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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuerschaltung zur Ansteuerung
eines Synchronmotors sowie auf ein dazu gehöriges Ansteuergerät.
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Synchronmotoren
sowie deren Ansteuerung sind hinlänglich bekannt. Der Synchronmotor
wird mit einer Wechselspannung versorgt, deren Frequenz die Drehzahl
des Synchronmotors bestimmt. Vorzugsweise weist der Synchronmotor
hierzu zwei Wicklungen auf, die mit zwei Wechselspannungen zu versorgen
sind, deren Phasen gegeneinander verschoben sind, vorzugsweise 90°. Diese Phasenverschiebung
wird dadurch erreicht, dass einem der beiden Motorwicklungen die
Wechselspannung über
einen Kondensator zugeführt
wird.
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Je
nach dem, welche Last mit dem Synchronmotor angetrieben wird, kann
es sein, dass im Stoppbetrieb die angetriebene Last den Synchronmotor
ihrerseits bewegen würde.
Um dies zu vermeiden, wird im Stoppbetrieb eine Gleichspannung an eine
der beiden Motorwicklungen gelegt, die dem Motor ein ausreichendes
Bremsmoment verleiht. Diese Gleichspannung kann gegebenenfalls von
einer in der Ansteuerschaltung vorgesehenen Gleichspannungsquelle
abgezweigt werden. Wird dabei ein Längsregler zur Einstellung der
Höhe der
Gleichspannung verwendet, kann eine hohe Verlustleistung auftreten.
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Aus
der
DE 11 79 292 B ist
eine Ansteuerschaltung für
Einphaseninduktionsmotoren mit zwei Motorwicklungen bekannt, bei
der in einem Normalbetrieb eine erste Wechselspannung und eine zu
der ersten Wechselspannung phasenverschobene zweite Wechselspannung
bereitgestellt wird, und bei der in einem Stoppbetrieb von einer
Bremsanordnung bestehend aus einen Phasenschieberkondensator und
einer Spannungsverdopplerschaltung ein Gleichstrom durch die Motorwicklungen
erzeugt wird, der den Läufer
des Motors abbremsen kann.
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Die
DE 10 93 896 B zeigt
eine Ansteuerschaltung für
Einphaseninduktionsmotoren mit zwei Motorwicklungen, bei der in
einem Normalbetrieb eine erste Wechselspannung und eine zu der ersten Wechselspannung
phasenverschobene zweite Wechselspannung bereitgestellt wird, wobei
nach dem Abschalten des Motors mittels eines Zusatzkondensators
ein Entladestrom durch die Motorwicklungen erzeugt wird, der zur
Stillsetzung des Rotors des Induktionsmotors führt.
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Die
DD 203 439 B1 zeigt
ebenfalls eine Ansteuerschaltung zum Abbremsen von Induktionsmotoren.
Wird der Motor ausgeschaltet, so durchfließt die auf dem Kondensator
gespeicherte Ladung die Hauptwicklung des Motors, wobei durch Induktion zwischen
Hauptwicklung und Anker der Motor abgebremst wird.
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Der
Artikel Sirotinski, L. I.: Hochspannungstechnik, Band I, Teil 2,
VEB Verlag Technik Berlin 1956, S. 181 bis S. 186, zeigt beispielhaft
die an sich aus der Hochspannungstechnik bekannte Schaltung und
die Wirkungsweise einer belasteten und unbelasteten Gleichspannungskaskade
zur Erzeugung hoher Gleichspannungen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die bekannte Ansteuerschaltung
weiter zu verbessern.
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Die
bei dem bekannten Ansteuerverfahren auftretende Verlustleistung
lässt sich
vermeiden oder wenigstens verrin gern. Zu diesem Zweck könnte an einen
Schaltregler gedacht werden, der eine geringere Verlustleistung
hat. Der Einbau eines Schaltreglers ist aber mit Kosten verbunden,
die für
den Hersteller des Gerätes
keinen Vorteil mit sich bringen, so dass der Einbau eines Schaltreglers
in der Regel unterbleibt.
