DE2738249C2

DE2738249C2 - Anlaufstrombegrenzung für Universalmotor

Info

Publication number: DE2738249C2
Application number: DE19772738249
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Hornung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-08-25
Filing date: 1977-08-25
Publication date: 1985-04-25
Also published as: DE2738249A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Anlaufstrombegrenzung bei einem wechselspannungsgespeisten Universalmotor gemäß dem Oberbegriff des An-Spruchs 1.

Derartige Schaltungen zur Anlaufstrombegrenzung bei Universalmotoren, bei denen der Motor über einen manuell bedienten Drei-Stellungs-Schalter geschaltet wird, der eine Aus-Stellung, eine Anlaufsiellung und ei-"ne Betriebsstellung besitzt, wurden bereits früher vorgeschlagen. Bei der früheren Schaltung wird ein Strombegrenzungszweig mit einem ohmschen Widerstand verwendet (vgl. DE-GM 19 52 873). In den Motorstromkreis wird also ein einfacher Vorwiderstand gelegt, was eine kostengünstige Lösung darstellt Andererseits ergeben sich bei der früheren Schaltung jedoch gewisse Schwierigkeiten. Der Widerstand wird nämlich c*urch den hohen Anlaufstrom des Universalmotors außerordentlich hoch belastet wobei sich für die Dauer von 10 bis 100 msec. Leistungsspitzen bis zu 1 kW ergeben. Für derartige impulsmäßige Belastungen sind jedoch handelsübliche Drahtwiderstände kleiner Baugröße nicht, geeignet

Aus der US-PS 32 92 069 ist eine Regelschaltung zur Drehzahlregelung eines Universalmotors bekannt Zur Anlaufstrombegrenzung ist diese Schaltungsanordnung nicht geeignet Da die Zündung des Thyristors der Entgegenhaltung aufgrund der äußeren Beschallung immer vor dem Spannungsrnaximum erfolgt können Stromspitzen, die durch die maximale Spannung bestimmt sind, nicht beseitigt werden.

Die DE-AS 24 44 739 beschreibt eine Vorrichtung zur Drehzahlsteuerung eines Universalmotors. Auch die dort gezeigte und beschriebene Schaltungsanordnung ist jedoch nicht zur A"!aufstrombegrenzung geeignet, da das Potentiometer zur Bestimmung des Zündwinkels diesen so verstellen kann, daß zwar eine Drehzahlregelung in einem weiten Bereich möglich ist jedoch auch so, daß eine Anlaufstiombegreiwrung nicht gegeben ist Insbesondere beim Einschalten des Elektromotors treten bei der bekannten Schaltung Einschwingvorgänge auf, so daß gerade der Anlaufstrom auch bei geeigneter Einstellung des Potentiometers nicht begrenzt werden kann.

Die gleichen Probleme sind bei der Schaltung gegeben, die in der Zeitschrift Elektronik, 1972, Heft 12, Seite 449 gezeigt und beschrieben ist

Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, sind die bekannten Schaltungen in der Praxis für eine Anlaufstrombegrenzung bei Universalmotoren wenig geeignet Insbesondere treten beim Betrieb von Universalmotoren höherer Leistung an Wechselspannungsnetzen in der Anlaufphase Ströme auf, die übliche Haushaltssicherungen zum Ansprechen bringen können. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn magnetisch auslösbare Sicherungsautomaten verwendet werden. Die Ansprechzeiten dieser Sicherungsautomaten liegen im Bereich von weniger als 10 msec., so daß bereits Überströme, die nur während einer Speisespannungshalbwelle auftreten, eine Abschaltung bewirken. Liegen die Motorleistungen bei einer Netzspannung von 220 V beispielsweise im Bereich von 1000 W bzw. 1600 W, dann halten in der Regel die im Haushalt üblichen Sicherungsautomaten mit einem Nennstrom von 10 Ampere bzw. 16 Ampere der Anlaufstromspitze nicht stand. Da einerseits die Haushalte zunehmend mit Sicherungsautomaten ausgerüstet werden und andererseits die Motorleistungen von Elektrowerkzeugen, insbesondere Winkelschleifern und dergleichen, immer höher werden, müssen Maßnahmen getroffen werden, die den Motorstrom bzw. die an den Sicherungen wirksam werdende Netzbelastung in der Anlaufphase absenken.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Anlaufstrombegrenzung bei Universalrr.otoren anzugeben, die einen unzulässig hohen An-

laufstrom sicher verhindert, so daß ein zuverlässiges Arbeiten mit dem Universalmotor gegeben ist

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Der entscheidende Vorteil des Einsatzes einer steuerbaren Halbleitergleichrichteranordnung besteht darin, daß der Effektivwert des Anlaufstromes nicht durch eine Amplftudenabsenkung mittels einer Widerstandserhöhung begrenzt wird, sondern dadurch, daß man einen Stromfluß nur während vorgegebener Zeitintervalle zuläßt Die dabei auftretende Verlustleistung ist wegen des minimalen Spannungsabfalls an der Haibleitergleichrichteranordnung um ein Vielfaches kleiner ate bei Verwendung eines ohmschen Widerstandes. Die Wärmeentwicklung ist daher vernachlässigbar r'iRg, die Schaltungsanordnung ist kleiner und handiic^i aufzubauen.

