DE19755368B4

DE19755368B4 - Startvorrichtung für einen Elektromotor

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Publication number: DE19755368B4
Application number: DE1997155368
Authority: DE
Inventors: Takashi Anjo Matunaga; Hitoshi Anjo Suzuki; Seiithi Anjo Simizu
Original assignee: Makita Corp
Current assignee: Makita Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-12
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2017-12-13
Also published as: DE19755368A1

Abstract

Startvorrichtung (10) für einen Elektromotor (12) zum Steuern einer Phase einer an dem Elektromotor (12) von einer Übergabestromversorgung (13) angelegten Spannung,
wobei die Startvorrichtung aufweist:
eine Triggereinrichtung (20) mit
einem Halbleitersteuerelement (Q1) zum Durchlassen von gleichgerichtetem Strom, mit dem der Motor (12) von der übergabestromversorgung (13) versorgt 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 Ausgabezeit des von dem Triggerelement (D2) ausgegebenen Triggerstroms;
eine Umleitungseinrichtung (30) mit
einem Umleitungsweg (31) um den zu dem ersten Kondensator (C9) fließenden Ladestrom umzuleiten, und
einem zweiten Kondensator (C7), der durch Umleitungsstrom geladen wird, der über den Umleitungsweg (31) umgeleitet wird; und
eine Entladesteuereinrichtung mit
einem Transistor (Q9) zum Eingeben und Ausgeben eines Entladestroms des zweiten Kondensators (C7),
einem ersten Widerstand (R34) zum...

Description

Die Erfindung betrifft eine Startvorrichtung, die einen Elektromotor gleichmäßig anlaufen läßt, indem sie die Phase einer Spannung steuert, die am Elektromotor von einer Übergabestromversorgung beim Start des Elektromotors angelegt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Startvorrichtung, die für einen Kommutatormotor geeignet ist, der für ein elektromotorisch angetriebenes Werkzeug bzw. ein Elektrowerkzeug zum Einsatz kommt.
Für ein Elektrowerkzeug wird allgemein ein universeller Kommutatormotor verwendet. Beim Starten durchfließt ein Einschaltstromstoß diesen Kommutatormotor. Besonders groß ist der Einschaltstromstoß eines Motors mit einem Leistungsverbrauch über 1 kW. Problematisch ist, daß infolge dieses Einschaltstromstoßes ein starker Spannungsabfall in anderen Verbrauchern auftritt, die mit der gleichen, das Elektrowerkzeug speisenden Stromversorgung verbunden sind.
4 zeigt ein Beispiel für eine vorhandene bzw. bekannte Schaltung, die eine Beeinflussung durch diesen Einschaltstromstoß verhindert. Beim Einschalten eines Schalters 60 in dieser Schaltung wird der an einem Verbraucher 62 von einer Übergabestromversorgung 61 angelegte 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 Verbraucher 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 Verbraucher 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 stabilen 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 4 als Startvorrichtung des Kommutatormotors im Elektrowerkzeug gilt folgendes: Da die Zeit, in der der Umleitungsstrom umgeleitet wird, von der Ladezeit des Elektrolytkondensators C20 bestimmt ist, muß die elektrische Kapazität des Elektrolytkondensators C20 so (z. B. auf 33 μF) eingestellt sein, daß das Laden nach einigen Sekunden abgeschlossen ist.
Schließt dagegen der Elektrolytkondensator C20 die elektrische Entladung nicht ab, kann der Ladestrom des Kondensators C10 nicht umgeleitet werden. Um einen sanften Start zu realisieren, wenn der Schalter nach Ausschalten wieder eingeschaltet wird, muß die Entladung des Elektrolytkondensators C20 abgeschlossen sein, bevor der Schalter 60 nach dem Ausschalten wieder eingeschaltet wird.
Zum Verkürzen der Entladezeit muß der Widerstandswert von R23 klein sein, z. B. 200 kΩ. Ist aber der Widerstandswert des Widerstands R23 klein, fließt der Umleitungsstrom auch im stabilen Betriebszustand. Dadurch sinkt die am Kommutatormotor angelegte Spannung, und die Drehzahl des Kommutatormotors verringert sich.
Wird anders ausgedrückt der sanfte Start auch dann realisiert, wenn der Schalter kurz nacheinander aus- und eingeschaltet wurde, besteht ein Problem darin, daß der Kommutatormotor nicht mit der Bemessungsdrehzahl drehen kann.
Da zudem ein Kondensator mit hoher Kapazität eine große Außenform hat, besteht ein Problem darin, daß damit der Einbaumraum der Startvorrichtung groß wird.

