DE2325256A1

DE2325256A1 - Elektronische stell- und regeleinrichtung

Info

Publication number: DE2325256A1
Application number: DE19732325256
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Ing Hornung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-05-18
Filing date: 1973-05-18
Publication date: 1974-12-05
Also published as: DE2325256C2; GB1470239A; ES426407A1; FR2230012B1; JPS5020651A; BR7403949D0; CH562473A5; IT1012460B; NL7406671A; FR2230012A1

Description

3*5.1973 -Ve./Kb

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart Elektronische Stell- und Regeleinrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektronische Stell- und Regeleinrichtung für mit Wechselspannung betriebene Verbraucher, mit einer Triac-Phasenanschnittssteuerung, die einen über einen Ladewiderstand aufladbaren Zündkondensator enthält.

Beim Anschluß von Verbrauchern an die Metzspannung ergeben sich immer wieder Probleme, wenn die Netze mit SpannungsSchwankungen behaftet sind und/oder die Verbraucher an Netzspannungen betrieben werden sollen, deren Nennwerte sich nur verhältnismäßig geringfügig voneinander unterscheiden, wie dies z.B. in verschiedenen Ländern der Fall ist.

40984 9/05 6

-2-

Die Auslegung, insbesondere für Motoren, ist dann jeweils nur für eine Netznennspannung optimal. Oft führen z.B. Überspammngen zu schnellerem Verschleiß oder zum Ausfall des Verbrauchers.

In zunehmendem Maße werden Elektrogeräte mit elektronischen Stellgliedern zur kontinuierlichen Steuerung der Leistungsaufnahme durch Phasenanschnitt ausgerüstet. Diese Stellglieder bestehen im einfachsten Fall aus einem Thyristor oder einem Triac, einer Triggerdiode, einem Zündkondensator " und einem variablen Ladewiderstand. Ein wichtiger Nachteil dieser einfachen Anordnungen ist die starke Spannungsabhängigkeit des eingestellten Stromflußwinkels. Bedingt durch die verringerte Ladegeschwindigkeit des Zündkondensators wird bei Netzunterspannung der Stromflußwinkel kleiner, so daß sich für den Verbraucher eine starke, überproportionale Abnahme der Speisespannung ergibt. Bei kleinen eingestellten Stromflußwinkeln kann durch Netzunterspannüng der Stromfluß völlig unterbrochen werden. In entsprechender Weise nimmt bei Netzüberspannungen der Stromflußwinkel zu und es ergibt sich ein überproportionaler Anstieg der Speisespannung. Diese bekannten Stellglieder vergrößern also .die ohnehin vorhandenen. Spannungs Schwankungen oder Nennabweichungen im Wechselspannungsnetz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Netzunter- und Netzüberspannungen, sowie nicht zu große Netzspannungsabweichungen in verschiedenen Ländern für den Verbraucher unwirksam zu machen. Das Stellglied soll in der umgekehrten Weise reagieren, d.h. bei Unterspannung wird der Stromflußwinkel vergrößert und bei überspannung verkleinert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ,wenigstens ein Proportionalverstärker vorgesehen ist, der durch die Versorgungswechselspannung steuerbar ist und durch den in Abhängigkeit von der Größe, bzw. von Schwan-

409849/0563 -3-

kungen dieser Versorgungswechselspannung, ein Anteil des Ladestroms für den Zündkondensator ableitbar ist. Eine besonders gute Wirkung "wird erzielt, wenn in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung als Proportionalverstärker für die positiven und negativen Halbwellen der Wechselspannung ein komplementäres Transistorenpaar in Parallel-Gegentaktbetrieb verwendet wird. '

Um eine erfindungsgemäße Regeleinrichtung zur zusätzlichen Drehzahlregelung von Reihenschlußmotoren verwenden zu können, wird ein Teil der am Motor anfallenden Ankerrestspannung den Steuereingängen der Proportionalverstärker bzw. Transistoren zugeführt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Netzunter- und Netzüberspannungen ausgeglichen werden, Die Information über den Ist-Wert der Eingangsspannung, deren Änderungen vom Regler auszugleichen sind, wird während der Stromflußpausen des Triacs über den Verbraucherwiderstand gewonnen. Der Regler benötigt dadurch nur zwei Anschlüsse und wird einfach beliebig in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet. Die Arbeitsweise des Reglers ist trägheitslos (keine Verwendung von Glühlampen, NTC- oder PTG^Widerständen), es werden Abweichungen von einzelnen Sinushalbwellen ausgeglichen. Die Schaltung benötigt wenig Bauelemente bei einfachem Aufbau und ist erschütterungsunempfindlich. Ein weiterer Vorteil ist die zusätzliche Verwendung des Reglers zur Drehzahlregelung von Reihenschlußmotoren, wobei viele Bauelemente zwei Reglerfuriktionen übernehmen, wodurch ein minimaler Gesamtaufwand entsteht.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

40 9 84 9/056

■-ή-

Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 2 - k Diagramme zur Erläuterung der Punktion des ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 5 die Schaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Regeleinrichtung für Reihenschlußmotoren.

