DE2724815C2

DE2724815C2 - Schaltung zur Steuerung und Stabilisierung der Drehzahl eines Universalmotors

Info

Publication number: DE2724815C2
Application number: DE2724815A
Authority: DE
Inventors: Hans Lauterbach Gerber; Ivan Dipl.-Ing. Zuchwil Hidvéghy; Wolfgang 7141 Möglingen Kosak; Peter Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Werner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-06-02
Filing date: 1977-06-02
Publication date: 1981-10-08
Also published as: NL7805994A; GB1590258A; US4158796A; FR2393462B1; IT1095835B; IT7823859A0; JPS541818A; CH629049A5; ES470453A1; FR2393462A1; DE2724815A1

Description

Die Erfindung betriff! eine Schaltungsanordnung zur Steuerung und Stabilisierung der Drehzahl eines wechselspannungsgespeisten Universalmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, Eine solche Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der CH-PS 4 43 457 bekannt. Dort sind zwei Thyristoren antiparallel geschaltet und abhängig von einer Einflußgröße wird der eine und abhängig von einer anderen Einflußgröße der zweite Thyristor gezündet. Weiterhin wird der eine Thyristor so angesteuert, daß eine Drehzahlstabilisierung des Motors bewirkt werden kann, während dsr andere Thyristor zur Steuerung der Drehzahl dient. Der lu Stabilisierungskreis zur Zündung des Stabilisierungsthyrisiors wird dabei durch den Spannungsabfall an einem Widerstand beeinflußt, der in den Stromkreis zum Elektromotor geschaltet ist.

Weiterhin ist es aus der CH-PS 4 90 759 bekannt, eine

is elektrische Drehzahlregelungseinrichtung mit einer

Steuerung zu verbinden (F i g. 5). Die dort dargestellte Drehzahlregelungseinrichtung hat jedoch den Nachteil,

daß sie nach Art eines Zweipunktreglers arbeitet. Eine

Zündung des Regelthyristors erfolgt nur, so lange die

2u Drehzahl des Motors unterhalb der vorgegebenen

Solldrehzahl liegt. Durch diese Eigenschaft ist die Drehzahl des Motors nicht konstant, sondern pendelt

um eine mittlere Drehzahl umher. Weiterhin ist nachteilig, daß in die Drehzahlregelung auch eine

.'■, Drehzahlsteuerung integriert ist, wobei je nach Stellung des Steuerpotentiometers' sich das Regtiverhalten ändert.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Anordnung so i" auszubilden, daß eine feinfühlige, laststromabhängige Drehzahlstabilisierung möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die Anordnung hat den Vorteil, daß der Drehzahlsteuerungskreis und der Drehzahlstabilisierungskreis vollständig voneinander getrennt sind und sich nicht gegenseitig beeinflussen können. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die Drehzahl durch die einfach ausgebildete Stabilisierungseinrichtung konstant gehalten wird und ν licht um einen Mittelwert schwankt. Wesentlich ist dafür der eigene ÄC-Kreis dieser Einrichtung.

Durch die Unteransprüche ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Schaltungsanordnung nach dem Hauptanspruch.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Stabilisierungskreises gemäß der Erfindung in Verbindung mit Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Schulzansprüchen. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild der Anordnung und
Fi£. 2a-2f schema tische Diagramme des Spannungsverlaufs an zwei verschiedenen Punkten der Anordnung gemäß F i g. 1 für verschiedene Betriebszustände.

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 220 V und einer Frequenz von to 50 Hz. Aus der Wechselspannungsquelle 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 eine: Diode 20 aufweist. Durch cien

