DE2702142B2

DE2702142B2 - Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines Universalmotors

Info

Publication number: DE2702142B2
Application number: DE2702142A
Authority: DE
Inventors: Hans Luterbach Gerber; Ivan Dipl.-Ing. Zuchwil Hidveghy; Wolfgang 7141 Moeglingen Kosak; Peter Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Werner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-01-20
Filing date: 1977-01-20
Publication date: 1978-12-07
Also published as: US4134038A; IT1092306B; IT7819364A0; NL7800694A; JPS5391315A; FR2378398B1; FR2378398A1; ES466194A1; GB1590851A; DE2702142C3; CH623436A5; DE2702142A1

Description

Die Erfindung geht im Oberbegriff des Anspruchs 1 aus von einer Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines Universalmotors, wie sie sie aus der CH-PS 43 457 bekanntgeworden ist. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung wird der Universalmotor über antiparallel in der Zuleitung liegende steuerbare Halbleitergleichrichter an das Netz angeschlossen, wobei die Schaltungsanordnung eine erste Steuerschaltung zur Einstellung eines Phasenanschnittwinkels für den ersten Halbleitergleichrichter und eine zweite Steuerschaltung zur Einstellung des Phasenanschnittwinkels des zweiten Halbleitergleichrichters besitzt die von der Stromstärke im Laitkreis des ersten Halbleitergleichrichters beeinflußt ist. Als Lastfühler dient bei der bekannten Schaltungsanordnung ein Widerstand im Motorstromkreis, an dem je nach Belastung ein Spannungsabfall abgegriffen und in den Steuerkreis des zweiten Halbleitergleichrichters eingeführt wird. Diese Anordnung ist insofern nachteilig, als der gesamte Laststrom über einen Reihenwiderstand geführt werden muß. was erhebliche Verluste verursacht. Neben der schwierig zu beherrschenden Wärme in einem derartigen Serienwiderstand bedingen die Verluste eine größere Auslegung des Motors, was vermeidbare Mehrkosten verursacht

Weiterhin ist aus der DE-PS 12 15 803 ein Verfahren und eine Anordnung zur untersynchronen Drehzahlsteuerung eines Asynchronmotors bekannt wobei die Steuerspannung mittels der durch das nicht steuerbare Ventil fließenden Halbwelle des Motorstromes induktiv

ίο gebildet wird. Die von der Sekundärwicklung des Übertragers abgeleitete Spannung wird dabei über einen Kondensator an die Steuerelektrode des steuerbaren Ventils angeschlossen. Diese bekannte Anordnung enthält jedoch nur einen steuerbaren Halbleiter- gleichrichter, welcher entweder voll geöffnet oder vollkommen gesperrt ist; für die andere Halbwelle wird ein ungesteuertes Ventil benutzt

Gegenüber diesen bekannten Anordnungen soll durch die erfindungsgemäße Steuerungsanordnung die Aufgabe gelöst werden, eine präzise, betriebssichere und verlustarme Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines Universalmotors zu schaffen, die klein ausführbar und weitgehend frei von Verlustwärme ist so daß sie ohne Rücksicht auf vorhandene Kühlmöglich keiten auch bei geringem zur Verfügung stehendem Raum an einer geeigneten Stelle innerhalb einer von dem Universalmotor angetriebenen Vorrichtung eingebaut werden kann. Die erf:ndungsgemäße Schaltungsanordnung zur

Ό Steuerung der Drehzahl eines Universalmotors mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber den bekannten Anordnungen den Vorteil, daß mit einfachen und sicheren Mitteln weitgehend verlustfrei eine hervorragende Drehzahlstabilisierung erreichbar ist. Die zwei antiparallel geschalteten Thyristoren mit ihren getrennten Steuerkreisen erlauben einerseits eine einfache Begrenzung der Leerlaufdrehzahl und andererseits eine stufenlose Drehzahleinstellung und sind gleichzeitig besonders störungsunemp-

findlich gegen Überspannungen und Störspannungen, welche von den in der Schaltung vorhandenen Induktivitäten erzeugt werden. Die Ansteuerung ist problemlos und sicher, die benötigten Steuerleistungen sind gering und bei der erfindungsgemäßen induktiven

■»5 Ankopplung nahezu verlustlos zu gewinnen. Bei der vorgenommenen Steuerung wird die Tatsache ausgenutzt daß sich der Motorstrom bei einem beliebigen, im Drehzahlsteuerkreis eingestellten Pha&enanschnittwinkel nur noch in Abhängigkeit von der Belastung des

">o Motors ändert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

.33 Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Reglerschaltung gemäß der Erfindung in Verbindung mit einer Zeichnung noch näher erläutert Es zeigt ^hl> F i g. 1 ein Prinzipschaltbild der Steuerschaltung und

F i g. 2a—f schematische Diagramme des Spannungsverlaufs an zwei verschiedenen Punkten der Reglerschaltung gemäß F i g. 1 für verschiedene Betriebszustände.

Beschreibung der Erfindung

Wie F i g. 1 der Zeichnung zeigt, ist die Anordnung an eine Wechselspannungsquelle 10 angeschlossen, d. h.

normalerweise an das übliche Wechselspannungsnetz mit einer Spannung von 220VoIt 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, weicher 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 Verbindungspunkt A mit dem Widerstand 18 auf einen vorgegebenen Wert Der Verbindungspunkt A ist über die Serienschaltung eines Potentiometers 22, eines Widerstandes 23 und eines Kondensators 26 mit d".m anderen Anschluß der Zenerdiode 16 bzw. mit der Wechselspannungsquelle 10 verbunden. Ferner ist parallel zu dem Potentiometer 22 ein weiterer Widerstand 24 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 Schwellwertschalters 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 der Anordnung gemäß F i g. 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 zweiten Thyristors, der nachstehend näher erläutert wird.

