DE19755368A1 - Startvorrichtung für einen Elektromotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Startvorrichtung, die einen Elektromotor gleichmäßig anlaufen läßt, indem sie die Phase einer Spannung steuert, die am Elektromotor von einer Überga­ bestromversorgung beim Start des Elektromotors angelegt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Startvorrichtung, die für einen Kommutatormotor geeignet ist, der für ein elek­ tromotorisch angetriebenes Werkzeug bzw. ein Elektrowerkzeug zum Einsatz kommt.

Für ein Elektrowerkzeug wird allgemein ein universeller Kommutatormotor verwendet. Beim Starten durchfließt ein Ein­ schaltstromstoß diesen Kommutatormotor. Besonders groß ist der Einschaltstromstoß eines Motors mit einem Leistungsver­ brauch über 1 kW. Problematisch ist, daß infolge dieses Ein­ schaltstromstoßes ein starker Spannungsabfall in anderen Ver­ brauchern auftritt, die mit der gleichen, das Elektrowerkzeug speisenden Stromversorgung verbunden sind.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für eine vorhandene bzw. be­ kannte Schaltung, die eine Beeinflussung durch diesen Ein­ schaltstromstoß verhindert. Beim Einschalten eines Schalters 60 in dieser Schaltung wird zu einem Verbraucher 62 von einer Übergabestromversorgung 61 geführter Wechselstrom zu einem Weg 63 über einen Widerstand R20 umgeleitet. Der Umleitungs­ strom wird durch eine Diodenbrücke D6 gleichgerichtet. Mit dem gleichgerichteten Strom wird ein Elektrolytkondensator C20 geladen. Ist das Laden dieses Elektrolytkondensators C20 abgeschlossen, fließt kein Umleitungsstrom mehr. Der zum Ver­ braucher 62 von der Übergabestromversorgung 61 geführte Strom lädt einen Kondensator C10 über den Widerstand R20 und einen Widerstand R21.

Erreicht die Spannung über dem Kondensator C10 eine Durchlaßspannung einer Triggerdiode D5, wird die Triggerdiode D5 eingeschaltet, ein Triac Q6 wird eingeschaltet, und eine Spannung wird am Verbraucher 62 angelegt.

Anschließend wird eine Schaltphase der Triggerdiode D5 durch eine von den Widerständen R21, R20 und dem Kondensator C20 abhängige Zeitkonstante bestimmt, und der Verbraucher 62 wird im stabilen Zustand angetrieben.

Wie erwähnt wurde, kann der Einschaltstromstoß zum Ver­ braucher 62 durch Umleiten des zum Verbraucher 62 beim Start fließenden Stroms verhindert werden.

Zur Lösung dieses Problems erfordert das Elektrowerkzeug unter Verwendung des Kommutatormotors mit großem elektrischem Leistungsverbrauch einen sogenannten sanften Anlauf bzw. Start, bei dem eine gleichmäßige Änderung vom Start zum sta­ bilen Betriebszustand in mehreren Sekunden erfolgt. Ferner kommt es bei Elektrowerkzeugen häufig zum Start und Stopp, und ein den Einschaltstromstoß verhindernder sanfter Start ist auch dann erforderlich, wenn der Motor kurze Zeit nach Motorstopp gestartet wird.

Beim Einsatz der erwähnten bekannten Startvorrichtung von Fig. 4 als Startvorrichtung des Kommutatormotors im Elek­ trowerkzeug gilt folgendes: Da die Zeit, in der der Umlei­ tungsstrom umgeleitet wird, von der Ladezeit des Elektrolyt­ kondensators C20 bestimmt ist, muß die elektrische Kapazität des Elektrolytkondensators C20 so (z. B. auf 33 µF) einge­ stellt sein, daß das Laden nach einigen Sekunden abgeschlos­ sen ist.

Schließt dagegen der Elektrolytkondensator C20 die elek­ trische Entladung nicht ab, kann der Ladestrom des Kondensa­ tors C10 nicht umgeleitet werden. Um einen sanften Start zu realisieren, wenn der Schalter nach Ausschalten wieder einge­ schaltet wird, muß die Entladung des Elektrolytkondensators C20 abgeschlossen sein, bevor der Schalter 60 nach dem Aus­ schalten wieder eingeschaltet wird.

Zum Verkürzen der Entladezeit muß der Widerstandswert von R23 klein sein, z. B. 200 kΩ. Ist aber der Widerstands­ wert des Widerstands R23 klein, fließt der Umleitungsstrom auch im stabilen Betriebszustand. Dadurch sinkt die am Kommu­ tatormotor angelegte Spannung, und die Drehzahl des Kommuta­ tormotors verringert sich.

Wird anders ausgedrückt der sanfte Start auch dann rea­ lisiert, wenn der Schalter kurz nacheinander aus- und einge­ schaltet wurde, besteht ein Problem darin, daß der Kommuta­ tormotor nicht mit der Bemessungsdrehzahl drehen kann.

Da zudem ein Kondensator mit hoher Kapazität eine große Außenform hat, ist problematisch, daß sein Einbauraum der Startvorrichtung groß wird.

Zur Lösung dieser Probleme stellt die Erfindung eine Start­ vorrichtung für einen Elektromotor bereit, die einen sanften Start auch dann realisieren kann, wenn der Elektromotor kurz nacheinander startet und stoppt. Außerdem kann der Motor mit der Bemessungsdrehzahl drehen.

