DE2703284C2

DE2703284C2 - Sanftanlaufschaltung für Elektromotore

Info

Publication number: DE2703284C2
Application number: DE19772703284
Authority: DE
Inventors: Heinz Ing.(grad.) 7201 Rietheim Elsäßer
Original assignee: J & J Marquardt 7201 Rietheim-Weilheim De
Current assignee: J & J Marquardt 7201 Rietheim-Weilheim De
Priority date: 1977-01-27
Filing date: 1977-01-27
Publication date: 1986-09-18
Also published as: DE2703284A1; NL7800764A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Sanftanlaufschaltung für einen aus einer Wechselspannungsquelle gespeisten Wechselstrom- oder Allstrommotor, mit einem in den Motorstromkreis eingeschalteten steuerbaren Schalter mit Thyratron-Charakteristik, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Schaltungen zum sanften Einschalten von Verbraucher,! auf der Basis von Phasenanschnittsteuerungen sind an sich bekannt. Diese Schaltungen verwenden als Schalter mit Thyratron-Charakteristik sehr häufig sogenannte Triacs oder Thyristoren, die an ihrer Steuerelektrode über ein Zündelement von einem RC-GUed gesteuert werden.

Triacs sind im Prinzip zwei antiparallel geschaltete Thyristoren, so daß der Strom in beiden Richtungen über eine gemeinsame Steuerelektrode eingeschaltet werden kann. Dieses Bauelement wird insbesondere zur Leistungssteuerung von Wechselstromverbrauehern verwendet.

Die für die Durchschaltung eines Triacs an seiner Steuerelektrode benötigten Steuerimpulse werden von einem Zündelement erzeugt, das eine Triggerdiode, ein Diac (zwei antiparallel geschaltete Vierschicht-Dioden) oder ein Unijunktiontransistor sein kann. Die diesen Bauelementen gemeinsame Eigenschaft, die sie für ihre Verwendung als Zündelement eines Triacs befähigt, ist ihre definierte Kippspannung, bei deren Erreichen das Zündelement durchgeschaltet und damit der Triac gezündet wird.

In den meisten Fällen ist bei den Schaltungen mit Phasenanschnittsteuerung in Reihe zu einem Wechselstromverbraucher, beispielsweise Rl in Fig. 4, ein Triac Tr geschaltet. Parallel zu dieser Reihenschaltung ist ein i?C-Glied geschaltet, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R und dem Kondensator C über ein Zündelement Z mit der Steuerelektrode des Triacs verbunden ist. Überschreitet nun nach dem Einschalten bei einer Halbwelle der Eingangswechselspannung Uw die Spannung am Kondensator C die Kippspannung des Zündelements, so kippt das Zündelement in den Durchlaßbereich und schaltet dadurch den Triac ein, womit er leitend wird. Bei der folgenden entgegengesetzten Halbwelle der Wechselspannung wiederholt sich der gleiche Vorgang mit entgegengesetzter Stromrichtung. Durch Verändern des Widerstandes R läßt sich der Stromflußwinkel und damit die dem Wechselstromverbraucher zugeführte Leistung verändern.

Bei vielen Maschinen, insbesondere bei Werkzeugmaschinen, besteht der Wunsch, die Antriebsmaschinen sanft anlaufen zu lassen. Dieses wird dadurch erreicht, daß der Anschnittswinkel während der Einschaltphase des Motors von der Drehzahl 0 automatisch langsam auf den Sollwert hochgefahren wird.

Für das langsame Hochfahren von Glühlampen ist in der DT-OS 2415632 eine Schaltungsanordnung beschrieben, die im wesentlichen der Fig. 4 entspricht. Bei dieser Schaltung ist parallel zum Kondensator des ÄC-Gliedes eine Diodenbrür.kensLinltung geschaltet, in deren Mittelzweig ein weiteres ÄC-Glied (R\/C\) angeordnet ist. Durch diese Schaltung wird erreicht, daß ein zeitlich veränderlicher Anteil des Steuerstromes in einem zum Zündkondensator parallel liegenden Stromzweig abgeleitet wird.