In der in Fig.· 1 dargestellten Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels liegt die Netzwechselspannung U. an den Klemmen 1 und 2 an. Zwischen den Klemmen 3 und H liegt die Verbraucherwechselspannung ü„ an und ist der Verbraucher 5 geschaltet. Die Klemmen 2 und k sind miteinander direkt und die Klemme 1 über die Regeleinrichtung mit der Klemme 3 verbunden. In der Regeleinrichtung ist die Reihenschaltung eines Strombegrenzerwiderstandes 6 mit einem regelbaren Ladewiderstand 7 und einem Zündkondensator 8 parallel zu einem Triac 9 geschaltet. Der Verknüpfungspunkt des Ladewiderstandes 7 mit dem Zündkondensator 8 ist über eine Triggerdiode 10 mit der Steuerelektrode des Triac 9 verbunden. Dieser Verknüpfungspunkt ist außerdem noch über die Reihenschaltung einer Diode 11, der Kollektor-Emitter-Strecke eines pnp-Transistors 12 und eines Widerstandes 13 an die Klemme 3 angeschlossen. Parallel zu der Reihenschaltung der Diode 11 mit dem Transistor 12 ist die Reihenschaltung einer weiteren Diode 1*J mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines npn-Transistors 15 geschaltet. Die Diode 11 ist anodenseitig mit dem Transistor 12, und die Diode 14 kathodenseitig mit dem Transistor 15 verbunden. Die Basisanschlüsse der beiden Transistoren sind miteinander verbunden und sowohl über einen Widerstand 16 an die Klemme 3j wie auch über die Reihenschaltung eines Widerstandes 17 mit einem Kondensator 18 an den Abgriff eines Potentiometers 19 angeschlossen, das parallel zu dem Triac 9 geschaltet ist. Parallel zu dem regelbaren Ladewiderstand 7 und dem Zünd-

409849/0563

kondensator 8 sind zwei entgegengesetzt in Reihe geschaltete Zenerdioden 20,21 geschaltet-.

Die Wirkungsweise des in "Pig-." "I dargestellten ersten Ausführungsbeispiels soll anhand der Diagramme in den Figuren 2 bis 4 erläutert werden. Steigert man die Eingangsspannung U₁ von Null beginnend, dann folgt die Ausgangsspannung Up mit annähernd konstantem Spannungsabstand der Grenzlinie U₂ = U-. Da die Schaltung transformatorlos und mit Phasenabschnitt arbeitet, kann die Grenzlinie U_? -U. nicht erreicht bzw. überschritten werden. Ist U₁ = U. . , dann setzt der Regelvorgang ein. Dies äußert sich darin, daß eine weitere Steigerung von U₁ keine weitere Zunahme von U zur Folge hat, die Ausgangsspannung bleibt weitgehend konstant. Der Regeleffekt*wird durch den Triac 9 erreicht, dessen Stromflußwinkel, ausgehend von einem Maximalwert M* ^=tfwax> kontinuierlich verkleinert wird, sobald U. größer ^Ul min ^w^-^rd· ^{Das Ende des} Regelbereichs U. = U₁ = maximal zulässige Eingangsspannung ist durch den schaltungsbedingten Wiederanstieg der Ausgangsspannung und die für die Ausgangsnennspannung Un zulässige Toleranzgrenze gegeben. Durch Variation des regelbaren Ladewiderstandes 7 erhält man für drei . ,Werte z.B. die drei in Fig. 2 dargestellten Kurven. Durch Vergrößern dieses Widerstandes ergibt sieh für den Verbraucher eine reduzierte Leistungsaufnahme, die jedoch ebenfalls von Änderungen der Eingangsspannung U₁ weitgehend unabhängig ist.