Eine erfindungsgemäße Startvorrichtung für einen Elek­ tromotor weist auf:
eine Phasensteuereinrichtung zum Steuern einer Phase ei­ ner am Elektromotor von einer Übergabestromversorgung ange­ legten Spannung,
eine Phasenverzögerungseinrichtung zum Verzögern der durch die Phasensteuereinrichtung gesteuerten Phase durch Um­ leiten von Strom, der in die Phasensteuereinrichtung eingege­ ben wird,
wobei die Phasensteuereinrichtung aufweist:
ein Halbleitersteuerelement zum Gleichrichten von Strom, der am Motor von der Übergabestromversorgung angelegt wird,
und Eingeben eines Triggerstroms von einem Gate, um das Ele­ ment leitend zu machen,
ein Triggerelement zum Ausgeben des Triggerstroms zum Halbleitersteuerelement, und
einen ersten Kondensator zum Steuern einer Ausgabezeit des vom Triggerelement ausgegebenen Triggerstroms;
und die Phasenverzögerungseinrichtung aufweist:
einen Umleitungsweg zum Umleiten von Ladestrom zum er­ sten Kondensator,
einen ersten Transistor zum Eingeben und Ausgeben des über den Umleitungsweg umgeleiteten Umleitungsstroms,
einen zweiten Kondensator, der durch Basisstrom des er­ sten Transistors geladen wird, und
eine elektrische Entladeschaltung zum Entladen des zwei­ ten Kondensators.

In der erwünschten Konfiguration der Erfindung verhin­ dert die elektrische Entladeschaltung in der Startvorrichtung die elektrische Entladung des zweiten Kondensators, wenn der Strom von der Übergabestromversorgung zum Elektromotor ge­ führt wird; und die elektrische Entladeschaltung entlädt den zweiten Kondensator, wenn die Stromzufuhr gestoppt wird.

Der Ladestrom des vorgenannten ersten Kondensators wird über den Umleitungsweg umgeleitet, und der Umleitungsstrom wird in den ersten Transistor eingegeben. Dadurch fließt Ba­ sisstrom des ersten Transistors, der erste Transistor schal­ tet sich ein, und der vorgenannte Umleitungsstrom wird von diesem ersten Transistor ausgegeben. Außerdem beginnt das La­ den des zweiten Kondensators durch diesen Basisstrom.

Anders ausgedrückt kann der zweite Kondensator die Lade­ zeit auch bei kleiner elektrostatischer Kapazität senken, da er durch den vom ersten Transistor ausgegebenen Basisstrom geladen wird.

Mit fortschreitendem Laden des zweiten Kondensators sinkt der Basisstrom, und der erste Transistor schaltet sich aus. Damit fließt der Umleitungsstrom im Umleitungsweg nicht mehr, die Ladezeit des ersten Kondensators verkürzt sich, und die Phase der am Motor angelegten Spannung wird durch die Zeitkonstante gesteuert, die durch den ersten Kondensator u. a. eingestellt ist. Der Elektromotor arbeitet stabil.

Der zweite Kondensator wird durch die elektrische Entla­ deschaltung entladen. Da in diesem Fall eine Kapazität des zweiten Kondensators klein ist, läßt sich seine elektrische Entladezeit verkürzen.

Die Startvorrichtung für einen Elektromotor realisiert den sanften Start auch dann, wenn der Elektromotor kurz nach­ einander startet und stoppt.

Da zudem die Außenform des zweiten Kondensators klein ist, läßt sich der Einbauraum der Startvorrichtung klein ge­ stalten.

In der erwünschten Konfiguration der Erfindung verhin­ dert die Entladeschaltung die Entladung des zweiten Kondensa­ tors, wenn der Strom von der Übergabestromversorgung zum Mo­ tor geführt wird. Das Auftreten von Umleitungsstrom durch den elektrischen Entladewiderstand des zweiten Kondensators kann im stabilen Motorbetrieb verhindert werden. Damit wird der Verlust der am Elektromotor angelegten Spannung verhindert, und der Elektromotor läßt sich effizient betreiben.

Außerdem entlädt die Entladeschaltung den zweiten Kon­ densator, und der sanfte Start läßt sich durch Entladung des zweiten Kondensators realisieren, wenn der Motorschalter aus­ geschaltet wird.

Eine erfindungsgemäße Startvorrichtung für einen Elek­ tromotor zum Steuern einer Phase einer am Elektromotor von einer Übergabestromversorgung angelegten Spannung dient dazu, den Motor sanft zu starten,
wobei die Startvorrichtung aufweist:
eine Triggereinrichtung mit
einem Halbleitersteuerelement zum Durchlassen von gleichgerichtetem Strom, der am Motor von der Übergabestrom­ versorgung angelegt wird, wenn ein Triggerstrom in ein Gate eingegeben wird,
einem Triggerelement zum Ausgeben des Triggerstroms zum Halbleitersteuerelement, und
einem ersten Kondensator zum Steuern einer Ausgabezeit des vom Triggerelement ausgegebenen Triggerstroms;
eine Umleitungseinrichtung mit
einem Umleitungsweg zum Umleiten von Ladestrom zum er­ sten Kondensator, und
einem zweiten Kondensator, der über Umleitungsstrom ge­ laden wird, der über den Umleitungsweg umgeleitet wird; und
eine Entladesteuereinrichtung mit
einem Transistor zum Eingeben und Ausgeben eines Entla­ destroms des zweiten Kondensators,
einem ersten Widerstand zum Durchfließenlassen des Ent­ ladestroms vom Transistor, und
einer Steuerschaltung zum Versetzen des Transistors in einen Ausschaltzustand, wenn der Strom zum Elektromotor von der Übergabestromversorgung geführt wird, und zum Versetzen des Transistors in einen Einschaltzustand, wenn der Strom nicht zum Elektromotor von der Übergabestromversorgung ge­ führt wird.