Während der ersten Perioden der Netzwechselspannung wird der Kondensator C\ langsam über die Diodenbrücke aufgeladen. Anfangs ist die Spannung an diesem Kondensator sehr klein, so daß über den Widerstand R\ und den Kondensator Ci ein relativ großer Strom fließt. Der Zündkondensator C erhält daher in der Einschaltphase nur einen geringen Ladestrom und en-eicht dadurch die Zündspannung erst wesentlich später, als durch den Widerstand R vorgegeben ist. Dadurch zündet auch der Triac Tr relativ spät, so daß dem Verbraucher in der Einschaltphase nur eine geringe Leistung zugeführt wird.

Im weiteren Verlauf wird nun der Kondensator Ci langsam weiter aufgeladen, so daß seine Spannung ansteigt und sein Ladestrom abnimmt. Eine Entladung des Kondensators Ci findet über die Diodenbrückenschaltung noch nicht statt. Die Spannung an Ci wächst daher mit der Zeit an und wirkt über einen sich langsam verzögernden Zeitraum jeder Halbwelle der Eingangswechselspannung als Gegenspannung, so daß der Ladestrom über den Kondensator Ci immer kleiner und der Ladestrom von C immer größer wird. Dadurch verändert sich der Anschnittswinkel langsam bis zum vorgegebenen Sollwert. Zur Linearisierung des Arbeitsstromanstieges ist in Serie zu dem R\ Ci-Glied ein FeId-

efTekttransistor T) geschaltet, dessen Steuerelektrode an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand Ri und dem Kondensator C\ angeschaltet ist.

Diese bekannte Schaltung leidet unter dem Mangel, daß der einstellbare Widerstand R nicht allzu klein werden darf, weil die ohnehin schon kritische Schaltung sonst gänzlich unstabil wird. Wenn aber der Einstellwiderstand R nicht auf niedrigohmige Werte einstellbar ■st, dann ist auch im höheren Drehzahlbereich eine Drehzahleinstellung nicht mehr möglich. Diesem Mangel ist nur dadurch abzuhelfen, daß ein Motor verwendet wird, der mit einer niedrigeren Spannung als der Netzspannung betrieben wird.

Einer solchen Maßnahme steht aber das Maschinenschutz-Gesetz entgegen, das fordert, daß bei überbrückter Elektronik keine Gefährdungen durch unzulässig hohe Spannungen entstehen dürfen. Diese Gefahr ist aber dann gegeben, wenn der für niedrigere Spannungen ausgelegte Motor bei einem Ausfall der Steuerelektronik an die volle Netzspannung angeschaltet wird. In diesem Fall würde der Motor sich zu schnell drehen, eventuell durchbrennen, oder die mit überhönter Drehzahl laufenden Werkzeuge zu einer großen Gefahrenquelle werden lassen.

Außerdem sind die Werte aller Bauteile eng zu tolederen und in Hochvolt-Ausfuhrung vorzusehen. Dieses bringt Nachteile auf der Kostenseite mit sich.

Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die aus nur wenigen Bauteilen aufgebaute bekannte Schaltung in den Zeitkonstanten ihrer RC-Glieder große Wiederaufladezeiten aufweist. Bei einem schnellen Wiedereinschalten kann die Zeit bis zur Funktion des Sanftanlaufens bis zu einer Sekunde betragen, was für die Bedienungsperson wieder Gefahren mit sich bringen kann, da diese annehmen können, daß der Sanftanlauf funktioniert, außerdem hat die Schaltung eine Tötzeit von bis zu 2 Sekunden, wodurch die Betätigungsperson dazu verleitet wird, in das Werkzeug hineinzufassen, kurz bevor die Maschine wieder anläuft.

In der DE-OS 22 38 093 ist eine Vorrichtung zur Anlaufstrombegrenzung bei elektrischen Maschinen beschrieben, bei der ein Steuerglied in Reihe zum Zündkondensator eines Schalters mit Thyratron-Charakteristik liegt.

Diese Vorrichtung weist jedoch den Mangel auf, daß sie keine variable und einstellbar Anlaufzeit für Antriebsmotore zur Verfugung stellen kann. Selbst die Anlaufzeit, auf die siß einmal eingestellt wurde, kann sie nicht in gleichbleibender Länge einhalten, da sie Schwankungen der Umgebungstemperatur nicht zu kompensieren vermag.

