DE2702142A1

DE2702142A1 - Drehzahlregler fuer einen universalmotor

Info

Publication number: DE2702142A1
Application number: DE19772702142
Authority: DE
Inventors: Hans Gerber; Ivan Dipl Ing Hidveghy; Wolfgang Kosak; Peter Dipl Ing Werner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-01-20
Filing date: 1977-01-20
Publication date: 1978-08-03
Also published as: FR2378398A1; CH623436A5; DE2702142C3; IT1092306B; IT7819364A0; NL7800694A; GB1590851A; US4134038A; JPS5391315A; ES466194A1; FR2378398B1; DE2702142B2

Description

Anlage zur
Patentanmeldung

R. % ι- '' '-Robert Bosch GmbH H. Januar 1977

7000 Stuttgart 1

Drehzahlregler für einen Universalmotor

Zusammenfassung

Es wird ein Drehzahlregler für einen Universalmotor vorgeschlagen ,wie er insbesondere bei Elektrowerkzeugen Verwendung findet. Bei diesem Drehzahlregler ist ein erster Thyristor zur Drehzahlsteuerung nach dem Phasenanschnittverfahren vorgesehen, während ein antiparallel zu dem ersten Thyristor geschalteter zweiter Thyristor in Abhängigkeit vom Motorstrom nach dem Verfahren der Phasenanschnittsteuerung eine Drehzahl regelung bewirkt.

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drehzahlregler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei den bisher üblichen Drehzahlreglern wird nur eine Halbwelle der Netzwechselspannung ausgenützt, wobei mit Hilfe der Phasenanschnittsteuerung über ein RC-Glied mit Potentiometer zunächst einmal eine Drehzahlsteuerung bewirkt wird, wobei jedoch zusätzlich in Abhängigkeit von der Gegen-E MK am Anker des Universalmotors gleichzeitig eine gewisse Regelung der eingestellten Drehzahl erreicht wird. Nachteilig an den bekannten Drehzahlreglern ist es, daß ihre Regelwirkung relativ gering ist, was

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dazu führt, daß die Drehzahl bei zunehmender Belastung des Universal motors stärker absinkt, als dies wünschenswert wäre. Bei anderen bekannten Drehzahlsteuerungen fehlt dagegen die Möglichkeit, die Leerlaufdrehzahl zu begrenzen. Dies ist besonders bei Universalmotoren mit einer größeren Leistung von beispielsweise 450 Watt kritisch, da diese Motoren ohne eine Drehzahlbegrenzung so hohe Leerlaufdrehzahlen erreichen, daß sich eine unzulässige Geräuschentwicklung, ein hoher Lagerverschleiß und eine Deformation des Kollektors ergeben. Diese Gründe erzwingen aber eine Begrenzung der Leerlaufdrehzahl·

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drehzahlregler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine Begrenzung der Leerlaufdrehzahl erreicht wird, daß eine stufenlose Drehzahleinstellung ausgehend von der Drehzahl Null und ein hervorragende Drehzahlstabilisierung bzw. -regelung erreichbar sind. Die zwei antiparallel geschalteten Thyristoren mir ihren getrennten Steuerkreisen bilden nämlich einen ersten Kreis für die Drehzahlsteuerung und -begrenzung, sowie einen zweiten Kreis für die Regelung der Drehzahl auf den eingestellten Wert. Es liegt somit eine unsymmetrische Phasenanschnittsteuerung vor. Dabei erfolgt das Einstellen der Drehzahl im Steuerkreis des einen Thyristors durch Änderung des Phasenanschnitts über einen RC-Phasenschieber, wodurch eine kontinuierliche Steuerung der Drehzahl bis zu einer vorgegebenen maximalen Leerlaufdrehzahl möglich ist, bei der eine Halbwelle der Netzwechselspannung,beispielsweise die positive Halbwelle, angeschnitten ist. Ferner wird für den Regelkreis, welcher den zweiten Thyristor enthält, der während jeder zweiten Halbwelle der Nerzwechselspannung, also beispielsweise während der negativen Halbwellen.wirksam ist, ein induktiv eingekoppeltes Rückkopplungssignal verwendet, welches vom Strom im Lasfkreis des ersten Thyristors, d.h. vom Motorstrom, abhängig ist, wobei die Tatsache ausgenutzt wird, daß sich der Motorstrom bei einem beliebigen, im Drehzahlsteuerkreis eingestellten Phasenanschnittwinkel nur noch in Abhängigkeit von der Belastung des Motors ändert.