In der erwünschten Konfiguration der Erfindung weist die Steuerschaltung auf:
einen dritten Kondensator, der durch Ladestrom geladen wird, der über den Umleitungsweg umgeleitet wird, was den Transistor veranlaßt, den Ausschaltzustand durch eine durch den Ladestrom erzeugte Spannung anzunehmen, und der entladen wird, wenn der Strom nicht mehr zum Motor geführt wird, was den Transistor veranlaßt, den Einschaltzustand durch einen durch den Entladestrom erzeugten Spannungsabfall anzunehmen; und
einen zweiten Widerstand, den der vom dritten Kondensa­ tor ausgegebene Entladestrom durchfließt.

Der Ladestrom zum vorgenannten ersten Kondensator wird über den Umleitungsweg umgeleitet, und der umgeleitete Lade­ strom lädt den zweiten Kondensator. Damit läßt sich der Ein­ schaltstromstoß zum Motor verhindern. Mit fortschreitender Ladung des zweiten Kondensators sinkt der Umleitungsstrom, und der Ladestrom zum ersten Kondensator steigt. Erreicht die Spannung über dem ersten Kondensator eine Spannung, bei der sich das Triggerelement einschaltet, gibt das Triggerelement den Triggerstrom zum Gate des Halbleitersteuerelements aus, das Steuerelement schaltet sich ein, die Spannung wird von der Übergabestromversorgung am Motor angelegt, und der Motor beginnt zu drehen. Mit zunehmendem Ladestrom zum ersten Kon­ densator wird die Ladegeschwindigkeit des ersten Kondensators schnell, und der Zündwinkel des Triggerelements wird groß. Damit wird die vom Halbleitersteuerelement am Motor angelegte mittlere Spannung groß, und die Drehzahl des Motors steigt. Fließt der Umleitungsstrom nicht mehr über den Umleitungsweg, sinkt die Phase der am Motor angelegten Spannung infolge ei­ ner durch den ersten Kondensator u. a. bestimmten Zeitkon­ stante, und der Motor wird normal angetrieben.

Der den Entladestrom vom zweiten Kondensator ein- und ausgebende Transistor wird durch die Steuerschaltung in einem Nichtbetriebszustand gehalten, wenn der Strom zum Motor ge­ führt wird. Dadurch fließt der Entladestrom vom zweiten Kon­ densator zum ersten Widerstand über den Transistor, und die Entladung des zweiten Kondensators wird verhindert.

Durch die Steuerschaltung wird der Transistor in einen Betriebszustand versetzt, wenn der Strom nicht mehr den Motor speist. Dadurch fließt der Entladestrom vom zweiten Kondensa­ tor zum ersten Widerstand über den Transistor, und der zweite Kondensator wird entladen.

Das heißt, solange der Transistor nicht arbeitet, wird der zweite Kondensator nicht entladen, und der Umleitungs­ strom fließt nicht zum ersten Widerstand.

Daher kann der Widerstandswert des ersten Widerstands niedriger als der Widerstand in der vorgenannten bekannten Startvorrichtung eingestellt werden, und die Startvorrichtung der Erfindung kann den zweiten Kondensator in kurzer Zeit entladen.

In der erwünschten Konfiguration der Erfindung wird der in der Steuerschaltung vorgesehene dritte Kondensator durch über den Umleitungsweg umgeleiteten Ladestrom geladen, was den Transistor veranlaßt, den Ausschaltzustand durch die Spannung über dem dritten Kondensator anzunehmen, die durch den Ladestrom erzeugt wird, und er wird entladen, wenn der Strom den Motor nicht mehr speist, was den Transistor veran­ laßt, den Einschaltzustand durch einen Spannungsabfall über dem dritten Kondensator anzunehmen, der durch den Entlade­ strom erzeugt wird.

Das heißt, das Laden und Entladen des dritten Kondensa­ tors können den Betrieb des Transistor steuern, um das Laden und Entladen des ersten Kondensators zu steuern.

Fig. 1 ist ein Schaltbild eines Hauptaufbaus einer Startvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Er­ findung.

Fig. 2 ist ein Schaltbild eines Hauptaufbaus einer Startvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Er­ findung.

Fig. 3 ist ein Schaltbild eines Hauptaufbaus einer Startvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Er­ findung.

Fig. 4 ist ein Schaltbild einer bekannten Schaltung zum Verhindern eines Einschaltstromstoßes.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung an­ hand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 ist ein Schaltbild eines Hauptaufbaus einer Startvorrichtung für einen Elektromotor (nachfolgend als Startvorrichtung bezeichnet) gemäß einer ersten Ausführungs­ form der Erfindung. Die Startvorrichtung für den Wechsel­ strom-Kommutatormotor (nachfolgend als Motor bezeichnet) in der Verwendung für ein Elektrowerkzeug wird als repräsentati­ ves Beispiel erläutert.

Nachstehend wird der Hauptaufbau der Startvorrichtung beschrieben.

Die Startvorrichtung 10 weist auf: einen Schalter 14 zum Starten und Stoppen eines Motors 12; einen Triac Q1, der ei­ nem Halbleitersteuerelement entspricht, zum Steuern der von einer Übergabestromversorgung 13 zugeführten Übergabespan­ nung; eine Triggerschaltung 20 zum Ausgeben von Triggerstrom zu einem Gate des Triac Q1; eine Umleitungsschaltung 30 zum Umleiten von Ladestrom zu einem in dieser Triggerschaltung 20 vorgesehenen Kondensator C3; eine Verzögerungsschaltung 40 zum Steuern einer Zeit, in der die Umleitungsschaltung 30 den Strom umleitet; und eine elektrische Entladeschaltung 50 zum Entladen von Elektrizität in einem Elektrolytkondensator C1, mit dem die Verzögerungsschaltung 40 versehen ist.