Die DD 286 912 A5 beschreibt eine elektronische Sanftanlaufschaltung, insbesondere für Motoren von Bodenstaubsaugern höherer Leistung ab etwa 1000 Watt, mit einer Phasenanschnittsteuerung bestehend aus einem Triac, einem dem Triac parallel geschalteten RC-Glied aus Ladewiderstand und Zündkondensator und einem zwischen dem Verbindungspunkt des Ladewiderstands mit dem Zündkondensator und der Zündelektrode des Triacs liegendem Diac und einer den Ladewiderstand des RC-Gliedes überbrückenden elektronischen Steuerschaltung, bestehend aus einer Diodenbrücke in deren Mittelzweig ein Kondensator angeordnet ist, dem ein RC-Glied parallel geschaltet ist, wobei dem Widerstand des RC-Gliedes die Basis/Kollektorstrecke und dem Kondensator des RC-Gliedes die Emitter/Basisstrecke eines NPN-Transistors parallel geschaltet ist.

Der Erfindung lieght die Aufgabe zugrunde vorrichtung für einen Elektromotor bereit zustellen, die einen sanften Start auch dann realisieren kann, wenn der Elektromotor kurz nacheinander startet und stoppt. Außerdem soll der Motor mit der Bemessungsdrehzahl drehen. Die Aufgabe wird mit dem in Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen gelöst.

Eine erfindungsgemäße Startvorrichtung für einen Elektromotor zum Steuern einer Phase einer am Elektromotor von einer übergabestromversorgung angelegten Spannung dient dazu, den Motor sanft zu starten,
wobei die Startvorrichtung aufweists
eine Triggereinrichtung mit
einem Halbleitersteuerelement zum Durchlassen von gleichgerichtetem Strom, der am Motor von der Übergabestromversorgung 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 ersten Kondensator, und
einem zweiten Kondensator, der über Umleitungsstrom geladen wird, der über den Umleitungsweg umgeleitet wird; und
eine Entladesteuereinrichtung mit
einem Transistor zum Eingeben und Ausgeben eines Entladestroms des zweiten Kondensators,
einem ersten Widerstand zum Durchfließenlassen des Entladestroms 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 geführt 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 Kondensator ausgegebene Entladestrom durchfließt.

Der Ladestrom zum vorgenannten ersten Kondensator wird über den Umleitungsweg umgeleitet, und der umgeleitete Ladestrom lädt den zweiten Kondensator. Damit läßt sich der Einschaltstromstoß 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 Kondensator wird die Ladegeschwindigkeit des ersten Kondensators groß, 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, wird die Phase der am Motor angelegten Spannung infolge einer durch den ersten Kondensator u. a. bestimmten Zeitkonstante kleiner, 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 geführt wird. Dadurch fließt der Entladestrom vom zweiten Kondensator 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 Kondensator 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 Umleitungsstrom 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. Die Startvorrichtung für einen Elektromotor realisiert den sanften Start auch dann, wenn der Elektromotor kurz nacheinander startet und stoppt.

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 veranlaßt, den Einschaltzustand durch einen Spannungsabfall über dem dritten Kondensator anzunehmen, der durch den Entladestrom erzeugt wird.