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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Drehzahlreglers gemäß dem Hauptanspruch möglich.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Reglerschaltung gemäß der Erfindung in Verbindung mit einer Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Reglerschaltung und

Fig. 2 a - f schematische Diagramme des Spannungsverlaufs an zwei

verschiedenen Punkten der Reglerschaltung gemäß Fig. 1

für verschiedene Betriebszustände.

Beschreibung der Erfindung

Wie Fig. 1 der Zeichnung zeigt, ist der Drehzahlregler an eine Wechselspannungsquelle 10 angeschlossen, d.h. normalerweise an das Übliche Wechselspannungsnetz mit einer Spannung von 220 Volt und einer Frequenz von 50 Hertz. Aus der Wechselspannungsquelle 10 wird ein Motor 12 gespeist, welcher als Universalmotor in Form eines Reihenschlußkollektormotors ausgebildet ist. Der Motor 12 liegt in Serie mit einem ersten Thyristor 14 zwischen den Anschlüssen der Wechselspannungsquelle 10. Zur Steuerung des ersten Thyristors 14 ist ein Steuerkreis vorgesehen, welcher einen ersten Zweig mit der Serienschaltung einer Zenerdiode 16 eines Widerstandes 18 und einer Diode 20 aufweist. Durch den ersten Zweig 16,18,20 des Steuerkreises fließt ein Strom, wenn die Diode 20 in Durchlaßrichtung gepolt ist, also beispielsweise während der positiven Halbwellen der Wechselspannung. Die Zenerdiode 16 begrenzt dabei die Spannung an ihrem Verbir.dungspunkt A mit dem Widerstand 18 auf einen vorgegebenen Wert. Der Verbindungspunkt A ist über die Serienschaltung eines Potentiometers 22_feines Widerstandes 23 und eines Kondensators 26 mit dem anderen Anschluß der Zenerdiode 16 bzw. mit der Wechselspannungsquelle 10 verbunden. Ferner ist parallel zu dem Potentiometer 22 ein weiterer Widerstand 24

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vorgesehen. Der Parallelwiderstand 24 begrenzt den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung 22, 24 auf solche Werte, daß im Steuerkreis für den ersten Thyristor 14 ein vorgegebener Mindest-Phasenanschnittswinkel nicht unterschritten werden kann. Am Verbindungspunkt B des Kondensators 26 mit dem Widerstand 23 ist die Steuerelektrode eines SchwelIwertschalters angeschlossen, der beim Ausführungsbeispiel als Unijunktion-Transistor 28 ausgebildet ist. Von den Basisanschlüssen des Unijunktion-Transistors 28 ist der eine direkt mit der Steuerelektrode des ersten Thyristors 14 und außerdem über einen Widerstand 30 mit der Wechselspannungsquelle verbunden. Der andere Basisanschluß des Unijunktion-Transistors 28 ist über einen Widerstand 32 mit dem Verbindungspunkt A verbunden. Durch die Stabilisierung der Eingangsspannung für den Unijunktion-Transistor 28 mit Hilfe der Zenerdiode 16 wird dabei eine weitgehende Unabhängigkeit der Drehzahlsteuerung von Schwankungen der Netzspannung erreicht.

Das Zeitintervall, welches nach Beginn einer positiven Halbwelle benötigt wird, um an dem Verbindungspunkt B die erforderliche Schaltspannung für den Unijunktion-Transistor 28 zu erzeugen, ist bei vorgegebener Zenerspannung

über die Zenerdiode 16 und in Abhängigkeit von den Widerstandswerten der Festwiderstände 23, 24 von der Stellung des Potentiometers 22 abhängig. Über dieses Potentiometer 22 ist somit der Phasenanschnittswinkel für die Durchschaltung des ersten Thyristors 14 einstellbar und damit die Drehzahl des Motors 12 steuerbar.

Bei dem Drehzahlregler gemäß Fig. 1 ist ferner ein Transformator 34 vorgesehen, dessen Primärwicklung 34.1 in den Lastkreis des ersten Thyristors 14 eingefügt ist. Die Sekundärwicklung 34.2 des Transformators 34 liegt dagegen im Steuerkreis eines Drehzahlregelkreises, der nachstehend näher erläutert wird.