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Könnte die
Höhe der
Gleichspannung jedoch durch Bauelemente auf eine geeignete Höhe eingestellt
werden, die ohnehin weitgehend Bestandteil der Ansteuerschaltung
sind, gäbe
es für
den Hersteller von Ansteuerschaltungen für Synchronmotoren keine Veranlassung
mehr, eine hohe Verlustleistung in Kauf zu nehmen.
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Durch
die Ansteuerschaltung mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1
wird dieses Problem auf besonders vorteilhafte Art und Weise gelöst.
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Dem
zu Folge wird eine Kapazität,
die im Normalbetrieb ohnehin zur Verschiebung der Phase zwischen
der ersten und der zweiten Wechselspannung benötigt wird, im Stoppbetrieb
zur Einstellung der Höhe
der Gleichspannung verwendet.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erste Kapazität
bildet dabei zusammen mit einer zweiten Kapazität einen kapazitiven Spannungswandler,
der die erste Wechselspannung in die Gleichspannung für den Stoppbetrieb
umwandelt und auf die erforderliche Höhe einstellt. Der kapazitive
Spannungswandler arbeitet dabei weitgehend verlustfrei. Darüber hinaus
ist er ohnehin Bestandteil der Ansteuerschaltung und steht daher
mit geringem materiellen Mehraufwand zur Verfügung.
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Der
Spannungswandler besteht dabei insgesamt aus einer Reihenschaltung
der ersten Kapazität mit
einem Schaltungselement, das die zweite Kapazität sowie eine erste und eine
zweite Diode umfasst. Dabei ist eine Reihenschaltung aus der ersten
Diode und der zweiten Kapazität
zu der zweiten Diode antiparallel geschaltet. Die für den Stoppbetrieb
erforderliche Gleichspannung wird an der zweiten Kapazität abgegriffen.
Durch eine geeignete Bestimmung der Kapazitätswerte der Kapazitäten lässt sich
hier auf besonders vorteilhafte Art und Weise die erforderliche
Gleichspannung für
den Synchronmotor im Stoppbetrieb erzeugen.
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Zu
der zweiten Kapazität
kann eine Zenerdiode parallel geschaltet werden, deren Durchbruchsspannung über der
Gleichspannung für
den Stoppbetrieb liegt. Dies verhindert das Entstehen einer zu hohen
Spannung an der zweiten Kapazität,
die diese zerstören
könnte,
wenn der Motor nicht angeschlossen ist.
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Mittels
einer Schaltvorrichtung wird die erste Kapazität im Normalbetrieb in Reihe
zu einer der Wicklungen des Synchronmotors und im Stoppbetrieb in
Reihe zu dem Schaltungselement geschaltet. Gleichzeitig kann die
Schalteinrichtung im Stoppbetrieb auch die zweite Kapazität mit einer
Wicklung des Synchronmotors verbinden. Da diese Schaltvorrichtung
wie auch die erste Kapazität
steter Bestandteil einer Ansteuerschaltung sind und die Schaltung an
sich mit keinerlei nennenswertem Mehraufwand verbunden ist, lassen
sich hier ohnehin für
den Normalbetrieb vorhandene Elemente zur Bereitstellung einer Gleichspannung
von geeigneter Höhe
nutzen.
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Vorteilhafter
Weise wird in einem die Ansteuerschaltung enthaltenden Ansteuergerät eine Stromversorgungseinrichtung
vorhanden sein, die eine Versorgungswechselspannung er zeugt, die
ohne weiteres als erste Wechselspannung verwendet werden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Die 1 zeigt
ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung.
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Die 2 zeigt
die Komponenten der Ansteuerschaltung gemäß 1, die am
Normalbetrieb beteiligt sind.
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Die 3 zeigt
die Komponenten der 1, die am Stoppbetrieb beteiligt
sind.
