DE10048083C1 - Verfahren zur Steuerung eines Universalmotors - Google Patents

Abstract

Es wird eine Drehzahlsteuerungseinrichtung für einen Universalmotor mittels einer Phasenanschnittsteuerung vorgeschlagen, wobei die Phasenanschnittsteuerung den Phasenanschnittwinkel im Bereich des Spannungsmaximums einer Wechselspannung meidet, indem der Anschnitt für eine Anzahl von Halbwellen den Bereich des Spannungsmaximums überspringt, und zeitgleich der Phasenanschnittwinkel für den Anschnitt der anderen Anzahl von Halbwellen entsprechend verkleinert oder vergrößert wird. DOLLAR A Durch eine solche Maßnahme ist eine feinfühlige Drehzahl- und Leistungssteuerung eines Universalmotors möglich, ohne hierbei den kritischen Bereich des Spannungsmaximums benutzen zu müssen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1.

Bei einem wechselstrombetriebenen und drehzahlgesteuerten Universalmotor findet überwiegend eine Phasenan­ schnittsteuerung Anwendung. Solche Phasenanschnittsteue­ rungen besitzen je nach Anwendungsfall unterschiedliche Auslegungen und Techniken.

Mit einem Universalmotor wird eine hohe Leistungsdichte erzielt. Um bei einem in ein Elektrowerkzeug angeordneten Universalmotor eine noch höhere Leistungsdichte zu erzie­ len, wird die Leerlaufdrehzahl des Universalmotors mittels einer Phasenanschnittsteuerung erniedrigt, und bei anlie­ gender zunehmender Last am Universalmotor wird die Dreh­ zahl solange nachgesteuert bis die volle Netzspannung am Motor anliegt.

Die Applikation: Frank, "Phasenanschnittsteuerungen - pro­ blembezogen" in Elektrotechnik, 1985, Heft 4, Seiten 86 bis 90 beschreibt eine solche Phasenanschnittsteuerung für Universalmotoren mit Lastkompensation, die mit steigender Belastung den Stromflußwinkel vergrößert, und auf der an­ deren Seite die Leerlaufdrehzahl verringert.

Die Nachteile der zuvor beschriebenen Maßnahmen bestehen darin, daß einerseits bei einer angemessenen Nachsteuer­ barkeit der Drehzahl des Universalmotors der Phasenan­ schnittwinkel in der Nähe des Spannungsmaximums während des Leerlaufbetriebes erfolgt, wodurch ein hohes Bürsten­ feuer verursacht wird, und hierdurch die Bürsten und der Kollektor des Universalmotors einen entsprechenden hohen Verschleiß unterliegen. Außerdem verursacht der Phasenanschnittwinkel im Bereich des Spannungsmaximums eine nicht unerhebliche Geräuschentwicklung und Funkstörung während des Betriebes des Universalmotors.

DE 195 36 148 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Einstellung eines Antriebsdrehmomentes oder einer Drehzahl eines Elek­ tromotors, insbesondere eines Asynchron- oder Universalmo­ tors. Im einzelnen wird die Leistungssteuerung einer Hei­ zungspumpe mit einer Phasenanschnittsteuerung und einem Kondensatormotor beschrieben. Aufgabe ist es, das Brummen des Motors bei einem Phasenanschnittwinkel in der Nähe des Spannungsmaximums zu vermeiden (Spalte 1, Zeile 54 bis Spalte 2, Zeile 2). Dazu wird ab einem Grenzwinkel ein Halbwellenmuster, bestehend aus nicht angeschnittenen Halbwellen und angeschnittenen Halbwellen, eingestellt (Spalte 3, Zeilen 15 bis 30). Bei weiterer Drehzahlerhö­ hung wird der Zündwinkel wieder geändert. Erreicht der Zündwinkel erneut den Grenzwinkel, wird die Zahl der gan­ zen Halbwellen erhöht und die der angeschnittenen Halbwel­ len zurückgesetzt (Spalte 3, Zeilen 37 bis 46).

Ein solches Verfahren hat den Nachteil, daß mindestens drei getrennt zu steuernden Halbwellengruppen vorhanden sein müssen.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die zuvor geschil­ derten Nachteile aufzuheben bzw. zu vermindern, die bei einer Drehzahlsteuerungseinrichtung für einen Universalmo­ tor mittels einer Phasenanschnittsteuerung bislang vorhan­ den sind.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Dreh­ zahlsteuerungseinrichtung für einen Universalmotor zu schaffen, womit der als kritisch erkannte, starkes Bür­ stenfeuer und Geräusche sowie Funkstörung verursachenden Phasenanschnittwinkel im Bereich des Spannungsmaximums vermieden wird, indem anstatt drei nur zwei getrennt zu steuernde Halbwellengruppen vorhanden sein sollen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Lösung hat die Vorteile, daß eine Vollwellen-Drehzahlsteuerungseinrichtung für einen Univer­ salmotor gefunden wurde, die es ermöglicht, den kritischen Phasenanschnittwinkel in der Nähe des Spannungsmaximums zu vermeiden, ohne das hierdurch eine feinfühlige Drehzahl­ einstellung beeinträchtigt wird. Außerdem wird durch die Vermeidung des Phasenanschnittwinkels in der Nähe des Spannungsmaximums das Bürstenfeuer am Kollektor des Uni­ versalmotors gesenkt und die Geräuschentwicklung sowie Funkstörung reduziert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung am Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung der Drehzahlsteuerungs­ einrichtung für einen Universalmotor,

Fig. 2 eine Halbwellendarstellung einer Wechselspannung mit unterschiedlichem Phasenanschnittwinkel mit­ tels einer Drehzahlsteuerungseinrichtung.