Im folgenden wird die Funktion der Startvorrichtung 10 erläutert.

Schaltet jemand, der ein Elektrowerkzeug benutzt, den Schalter 14 ein, durchfließt der meiste von der Übergabe­ stromversorgung 13 zugeführte Wechselstrom den Widerstand R1 und wird zu einem Umleitungsweg 31 umgeleitet, und ein Teil des Wechselstroms durchfließt den Widerstand R2 und lädt den Kondensator C3, der einem ersten Kondensator entspricht. Der Umleitungsstrom wird durch eine Diodenbrücke D1 gleichgerich­ tet, und der gleichgerichtete Strom wird in einen Emitter ei­ nes Transistors Q2 eingegeben. Dadurch fließt Basisstrom des Transistors Q2, und der Basisstrom lädt den Elektrolytkonden­ sator C1, der einem zweiten Kondensator entspricht, über Wi­ derstände R4, R5 und eine Diode D3.

Durch den Basisstrom wird der Transistor Q2 eingeschal­ tet, und in den Emitter eingegebener Gleichstrom wird ver­ stärkt, von einem Kollektor ausgegeben und fließt über einen Widerstand R6.

Erreicht andererseits je nach Ladung des Kondensators C3 die Spannung über dem Kondensator C3 eine Durchlaßspannung einer Triggerdiode D2, die einem Triggerelement entspricht, wird Strom von der Triggerdiode D2 zum Gate des Triac Q1 aus­ gegeben, wodurch sich der Triac Q1 einschaltet. Durch Ein­ schalten dieses Triacs Q1 wird Spannung am Motor 12 angelegt, und der Motor 12 beginnt zu drehen. Da in diesem Fall der La­ destrom des Kondensators C3 gering und die Ladezeit des Kon­ densators C3 lang ist, ist ein Zündwinkel der Triggerdiode D2 klein. Daher ist die am Motor 12 vom Triac Q1 angelegte mitt­ lere Spannung gering, und der Motor 12 dreht langsam.

Mit fortschreitendem Laden des Elektrolytkondensators C1 verringert sich danach der Basisstrom des Transistors Q2, der Umleitungsstrom sinkt und der den Kondensator C3 über den Widerstand R2 ladende Strom nimmt zu. Dadurch beschleunigt sich die Ladegeschwindigkeit des Kondensators C3, der Zünd­ winkel der Triggerdiode D2 wird groß, die am Motor 12 vom Triac Q1 angelegte mittlere Spannung wird groß, und die Dreh­ zahl des Motors 12 steigt.

Wird der Basisstrom des Transistors Q2 klein, schaltet sich der Transistor Q2 aus, der Umleitungsstrom über den Um­ leitungsweg 31 fließt nicht mehr, und Wechselstrom, der über den Widerstand R1 geleitet wurde, durchläuft den Widerstand R2 und lädt den Kondensator C3. Daher sinkt der Zündwinkel der Triggerdiode D2 infolge einer durch die Widerstände R1, R2 und den Kondensator C3 bestimmten Ladezeitkonstante, und der Motor 12 wird normal betrieben.

Dazu kommt, daß Basisstrom zu einem Transistor Q4 über einen Widerstand R10 fließt und den Transistor Q4 einschal­ tet, wodurch das elektrische Kathodenpotential einer Diode D4 höher als das elektrische Basispotential des Transistors Q3 wird. Dadurch wird der Transistor Q3 ausgeschaltet, und die elektrische Entladung des Elektrolytkondensators C1 wird ver­ hindert. Damit wird das Auftreten von Umleitungsstrom durch den elektrischen Entladewiderstand des Elektrolytkondensators C1 im stabilen Betrieb des Motors 12 verhindert, und der Mo­ tor 12 kann effizient betrieben werden.

Beim Ausschalten des Schalters 14 wird ein Elektrolyt­ kondensator C2 über den Transistor Q4 und Widerstände R8, R10 entladen. Somit sinkt der Basisstrom des Transistors Q4, und der Transistor Q4 schaltet sich aus. Das elektrische Katho­ denpotential der Diode D4 verringert sich, und elektrischer Entladestrom vom Elektrolytkondensator C1 fließt über den Transistor Q3, die Diode D4 und den Widerstand R8. Danach schaltet sich der Transistor Q3 ein, und eine schnelle elek­ trische Entladung des Elektrolytkondensators C1 erfolgt über den Transistor Q3 und einen Widerstand R7. Anders ausgedrückt wird der Elektrolytkondensator C1 durch Ausschalten des Schalters 14 entladen.

In der ersten Ausführungsform beträgt die elektrostati­ sche Kapazität des Elektrolytkondensators C1 3,3 µF, was 10% der elektrostatischen Kapazität von 33 µF von C20 in der vor­ genannten bekannten Startvorrichtung ausmacht. Daher kann der Kondensator C1 in kurzer Zeit entladen werden.

Das heißt, auch bei kurzem Ein-Aus-Zyklus des Schalters 14 kann die Entladung des Elektrolytkondensators C1 beim Ein- und Ausschalten abgeschlossen werden. Der sanfte Start kann erfolgen, da der Ladestrom zum Kondensator C3 zum Umleitungs­ weg 31 umgeleitet werden kann.

In der ersten Ausführungsform beträgt die elektrostati­ sche Kapazität des Elektrolytkondensators C2 1 µF, und die elektrostatische Kapazität des Kondensators C3 beträgt 0,1 µF. Die Widerstandswerte der Widerstände R1 bis R10 be­ tragen 56 kΩ, 18 kΩ, 470 kΩ, 10 kΩ, 220 kΩ, 1 kΩ, 47 kΩ, 2,2 MΩ, 470 kΩ bzw. 2,2 MΩ. Die Transistoren Q2 bis Q4 sind vom Typ 2SA1015.