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In
der 1 ist mit C1 eine erste Kapazität, mit C2
eine zweite Kapazität,
mit V1 eine erste Diode, mit V2 eine zweite Diode, mit V3 eine Zenerdiode,
mit V4 ein erster Triac, mit V5 ein zweiter Triac, mit K eine Schaltvorrichtung,
mit M1 eine erste Motorwicklung, mit M2 eine zweite Motorwicklung
und mit C ein Anschlusselement bezeichnet.
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Die
erste und zweite Motorwicklung M1 und M2 gehören zu dem anzusteuernden Synchronmotor und
sind nicht Bestandteil der Ansteuerschaltung.
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Zur
Verbindung des anzusteuernden Synchronmotors mit der Ansteuerschaltung
dient das Anschlusselement C. Für
die Lehre der Erfindung ist das Anschlusselement C ohne Bedeutung.
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Die
Schaltvorrichtung K weist zwischen den Anschlusselementen 1 und
2 eine Spule auf. Durch Bestromung dieser Spule können die
beiden Wechselkontakte der Schaltvorrichtung K betätig werden.
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Der
erste Wechselschalter befindet sich zwischen den Anschlüssen 1,
2 und 3 und der zweite Wechselschalter befindet sich zwischen den
Anschlüssen
4, 5 und 6.
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Die
Schaltvorrichtung K im Ausführungsbeispiel
ist durch ein monostabiles Relais realisiert, dessen Ruhestellung
die in der Figur gezeigte Schaltstellung darstellt. Das Relais kann
bei entsprechend anderer Bestromung der Relaisspule selbstverständlich auch
eine andere Ruhestellung aufweisen oder als bistabiles Relais ausgeführt sein.
Auch ist eine Ausführung
als Reedrelais oder jede andere denkbare Ausführung von Schaltvorrichtung
möglich,
die ein gesteuertes Umschalten zwischen zwei Kontakten ermöglicht.
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Die
Kapazität
C1 kann durch einen einzigen Kondensator gebildet werden. Es ist
aber auch eine Parallelschaltung von einer Mehrzahl von Kondensatoren
denkbar. Das selbe gilt für
die Kapazität
C2. Die erste Kapazität
muss unipolar ausgeführt
sein, da sie mit Wechselspannung beaufschlagt wird.
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Bei
der ersten Diode V1 und bei der zweiten Diode V2 handelt es sich
um handelsübliche
Gleichrichterdioden, die entsprechend der auftretenden Spannungen
und Ströme
zu dimensionieren sind. Das selbe gilt für die Zenerdiode V3, deren
Durchbruchsspannung ausreichend über
der erzeugten Gleichspannung und deutlich unter der maximalen Betriebsspannung
der zweiten Kapazität
C2 liegen soll.
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Die
vorgeschlagene Ansteuerschaltung arbeitet als Spannungsverdoppler,
wenn der relativ niederohmige Motor nicht angeschlossen ist. Die
hierdurch auftretende Spannung könnte
zur Zerstörung der
zweiten Kapazität
C2 führen.
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Der
Triac V4 und der Triac V5 sind ebenfalls entsprechend der auftretenden
Ströme
zu dimensionieren.
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Die 1 zeigt
die Schalteinrichtung K im Stoppbetrieb bei unbestromter Spule.
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Die
Ansteuerschaltung gemäß der 1 arbeitet
mit einer Versorgungs-Wechselspannung von 24 Volt. Bei dieser Spannung
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine Kapazität C2 von
220 μFarad, eine
Kapazität
C1 von 14,7 μFarad,
und eine Zenerdiode mit einer Durchbruchsspannung von 10 V zu verwenden
(beispielsweise vom Typ eines BZM55C10V). Bei dieser Betriebsspannung
eignen sich Standard-Siliziumdioden vom Typ MCL4148 zur Verwendung
als Diode V1 oder V2. Die Schaltvorrichtung K kann vom Typ AZ822-2C-24DSE
sein. Sowohl der erste Triac V4 als auch der zweite Triac V5 kann vom
Typ BT134B-500D sein.
