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Im Frühjahr 2024 habe ich mich erstmals mit einem Synchronmotor beschäftigt, wie er in den alten
Märklin-Bauanleitungen abgebildet ist.
Die Drehzahl des Synchronmotors wird in erster Linie durch die Anzahl der Pole auf dem Rotor bestimmt. Unsere Netzspannung hat eine Frequenz von f = 50 Hz (Hertz) und das bedeutet, dass die Spannung nicht - wie z. B. bei einer Batterie - als konstanter Wert vorliegt, sondern als Spannung mit einem (theoretisch) sinusförmigen Verlauf mit 50 Sinusschwingungen (Perioden) pro Sekunde. Theoretisch deshalb, weil die Spannung vom Generator zur Spule etliche Transformatoren durchläuft, von denen jeder für sich eine mehr oder weniger starke Nichtlinearität darstellt und die Sinuskurve entsprechend verzerrt. Der Funktion des Synchronmotors tut das jedoch keinen Abbruch.
50 Schwingungen pro Sekunde entsprechen 3000 Schwingungen pro Minute bzw. 6000 Sinus-Halbwellen, von denen 3000 positiv und 3000 negativ gegenüber dem Bezugspotenzial (i. A. "Erde") sind. Geht man davon aus, dass jede der 6000 Halbwellen einen Pol des Rotors "anzieht"", dann ergibt sich die (Nenn-) Drehzahl des Synchronmotors aus dem Quotienten 6000 Halbwellen pro Minute / Anzahl der Pole:
Aber auch ungeachtet der Polzahl kann ein Synchronmotor oft auf unterschiedliche Drehzahlen eingerastet werden. Wenn z. B. nicht jede der 6000 Halbwellen einen Pol "anzieht", sondern nur jede Zweite, dann dreht der Rotor nur mit der halben Drehzahl - ein 4-poliger Motor also mit 750 Umdrehungen pro Minute. Wenn nur jede 3. Halbwelle einen Pol "anzieht", dann beträgt die Drehzahl nur 1/3 der maximalen Drehzahl - also 500 Umdrehungen pro Minute bei einem 4-poligen Rotor. Vereinzelt wurden bei einem 4-poligen Rotor noch 375 Umdrehungen pro Minute beobachtet, der Lauf des Motors ist aber deutlich rauher, als bei den anderen Drehzahlen. Mit einer noch niedrigeren Drehzahl funktioniert es nicht mehr, weil die Pole dann so langsam am Eisenkern der Spule vorbeidrehen, dass sie von den benachbarten Halbwellen zu sehr beeinflusst werden und keine Drehung mehr zustande kommt.
Als ehemaliger Elektronik-Entwickler hat es mich natürlich gereizt, das Einrasten des Rotors mittels einer möglichst einfachen Elektronik zu automatisieren. Die bisherigen Versuche hatten gezeigt, dass sich der Motor mit Hilfe des Stroboskop-Effekts relativ zuverlässig einrasten lässt, wenn der Rotor zunächst auf oberhalb der Synchrondrehzahl beschleunigt wird, anschließend das Absinken der Drehzahl beobachtet wird und bei Erreichen der Synchrondrehzahl - wenn das Interferenzmuster auf dem Rotor also für eine infinitesimal kurze Zeit still steht - die Spule eingeschaltet wird. Mit dieser Prozedur sowie etwas Übung und Glück ließen sich bei einem 4-poligen Rotor sämtliche Drehzahlen meist recht gut nacheinander einstellen. Die Automatisierung dieser Prozedur sollte am 8-poligen Synchronmotor ausprobiert werden mit der Hoffnung, dass eine Elektronik präziser funktioniert, als das manuelle Einschalten der Spule. 1. Versuch Um nicht von Anfang an unnötig Teile zu verschleißen bzw. zu zerstören, wurden zunächst 2 Lagerschilde zur Aufnahme eines Miniatur-Flansch-Kugellagers angefertigt und diese von innen auf die Lagerplatten der Welle geschraubt. Davon abgesehen ist maximale Leichtgängigkeit des Rotors unerlässlich für die Funktion, damit die nach dem Anwerfen absinkende Drehzahl möglichst lange im Bereich der Synchrondrehzahl verweilt. Die Elektronik besteht im Wesentlichen aus einem herkömmlichen Frequenz-Spannungs-Wandler (Tacho-Generator) in Verbindung mit einer Schaltstufe. Im Einzelnen werden hierbei folgende Operationen durchgeführt:
3. Integrator Das ist ein einfacher Tiefpass aus Widerstand und Kondensator. Seine Ausgangsspannung ist der zur Frequenz (Drehzahl) proportionale arithmetische Mittelwert der Impulsfolge. 4. Komparator (Vergleicher) Hier wird die frequenzabhängige (drehzahlabhängige) Spannung am Ausgang des Integrators mit dem für 750 U/min ermittelten Wert (Sollwert) verglichen. Sobald der Sollwert erreicht wird, wird am Ausgang des Komparators ein Schaltvorgang ausgelöst. 5. Schaltstufe Diese besteht aus einem Transistor zum Schalten eines Relais, welches die Spule idealerweise im richtigen Moment an Spannung legt. Prinzipiell funktioniert diese Schaltung zwar, die Trefferquote der Einrastversuche liegt allerdings nur bei bescheidenen ca. 50% innerhalb einer weiten Streuung. Mit einem solchen Ergebnis kann man nicht zufrieden sein und deshalb soll auch nicht weiter auf diese Schaltung eingegangen werden (eine Beschreibung der aktuellen Schaltung erfolgt weiter unten). Der entscheidende Hinweis zur Erhöhung der Trefferquote kam von einem im Metallbaukasten-Forum tätigen Mitschrauber, der sich ebenfalls bereits mit Synchronmotoren beschäftigt hatte. Demnach sei nicht allein die Drehzahl das Kriterium für einen zuverlässigen Start des Motors, sondern auch die Position der Pole zur Spule (Rotorposition) im Zusammenhang mit der Phasenlage der Versorgungsspannung habe einen Einfluss. Erst dann, wenn alle 3 Einflussgrößen günstig zusammentreffen, ließe sich der Rotor auf die Synchrondrehzahl einrasten. Eine interessante Information - ganz so einfach ging es also doch nicht. Zunächst war zu untersuchen, wie Rotorposition und Phasenlage der Versorgungsspannung bei einem eingerasteten Motor korrelieren. Gefühlsmäßig darf man annehmen, dass die Versorgungsspannung einen Nulldurchgang haben müsste, wenn ein Pol am Eisenkern der Spule vorbeisaust.
2. Versuch Im nächsten Versuch wurde die ursprüngliche Schaltung um eine Positionserkennung des Rotors sowie um einen Maximum-Detektor für die Versorgungsspannung erweitert. Sowohl für die Positionserkennung als auch für den Maximum-Detektor wurden Impulse ("Fenster") mit einer Breite zwischen 3 und 4 ms generiert. Diese relativ breiten Fenster erhöhen zwar die Unschärfe des "optimalen Einschaltmoments", erhöhen aber auch die Wahrscheinlichkeit, dass alle 3 Einflussgrößen zusammentreffen. Alle 3 Einflussgrößen werden mittels eines AND-Gatters verknüpft und bei Erfüllung aller Bedingungen ein D-Flip-Flop (D-Latch) getriggert. Der Ausgang des D-Flip-Flops schaltet über einen Transistor die Spule ein, diesmal allerdings mittels eines TRIACs, da mit einem Relais kein Millisekunden-genaues Einschalten möglich ist. Mit dieser Methode wird nach sorgfältiger Justage eine Trefferquote der Einrastversuche zwischen 80 und 90% erzielt. Das ist zwar deutlich mehr als vorher, wirklich zufriedenstellend ist das aber auch nicht - auch diese Schaltung soll deshalb nicht