StroivanJitrs

ersten Zweig 16, 18, 20 des Stegerkreises fließt ein Strom, wenn die Diode 20 'm Durchlaßrichtung gepoll 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 dem anderen Anschluß dei Zenerdiode 16 bzw, mit der Wechselspannungsquelle 10 verbunden. Ferner ist parallel zu dem Potentiometer 22 ein weiterer Widerstand als Abgleichwiderstand 24 vorgesehen, der erforderlich ist, um Buuteiltoleranzen auszugleichen, so daß ein exakter Abgleich der Drehzahlsteuerung ermöglicht wird. Insbesondere ergibt sich mit dem Abgleichwiderstand 24 eine genaue Reproduzierbarkeil fest vorgegebener Drehzahlen einschließlich der Drehzahl Null bei Einstellen des Potentiometers 22' in bestimmte Stellungen. Außerdem läßt sich eine genügende Linearisierung der Leerlaufdrehzahl ober dem Potentiometerweg erreichen. Am Verbindungspunkt B des Kondensator 26 mit dem Widerstand 23 ist die Steuerelektrode eines Schwellwertschalters angeschlossen, der beim Ausführungsbeispiel als Triggerdiode 28 ausgebildet ist, die über einen weiteren Widerstand 30 mit der Steuerelektrode des ersten Thyristors 14 verbunden ist

Durch die Stabilisierung der Eingangsspannung für die Triggerdiode 28 mit Hilfe der Zenerdiode 16 wird dabei eine weitgehende Unabhängigkeit der Drehzahlsteuerung von Schwankungen der Netzspannung erreicht Schließlich ist parallel zu der Wechselspannungsquelle 10 eine übliche Entstörkondensator-Kombination 11 vorgesehen, während ein weiterer Entstörbzw. Funkenlöschkondensator 13 parallel zu dem Motor 12 liegt dessen Feldwicklung 12a, 12Z) zur Verdeutlichung des Anschlußschemas des Kondensators 13 getrennt dargestellt ist. Anstelle des Kondensators 13 oder zusätzlich zu diesem kann eine übliche ThyristorschutzLeschaltung 32, 33 vorgesehen sein, wie sie in F i g. 1 gestrichelt angedeutet ist

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 der 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 Phasenanschnittswn.kel 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, der als Stromwandler dient und dessen Primärwicklung 34.1 in den Lastkreis des ersten Thyristors 14 eingefügt ist. Die Sekundärwicklung 34.2 des Transformators 34 liegt dagegen in einem Stabilisierungskreis, der nachstehend erläutert wird.

im einzelnen besitzt der Stabilisierungskreis einen zweiten Thyristor 36, der antiparallel zu dem ersten Thyristor 14 geschaltet ist, der also in Serie zu dem Motor 12 an die Wechselspannungsquellc 10 angeschlossen ist jedoch mit entgegengesetzter Polung, wie der erste Thyristor 14. Wenn also der erste Thyristor 14 während eines Teils jeder positiven Halbwelle leitend gesteuert wird, d?.nn wird der zweite Thyristor 36 während eines Teils jeder negativen Halbwelle der Wechselspannung aus der Weohselspannungsquelle io leitend gesteuert, wobei ebenfalls wieder nacfc dem Verfahren der Phasenanschnittsteuerung gearbeitet wird,

s Jm einzelnen entsteht bei der betrachteten Schaltung bei einem Strom durch die Primärwicklung 34.1 des Transformators 34 ein entsprechender Strom durch dio Sekundärwicklung 34.2 dieses Transformators 34, und dieser Strom lädt einen Kondensator 38 auf, der in

in Reihe mit einer Diode 40 parallel zur Sekundärwicklung 34.2 des Transformators 34 geschaltet ist der außerdem noch ein, ggf. einstellbarer. Widerstand 42 parallel geschaltet ist Der Verbindungspunkt des Kondensators 38 mit der Diode 40 ist über einen Widerstand 44 mit dem einen Anschluß einer Triggerdiode 46 verbunden, deren anderer Anschluß über einen Widerstand 48 mit der Steuerelektrode des Thyristors 36 verbunden ist Der mit dem Widerstand 44 verbundene erste Anschluß der Triggerdiode 46 ist ferner über einen Kondensator

2» 50 mit der Kathode des Thyristors 36 verbunden. Parallel zur Sehahsireeke des Thyristors 36 und damit zur Speisespannungsquelle 10 liegt die Serienschaltung einer weiteren Diode 52 und zweier Widerstände 54,56, wobei der gemeinsame Verbindungspunkt der Wider-

2i stäede 54 und 56 über eine Diode 58 mit dem Widerstand 44 und dem ersten Anschluß der Triggerdiode 46 verbunden ist.