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

1 ist ein Schaltbild eines Hauptaufbaus einer Startvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 ist ein Schaltbild eines Hauptaufbaus einer Startvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
3 ist ein Schaltbild eines Hauptaufbaus einer Startvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
4 ist ein Schaltbild einer bekannten Schaltung zum Verhindern eines Einschaltstromstoßes.
Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
1 ist ein Schaltbild eines Hauptaufbaus einer Startvorrichtung für einen Elektromotor (nachfolgend als Startvorrichtung bezeichnet) gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Startvorrichtung für den Wechselstrom-Kommutatormotor (nachfolgend als Motor bezeichnet) in der Verwendung für ein Elektrowerkzeug wird als repräsentatives 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 einem Halbleitersteuerelement entspricht, zum Steuern der von einer Übergabestromversorgung 13 zugeführten Übergabespannung; 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 Übergabestromversorgung 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 gleichgerichtet, und der gleichgerichtete Strom wird in einen Emitter eines Transistors Q2 eingegeben. Dadurch fließt Basisstrom des Transistors Q2, und der Basisstrom lädt den Elektrolytkondensator C1, der einem zweiten Kondensator entspricht, über Widerstände R4, R5 und eine Diode D3.
Durch den Basisstrom wird der Transistor Q2 eingeschaltet, und in den Emitter eingegebener Gleichstrom wird verstärkt, 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 ausgegeben, 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 Ladestrom des Kondensators C3 gering und die Ladezeit des Kondensators C3 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 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 Zündwinkel der Triggerdiode D2 wird groß, die am Motor 12 vom Triac Q1 angelegte mittlere Spannung wird groß, und die Drehzahl des Motors 12 steigt.
Wird der Basisstrom des Transistors Q2 klein, schaltet sich der Transistor Q2 aus, der Umleitungsstrom über den Umleitungsweg 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 einschaltet, 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 verhindert. Damit wird das Auftreten von Umleitungsstrom durch den elektrischen Entladewiderstand des Elektrolytkondensators C1 im stabilen Betrieb des Motors 12 verhindert, und der Motor 12 kann effizient betrieben werden.
Beim Ausschalten des Schalters 14 wird ein Elektrolytkondensator C2 über den Transistor Q4 und Widerstände R9, R10 entladen. Somit sinkt der Basisstrom des Transistors Q4, und der Transistor Q4 schaltet sich aus. Das elektrische Kathodenpotential 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 elektrische 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 elektrostatische Kapazität des Elektrolytkondensators C1 3,3 μF, was 10 der elektrostatischen Kapazität von 33 μF von C20 in der vorgenannten 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 Umleitungsweg 31 umgeleitet werden kann.
In der ersten Ausführungsform beträgt die elektrostatische Kapazität des Elektrolytkondensators C2 1 μF, und die elektrostatische Kapazität des Kondensators C3 beträgt 0,1 μF. Die Widerstandswerte der Widerstände R1 bis R10 betragen 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 Betriebszustand aus- und eingeschaltet wird.
Da in der Startvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform 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 Elektrolytkondensators C1 klein ist.
Ferner verwirklicht die Startvorrichtung des Elektromotors 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.
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 Startvorrichtung der ersten Ausführungsform, um Herstellungskosten einzusparen.
Die Triggerschaltung 20 und die Umleitungsschaltung 30 sind die gleichen wie in der ersten Ausführungsform, weshalb sie nicht nochmals erläutert werden.
Gemäß 2 hat eine Verzögerungsschaltung 70 eine Diode D7, bei der eine Anode mit einer Basis eines Transistors Q2 verbunden ist. Eine Kathode der Diode D7 ist mit einem Widerstand R14 verbunden. Der Widerstand R14 ist mit einem positiven Anschluß eines Elektrolytkondensators C4 verbunden.
In der Verzögerungsschaltung 70 können die Widerstände R3 und R4 der Verzögerungsschaltung 40 gemäß der ersten Ausführungsform weggelassen sein, so daß die Konfiguration der zweiten Ausführungsform vereinfacht ist.
Eine elektrische Entladeschaltung 80 hat einen Transistor Q3, bei dem ein Emitter zwischen dem Widerstand R14 und dem positiven Anschluß des Elektrolytkondensators C4 verbunden 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 Entladeschaltung 80 hat einen Elektrolytkondensator C5, der mit Umleitungsstrom geladen wird und parallel zu einem Widerstand R16 verbunden ist.
In der elektrischen Entladeschaltung 80 können die Widerstände 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 meiste 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 Transistors 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 eingeschaltet, und der in den Emitter eingegebene Gleichstrom wird verstärkt, 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 Zündwinkel der Triggerdiode D2 wird groß, die am Motor 12 vom Triac Q1 angelegte mittlere Spannung wird groß, und die Drehzahl des Motors 12 steigt.