In derUS-PS 39 62 616 schließlich ist eine Sanftanlaufschaltung tür über Gleichrichter betriebene Wecliselstrommotore beschrieben, die einen Transformator benötigt, woraus der Nachteil resultiert, daß diese Sanftanlaufschaltung nicht so klein aufgebaut werden kann, daß sie sich im Schaltergehäuse bestimmter elektrischer Handwerkszeuge unterbringen läßt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sanftanlaufschaltung für Elektromotore anzugeben, deren Anlaufzeit wählbar bzw. einstellbar ist, wobei sie die eingestellte Anlaufzeit auch exakt einzuhalten vermag, die sicherer arbeitet und Gefahren von ihren Bedienungspersonen fernhält.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren erläutert Es zeigt

F i g. 1 und 2 Sanftanlaufschaltungen für Motore,

Fig. 3 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs verschiedener Spannungen in der Schaltung nach Fig. 1, und

Fig. 4 eine bekannte Schaltungsanordnung.

Wie F i g. 1 zeigt, liegt in Reihe zu dem Motor, der eine Sanftanlauf-Charakteristik erhalten soll, ein Thyristor Th, der als elektrisches Ventil dem Motor M mehr oder weniger Energie zuführen soll.

Der Thyristor Th wird von einem Zündglied, bestehend aus dem Kondensator Ci und der Triggerdiode Da gezündet Zur Aufladung des Kondensators C2 im Zündglied während der positiven Halbwelle ist eine Stromquellenschaltung vorgesehen, die aus den Widerständen Ri, R3, Ri und einem Transistor T besteht. Während die Diode D\ die negative Halbwelle für die Stromquellenschaltung sperrt, wird Λ -r Kondensator Ci im Zündglied über den Widerstand R 1 ur d die Diode Di in der negativen Halbwelle auf 0,7 V negativ aufgeladen, bis die Diode D3 leitend wird. Dadurch wird der Aufladevorgang mit der Netzfrequenz synchronisiert.

Der r-'gentliche Sanftanlauf besteht in dieser Schaltung darin, daß die Zündung des Thyristors Th nach Einschaltung der Netzspannung verzögert, erst nach dem Null-Durchgang erfolgt und dadurch die dem Motor M zugeführte Energie zunächst sehr gering ist. Der Zündzeitpunkt des Zündgliedes und damit des Thyristors wandert mit jeder Halbwelle näher zum Null-Durchgang, d.h. der Stromflußwinkel wird mit zunehmender Einschaltdauer immer größer. Dadurch läuft der Motor gesteuert langsam (sanft) hoch bis zur Soll-Drehzahl.

Bei dieser Sanftanlaufschaltung handelt es sich um eine an sich bekannte Konstant-Stromquellenschaltang mit einem Transistor, die aber so modifiziert wuriia, daß sie einen ansteigenden Ladestrom für den Zündkondensator Ci liefert. Der dem Spannungsteiler-Widerstand Rj des Basisspannungsteilers des Transistors rpan>''elgeschaltete Kondensator C\ muß so groß gewählt sein, daß er mit dem Widerstand A3 zusammen etv/a die Zeitkonstante des Anlaufzeitraumes ergibt (vgl. Fig. 3). Wenn der Kondensator Ci entladen ist (vgl. Uc\, kann im Transistor 7*kein Kollektorstrom fließen. Mit zunehmender Ladung wird jedoch der Strom größer, und somit erfolgt die Aufladung des Kondensators (.Ί schneller. Der Kondensator Ci lädt sich dann so lange auf, bis sich eine Spannung eingestellt hat, die durch das Verhältnis der Basisspannungsteilerwiderstände A3 und A4 sowie durch die Einschaltzeiten des Thyristors Th ("gl. Uias,) bestimmt wird. Der Widerstand R\ dient lediglich als Vorwiderstand, um den Transistor T vor eventuell auftretenden Überspannungen zu schützen.

Während die im Zusammenhang mit F i g. 1 erläuterte Sanftanlaufschal lung sich auf eine Halbwellensteuerung bezog, wird die in F i g. 2 dargestellte Sanftanlaufschaltung bei Vollwellenschaltung verwendet.

Die hier dargestellte Vollwellensteuerung ist als normaler Vollwellensteüer zwischen Feldwicklung F und Anker A eines Reihenschlußmotors M geschaltet. Im Prinzip entspricht die Sanftanlaufschaltung bei Vollwellensteuerung derjenigen bei Halbwellensteuerung (Fig. 1), wobei allerdings bei Vollwellensteuerung für jede Polarität der Wechselspannungshalbwelle eine Stromquellenschaltung vorgesehen ist. Es handelt sich trotzdem nicht um eine VerdoDDelune der in Fi e.. 1

dargestellten Stromquellenschaltung, da die Dioden Di zur Entladung des Zündkondensators entfallen können, weil sich die Schaltung von selbst mit der Netzwechselspannung synchronisiert.

