance circuit.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Wenn der Motor läuft und der Kondensator C so aufgeladen ist, daß seine mit der Anode der Röhre V verbundene Seite positiv ist, dann addieren sich während der positiven Halbperiode des Wechselstromgenerators, d. h. wenn das Potential der Klemme A gegenüber der Klemme B positiv ist, die Generator-und die Kondensatorspannung. Die Summenspannung liegt zwischen Anode und Kathode der Röhre V, die einen Strom durchläßt, der die Kondensatorspannung verringert. Während der negativen Halbperiode wirkt die Generatorspannung der übrigbleibenden Kondensatorspannung entgegen, und von dem Wechselstromgenerator fließt ein Strom durch den Gleichrichter R und lädt den Kondensator C wieder auf. Während dieser Aufladezeit ist die Anodenspannung der Röhre V negativ. Es wird einleuchten, daß die von dem Kondensator C während der negativen Halbperiode aufgenommene Elektrizitätsmenge der durch die Röhre V während der positiven Halbperiode abgegebenen Elektrizitätsmenge gleichkommt. Auf diese Weise ist die Belastung des Wechselstromgenerators für die beiden HaIbperioden gleich.The device according to the invention works as follows: When the engine is running and the capacitor C is charged so that its side connected to the anode of the tube V is positive, then add up during the positive half-cycle of the alternator, i. H. if the potential of terminal A is positive compared to terminal B, the generator and capacitor voltage. The total voltage lies between the anode and cathode of the tube V, which allows a current to pass through which reduces the capacitor voltage. During the negative half cycle, the generator voltage counteracts the remaining capacitor voltage, and a current flows from the alternator through the rectifier R and charges the capacitor C again. During this charging time the anode voltage of the tube V is negative. It will be apparent that the amount of electricity drawn by capacitor C during the negative half cycle is equal to the amount of electricity discharged by tube V during the positive half cycle. In this way the load on the alternator is the same for the two half-periods.

Wenn die Spannung des Wechselstromgenerators mit der Spannung des Oszillators in Phase ist, dann steigt mit der Anodenspannung auch die Gitterspannung, und die Anodenspannung erreicht ihren Scheitelwert in dem Augenblick, in dem auch die Gitterspannung ihren relativ höchsten positiven Wert annimmt. Es fließt dann ein starker Anodenstrom durch die Röhre V, und der Motor 1 wird durch den Wechselstromgenerator stärker belastet. Wenn andererseits die Spannung des Wechselstromgenerators gegenüber der Gitterspannung so weit phasenverschoben ist, daß die Gitterspannung ihren relativ höchsten positiven Wert in dem Augenblick erreicht, in dem die Anodenpannung Null ist, dann wird beim Steigen der Anodenspannung die Gitterspaümg zunehmend negativ, und wenn die Anodenspannung ihren Höchstwert erreicht, hat die Gitterspannung ihren relativ niedrigsten Wert. In diesem Fall ist der Anodenstrom der Röhre V sehr klein, und auch die dem Motor 1 durch den Wechselstromgenerator 2 aufgedrückte Belastung ist dementsprechend klein. Zwischen diesen beiden Grenzfällen kann sich der Anodenstrom der Röhre V ändern, und infolgedessen entspricht die von dem Wechselstromgenerator 2 auf den Motor 1 ausgeübte Belastung dem Phasenwinkel, um den die Generatorspannung hinter der Spannung des Oszillators F zurückbleibt.If the voltage of the alternator is in phase with the voltage of the oscillator, the grid voltage increases with the anode voltage, and the anode voltage peaks at the moment when the grid voltage also assumes its relatively highest positive value. A strong anode current then flows through the tube V, and the engine 1 is more heavily loaded by the alternator. If, on the other hand, the alternator voltage is so far out of phase with the grid voltage that the grid voltage reaches its relatively highest positive value at the moment when the anode voltage is zero, then as the anode voltage rises, the grid voltage becomes increasingly negative, and when the anode voltage its When the maximum value is reached, the grid voltage has its relatively lowest value. In this case, the anode current of the tube V is very small and the load imposed on the engine 1 by the alternator 2 is correspondingly small. Between these two borderline cases, the anode current of the tube V can change and as a result the load exerted by the alternator 2 on the motor 1 corresponds to the phase angle by which the generator voltage lags the voltage of the oscillator F.