Wird der Basisstrom des Transistors Q2 klein, schaltet sich der Transistor Q2 aus, der Umleitungsstrom über den Umleitungsweg 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 Triggerdiode D2 infolge einer durch die Widerstände R11, R12 und den Kondensator C6 bestimmten Ladezeitkonstante, und der Motor 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 Elektrolytkondensator 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 Elektrolytkondensator 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 Kondensator C6 zum Umleitungsweg 31 umgeleitet werden kann.
In der zweiten Ausführungsform beträgt die elektrostatische 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 betragen 56 kΩ, 39 kΩ, 2,7 kΩ, 2,7 kΩ, 1 kΩ, bzw. 470 kΩ.
Gemäß einem Experiment der Erfinder kann die Startvorrichtung 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 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 Betriebszustand aus- und eingeschaltet wird.
Wie zuvor erwähnt wurde, kann die Startvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform einen langen sanften Start realisieren 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 Startvorrichtung 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 sanfte Startzeit länger sein, indem die elektrostatische Kapazität des Elektrolytkondensators C1 oder des Kondensators C4 erhöht oder der Basisstrom des Transistors Q2 verringert wird. Außerdem läßt sich die sanfte Startzeit verkürzen, indem die elektrostatische Kapazität des Kondensators C1 oder C4 verringert oder der Basisstrom des Transistors Q2 erhöht wird.
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 einem Halbleitersteuerelement entspricht, zum Steuern der von einer Übergabestromversorgung 13 zugeführten Übergabespannung; eine Triggerschaltung 20 zum Ausgeben von Triggerstrom zu einem Gate des Triac Q1; eine Umleitungsverzögerungsschaltung 30 zum Umleiten von Ladestrom zu einem Kondensator C9, der einem ersten Kondensator entspricht, und zum Steuern einer Umleitungszeit; und eine elektrische Entladesteuerschaltung 90 zum elektrischen Entladen eines Elektrolytkondensators 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 Transistors Q9, der Entladestrom des Elektrolytkondensators C7 eingibt und ausgibt.
In der dritten Ausführungsform beträgt die elektrostatische 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 betragen 56 kΩ, 39 kΩ, 2, 7 kΩ, 1 kΩ bzw. 470 kΩ. Der Transistor Q9 ist vom Typ 2SA1015.
Im folgenden wird die Funktion der Startvorrichtung 10 erläutert.
Schaltet ein Benutzer eines Elektrowerkzeugs den Schalter 14 ein, durchfließt der meiste von einer Übergabestromversorgung 13 zugeführte Wechselstrom einen Widerstand R31 und wird zu einem Umleitungsweg 31 der Umleitungsverzögerungsschaltung 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 Triggerelement 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 Spannung am Motor 12 angelegt, und der Motor 12 beginnt zu drehen. 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 gering, 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 Zündwinkel 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 Elektrolytkondensators 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 Kondensator entsprechende Elektrolytkondensator C8 der Steuerschaltung 45 durch gleichgerichteten Strom über die Diodenbrücke D1 geladen, und die Spannung über dem Kondensator C8 ist höher (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 effizient betrieben werden.
Beim Ausschalten des Schalters 14 durchfließt Entladestrom vom Elektrolytkondensator C8 den Widerstand R35, die Spannung über dem Kondensator C8 fällt unter die Emitterspannung des Transistors Q9, der Transistor Q9 wird eingeschaltet, 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 Elektrolytkondensator 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 Schalters 14 kann die Entladung des Elektrolytkondensators C7 abgeschlossen werden. Durch Umleitung des Ladestroms zum Kondensator 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 Startvorrichtung 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 Betriebszustand aus- und eingeschaltet wird.
In der Startvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform realisiert gemäß der vorstehenden Beschreibung die Startvorrichtung für den Elektromotor den sanften Start auch dann, wenn der Motor 12 kurz nacheinander gestartet und gestoppt 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

Startvorrichtung (10) für einen Elektromotor (12) zum Steuern einer Phase einer an dem Elektromotor (12) von einer Übergabestromversorgung (13) angelegten Spannung, wobei die Startvorrichtung aufweist: eine Triggereinrichtung (20) mit einem Halbleitersteuerelement (Q1) zum Durchlassen von gleichgerichtetem Strom, mit dem der Motor (12) von der übergabestromversorgung (13) versorgt 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 Ausgabezeit des von dem Triggerelement (D2) ausgegebenen Triggerstroms; eine Umleitungseinrichtung (30) mit einem Umleitungsweg (31) um den zu dem ersten Kondensator (C9) fließenden Ladestrom umzuleiten, und einem zweiten Kondensator (C7), der durch Umleitungsstrom geladen wird, der über den Umleitungsweg (31) umgeleitet 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 Übergabestromversorgung (13) nicht zu dem Elektromotor (12) geführt wird.
Startvorrichtung (10) für einen Elektromotor nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung (45) aufweist: einen dritten Kondensator (C8), der durch Ladestrom geladen wird, der über den Umleitungsweg (31) umgeleitet wird, was den Transistor (Q9) veranlaßt, den Ausschaltzustand 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.