Im einzelnen besitzt der Drehzahl rege I kreis des erfindungsgemäßen Drehzahlreglers einen zweiten Thyristor 36, der antiparallel zu dem ersten Thyristor 14 geschaltet ist, der also in Serie zu dem Motor 12 an die Wechselspannungsquelle 10 angeschlossen ist, jedoch mit der entgegengesetzten Polung wie der erste Thyristor 14. Wenn also der erste Thyristor 14 während eines Teils jeder positiven Halbwelle leitend gesteuert wird, dann wird der zweite Thyristor 36 während eines Teils jeder negativen Halbwelle der Wechselspannung aus der Wechselspannungsquelle 10 leitend gesteuert, wobei ebenfalls

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wieder nach dem Verfahren der Phasenanschnittsteuerung gearbeitet wird.

Im einzelnen entsteht bei der betrachteten Schaltung bei einem Strom durch die Primärwicklung 34.1 des Transformators 34 eine entsprechende Spannung auf der Sekundwärseite 34.2 dieses Transformators, durch die ein Zündkondensator 38 auf eine dem Scheitelwert des Motorstroms bei leitendem ersten Thyristor 14 entsprechende Sapnnung aufgeladen wird, welche als Rückkopplungsspannung dient. Ausgehend von dieser Rückkopplungsspannung wird der Zündkondensator 38 während der nächsten negativen Halbwelle nachgeladen,bis die Zündspannung einer Triggerdiode 42 im Steuerkreis des zweiten Thyristors 36 erreicht ist. Der zweite Thyristor 36 wird also während jeder negativen Halbwelle um so früher durchgeschaltet, je höher der Motorstrom während der vorangegangenen positiven Halbwelle war, d.h., je höher die Belastung des Motors 12 ist.

Bei der betrachteten Schaltung wird die Aufladung des Zündkor.densators 38 während der negativen Halbwelle über eine Diode 41 und einen in Reihe dazu geschalteten Widerstand 43 erreicht. Femer ist die Sekundärwicklung 34.2 des Transformators 34 nicht unmittelbar mit dem Kondensator 38 verbunden, sondern über die Reihenschaltung eines Widerstandes 44 und einer Diode 46. Der Transformator ist sekundärseitig mit einem Widerstand 40 abgeschlossen. Der parallel dazu liegende Kondensator 50 dient zur Glättung und zum Unterdrücken von Siörimpulsen. Weiterhin ist auf der dem Kondensator 38 abgewandten Seite der Diode 46 parallel zu dem Kondensator 38 die Reihenschaltung einer Diode 52 und einer Zenerdiode 54 vorgesehen, um zu verhindern, daß im Verlauf einer positiven Lastwelle bei einer Last, die größer als die Nennlast ist, bereits die Zündspannung für die Triggerdiode 42 erreicht wird.

Damit die Spannung am Zündkondensator 38 zu Beginn jeder Halbwelle bzw. jedes Regelvorgangs eine definierte Ausgangsspannung, nämlich die Spannung Null,ist, weist der erfindungsgemäße Drehzahlregler einen Löschkreis mit einem Hilfsthyristor 58 auf, der in Serie mit einem Widerstand 60 geschaltet ist. Diese Serienschaltung liegt parallel