Bei nicht gezündetem Triac 9 ist der Verbraucherwiderstand 5 praktisch stromlos und U_? ungefähr gleich Null. Der über die übrigen Schaltungselemente und den Verbraucherwiderstand 5 fließende Strom wird gegenüber dem Strom bei gezündetem Triac vernachlässigt. Am Triac liegt demnach die Eingangsspannung U... Der Strömbegrenzerwiderstand 6 bildet zusammen mit den entgegengesetzt in Reihe geschalteten gleichen Zenerdicden

4 098 4 9/056 3 -6-

20,21 eine Begrenzerschaltung. Am Verbindungspunkt der Widerstände 6,7 ergibt sich eine symmetrische Rechteckspannung mit konstanter, von U. unabhängiger Amplitude, deren Höhe gleich der Zenerspannung der Dioden 20,21 ist. Der Zündkondensator 8 wird über den Widerstand 7 durch die Rechteckspannung abwechselnd positiv und negativ geladen. Erreicht die Kondensatorspannung den Wert der Durchbruchsspannung der Triggerdiode 10, dann wird der Kondensator 8 über die Triggerdiode 10 und den Gatestromkreis des Triac 9 entladen - der Triac zündet. Mit dem bis jetzt beschriebenen Schaltungsteil, bestehend aus den -Elementen 6 bis 10 und 20 bis 21 ergibt sich ein Verbraucherstrom, dessen Stromflußwinkel u> von der Amplitude von U. praktisch unabhängig ist. Damit die effektive Verbraucherspannung konstant bleibt, ist jedoch eine Abnahme des Stromflußwinkels tf> bei zunehmender Amplitude von U₁ und umgekehrt erforderlich. Diese Aufgabe übernehmen die im folgenden beschriebenen Schaltungsteile.

Der Zusammenhang zwischen ab- bzw. zunehmendem Stromflußwinkel

\f bei zu- bzw. abnehmender Spannung U₁ mit der Bedingung Up „„ = const, ist im Diagramm in Fig. 3 dargestellt. Aus der Kurve ist zu erkennen, welcher Stromflußwinkel u:· vom Regler erzeugt werden muß, wenn die Eingangsspannung U. und die Ausgangsspannung U_ „„ = const, gegeben sind.

Die Einstellung des Stromflußwinkels wird dadurch erreicht, daß der Ladestrom des Kondensators 8 beeinflußt wird. Ein Teil des Ladestroms wird in Abhängigkeit der Amplitude von U₁ über die Dioden 11-,I¹I, die Transistoren 12,15 und den Widerstand 13 abgeleitet. Mit zunehmender Amplitude von U₁ wird somit die Ladegeschwindigkeit des Steuerkondensators reduziert, der Zündzeitpunkt wird zurückverlegt und damit

tP verkleinert. Bei abnehmender Amplitude von U. ergibt sich sinngemäß der umgekehrte Vorgang.

-7-409849/0563

Der Abfluß des Teilladestroms erfolgt bei positivem Wert der Spannung U₁ über den npn-Transistor 15 und bei negativem Wert über den pnp-Transistor 12 zur Klemme 3 hin. Die beiden Transistoren 12,.15 bilden ein komplementäres Transistorpaar im Parallel-Gegentaktbetrieb. Der Emitterwiderstand 13 erzeugt eine Stromgegenkopplung, mit der die Stromverstärkung der Transistoren auf das geeignete Maß herabgesetzt und linearisiert wird. Die Dioden H,l4 dienen zum Entkoppeln der Kollektoren der beiden Transistoren. 12,15. Ohne diese Dioden würde der Strom nicht über die Kollektor-Emitter-Strecke des betreffenden gesteuerten Transistors, sondern über die Kollektor-Basis-Strecke des gegenüberliegenden Transistors unkontrolliert abfließen.

Damit sich U_ .->,„ = const, ergibt, muß der abfließende Teilladestrom im Zeitpunkt zwischen den Nulldurchgängen der Spannung IL und dem Zündzeitpunkt des Triacs 9 so gesteuert werden, daß sich gemäß Fig. 3 bei einer Änderung der Spannung U am Anfang jeder Halbwelle eine große Änderung des Stromflußwinkels if und gegen Ende jeder Halbwelle eine kleine Änderung von S^ ergibt. In dem in Pig. Ί dargestellten Diagramm sind mit den Kurven I bis IV vier verschiedene Eingangsspannungen U dargestellt. Die Kurven II,III und IV sind gegenüber der Grundkurve I in der Amplitude jeweils um 50 % erhöht. Die zugehörigen Kurven gleichen Effektivwertes IL „ς = Up_eff sind durch Schraffur gekennzeichnet. Es ist ersichtlich, daß bei einer Erhöhung der Eingangsspannung UL um jeweils den selben Betrag der Stromflußwinkel am Anfang der-Halbwelle stark, gegen Ende der Halbwelle jedoch nur wenig zurückgenommen werden muß, um ^U2eff ^{= const}· ^zu erhalten.