Gemäß einem von den Erfindern durchgeführten Experiment kann die Startvorrichtung unter Verwendung der Elemente mit den vorgenannten Werten im Einsatz für einen Motor mit 230 V Eingangsspannung und 2 kW Leistungsverbrauch einen sanften Start in 3 Sekunden verwirklichen. Das heißt, durch die Startvorrichtung sind 3 Sekunden vom Start bis zum stabilen Zustand gegeben. Die Startvorrichtung realisiert 3 Sekunden sanften Start auch dann, wenn der Schalter 14 im stabilen Be­ triebszustand aus- und eingeschaltet wird.

Da in der Startvorrichtung gemaß der ersten Ausführungs­ form der Basisstrom des Transistors, wie zuvor beschrieben wurde, als Ladestrom des Elektrolytkondensators C1 genutzt wird, wird ein langer sanfter Start auch dann realisiert, wenn die elektrostatische Kapazität des Elektrolytkondensa­ tors C1 klein ist.

Ferner verwirklicht die Startvorrichtung des Elektromo­ tors den sanften Start auch dann, wenn der Schalter 14 kurz nacheinander ein- und ausgeschaltet wird, da die Kapazität des Elektrolytkondensators C1 klein ist und seine Entladung beim Ein- und Ausschalten abgeschlossen werden kann.

Da zudem die Außenform des Elektrolytkondensators C1 klein ist, läßt sich der Einbauraum der Startvorrichtung klein gestalten.

Fig. 2 ist ein Schaltbild eines Hauptaufbaus einer Startvorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Die Startvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform hat eine vereinfachte Konstruktion der Verzögerungsschaltung 40 und der elektrischen Entladeschaltung 50 der Startvorrich­ tung der ersten Ausführungsform, um Herstellungskosten einzu­ sparen.

Die Triggerschaltung 20 und die Umleitungsschaltung 30 sind die gleichen wie in der ersten Ausführungsform, weshalb sie nicht nochmals erläutert werden.

Gemäß Fig. 2 hat eine Verzögerungsschaltung 70 eine Diode D7, bei der eine Anode mit einer Basis eines Transi­ stors Q2 verbunden ist. Eine Kathode der Diode D7 ist mit ei­ nem Widerstand R14 verbunden. Der Widerstand R14 ist mit ei­ nem positiven Anschluß eines Elektrolytkondensators C4 ver­ bunden.

In der Verzögerungsschaltung 70 können die Widerstände R3 und R4 der Verzögerungsschaltung 40 gemäß der ersten Aus­ führungsform weggelassen sein, so daß die Konfiguration der zweiten Ausführungsform vereinfacht ist.

Eine elektrische Entladeschaltung 80 hat einen Transi­ stor Q3, bei dem ein Emitter zwischen dem Widerstand R14 und dem positiven Anschluß des Elektrolytkondensators C4 verbun­ den ist. Eine Basis des Transistors Q3 ist mit einer Anode einer Diode D8 verbunden, und ein Kollektor von ihm ist mit einem Widerstand R15 verbunden. Die elektrische Entladeschal­ tung 80 hat einen Elektrolytkondensator C5, der mit Umlei­ tungsstrom geladen wird und parallel zu einem Widerstand R16 verbunden ist.

In der elektrischen Entladeschaltung 80 können die Wi­ derstände R8, R10 und der Transistor Q4 der Entladeschaltung 50 gemäß der ersten Ausführungsform weggelassen sein, was die Konfiguration der zweiten Ausführung vereinfacht.

Im folgenden wird die Funktion der Startvorrichtung 10 erläutert.

Beim Einschalten eines Schalters 14 durchfließt der mei­ ste von einer Übergabestromversorgung 13 zugeführte Wechsel­ strom einen Widerstand R11 und wird zu einem Umleitungsweg 31 umgeleitet, und ein Teil des Wechselstroms durchfließt einen Widerstand R12 und lädt einen Kondensator C6. Der umgeleitete Strom wird durch eine Diodenbrücke D1 gleichgerichtet, und der gleichgerichtete Strom wird in einen Emitter des Transi­ stors Q2 eingegeben. Damit fließt Basisstrom des Transistors Q2, und der Basisstrom lädt den Elektrolytkondensator C4 über den Widerstand R14 und die Diode D7.

Durch den Basisstrom wird der Transistor Q2 eingeschal­ tet, und der in den Emitter eingegebene Gleichstrom wird ver­ stärkt, von einem Kollektor ausgegeben und fließt über einen Widerstand R13.

Erreicht andererseits je nach Ladung des Kondensators C6 die Spannung über dem Kondensator C6 eine Durchlaßspannung einer Triggerdiode D2, wird Strom von der Triggerdiode D2 zum Gate eines Triac Q1 ausgegeben, wodurch sich der Triac Q1 einschaltet. Durch Einschalten dieses Triacs Q1 wird Spannung am Motor 12 angelegt, und der Motor 12 beginnt zu drehen. Da in diesem Fall die Ladezeit des Kondensators C6 lang ist, ist ein Zündwinkel der Triggerdiode D2 klein. Daher ist die am Motor 12 vom Triac Q1 angelegte mittlere Spannung gering, und der Motor 12 beginnt, langsam zu drehen.

Mit fortschreitendem Laden des Elektrolytkondensators C4 verringert sich danach der Basisstrom des Transistors Q2, der Umleitungsstrom sinkt, und der den Kondensator C6 über den Widerstand R12 ladende Strom nimmt zu. Dadurch beschleunigt sich die Ladegeschwindigkeit des Kondensators C6, der Zünd­ winkel der Triggerdiode D2 wird groß, die am Motor 12 vom Triac Q1 angelegte mittlere Spannung wird groß, und die Dreh­ zahl des Motors 12 steigt.