Der Stabilisierungskreis, dessen Aufbau vorstehend beschrieben wurde, arbeitet wie folgt:

Während einer positiven Halbwelle fließt gemäß der vorstehend gemachten Annahme ein Strom über den ersten Thyristor 14 und den Motor 12, wobei die Höhe dieses Stromes in erster Näherung nur von der Belastung des Motors 12 abhängig ist. Dieser Motor-

i> strom fließt auch über die Primärwicklung 34.1 des Transformators 34 und wird in einen entsprechenden Strom in der Sekundärwicklung 34.2 des Transformators 34 umgesetzt Mit diesem Strom wird der Kondensator 38 über die Diode 40 aufgeladen, so daß

-)<· die Aufladung des Kondensators 38 bzw. die über diesem anstehende Spannung am Ende der positiven Halbwelle von der Größe des Scheitelwerts des jeweils fließenden Motorstroms, d.h. von der Belastung des Motors 12, abhängig ist.

**· Noch während der positiven Halbwelle entlädt sich der Kondensator 38 bereits teilweise über die Serienschallung des Widerstandes 44, der Diode 58 und des Widerstandes 56, die parallel zu dem Kondensator 38 liegt. Dabei ergibt sich an dem ersten Anschluß der

3d Triggerdiode 46 bzw. an dem Kondensator 50 eine dem Teilerverhältnis der Elemente 44,58,56 entsprechende Spannung, die jedoch durch geeignete Dimensionierung der Schaltung so klein gehalten wird, daß die Zündspannung der Triggerdiode 46 auf keinen Fall erreicht wird.

Zu Beginn der negativen Halbwelle beginnt nunrnehr ein Strom über die Serienschaltung 52,54,56 zu fließen, der zur Folge hat, daß die Diode 58 sperrt. Sobald dies geschehen is:, wird der Kondensator 50 ausgehend von

t>o dem während der positiven Halbwelle erreichten Niveau über den Widerstand 44 bis auf die Zündspannung der Triggerdiode 46 aufgeladen, bei deren Durchschalten sich ein Zündimpuls am Steuereingang des zweiten Thyristors 36 ergibt, so daß dieser nunmehr

t>5 durchschaltet ,ind erneut einen StromfluB über den Motor Π ermöglicht

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß der Zeitpunkt, zu weichem die Triggerdiode 46 nach

Beginn der negativen Halbwelle durchschaltet, von der Aufladung des Kondensators 38 während der unmittelbar vorausgegangenen positiven Halbwelle abhängig ist und damit vom Motorstrom bzw. von der Belastung des Motors 12. Mit dem in der beschriebenen Weise aufgebauten Stabilisierungskreis ist es also möglich, die Speisung des Motors 12 während jeder zweiten Halbwelle der Wechselspannung in Abhängigkeit von der Belastung des Motors zu regeln, und zwar in dem Sinne, daß die in dem Drehzahlsteuerkreis eingestellte Drehzahl unabhängig von der jeweiligen Belastung möglichst weitgehend aufrechterhalten wird. Tatsächlich gelingt es mit dem erfindungsgemäßen Stabilisierungskreis den Phasenanschnitt für den zweiten Thyristor 36 stufenlos von nahezu 0° bis etwa 180° zu verändern, wodurch bei entsprechend hoher Belastung des Motors 12 praktisch ein Vollwellenbetrieb erreicht wird.
Οίε Funktion des vorst**^^|pr!'^ ^aT?H^an^ d**r F · ** \

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 dem Kondensator 50bei diesen Betriebsarten zeigen.