Fig. 3 eine Halbwellendarstellung einer Wechselspannung mit unterschiedlichem Phasenanschnittwinkel mit­ tels einer Drehzahlsteuerungseinrichtung in al­ ternativer Ausführung.

Elektrowerkzeuge sind überwiegend mit einer Elektronik zur Drehzahlsteuerung ausgestattet, indem bei Wechselstrombe­ trieb eine Phasenanschnittsteuerung zur Anwendung kommt, wobei Elektrowerkzeuge mit einem Universalmotor, wegen seiner hohen Leistungsdichte, ausgestattet sind.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Drehzahlsteue­ rungseinrichtung für einen Universalmotor. Dem Universal­ motor, bestehend aus einem Anker 1 und einem einer Feld­ wicklung 2 tragenden Ständer, ist eine Phasenan­ schnittsteuerung 3 mit einem Triac 4 zugeordnet.

Die Nennleistungsaufnahme eines Universalmotors wird unter anderem durch eine ausreichende Kommutierung und einer höchstzulässigen Erwärmung des Motors und der maximalen für das Elektrowerkzeug und dem Anker 1 des Universalmo­ tors zulässigen Drehzahl bestimmt. Um die Nennleistungs­ aufnahme des Universalmotors z. B. bei einem Winkelschlei­ fer weiter erhöhen zu können, wird immer häufiger die Leerlaufdrehzahl des Motors mittels einer Phasenan­ schnittsteuerung herabgesetzt. Soll mit einer derartigen Maßnahme eine nennenswerte Leistungsaufnahmeerhöhung er­ zielt werden, so erfolgt der Phasenanschnittwinkel im Be­ reich des Spannungsmaximums während des Leerlaufbetriebes, wodurch ein beträchtliches Bürstenfeuer und hierdurch ein hoher Verschleiß der Bürsten und des Kollektors verursacht wird.

Daher soll der Phasenanschnittwinkel im Bereich des Span­ nungsmaximums bei Berücksichtigung der Phasenverschiebung in Bezug zum Stromflußwinkel grundsätzlich vermieden wer­ den.

Fig. 2 zeigt eine solche Maßnahme mit der Darstellung der Halbwellen einer Wechselspannung. Mit der Phasenan­ schnittsteuerung 3 sind alle Halbwellen einer Wechselspan­ nung gleichmäßig mit variablem Phasenanschnittwinkel vom maximalen Phasenanschnittwinkel bis hin zur Nähe des Span­ nungsmaximums 5 anschneidbar, Halbwellendarstellung a. Bei welcher Spannungshöhe der Phasenanschnittwinkel nach dem Spannungsmaximum beginnt oder endet ist vorteilhaft auf den entsprechenden Universalmotor abzustimmen. Wird nach Erreichen des kritischen Bereichs des Phasenanschnittwin­ kels in der Nähe des Spannungsmaximums die Leistungsauf­ nahme des Universalmotors weiter erhöht, erfolgt der An­ schnitt der positiven Halbwellen 6 mit einem Phasenan­ schnittwinkel vor dem Spannungsmaximum 5', und der An­ schnitt der negativen Halbwellen 7 wird um den Wert zu­ rückgesetzt, der für eine feinfühlige Leistungsaufnahmeer­ höhung erforderlich ist, Halbwellendarstellung b. Im wei­ teren Verlauf der Leistungsaufnahmeerhöhung wird der Pha­ senanschnittwinkel proportional für alle Halbwellen ver­ kleinert, Halbwellendarstellung c. Hat nun der Anschnitt der negativen Halbwellen 7 wieder den kritischen Bereich mit einem Phasenanschnittwinkel in der Nähe des Spannungs­ maximums 5 erreicht, werden auch diese Halbwellen mit ei­ nem Phasenanschnittwinkel vor dem Spannungsmaximums 5' an­ geschnitten, und der Anschnitt der positiven Halbwellen 6 wird zeitgleich entsprechend zurückgesetzt, so daß wieder­ um eine feinfühlige Leistungserhöhung des Motors möglich ist ohne den Bürstenfeuer und Geräusche verursachenden Be­ reich des Phasenanschnittwinkels im Bereich des Spannungs­ maximums benutzen zu müssen, Halbwellendarstellung d. Bei einer weiteren Leistungsaufnahmeerhöhung des Motors werden wiederum alle Halbwellen variabel mit den gleichen Phasen­ anschnittwinkel angeschnitten bis der kleinste Phasenan­ schnittwinkel erreicht ist, und somit die höchste Lei­ stungsaufnahme des Motors erfolgt, Halbwellendarstellung e.