Der entsprechende zeitliche Verlauf des abgeleiteten Teilladestroms vom Nulldurchgang bis zum Zündzeitpunkt, der diese Charakteristik erzeugt, wird durch Ansteuerung

-8-409849/0563

der Transistoren 12,15 durch die Spannung U₁ über die Elemente 16 bis 19 erreicht. Am Potentiometer 19 wird ein Teil der Spannung U. abgegriffen und dem RC-Glied 17,18 zugeführt. Der durch das RC-Glied fließende Strom _N weist gegenüber der Spannung U eine voreilende Phasenverschiebung OC te- arctg u? . ^c.iQ'^Rj7 ^und erzeugt an dem Widerstand 16 eine Spannung, die gegenüber U ebenfalls um den Winkel ac voreilend verschoben ist.Die am Widerstand l6 anliegende Spannung, durch die das Transistorenpaar 12,15 und damit der über die Transistoren 12,15 fließende Teilladestrom gesteuert wird, weist aufgrund der Phasenverschiebung oc nach dem Nulldurchgang von U in jeder Halbwelle ein Maximum auf und klingt nach dem Maximum von U^ wieder bis Null ab. Damit wird die in den Figuren 3 und h erläuterte Kf -Charakteristik soweit erreicht, daß eine Spannungskonstanz von U_ „„ gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm erreicht wird. Durch das Potentiometer 19 kann der Arbeits- bzw. Regelbereich der Schaltung .zu höheren oder niedrigeren Werten hin verschoben werden.

Das in Fig. 5 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel ist eine Spezialausführung des Reglers, insbesondere für Reihenschluß-Motoren, und entspricht in Aufbau und. Wirkungsweise im wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel. Als Verbraucherwiderstand ist ein Reihenschluß-Motor 50 vorgesehen. Im Unterschied zum Schaltungsaufbau nach Fig. 1 ist der Regler nach Fig. 5 mit ¹I Anschlüssen ausgestattet. Das Potentiometer 19 ist ' zwischen die Klemmen 1 und 2 geschaltet. Der Widerstand 16, der mit einem Anschluß an die Steuereingänge der Transistoren 12,15 angeschlossen ist, ist mit seinem anderen Anschluß sowohl über einen Widerstand 51 mit der Klemme 4, wie auch über einen Widerstand 52 mit der Klemme,3 verbunden. Parallel zum Widerstand 52 ist ein Speicherkondensator 53 geschaltet.

Die Schaltung des in Fig. 5 dargestellten Reglers erfüllt

409849/0563

-9-

gleichzeitig zwei Reglerfunktionen:

1. Bei Änderungen der Eingangsspannung U₁ reagiert der Regler in der bereits beschriebenen Weise SD₅ daß die effektive Motorspannung U_? konstant bleibt.

2. Bei Änderungen der Motorbelastung, d.h. bei Erhöhung des Drehmoments, erhöht der Regler die effektive Motorspannung U durch Vergrößerung des Stromflußwinkels (O , so daß dem Drehζahlabfall entgegengearbeitet wird.

Die Funktion der Schaltung zur Effektivwertkonstanthaltung der Äusgangsspannung Up ist gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 unverändert. Der mit dem "RC-Glied 17_sl8 erzeugte phasen verschobene Strom fließt über den Widerstand Ϊ6 und die Parallelschaltung des Widerstandes 52 mit dem Speicherkondensator 53 zum Anschluß 3/ Da die Kapazität des Kondensators 53 wesentlich größer als die des Kondensators -1.8 ist, kann der durch den Strom verursachte Spannungsabfall an dem Kondensator 53,-■ bzw. dem Widerstand'52, vernachlässigt werden, so daß der von U abhängige Teil der Steuerspannung am Widerstand 16 für die Transistoren 12,15 der entsprechenden Spannung im ersten Ausführungsbeispiel entspricht.