Wie F i g. 2 weiter zeigt, wird der Zündkondensator Ci über die beiden Einstellwiderstände Pi und P₂ von den beiden Stromquellenschaltungen aufgeladen. In der positiven Hallbwelle ist der Transistor Ti, in der negativen der Transistor ΤΊ leitend. Der von der jeweiligen Stromquellenschaltung gelieferte Strom stellt sich enisprechend der Ladung des jeweiligen Kondensators Ci bzw. Ci ein.

Nachdem sich die maximale Spannung an den ■genannten Kondensatoren eingestellt hat, wird die Aufladung des Zündkondensators C₂ nur noch von den eingestellten Weiten der Widerstände Pi und P₂ bestimmt, so daß die Schaltung als nornialer Drehzahlsteller zu arbeiten vernisg.

Auch hier dient, wie in der Schaltung nach F i g. 1, der Widerstand R\ als Schutzwiderstand für die Transistoren. Außerdem arbeitet er als Restvorwiderstand, wenn der einstellbare Widerstand Pi auf Null gestellt ist.

Fig. 3 zeigt, in der obersten Zeile den zeitlichen Verlauf der Neuwechselspannung £/»·. Darunter ist der zeitliche Verlauf des dem einen Spannungsteilerwider-Standes A3 des Basisspannungsteilers des Transistors T in Fig. 1 parallelgeschalteten Kondensators Ci angegeben.

In der dritten Zeile von oben ist der Verlauf der Zündspannung Ua am Zündkondensator C₂ dargestellt. Es ist hier in Verbindung mit dem Last-Diagramm in der untersten Zeile zu erkennen, daß der Zündzeitpunkt mit jeder Halbwelle näher zum Null-Durchgang wandert. Der Stroimflußwinkel wird dadurch mit zunehmender Einschaltdauer immer größen

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

40 45 50 55 60 65

Claims

Patentansprüche:

1. Sanftanlaufschaltung für einen aus einer WechselspannungsqueUe gespeisten Wechselstrom- oder Allstrommotor, mit einem in den Motorstromkreis eingeschalteten steuerbaren Schalter mit Thyratron-Charakteristik, und einem parallel zu diesem geschalteten iJC-Glied, wobei zwischen dem Kondensator des R C-Glieds und der Steuerelektrode des steuerbaren Schalters ein Zündglied angeordnet ist und mit dem Widerstand des ÄC-Glieds in Reihe eine den Ladestrom des Kondensators beim Anlauf vermindernde Stromsteuerschaltung angeordnet ist, die aus einem Transistor, dessen Kollektor-Emitterstrecke mit dem Widerstand des RC-Glieds in Reihe geschaltet ist, sowie aus einem Basisspannungsteiler besteht, dessen einem Teilwiderstand ein Kondensator paraliügeschaltet ist, wobei der Kollektor-Emitterstrecice des Transistors der Stromstellerschaltung ein Emitterwiderstand vorgeschaltet ist, so daß er mit dem Widerstand des ÄC-Glieds in Reihe geschaltet ist und ferner beim Basisspannungsteiler nur der parallel mit dem Emitterwiderstand verbundene Widerstand parallel zu einem Kondensator geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Anlaufzeit in Serie zwischen den Kollektor des Transistors (T, Ti, 7"1) in der Stromsteuerschaltung und dem RC-Glied (R 1, C?) sin oder mehrere einstellbare Widerstände (Pl, P2) angeordnet sind, und zur transformatorlosen Zündung die Zündspannung (Ua) direkt galvanisch einem entsprechenden Zündglied (D4) zugeführt wird.

2. Sanftanlaufschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem parallel mit dem Emitterwiderstand verbundenen Widerstand (R3, R3¹) des Basisspannungsteilers (R3/R4, Ry/RA') des Transistors (T, 71, 7"1) parallelgeschaltete Kondensator (Cl) so groß gewählt ist, daß er mit dem genannten Widerstand (A3, A3¹) zusammen etwa die Zeitkonstante des Anlaufzeitraumes ergibt (Fig. 3).