Wird der Basisstrom des Transistors Q2 klein, schaltet sich der Transistor Q2 aus, der Umleitungsstrom über den Um­ leitungsweg 31 fließt nicht mehr, und der über den Widerstand R11 geführte Wechselstrom durchfließt den Widerstand R12 und lädt den Kondensator C6. Daher sinkt der Zündwinkel der Trig­ gerdiode D2 infolge einer durch die Widerstände R11, R12 und den Kondensator C6 bestimmten Ladezeitkonstante, und der Mo­ tor 12 wird normal betrieben.

Dazu kommt, daß der Elektrolytkondensator C5 durch gleichgerichteten Strom über die Diodenbrücke D1 geladen wird und die Spannung über dem Kondensator C5 höher (z. B. 34 V) als die Emitterspannung des Transistors Q3 (z. B. 33 V) ist, wodurch der Ausschaltzustand des Transistors Q3 beibehalten und eine Entladung des Elektrolytkondensators C4 verhindert wird.

Damit wird das Auftreten von Umleitungsstrom durch den elektrischen Entladewiderstand des Elektrolytkondensators C4 im stabilen Betrieb des Motors 12 verhindert, und der Motor 12 kann effizient betrieben werden.

Beim Ausschalten des Schalters 14 wird der Elektrolyt­ kondensator C5 über den Widerstand R16 entladen. Somit sinkt die Spannung über dem Elektrolytkondensator C5 unter die Emitterspannung des Transistors Q3, und der Transistor Q3 schaltet sich ein. Ein elektrischer Entladestrom vom Elektro­ lytkondensator C4 fließt über den Emitter des Transistors Q3 zum Widerstand R15, und der Elektrolytkondensator C4 wird schnell entladen.

Das heißt, auch bei kurzem Ein-Aus-Zyklus des Schalters 14 kann der sanfte Start erfolgen, da der Ladestrom zum Kon­ densator C6 zum Umleitungsweg 31 umgeleitet werden kann.

In der zweiten Ausführungsform beträgt die elektrostati­ sche Kapazität des Elektrolytkondensators C4 0,33 µF, und die elektrostatische Kapazität des Kondensators C5 beträgt 0,1 µF. Die Widerstandswerte der Widerstände R11 bis R16 be­ tragen 56 kΩ, 39 kΩ, 2,7 kΩ, 2,7 kΩ, 1 kΩ, bzw. 470 kΩ.

Gemäß einem Experiment der Erfinder kann die Startvor­ richtung unter Verwendung der Elemente mit den vorgenannten Werten im Einsatz für den gleichen Motor wie in der ersten Ausführungsform einen sanften Start in 3 Sekunden verwirkli­ chen. Das heißt, durch die Startvorrichtung sind 3 Sekunden vom Start bis zum stabilen Zustand gegeben. Die Startvorrich­ tung realisiert 3 Sekunden sanften Start auch dann, wenn der Schalter 14 im stabilen Betriebszustand aus- und eingeschal­ tet wird.

Wie zuvor erwähnt wurde, kann die Startvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform einen langen sanften Start reali­ sieren sowie den sanften Start auch dann durchführen, wenn der Schalter 14 kurz nacheinander ein- und ausgeschaltet wird.

Die Anzahl von Komponenten der Startvorrichtung ist kleiner als in der ersten Ausführungsform, und die Startvor­ richtung der zweiten Ausführungsform ist überaus zuverlässig und läßt sich mit geringen Kosten herstellen.

Da zudem die Außenform des Elektrolytkondensators C4 klein ist, läßt sich der Einbauraum der Startvorrichtung klein gestalten.

In der ersten und zweiten Ausführungsform kann die sanf­ te Startzeit länger sein, indem die elektrostatische Kapazi­ tät des Elektrolytkondensators C1 oder des Kondensators C4 erhöht oder der Basisstrom des Transistors Q2 verringert wird. Außerdem läßt sich die sanfte Startzeit verkürzen, in­ dem die elektrostatische Kapazität des Kondensators C1 oder C4 verringert oder der Basisstrom des Transistors Q2 erhöht wird.

Fig. 3 ist ein Schaltbild eines Hauptaufbaus einer Startvorrichtung für einen Elektromotor gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Im folgenden wird der Hauptaufbau der Startvorrichtung erläutert.

Die Startvorrichtung 10 weist auf: einen Schalter 14 zum Starten und Stoppen eines Motors 12; einen Triac Q1, der ei­ nem Halbleitersteuerelement entspricht, zum Steuern der von einer Übergabestromversorgung 13 zugeführten Übergabespan­ nung; eine Triggerschaltung 20 zum Ausgeben von Triggerstrom zu einem Gate des Triac Q1; eine Umleitungsverzögerungsschal­ tung 30 zum Umleiten von Ladestrom zu einem Kondensator C9, der einem ersten Kondensator entspricht, und zum Steuern ei­ ner Umleitungszeit; und eine elektrische Entladesteuerschal­ tung 90 zum elektrischen Entladen eines Elektrolytkondensa­ tors C7, der einem zweiten Kondensator entspricht und mit dem die Umleitungsverzögerungsschaltung 30 versehen ist. Die elektrische Entladesteuerschaltung 90 hat eine Steuerschal­ tung 45 zum Steuern des Ein- und Ausschaltens eines Transi­ stors Q2, der Entladestrom des Elektrolytkondensators C7 ein­ gibt und ausgibt.