Der Drehzahlregelungseffekt wird durch die Ankerrestspannung des Motors 50 erzeugt. Jeder Reihenschluß-Motor behält nach dem Abschalten"im Stromnulldurchgang der speisenden Wechselspannung im Feld einen Restmagnetismus zurück. Aufgrund des Ankerträgheitsmoments dreht sich der Anker in der Strom- * flußpause weiter und induziert eine Spannung U^, die sogenannte Ankerrestspannung, die ungefähr drehzahlproportional ist. Die Polarität von U, entspricht der vor der Stromflußpause anliegenden Polarität, von U . U", wird dem Spannungsteiler 51»52 zugeführt. Der Speicherkondensator 53 dient der Speicherung der an dem Widerstand 52 anliegenden Spannung und zur Glättung der Ankerspannungs- und Kommutierungsoberwellen. In der jedem Stromnulldurchgang folgenden

409849/05B1 "¹⁰"

Halbwelle kehrt sich die Polarität von U. um. Es addiert sich deshalb in jeder neuen Halbwelle die am Widerstand 16 anliegende Spannung zu der am Widerstand 52 anliegenden Spannung. Dies ergibt zusammen die Steuerspannung für die Transistoren 12,15. Die auf diese Weise zusammengesetzte Spannung ist sowohl von SpannungsSchwankungen von IL, als auch vom Drehmoment des Motors 50 abhängig und wirkt während der Stromflußpause, in jeder Halbwelle so, daß bei zu- bzw. abnehmender Eingangsspannung U und bei ab- bzw. zunehmendem Drehmoment des Motors 50 der Stromflußwinkel

ψ vergrößert bzw. verkleinert wird. Dadurch wird die Drehzahlzu- bzw. -abnähme in beiden Fällen auf ein Minimum reduziert.

Bei Belastung, d.h. zunehmendem Drehmoment, sinkt die Drehzahl des Motors 5 und damit die Ankerrestspannung U, und deren am Widerstand 52 anliegende Teilspannung. Da die Steuerspannung für die Transistoren 12,15 diese Spannung als Teilbetrag enthält, wird der jeweils steuernde Transistor 12 oder 15 weniger leitfähig. Damit verkleinert sich der abgeleitete Teilladestrom, der Ladestrom für den Steuerkondensator 8 wird vergrößert, der Zündzeitpunkt früher erreicht und damit die Ausgangsspannung U vergrößert. Durch die erhöhte Motorspannung U_ wird dem Drehzahlabfall entgegengearbeitet.

-11-

409849/0563

Claims

Ansprüche

( 1.)Elektronische Stell- und Regeleinrichtung für mit Wechselspannung betriebene Verbrauchers mit einer Triac-Phasenanschnittssteuerung, die einen über einen Ladewiderstand aufladbaren Zündkondensator enthält_s dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Proportionalverstärker (12,15) vorgesehen ist, der durch die Versorgungswechselspannung (U₁) steuerbar ist und durch den in Abhängigkeit von der- Größe, bzw. von Schwankungen dieser Versorgungswechselspannung (U₁), ein Anteil des Ladestroms für den Zündkondensator (8) ableitbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch I₈ dadurch gekennzeichnet, daß zwei Proportionalverstärker (12,1.5)' für je eine entgegengerichtete Halbwelle der Wechselspannung (U,). vorgesehen sind,
3· Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Proportionalverstärker -(12,15)' Transistoren vorgesehen sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein komplementäres Transistorenpaar (12₃15) in Parallel-Gegentaktbetrieb vorgesehen ist. ■ "

-12-

409849/056
5. Einrichtung nach Anspruch ¹I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entkopplung der Transistoren (12,15) je eine Diode (11,1¹I) vorgesehen ist.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Proportionalverstärker (12,15) bzw. Transistoren über ein RC-Glied (17,18) erfolgt.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Regelbereichs ein veränderbarer Widerstand (19) vorgesehen ist, an dem ein Teil der Versorgungswechselspannung (U-.,) abgreifbar und den Steuereingängen der Proportionalverstärker (12,15) bzw. Transistoren zuführbar ist.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Reihenschaltung des Ladewiderstandes (7) und des Zündkohdensators (8) zwei entgegengesetzt in Reihe geschaltete Zenerdioden (20,21) vorgesehen sind.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für

die Regelung von Reihenschluß-Motoren, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen drehmomentabhängigen Drehzahlregelung ein Teil der am Motor (50) anfallenden Ankerrestspannung

-13-

409849/0 563

den Steuereingängen der Proportionalverstärker (12,15) bzw. Transistoren zuführbar ist»
10. Einrichtung nach Anspruch 9 ₃ dadurch gekennzeichnet ₃ daß parallel zum Motor (50) ein Spannungsteiler (51_S52) vorgesehen ist, das parallel zu einem Zweig (52) des Spannungsteilers (51,52) ein Spexcherkondensator (53) geschaltet ist und daß der Abgriff des Spannungsteilers mit den Steuereingängen der Proportionalverstärker (12_S15) bzw. der Transistoren verbunden ist.

A09849/0563