Eine Grobeinstellung der Motordrehzahl inwrhalb des vom Wechselstromgenerator 2 zu bewältigenden Regelbereichs wird mittels eines dem Motor vorgeschalteten veränderbaren Widerstandes RV vorgenommen. Die Grobeinstellung erfolgt derart, daß der Motor nicht imstande ist, die Belastung zu tragen, die der Wechselstromgenerator bei dem höchsten möglichen Generatorstrom auf ihn ausübt. Infolgedessen eilt die Generatorspannung in der Phase mit Bezug auf die Oszillatorspannung um einen Betrag nach, der sich mit der Belastung und mit anderen Bedingungen ändert. Wenn die Belastung des Motors zu klein ist, beschleunigt der Motor den Wechselstromgenerator in der Phase, und die Belastung des Generators nimmt durch den größer werdenden Generatorstrom zu. Wenn umgekehrt die Belastung des Motors zunimmt, so wird der Wechselstromgenerator in der Phase verzögert, und dadurch wird andererseits die Belastung des Generators verringert. Die Wirkung ist genau die gleiche, wenn beispielsweise die Versorgungsspannung des Motors sich ändert.A rough adjustment of the engine speed within that of the alternator 2 is controlled by means of a variable upstream of the motor Resistance RV made. The coarse adjustment is made so that the motor does not is able to withstand the load that the alternator at the highest possible generator current exerts on him. As a result, the generator voltage rushes in phase with respect to the oscillator voltage by an amount that changes changes with the load and with other conditions. When the load on the engine is too small, the motor accelerates the alternator in phase, and the load on the generator increases as the generator current increases. Conversely, when the load on the engine increases, the alternator becomes is delayed in phase, and this on the other hand increases the load on the generator decreased. The effect is exactly the same when, for example, the supply voltage of the engine changes.

Auf diese Weise wird eine Motordrehzahl erzielt, die der Frequenz der Stimmgabel bzw. des Oszinators F entspricht, und Veränderungen in der zugeführten Spannung, der Belastung des Motors oder in anderen Bedingungen haben nur die Wirkung, die Bewegung der Motorwelle während eines kleinen Teiles einer Umdrehung zu beschleunigen oder zu verzögern.In this way, a motor speed is achieved that corresponds to the frequency the tuning fork or the oscillator F corresponds, and changes in the supplied Voltage, the load on the motor or in other conditions only have the effect to accelerate the movement of the motor shaft during a small part of a revolution or to delay.

Angenommen, der Motor 1 läuft mit 3000 U/min und der Wechselstromgenerator 2 liefert eine Spannung mit einer Frequenz von 1000 Perioden je Sekunde, so entspricht eine Umdrehung der Motorwelle 20 Perioden, und der Teil einer Periode, der dem vollen Regelbereich der Vorrichtung entspricht, stellt nur einige Grade Drehung der Motorwelle dar. Auf der Motorwelle kann zusätzlich ein schwingungsdämpfendes Schwungrad angebracht werden.Assuming the engine 1 runs at 3000 rpm and the alternator 2 supplies a voltage with a frequency of 1000 periods per second, one revolution of the motor shaft corresponds to 20 periods, and the part of a period which corresponds to the full control range of the device, represents only a few degrees of rotation of the motor shaft. A vibration-damping flywheel can also be attached to the motor shaft.

Selbstverständlich bedeutet bei einer gegebenen Motordrehzahl eine höhere Frequenz des Wechselstromgenerators, d. h. eine größere Periodenzahl des Wechselstromgenerators je Umdrehung der Motorwelle, eine Verkleinerung des nacheilenden Phasenwinkels der Motorwelle, der erforderlich ist, um die Belastung des Wechselstromgenerators von einem Höchstwert auf einen Tiefstwert zu verringern, und dadurch eine Erhöhung der Regelgenauigkeit. Verständlicherweise kann auch durch Verwendung einer genau veränderbaren Sollfrequenz an Stelle der festen Frequenz des OszillatorsF eine sehr genaue, einstellbare Drehzahlregelung erreicht werden. Eine derartige Regelung würde jeweils nur in einem begrenzten Bereich wirksam sein.Of course, for a given engine speed, the higher the alternator frequency, i. H. a larger number of cycles of the alternator per revolution of the motor shaft, a reduction in the lagging phase angle of the motor shaft, which is required to reduce the load on the alternator from a maximum value to a minimum value, and thereby an increase in control accuracy. Understandably, by using a precisely variable setpoint frequency instead of the fixed frequency of the oscillator F, a very precise, adjustable speed control can be achieved. Such a regulation would only be effective in a limited area.

Die Vorrichtung zur Drehzahlregelung gemäß der Erfindung kann dazu verwendet werden, beliebige Einrichtungen durch einen Elektromotor mit konstanter Drehzahl anzutreiben. Der Motor kann z. B. auch mit einem zweiten Wechselstromerzeuger oder einem Gleichstromgenerator gekoppelt werden, um einen Wechselstrom geregelter Frequenz und Spannung oder eine geregelte Gleichspannung zu erzeugen.The device for speed control according to the invention can be used to drive any device by means of an electric motor at a constant speed. The engine can e.g. B. can also be coupled to a second alternator or a direct current generator in order to generate an alternating current of regulated frequency and voltage or a regulated direct voltage.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Device for keeping the speed of an electric motor constant with the aid of the braking action of an alternating current generator coupled to the motor and feeding a series resonant circuit, characterized in that in the series resonant circuit consisting of a capacitor and the inductive resistance of the alternating current generator, an uncontrolled rectifier and a through a AC control voltage with set frequency grid-controlled rectifier are in anti-parallel connection.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that a fixed setpoint frequency is given by a tuning fork. 3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the target frequency can be set in a frequency range. 4. Device according to claims 1 to 3, characterized in that a grid bias voltage equal to the peak value of this voltage is connected in series with the AC control voltage. Considered publications: German Patent Specifications Nos. 380 586, 489 555, 605138.