näher erläutert werden (eine Beschreibung der aktuellen Schaltung erfolgt weiter unten). Nach längerer Zeit der Ratlosigkeit fiel mir ein weiterer Lösungsansatz ein: Bisher wurde die Spule im positiven oder negativen Maximum der Versogungsspannung eingeschaltet, wenn sich der Eisenkern zwischen 2 Polen befand. Die Alternative wäre, die Spule annähernd im Nulldurchgang der Versorgungsspannung einzuschalten, wenn ein Pol den Eisenkern passiert - und das führte schließlich zum dritten und vorerst letzten Versuch. 3. Versuch Der Maximum-Detektor wurde zu einem Nullspannungsdetektor (zero cross detector) umgebaut und die Lochscheibe wieder so ausgerichtet, dass der Positionsimpuls genau dann erzeugt wird, wenn ein Pol des Rotors den Eisenkern passiert. Sowohl für den Positionsimpuls als auch für die Nullspannungserkennung werden jetzt Impulse (Fenster) mit einer Breite von ca. 2,5 ms erzeugt, was einem Viertel des Winkels zwischen 2 Polen entspricht. Der Rest der Schaltung wurde praktisch unverändert übernommen (eine Beschreibung der aktuellen Schaltung erfolgt weiter unten). Dieser Versuch ergab eine weitere signifikante Erhöhung der Trefferquote beim Einrasten des Rotors, welche aktuell > 95% beträgt. Bei einer Serie von 100 Einrastversuchen wurden sogar 100 Treffer gezählt, aber das dürfte eher die Ausnahme sein. Der Grund für diese Verbesserung ist unklar. Möglicherweise liegt es daran, dass die Pole nach dem Einschalten jetzt gewissermaßen in das Spannungsmaximum hineindrehen. Vielleicht liegt es auch an den nun schmaleren Impulsen, die ein präziseres Einschalten zulassen - dies wär evtl. noch ein Ansatz für eine weitere Optimierung. Jedenfalls erfolgt das Einrasten des Rotors mit dieser Methode insgesamt deutlich williger - auch dann, wenn die Drehzahl bereits sichtbar unter die Synchrondrehzahl abgesunken ist. Einzelne Fehlstarts wird es weiterhin geben und diese sind auch einfach messbar und erklärbar: Ein zuverlässiges Einrasten setzt voraus, dass der optimale Einschaltmoment während der ersten Umdrehungen nach dem Einschalten der Spule erhalten bleibt und das ist nicht immer der Fall. Wenn Rotorposition und Phasenlage nach dem Einschalten aufgrund der Rotationsträgheit des Rotors nochmal kurzzeitig auseinanderdriften, dann sinkt währenddessen die Drehzahl u. U. so weit ab, dass ein Einrasten nicht mehr funktioniert. Um das Projekt Synchrotronik-Motor abzuschließen wurde der bislang "fliegende Aufbau" der Schaltung zunächst auf eine Lochraster-Leiterplatte übertragen. Diese Leiterplatte enthält sämtliche Anschlüsse in steckbarer Form sowie einige Widerstände auf Lötstiften - das sind gewissermaßen die Freiheitsgrade für eventuelle Experimente zur weiteren Optimierung. Die Leiterplatte enthält u. a. 2 Buchsen zum Anschluss einer zur "Stroboskoplampe" umgebauten LED-Taschenlampe, welche an den Motor geschraubt werden kann. Die rechte Abbildung zeigt den Synchrotronik-Motor mit installierter "Stroboskoplampe". Erkennbar ist auch eines der Lagerschilde aus Aluminium zur Aufnahme eines Miniatur-Flansch-Kugellagers. Geplant ist außerdem noch der Ersatz des Lochscheibenrades aus Pappe durch ein Metallbaukasten-Lochscheibenrad. Dies erfordert jedoch einen Umbau der Lichtschrankenhalterung, da ein Metallbaukasten-Lochscheibenrad aktuell zu klein ist.