Im einzelnen gelten die F i g. 2a und 2d für den Leerlauf des Motors, die Fig. 2b und 2d für den Normalbetrieb, bei dem die Drehzahl auf einen vorher eingestellten Wert geregelt wird, und die F i g. 2c und 2f für den Fall, daß der Motor mit einer Last arbeitet, die größer oder gleich der Nennlast ist. 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 Kondensator 50 — diese Spannung ist mit 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 L/_r ist nun bei Leerlauf, Teillast und Nennlasi bzw. Überlast verschieden und liegt bei Nennlast bzw. Überlast auf dem höchsten Wert, während sich bei Leerlauf der niedrigste Wert ergibt. Ausgehend von dem im Verlaui der positiven naiDweiie erreichten Niveau steigt die Spannung U_c über dem Kondensator 50, während der darauffolgenden negativen Halbwelle je nach der Belastung des Motors mehr oder weniger steil an und nähen sich dabei der Zündspannung Uz für die Triggerdiode 46. Wie F i g. 2d zeigt, wird die Zündspannung U₁ bei Leerlauf gar nicht erreicht, da hier der Motorstrom während der positiven Halbwelle gering ist und folglich der Kondensator 38 nur relativ schwach aufgeladen wird, so daß die Spannung über dem Kondensator 50 nur langsam ansteigt. Bei leerlaufendem Motor 12 kann also der zweite Thyristor 36 während der gesamten negativen Halbwelle gesperrt bleiben oder am Ende der Halbwelle gerade noch gezündet werden. Bei Teillast wird dagegen bereits während der positiven Halbwelle ein höheres Niveau der Spannung U_c über dem Kondensator 50 erreicht, und es ergibt sich außerdem während der negativen Halbwelle aufgrund der höheren Aufladung des Kondensators 38 ein steilerer Spannungsanstieg über dem Kondensator 50. so daß der zweite Thyristor 36 nach Erreichen der Zündspannung U₇ für die Triggerdiode 46 während eines Teils der negativen Halbwelle leitend gesteuert wird. Beim dritter. Betriebsfa'i, d. h. bei Nennlast oder Überlast, ist das während der positiven Halbwelle erreichte Niveau der Spannung U_c über dem Kondensator 50 noch etwas höher und die Spannung über diesem Kondensator steigt auch während der folgenden negativen Halbwelle aufgrund der höheren Aufladung des Kondensators 38 noch steiler an, so daß der zweite Thyristor 36 bereits kurz nach Beginn der negativen Halbwelle leitend gesteuert wird. Bei entsprechend hoher Belastung des Motors 12 ergibt sich also nahezu ein Vollwellenbetrieb bzw. eine Speisung des Motors 12 während nahezu der gesamten negativen

in Halbwelle.

Während bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel für das Durchschalten des Motorstroms während der positiven und der negativen Halbwelle zwei getrennte antiparallele Thyristoren vorhanden

π sind, besteht in Abwandlung der beschriebenen Schaltung auch die Möglichkeit, die beiden Thyristoren durch einen einzigen Triac zu ersetzen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Triggerdiode 46, welche vorzugsweise als Diac ausgebildet ist. durch einen in geeigneter Weise beschalteten Unijunktiontransistor zu ersetzen. Andererseits besteht auch die Möglichkeit, die Triggerdiode 28 im Steuerkreis durch einen entsprechend beschalteten Unijunktiontransistor zu ersetzen.

2> Unter Umständen kann es ferner vorteilhaft sein, wenn der Motor 12 unmittelbar zwischen den Anschlüssen der Kondensatorkombination 11 und der Zenerdiode 16 liegt. Die Funktion der Anordnung bleibt in Hiesem Fall im wesentlichen dieselbe; es ergeben sich

jo jedoch Vorteile hinsichtlich der Leitungsführung zwischen dem Motor und der Anordnung.

Grundsätzlich ist es ferner mög'ich, anstelle des Transformators im Motorstromkreis einen Serienwiderstand vorzusehen, über dem eine dem Motorstrom

η proportionale Spannung für den Drehzahlregelkreis abgegriffen werden kann. Diese Lösung hat den Vorteil, daß ein Widerstand einerseits billiger ist als ein Transformator und andererseits auch weniger empfindlich gegen Erschütterungen, wie sie bei Einsatz der Anordnung in einer Schlagbohrmaschine oder dgl. auftreten. Bei Verwendung eines Widerstandes kann andererseits eine erhebliche Verlustwärme über demselben auftreten, su daS für eine gute Wamicabiuhf gesorgt werden muß.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht ferner darin, daß diese in einfacher Weise eine Leerlaufdrehzahlbegrenzung des Universalmotors ermöglicht. Eine solche Leerlaufdrehzahlbegrenzung ist besonders bei stärkeren Maschinen sehr wünschenswert, da diese unter Umständen so hohe Drehzahlen erreichen können, daß eine Schädigung d»*r betreffenden Maschine, insbesondere der Lager, auftritt. Erfindungsgemäß besteht nun die Möglichkeit, den parallel zur Sekundärwicklung 34.2 des Transformators 34 liegenden Widerstand 42 auf eine solchen Widerstandswert einzustellen, daß der Phasenanschnittswinkel im Stabilisierungskreis bei maximalem Phasenanschnittswinkel im Steuerkreis auf Werte zwischen etwa 0 und 30° begrenzt wird. Durch diese Maßnahme wird