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zu dem Zündkondensator 38. Die Steuerelektrode des Hilfsthyristors 58 ist mit dem Ausgang eines Schwellwertschalters in Form einer Triggerdiode 62 verbunden. Der Eingang der Triggerdiode 62 liegt am Verbindungspunkt eines Widerstandes 64 mit einer Diode 66, wobei diese beiden Bauelemente 64, 66 parallel zu einem weiteren Widerstand 68 liegen, der Teil einer Sericnschaltung mit einem Kondensator 70 ist, die parallel zu dem ersten Thyristor 14 liegt. Der Löschkreis mit den beschriebenen Bauelementen arbeitet wie folgt: Wenn der erste Thyristor 14 im Steuerkreis durchschaltet, dann wird der dabei entstehende Spannungssprung durch das RC-Glied 68, 70 differenziert, wobei die Zündspannung der Triggerdiode 62 erreicht und folglich der Hilfsthyristor 58 leitend gesteuert wird. Der in Serie zu dem Hilfsthyristor 58 liegende Widerstand 60 ist relativ niederohmig, so daß beim Durchschalten des Hilfsthyristors 58 der Zündkondensator 38 praktisch vollständig entladen wird. Sobald die Spannung über dem Zündkondensator 38 dann weit genug abgebaut ist, sperrt der Thyristor 58 wieder, so daß nunmehr die erneute Aufladung des Zündkondensators 38 auf eine Spannung erfolgen kann, die dem Spitzenwert des Stroms über den ersten Thyristor 14 und damit durch den Motor 12 entspricht. Außerdem werden in dem Löschkreis die beim Abreißen des Motorstromes entstehenden Kommutierungsspitzen durch geeignete Dimensionierung des Widerslandes 68 und des Kondensators 70, die zusammen eine sogenannte Träger-Stau-Effekt (TSE)-Beschallung darstellen, auf Werte von beispielsweise etwa 8 Volt begrenzt, die nicht zu einem Durchschalten der Triggerdiode 62 (Zündspannung ca. ?2 Volt ) führen. Auch die Triggerdiode 42 im Steuerkreis des zweiten Thyristors 36 ist gegen hochfrequente Störimpulse geschützt, und zwar durch einen zu ihr parallel geschalteten Kondensator 72. Schließlich sei noch erwähnt, daß die Steuerelektrode des Hilfsthyristors 58 über einen Widerstand 74 mit dem Verbindungspunkt des Hilfsthyristors 58 und des Zündkondensators 38 verbunden ist.

Der Schutz der Triggerdiode 42 gegen Störspannungen während der Dauer der positiven Halbwelle kann auch dadurch erreicht worden, daß mit dei Triggerdiode 42 ein Transistor und ein Entladewiderstand in Reihe geschaltet werden, wobei der Transistor ( nicht dargestellt ) über seine Basis erst während der negativen Halbwelle freigegeben

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wird, so daß ZUndimpulse für den zweiten Thyristor 36 während der positiven Halbwelle der Wechselspannung ebenfalls entfallen.

Die Funktion des vorstehend anhand der Fig. 1 beschriebenen erfindungsgemäßen Drehzahlreglers wird aus Fig. 2 besonders deutlich, deren Teilfiguren 2a, 2b und 2c die während dreier verschiedener Betriebsarten vorhandene Spannung am Motor 12

zeigen, und deren Teilfiguren 2d - 2f den Spannungsverlauf über den Zündkondensator 38 bei diesen Betriebsarten zeigen.

Im einzelnen gelten die Fig. 2a und 2d für den Leerlauf des Motors, die Fig. 2b und 2e für den Normalbetrieb, bei der die Drehzahl auf einen vorher eingestellten Wert geregelt wird,und die Fig. 2c und 2f für den Fall, daß der Motor mit Nennlast arbeitet. Aus Fig. 2 wird deutlich, daß in allen drei Betriebsfällen der während der positiven Halbwelle fließende Strom zunächst dazu führt, daß die Spannung über dem Zündkondensator 38 - diese Spannung ist als U bezeichnet - auf ein bestimmtes Niveau ansteigt und dann bis zum Ende der positiven Halbwelle auf diesem Niveau bleibt. Das am Ende der positiven Halbwelle erreichte Niveau der Spannung U_c ist nun bei Leerlauf, Teillast ( Fig. 2b, e ) und Nennlast verschieden und erreicht bei Nennlast den höchsten Wert, während sich bei Leerlauf der niedrigste Wert ergibt. Ausgehend von dem im Verlauf der positiven Halbwelle erreichten Niveau steigt die Spannung U_c über dem Zündkondensator 38 dann während der darauffolgenden negativen Halbwelle an und nähert sich dabei der Zündspannung U_z für die Triggerdiode 42. Wie Fig. 2 zeigt, wird nun diese Zündspannung U₂ bei Leerlauf gar nicht erreicht, da hier der Motorstrom während der positiven Halbwelle gering ist und folglich die Spannung über dem Zündkondensator 38 nur ein relativ niedriges Niveau erreicht. Dies hat zur Folge, daß bei Leerlauf des Motors 12 der zweite Thyristor 36 während der gesamten negativen Halbwelle gesperrt bleibt. Bei Teillast wird dagegen bereits während der positiven Halbwelle ein relativ hohes Niveau der Sapnnung U_c über dem ZUndkondensator 38 erreicht, so daß der Thyristor 36 nach Erreichen der Zündspannung U₂ für die Triggerdiode 42 während eines Teils der nachfolgenden negativen Halbwelle leitend gesteuert wird. Bei dem dritten betrachteten