Schaltungsbeschreibung Der Schaltplan existiert bislang nur als mittelprächtige Bleistift-Skizze, für eine kurze Beschreibung ist er aber ausreichend. Die Schaltung wird mit 12 V Wechselspannung betrieben und der Versorgungsspannung-Eingang befindet sich links oben, gefolgt von einer Sicherung und einem Schalter. Daneben befindet sich die Gleichspannungserzeugung, bestehend aus einer Einweg-Gleichrichtung, einem Glättungskondensator sowie einem 12V-Festspannungsregler. Im weiteren Verlauf der Wechselspannung befindet sich rechts oben die Stroboskoplampe, welche vom Relais RS1 geschaltet wird. Rechts unten findet sich die Spule, welche vom TRIAC TIC 246 N geschaltet wird. Oben in der Mitte findet sich der Nullspannungsdetektor, der am Ausgang einen Impuls mit einer Breite von ca. 2,5 ms um den Nulldurchgang der Wechselspannung herum liefert - hier als Phase bezeichnet. Dieses Einschalt-Fenster entspricht einem Viertel des Winkels zwischen 2 Polen. Links in der Mitte ist die Lichtschranke TCST 2103 dargestellt, gefolgt von 2 monostabilen Kippstufen 4538 (Monoflop), die sich in einem Gehäuse befinden. Das obere Monoflop formt den Positionsimpuls des Rotors mit einer Breite von ca. 2,7 ms - hier als Position bezeichnet. Das untere Monoflop formt den Impuls zur Ermittlung der Drehzahl mit einer Breite von 9 ms. Der 9ms-Impuls wird zum Tiefpass (Integrator) geführt und die dort erzeugte Gleichspannung zum Eingang des Komparators (Vergleicher). Hier wird die drehzahlabhängige Gleichspannung mit dem Sollwert für 750 Umdrehungen pro Minute (ca. 10,9 V) verglichen und bei Unterschreiten des Sollwerts am Ausgang des Komparators eine Schaltflanke erzeugt - hier als Drehzahl bezeichnet. Der Komparator hat keine Hysterese mit der Folge, dass sein Ausgang aufgrund des - wenn auch geringen - überlagerten Wechselspannungsanteils an Pin 2 ständig zwischen Low-Level und High-Level hin und her kippt. Inwieweit sich das nachteilig auf die Funktion auswirkt bzw. ob das im Rahmen der weiteren Optimierung noch geändert wird, steht derzeit noch nicht fest. Alle 3 Größen - Phase, Position und Drehzahl - werden mit einem UND-Gatter 4073 miteinander verknüpft. Die Verknüpfung von Phase und Position wurde hierbei bewusst von der Drehzahl separiert, damit sie am Pin 9 des 4073 getrennt betrachtet werden kann. Treffen alle 3 Größen erstmals zusammen, dann wird der Ausgang Pin 6 des 4073 auf High-Level geschaltet und das D-Latch 4013 getriggert. Der Ausgang des 4013 wird auf Transistor T1 geleitet, welcher den Opto-TRIAC MOC 3022 und dieser schließlich den Haupt-TRIAC TIC 246 N zündet. Des weiteren gibt es unten in der Mitte noch einen Pfad mit der Bezeichnung Drehzahl-Überwachung. Diese wurde eingebaut, damit die Spule bei Stillstand des Rotors nicht versehentlich an Spannung bleibt und unnötig heiß wird. Hierzu wird der 9ms-Impuls auf einen weiteren Tiefpass und von dort auf Transistor T2 geführt, welcher das Relais RS1 steuert. RS1 versetzt die Schaltung praktisch in Bereitschaft, indem die Stroboskoplampe eingeschaltet und der Kollektor von Transistor T1 an Spannung gelegt wird. Steht der Motor still, dann fällt RS1 ab und Stroboskoplampe sowie Spule werden stromlos geschaltet. Bliebe noch das Detail Reset unterhalb des UND-Gatters 4073. Dieses ist erforderlich, um den Ausgang des D-Latch 4013 vor dem nächsten Startversuch wieder auf Low-Level zu setzen, und das erfolgt bei jedem Anwerfen des Rotors und dem damit verbundenen Einschalten des Relais RS1. |