In der dritten Ausführungsform beträgt die elektrostati­ sche Kapazität des Elektrolytkondensators C7 33 µF, die des Elektrolytkondensators C8 1 µF und die des Kondensators C9 0,1 µF. Die Widerstandswerte der Widerstände R31 bis R35 be­ tragen 56 kΩ, 39 kΩ, 2,7 kΩ, 1 kΩ bzw. 470 kΩ. Der Transi­ stor Q9 ist vom Typ 2SA1015.

Im folgenden wird die Funktion der Startvorrichtung 10 erläutert.

Schaltet ein Benutzer eines Elektrowerkzeugs den Schal­ ter 14 ein, durchfließt der meiste von einer Übergabestrom­ versorgung 13 zugeführte Wechselstrom einen Widerstand R31 und wird zu einem Umleitungsweg 31 der Umleitungsverzöge­ rungsschaltung 30 umgeleitet, und ein Teil des Wechselstroms durchfließt den Widerstand R32 und lädt den Kondensator C9. Dadurch wird ein Einschaltstromstoß zum Motor 12 beim Start verhindert. Der Umleitungsstrom wird durch eine Diodenbrücke D1 gleichgerichtet, und der gleichgerichtete Strom lädt den Elektrolytkondensator C7 über einen Widerstand R33 und eine Diode D31.

Mit fortschreitendem Laden des Elektrolytkondensators C7 sinkt der Umleitungsstrom, und der den Kondensator C9 ladende Strom steigt. Erreicht die Spannung über dem Kondensator C9 eine Durchlaßspannung einer Triggerdiode D2, die einem Trig­ gerelement entspricht, wird Triggerstrom von der Triggerdiode D2 zum Gate eines Triac Q1 ausgegeben, wodurch sich der Triac Q1 einschaltet. Durch Einschalten dieses Triacs Q1 wird Span­ nung am Motor 12 angelegt, und der Motor 12 beginnt zu dre­ hen. Da in diesem Fall die Ladezeit des Kondensators C9 lang ist, ist ein Zündwinkel der Triggerdiode D2 klein. Daher ist die vom Triac Q1 am Motor 12 angelegte mittlere Spannung ge­ ring, und der Motor 12 dreht langsam.

Mit fortschreitendem Laden des Elektrolytkondensators C7 verringert sich der Umleitungsstrom, der den Kondensator C9 über den Widerstand R32 ladende Strom nimmt zu, die Ladege­ schwindigkeit des Kondensators C9 wird schnell, und der Zünd­ winkel der Triggerdiode D2 wird groß. Dadurch wird die vom Triac Q1 am Motor 12 angelegte mittlere Spannung groß, und die Drehzahl des Motors 12 steigt. Ist das Laden des Elektro­ lytkondensators C7 abgeschlossen, fließt kein Umleitungsstrom mehr über den Umleitungsweg 31, und der Wechselstrom, der durch den Widerstand R31 lief, durchfließt den Widerstand R32 und lädt den Kondensator C9. Daher sinkt der Zündwinkel der Triggerdiode D2 infolge einer durch die Widerstände R31, R32 und den Kondensator C9 bestimmten Ladezeitkonstante, und der Motor 12 wird normal betrieben.

In diesem Startzustand wird der einem dritten Kondensa­ tor entsprechende Elektrolytkondensator C8 der Steuerschal­ tung 45 durch gleichgerichteten Strom über die Diodenbrücke D1 geladen, und die Spannung über dem Kondensator C8 ist hö­ her (z. B. 34 V) als die Emitterspannung des Transistors Q9 (z. B. 33 V), wodurch der Ausschaltzustand des Transistors Q9 beibehalten und eine Entladung des Elektrolytkondensators C7 verhindert wird.

Daher wird der Ladestrom zum Kondensator C9 nicht über den Umleitungsweg 31 umgeleitet, und der Motor 12 kann effi­ zient betrieben werden.

Beim Ausschalten des Schalters 14 durchfließt Entlade­ strom vom Elektrolytkondensator C8 den Widerstand R35, die Spannung über dem Kondensator C8 fällt unter die Emitterspan­ nung des Transistors Q9, der Transistor Q9 wird eingeschal­ tet, und der Entladestrom vom Elektrolytkondensator C9 wird in den Emitter des Transistors Q9 zur Verstärkung eingegeben sowie vom Kollektor zum Widerstand R34 ausgegeben. Das heißt, der Elektrolytkondensator C7 kann durch Ausschalten des Schalters 14 entladen werden.

In der dritten Ausführungsform hat der Elektrolytkonden­ sator C7 eine elektrostatische Kapazität von 33 µF, die gleich der des vorgenannten Elektrolytkondensators C20 der bekannten Startvorrichtung ist. Allerdings hat der Widerstand R34 einen Widerstand von 1 kΩ, der niedriger als z. B. 200 kΩ des Widerstands R23 der bekannten Vorrichtung ist. Daher läßt sich der Kondensator C7 in kurzer Zeit entladen.

Das heißt, selbst bei kurzem Ein-Aus-Zyklus des Schal­ ters 14 kann die Entladung des Elektrolytkondensators C7 ab­ geschlossen werden. Durch Umleitung des Ladestroms zum Kon­ densator C9 läßt sich der sanfte Start realisieren.

Gemäß einem von den Erfindern durchgeführten Experiment kann die Startvorrichtung unter Verwendung der Elemente mit den vorgenannten Werten im Einsatz für einen Motor mit 230 V Eingangsspannung und 2 kW Leistungsverbrauch einen sanften Start in 1 Sekunde verwirklichen. Das heißt, durch die Start­ vorrichtung ist 1 Sekunde vom Start bis zum stabilen Zustand gegeben. Die Startvorrichtung realisiert 1 Sekunde sanften Start auch dann, wenn der Schalter 14 im stabilen Betriebszu­ stand aus- und eingeschaltet wird.