Im einzelnen besitzt die Anordnung 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 Halbwolle der Wechselspannung aus der Wechselspannungsquelle 10 leitend gesteuert, wobei ebenfalls 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 Sekundärseite 34.2 dieses Transformators, durch die ein Zündkondensator 38 auf eine dem Srheitelwert des

ίο Motorstroms bei leitendem ersten Thyristor 14 entsprechende Spannung 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 Zündkondensators 38 während der negativen Halbwelle über eine Diode 41 und einen in Reihe dazu

2) geschalteten Widerstand 43 erreicht Ferner 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

JO sekundärseitig mit einem Widerstand 40 abgeschlossen. Der parallel dazu liegende Kondensator 50 dient zur Glättung und zum Unterdrücken von Störimpulsen. Weiterhin ist auf der dem Kondensator 38 abgewandten Seite der Diode 46 parallel zu dem Kondensator 38 die

r> 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.

-ι» 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 zu dem Zündkondensator 38. Die Steuerelektrode des Hilfsthyristors 58 ist mit dem Ausgang eines Schwellwertschalters in Form einer Triggerdiode 62 verbunden. Der Eingang der Trigger-

■>" diode 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 Serienschaltung 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-GWed 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 Zündkondei,;ator 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 Widerstandes 68 und des Kondensators 70, die zusammen eine sogenannte Träger-Stau-Effekt(TSE-)Beschaltung darstellen, auf Werte von beispielsweise etwa 8 Volt begrenzt, die nicht zu einem Durchschalten der Triggerdiode 62 (Zündspannung ca. 32 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 werden, daß mit der 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 wird, so daß Zündimpulse für den zweiten Thyristor 36 während der positiven Halbwelle der Wechselspannung ebenfalls entfallen.

Die Funktion des vorstehend anhand der F i g. 1 beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung wird aus F i g. 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 F i g. 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 F i g. 2c und 2f für den Fall, daß der Motor mit Nennlast arbeitet Aus F i g. 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_c 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 (F i g. 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 U₁ für die Triggerdiode 42. Wie F i g. 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

ι ο 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 Spannung U_c über dem Zündkondensator 38 erreicht, so daß der Thyristor 36 nach Erreichen der Zündspannung U₁ für die Triggerdiode 42 während eines Teils der nachfolgenden negativen Halbwelle leitend gesteuert wird. Bei dem dritten betrachteten Betriebsfall, d. h. bei Nennlast,

2« ist das während der positiven Halbwelle erreichte Niveau der Spannung U_cüber dem Zündkondensator 38 so hoch, daß zum Erreichen der Zündspannung U_z nur noch eine geringe zusätzliche Nachladung des Zündkondensators 38 während der negativen Halbwelle

2) erforderlich ist, so daß der Thyristor 36 bereits kurz nach Beginn der negativen Halbwelle leitend gesteuert wird. Aus F i g. 2 wird deutlich, daß der erfindungsgemäße Drehzahlregler bei einem vorgegebenen Leitwinkel α im Drehzahlsteuerkreis die mittlere Stromstärke

3d durch den Motor 12 lastabhängig innerhalb weiter Grenzen regelt Der Leitwinkel « selbst wird in dem Drehzahlsteuerkreis durch entsprechende Einstellung des Potentiometers 22 vorgegeben. Dabei ist die Widerstandskombination 22,23,24 so ausgelegt, daß bei

r> Einstellung des Potentiometers 22 auf die Drehzahl Null immer noch ein gewisser minimaler Leitwinkel α 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 « 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

⁴> Triggerdioden 42 und 62 vorzugsweise als Diacs ausgebildet sind und daß auch anstelle des Unijunktion-Transistors 28 mit Vorteil ein Diac eingesetzt werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines Universalmotors, der über antiparallel in der Zuleitung liegende steuerbare Halbleitergleichrichter an das Netz angeschlossen ist, mit einer ersten Steuerschaltung zur Einstellung eines Phasenanschnittswinkels für den ersten Halbleitergleichrichter und einer zweiten Steuerschaltung zur Einstellung des Phasenanschnittswinkels des zweiten Halbleitergleichrichters, die von der Stromstärke im Lastkreis des ersten Halbleitergleichrichters beeinflußt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Kondensator (38) und einen Schwellwertschalter (42) enthaltende zweite Steuerschaltung induktiv mit dem Lastkreis des ersten Halbleitergleichrichters gekoppelt ist und daß der Kondensator zunächst abhängig von der Stromstärke und dann mit einer vorgegebenen Zeitkonstanten weiter bis auf die erforderliche Zündspannung aufladbar ist

2. Steuerungsanordnung 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. Steuerungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Löschkreis einen Hilfsthyristor (58) aufweist, dessen Schaltstrecke parallel zu dem Kondensator (38) liegt.

4. Steuerungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Löschkreis ein Differenzierglied (68, 70) zur Erzeugung von Löschimpulsen bei jedem Durchschalten des ersten steuerbaren Halbleiters (14) aufweist.

5. Steuerungsanordnung 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 (U₁) des Schwellwertschalters (42) abgestimmte Spannung abgreifbar ist.