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Betriebsfall, d.h. bei Nennlast, ist das während der positiven Halbwelle erreichte Niveau der Spannung U_c über dem Zündkondensator 38 so hoch, daß zum Erreichen der Zündspannung U₂. nur noch eine geringe zusätzliche Nachladung des Zündkondensators 38 während der negativen Halbwelle erforderlich ist, so daß der Thyristor 36 bereits kurz nach Beginn der negativen Halbwelle leitend gesteuert wird. Aus Fig. 2 wird deutlich, daß der erfindungsgemäße Drehzahlregler bei einem vorgegebenen Leitwinkel OK im Drehzahlsteuerkreis die mittlere Stromstärke durch den Motor 12 lastabhängig innerhalb weiter Grenzen regelt. Der Leitwinkel <X selbst wird in dem Drehzahlsteuerkreis durch entsprechende Einstellung dos Potentiometers 22 vorgegeben. Dabei ist die Widerstandskombination 22, 23, 24 so ausgelegt, daß bei Einstellung des Potentiometers 22 auf die Drehzahl Null immer noch ein gewisser minimaler Leitwinkel Oc für den Thyristor 14 des Drehzahlsteuerkreises gewährleistet ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Löschkreis am Ende jeder positiven Halbwelle eine Entladung des Zündkondensators 38 herbeiführt. Andererseits wird der Mindestleitwinkel O< so klein gehalten, daß der Motor 12 noch nicht anläuft. Dies kann beispielsweise bei Leitwinkeln von etwa 40° erreicht werden.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die Triggerdioden 42 und 62 vorzugsweise als Diacs ausgebildet sind und daß auch anstelle des Unijunktion-Transistors 28 mit Vorteil ein Diac eingesetzt werden kann.

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Claims

Patentansprüche

l.^DrehzahIregler für einen Universalmotor, mit einem gesteuerten Halbleiter, insbesondere einem Thyristor, in Serie zum Motor, mit einem Schwellwertschalter im Steuerkreis des gesteuerten Halbleiters und mit einem RC-Kreis mit über ein Potentiometer einstellbarer Zeitkonstante auf der Eingangsseite des Schwellwertschalters, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter steuerbarer Halbleiter ( 36 ) gegenpolig und paraUel zu dem ersten steuerbaren Halbleiter ( 14 ) geschaltet ist,

■ dessen Steuerkreis induktiv mit dem Lastkreis des ersten steuerbaren Halbleiters ( 14 ) gekoppelt ist und einen Kondensator ( 38 ) enthält, der zunächst auf eine Spannung aufladbar ist, die von der Stromstärke im Lastkreis des ersten steuerbaren Halbleiters ( 14 ) abhängig ist, und der dann mit einer vorgegebenen Zeitkonstanten weiter bis auf die erforderliche Zündspannung (U ) für einen Schwellwertschalter ( 42 ) im Steuerkreis des zweiten steuerbaren Halbleiters (36 ) aufladbar ist.
2. Drehzahlregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Löschkreis ( 58 - 70 ) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe der Kondensator ( 38 ) zu Beginn jedes Arbeitszyklus auf eine definierte Spannung entladbar ist.
3. Drehzahlregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halbleiter Thyristoren ( 14, 36 ) sind.
4. Drehzahlregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Löschkreis einen Hilfsthyristor ( 58 ) aufweist, dessen Schaltstrecke parallel zu dem Kondensator ( 38 ) liegt.

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5. Drehzahlregler nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Löschkreis ein Differenzierglied ( 68 ,70 ) zur Erzeugung von Löschimpulsen bei jedem Durchschalten des ersten steuerbaren Halbleiters ( 14 ) aufweist.
6. Drehzahlregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur induktiven Kopplung des Lastkreises des ersten steuerbaren Halbleiters ( 14 ) mit dem Steuerkreis des zweiten steuerbaren Halbleiters ( 36 ) ein Transformator ( 34 ) vorgesehen ist, von dessen Sekundärwicklung ( 34.2 ) eine auf die Zündspannung ( U_z ) des Schwellwertschalters ( 42 ) abgestimmte Spannung abgreifbar ist.
7. Drehzahlregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis des ersten Halbleiters ( 14 ) eine Zenerdiode ( 16 ) zur Stabilisierung der Eingangsspannung des Schwel I weitschal te rs ( 28 ) gegenüber Schwankungen der Netzspannung enthält.

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