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Bei
einer solchen Dimensionierung der Ansteuerschaltung stellt sich
eine Gleichspannung von etwa 2,5 V an der Wicklung M1 des Synchronmotors ein.
Die Höhe
der Gleichspannung wurde entsprechend dem gewünschten Bremsmoment bzw. dem hierfür erforderlichen
Gleichstrom von 40 mA gewählt.
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Die
Wirkungsweise der Ansteuerschaltung gemäß der 1 wird nachfolgend
anhand der 2 und 3 erläutert.
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Die 2 betrifft
den Normalbetrieb, bei dem der Synchronmotor entweder links oder
rechts herum laufen soll. Die 3 betrifft
den Stoppbetrieb, bei dem der Motor still stehen soll, auch wenn
die zuvor im Normalbetrieb bewegte Last dem entgegen wirkt.
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Die
Ansteuerschaltung eignet sich selbstverständlich sowohl für einen
Linkslauf als auch für
einen Rechtslauf.
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Im
Linkslauf ist der Triac V4 durchgeschaltet und Triac V5 gesperrt.
Dann geht der Strompfad vom Anschluss der Versorgungsspannung für die Versorgungswechselspannung
von 24 V einerseits über das
Anschlusselement C zu der Motorwicklung M1 und über den Triac V4 und andererseits über das
Anschlusselement C über
die Motorwicklung M2, die erste Kapazität C1 und den Triac V4.
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Beim
Rechtslauf geht der Strompfad einerseits ausgehend vom Anschluss
der Versorgungswechselspannung 4 über die Motorwicklung M2 und den
Triac V5 und andererseits über
die Motorwicklung M1 und über
die Kapazität
C1, diesmal in anderer Richtung und über den Triac V5.
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Im
Normalbetrieb befindet sich die Schaltvorrichtung K gemäß 1 im
bestromten Zustand. Dann ist bei dem ersten Wechselschalter der
Anschluss 3 mit dem Anschluss 2 und bei dem zweiten Wechselschalter
der Anschluss 6 mit dem Anschluss 5 verbunden.
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Bei
dem in der 3 gezeigten Stoppbetrieb ist
die Schaltvorrichtung K im stromlosen Zustand in der in der 1 gezeigten
Stellung. Der Triac V4 ist durchgeschaltet und der Triac V5 ist
gesperrt.
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Ausgangspunkt
für die
Betrachtung der Wirkungsweise ist wieder der Anschluss der Versorgungswechselspannung
von 24 V. Bei positiver Halbwelle wird die Kapazität C1 über die
Diode V1 und die zweite Kapazität
C2 jedes mal ein Stück
aufgeladen. Bei negativer Halbwelle wird die erste Kapazität C1 über die
zweite Diode V2 umgeladen, während
die zweite Kapazität
wegen der Antiparallelschaltung der Diode V1 abgekoppelt wird. Bei
jeder 50 Hz Periode wird also Ladung von der ersten Kapazität C1 in
die zweite Kapazität
C2 gepumpt. Über
der zweiten Kapazität
C2 liegt dann eine pulsierende Gleichspannung von wenigen Volt,
die durch die eine Wicklung des Motors einen Strom fließen lässt, der
dem Motor ein ausreichendes Bremsmoment verleiht. Die Zenerdiode
V3 hat hierbei die Aufgabe, die zweite Kapazität bei nicht angeschlossenem
Motor vor Überspannungen
zu schützen.
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Von
besonderem Vorteil ist bei dieser Ansteuerschaltung, dass eine Bremsspannung
von wenigen Volt Gleichspannung mit geringen Verlusten und mit nur
wenig zusätzlichen
Bauteilen aus der Betriebswechselspannung von 24 V erzeugt werden kann,
wobei die Kapazität
C1, die für
den Normalbetrieb sowieso notwenig ist, und wegen der hohen Anforderung
entsprechend groß und
teuer ist, vorteilhafter Weise auch für den Bremsbetrieb verwendet werden
kann.