bo bei Leerlauf die Motorspeisespannung etwa auf den Wert

begrenzt wobei U_crratx Effektivwert der Spannung ist,

7 8

velche von der Wechselspannungsquelle 10 geliefert effektiven Speisespannung ergeben würde. Mit Hilfe

vird. Aufgrund dieser Begrenzung der Speisespannung des Abgleichwiderstandes 24 wird gleichzeitig eine

vird auch die Drehzahl im Leerlauffall auf einen Linearisierung der Leerlaufdrehzahl über dem Potentio-

ulässigen Wert begrenzt, der bei etwa 80% derjenigen meterweg des Potentiometers 22 erreicht,

,ecrlaufdrehzahl liegt, die sich bei Speisung mit der 5

Hicr/ii 2 llhit¹ Zd

Claims

Patentansprüche;

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung und Stabilisierung der Drehzahl eines wecbselspannungsgespeisten Universalmotors mit einer steuerbaren Halbteitergleichrichterstrecke in Serie zum Motor, mit einem der Drehzahlsteuerung zur Steuerung des Phasenanschnittswinkels der Halbleitergleichrichterstrecke während der Halbwellen der einen Polarität der Wechselspannung dienenden Steuerkreis und mit einem die Leitfähigkeit einer zweiten Halbleitergleichrichterstrecke beeinflussenden Stabilisierungskreis zur Einstellung des Phasenanschnittswinkels und der Halbwellen der anderen Polarität der Wechselspannung in Abhängigkeit vom Motorstrom während der Halbwellen der einen Polarität, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisienjsijskreis einen flC-Kreis mit einem Speicherkondensator (38) und einem Zündkondensator (50) aufweist, wobei während der Halbwelle der einen Polarität der Zündkondensator (SO) abhängig von der Ladung auf dem Speicherkondensator (38), die proportional zum Motorstrom ist, bis zu einem Spannungsniveau aufladbar ist, das unterhalb der zum Durchsteuern der Halbleiterstrecke benötigten Spannung liegt, und daß während der Halbwelle der anderen Polarität durch eine weitere Aufladung des Zündkondensators durch den Speicherkondensator (38) die Halbleiterstrecke durchsteuerbar ist.

2. Schaltungsanordnung«ach Ai .pruch 1, dadurch gekennzeichnet, __ daß der Stabilisierungskreis mit H''ie eines/Spttna (34) an die Halblehergleichrichierstrecke, durch den der Motorstrom während der Halbwellen der einen Polarität fließt, angekoppelt ist,

daß der Speicherkondensator (38) parallel zur Sekundärseite (34.2) des Stromwandlers (34) liegt und parallel zu ihm eine erste Serienschaltung eines Widerstandes (44), einer Diode (58) und eines weiteren Widerstandes (56) geschaltet ist, daß eine Sperreinrichtung, bestehend aus einer eine Diode (52) und einen Widerstand (54) enthaltenden zweiten Serienschaltung vorgesehen ist, die in Richtung der Halbwelle der anderen Polarität durchlässig isi, wobei das freie Ende des Widerstandes mit dem Verbindungspunkt der Diode (58) und des weiteren Widerstands (56) der ersten Serienschaltung verbunden ist und die Anode der Diode (52) an Netzspannung liegt,

und daß der Verbindungspunkt zwischen der Diode (58) und dem Widerstand (54) der ersten Serienschaltung mit dem Zündkondensator (50) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Stabilisierungskreis parallel zur Sekundärseite (34.2) des Stromwandlers (34) ein Widerstand (42) vorgesehen ist, der zur Begrenzung der Leerlaufdrehzahl des Universalmotors (12) einstellbar ist.