In der Startvorrichtung gemäß der dritten Ausführungs­ form realisiert gemaß der vorstehenden Beschreibung die Startvorrichtung für den Elektromotor den sanften Start auch dann, wenn der Motor 12 kurz nacheinander gestartet und ge­ stoppt wird. Zudem kann die Startvorrichtung dem Motor 12 mit der Bemessungsdrehzahl ansteuern.

Zu beachten ist, daß die sanfte Startzeit durch Erhöhen der elektrostatischen Kapazität des Elektrolytkondensators C7 verlängert werden kann. Die Konfiguration der Steuerschaltung 45, die den Betrieb des Transistors Q9 steuert, kann durch andere Konfigurationen ersetzt werden, die den Transistor Q9 beim Einschalten des Schalters ausschalten und den Transistor Q9 beim Ausschalten des Schalters 14 einschalten können.

Claims (4)

1. Startvorrichtung (10) für einen Elektromotor (12) mit:
einer Phasensteuereinrichtung (20) zum Steuern einer Phase einer an dem Elektromotor (12) von einer Übergabe­ stromversorgung (13) angelegten Spannung,
einer Phasenverzögerungseinrichtung (30, 40, 50) zum Verzögern der durch die Phasensteuereinrichtung (20) ge­ steuerten Phase durch Umleiten von Strom, der in die Phasensteuereinrichtung (20) eingegeben wird,
wobei die Startvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Phasensteuereinrichtung aufweist:
ein Halbleitersteuerelement (Q1) zum Gleichrichten von an dem Motor (12) von der Übergabestromversorgung (13) angelegtem Strom und Eingeben eines Triggerstroms von einem Gate, um das Element (Q1) leitend zu machen,
ein Triggerelement (D2) zum Ausgeben des Triggerstroms zu dem Halbleitersteuerelement (Q1), und
einen ersten Kondensator (C3) zum Steuern einer Ausgabe­ zeit des von dem Triggerelement (D2) ausgegebenen Trig­ gerstroms;
und die Phasenverzögerungseinrichtung (30, 40, 50) auf­ weist:
einen Umleitungsweg (31) zum Umleiten von Ladestrom zu dem ersten Kondensator (C3),
einen ersten Transistor (Q2) zum Eingeben und Ausgeben des über den Umleitungsweg (31) umgeleiteten Umleitungs­ stroms,
einen zweiten Kondensator (C1), der durch Basisstrom des ersten Transistors (Q2) geladen wird, und
eine elektrische Entladeschaltung (50) zum Entladen des zweiten Kondensators (C1).

2. Startvorrichtung (10) für einen Elektromotor nach An­ spruch 1,
wobei die elektrische Entladeschaltung (50) die elektri­ sche Entladung des zweiten Kondensators (C1) unterbin­ det, wenn der Strom zu dem Elektromotor (12) von der Übergabestromversorgung (13) zugeführt wird; und
die elektrische Entladeschaltung (50) den zweiten Kon­ densator (C1) entlädt, wenn die Zufuhr des Stroms einge­ stellt wird.

3. Startvorrichtung (10) für einen Elektromotor (12) zum Steuern einer Phase einer an dem Elektromotor (12) von einer Übergabestromversorgung (13) angelegten Spannung, um den Motor (12) sanft zu starten, wobei die Startvorrichtung aufweist:
eine Triggereinrichtung (20) mit
einem Halbleitersteuerelement (Q1) zum Durchlassen von gleichgerichtetem Strom, der an dem Motor (12) von der Übergabestromversorgung (13) angelegt wird, wenn ein Triggerstrom in ein Gate eingegeben wird,
einem Triggerelement (D2) zum Ausgeben des Triggerstroms zu dem Halbleitersteuerelement (Q1), und
einem ersten Kondensator (C9) zum Steuern einer Ausgabe­ zeit des von dem Triggerelement (D2) ausgegebenen Trig­ gerstroms;
eine Umleitungseinrichtung (30) mit
einem Umleitungsweg (31) zum Umleiten von Ladestrom zu dem ersten Kondensator (C9), und
einem zweiten Kondensator (C7), der durch Umleitungs­ strom geladen wird, der über den Umleitungsweg (31) um­ geleitet wird; und
eine Entladesteuereinrichtung mit
einem Transistor (Q9) zum Eingeben und Ausgeben eines Entladestroms des zweiten Kondensators (C7),
einem ersten Widerstand (R34) zum Durchfließenlassen des Entladestroms von dem Transistor (Q9), und
einer Steuerschaltung (45) zum Versetzen des Transistors (Q9) in einen Ausschaltzustand, wenn der Strom von der Übergabestromversorgung (13) zu dem Elektromotor (12) geführt wird, und zum Versetzen des Transistors (Q9) in einen Einschaltzustand, wenn der Strom von der Übergabe­ stromversorgung (13) nicht zu dem Elektromotor (12) ge­ führt wird.

4. Startvorrichtung (10) für einen Elektromotor nach An­ spruch 3, wobei die Steuerschaltung (45) aufweist:
einen dritten Kondensator (C8), der durch Ladestrom ge­ laden wird, der über den Umleitungsweg (31) umgeleitet wird, was den Transistor (Q9) veranlaßt, den Ausschalt­ zustand durch eine durch den Ladestrom erzeugte Spannung anzunehmen, und der entladen wird, wenn der Strom nicht mehr zu dem Motor (12) geführt wird, was den Transistor (Q9) veranlaßt, den Einschaltzustand durch einen durch den Entladestrom erzeugten Spannungsabfall anzunehmen; und
einen zweiten Widerstand (R35), den der von dem dritten Kondensator (C8) ausgegebene Entladestrom durchfließt.