Ob nun die positiven Halbwellen, wie hier beschrieben, oder die negativen Halbwellen den Bereich des Spannungsmaximums zuerst überspringen bleibt sich gleich.

Es können auch anstatt der Aufteilung der Halbwellen in positive und negative Halbwellen, die bei einer Erzielung einer feinfühligen Leistungsaufnahme vor- oder zurückge­ setzt werden, damit sie nicht mit einem Phasenanschnitt­ winkel im Bereich des Spannungsmaximums angeschnitten wer­ den, um ein erhöhtes Bürstenfeuer und Geräusche zu vermei­ den, die Halbwellen einer Vollwelle jeweils vor- oder zu­ rückgesetzt werden, um das gleiche Ziel zu erreichen.

Fig. 3 zeigt eine solche Lösung. Zuerst werden auch hier alle Halbwellen bis hin zur Nähe des Spannungsmaximums 5 mittels eines variablen Phasenanschnittwinkels angeschnit­ ten, Halbwellendarstellung f. Wird die Leistungsaufnahme des Universalmotors weiter erhöht, erfolgt der Anschnitt der Halbwellen einer jeden zweiten Vollwelle 8 mit einem Phasenanschnittwinkel vor dem Spannungsmaximum 5', und der Anschnitt der Halbwellen der jeweiligen nachfolgenden Vollwelle 9 wird um den Wert zurückgesetzt, der für eine feinfühlige Leistungsaufnahmeerhöhung erforderlich ist, Halbwellendarstellung g. Im weiteren Verlauf einer Lei­ stungsaufnahmeerhöhung wird auch hier der Phasenanschnitt­ winkel proportional für alle Halbwellen verkleinert, Halb­ wellendarstellung h.

Hat nun der zurückgesetzte Anschnitt der Halbwellen der nachfolgenden Vollwellen 9 wieder den Bereich in der Nähe des Spannungsmaximums 5 erreicht, werden auch diese Halb­ wellen mit einem Phasenanschnittwinkel vor dem Spannungs­ maximum 5' angeschnitten, und der Anschnitt der Halbwellen der jeweiligen zweiten Vollwelle 8 zeitgleich zurückge­ setzt, Halbwellendarstellung j. Bei einer weiteren Lei­ stungsaufnahmeerhöhung des Motors werden auch hier alle Halbwellen variabel mit den gleichen Phasenanschnittwinkel angeschnitten bis der kleinste Phasenanschnittwinkel erreicht ist, Halbwellendarstellung k.

Die Aufteilung der Halbwellen einer Wechselspannung zur Vermeidung des Phasenanschnittwinkels im Bereich des Span­ nungsmaximums bei einer feinfühligen Leistungsänderung am Universalmotor kann auch eine andere sein, wie sie hier beschrieben ist.

Vorstehend wurde die Leistungsaufnahmeerhöhung am Univer­ salmotor beschrieben. Bei einer Leistungsaufnahmeminderung erfolgt der Vorgang zur Vermeidung des Phasenanschnittwin­ kels im Bereich des Spannungsmaximums in umgekehrter Rei­ henfolge.

Die Phasenanschnittsteuerung 3 ist vorzugsweise mit einem Controller ausgestattet, der mit einem Programm zur fein­ fühligen Leistungsaufnahmesteuerung des Universalmotors versehen ist, ohne hierbei den kritischen Phasenanschnitt­ winkel in der Nähe des Spannungsmaximums zu benutzen. Eine solche Phasenanschnittsteuerung findet überall dort gute Anwendung wo eine Phasenanschnittsteuerung zum Einsatz kommt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung eines Universalmotors mittels einer Phasenanschnittsteuerung mit folgenden Merkmalen:

• a) Es werden zwei gleich große Gruppen von Halbwellen gebildet,
• b) wenn der Phasenanschnittwinkel den Bereich des Span­ nungsmaximums erreicht,
• c) überspringt der Phasenwinkel der einen Gruppe von Halbwellen den Bereich des Spannungsmaximums,
• d) während zeitgleich der Phasenanschnittwinkel der an­ deren Gruppe von Halbwellen entsprechend derart ver­ kleinert bzw. vergrößert wird, daß eine feinfühlige Drehzahlsteuerung erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Bereich großer oder kleiner Phasenanschnittwinkel die Phasenanschnittwinkel aller Halbwellen gleich groß sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede Gruppe eine Halb­ welle umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede Gruppe zwei Halb­ wellen umfaßt.

5. Drehzahlsteuereinrichtung für einen Motor mit einer Phasenanschnittsteuerung und einem Controller, der ein Programm zur Abarbeitung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 4 enthält.

6. Drehzahlsteuerung nach Anspruch 5, wobei der Motor ein Universalmotor ist.