Im Prinzip ist der Sieuerkrei:· in oe? ->;ger Weise ausbildbar und kann beispielswe"-" aui analoge oder digitale Weise die Phasenlage de' Speisespannung messen, wobei der Steuerkreis /-^"benenfalls ständig mit dem netzseitigen Anschluß des i^iei-Stellungs-Schalters verbunden sein müßte. Besonders einfach ist es jedoch, wenn der Sleuerkreis in Weiterbildung der Erfindung parallel zum Strombegrenzungszweig einen Steuerstromzweig mit einem Kondensator aufweist in dem ein gegenüber der Speisespannung voreilender Steuerstrom erzeugbar ist und wenn die Halbleitergleichrichteranordnung in jeder Speisespannungshalbwelle bis zum Null-Durchgang des Steuerstromes sperrbar ist

Vorteilhaft ist es auch, wenn mindestens ein durch den Steuerstrom steuerbarer Schalter vorgesehen ist. mit dessen Hilfe ein von der Speisespannung abgeleitetes und damit phasengleiches Durchschaltsignal für die steuerbare Halbleitergleichrichteranordnung bei geschlossenem Schalter unterdrückbar ist Die Verwendung eines Schahers am Ausgang des Steuerkreises bzw. am Eingang der Halbleitergleichrichteranordnung ermöglicht nämlich eine Dimensionierung der Bauelemente zur Phasenverschiebung, die von der Größe der Durchschaltspannung bzw. des Durchschaltstromes für die Halbleitergleichrichteranordnung weitgehend unabhängig ist

Weiterhin ist es vorteilhaft wenn der Steuersiromzweig in Serie zu dem Kondensator einen, insbesondere einstellbaren, Widerstand aufweist- Ein solcher (einstellbarer) Widerstand ermöglicht es nämlich, die Verschiebung der Phasenlage des Steuerstromes gegenüber der Speisespannung in einem Winkeibereich zwischen nahezu 0 und 90° einzustellen.

Günstig ist es auch, wenn als Schalter ein Transistor vorgesehen ist dessen Bas^;s mit dem Steuerstromzweig verbunden ist und dessen Kollektor-Emitter-Strecke in Serie zu einem Widerstand parallel zu der Halbleiterg-eichrichteranordnung geschaltet ist und wenn eine Steuerelektrode der Halbleitergleichrichteranordnung mit einem Verbindurgspunkt zwischen dem Widerstand und dem Transistor verbunden ist Bei dieser Ausgestaltung kann nämlich das Durchschaltsignal für die Halbleitergleichrichteranordnung bei gesperrtem Transistor einfach über den Widerstand aus der Speisespannung abgeleitet werden. Bei leitend gesteuertem Transistor kann sich dagegen kein Durchschaltsignal aufbauen, welches zum Durchschalten der Halbleitergleichrichteranordnung führen würde.

Bei einer Halbwellensteuerung kann bei der vorstehend erläuterten Ausgestaltung als Halbleitergleichrichteranordnung mit Vorteil ein Thyristor eingesetzt werden, dessen Gateelektrode mit dem Kollektor des Transistors verbunden ist

Bei einer Vollwellensteuerung verwendet man dagegen als Hdbleitergleichrichteranordnung vorzugsweise einen Triac, wobei dann vorteilhafter Weise zwei Transistoren vorgesehen sind, deren Basisanschlüssen der Steuerstrom aus dem Steuerstromzweig zuführbar ist wobei mit dem Kollektor jedes Transistors eine Diode verbunden ist wobei die beiden Dioden entgegengesetzt zueinander gepolt sind und wobei die den Kollektoren abgewandten Anschlüsse der Dioden miteinander, mit der Gateelektrode des Triacs und mit dem parallel zum Triac liegenden Widerstand verbunden sind.

Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele für Schaltungen gemäß der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung noch näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Schaltung zur Anlaufstrombegrenzung mit e^;nem Strombegrenzungszweig; Fig.2 ein Schaltbild eines ersten erfindungsgemäß ausgebildeten Strombej;.cnzungszweiges und

F i g. 3 ein Schaltbild eines zweiten erfindungsgemäß ausgebildeter Strombegrenzungszweiges.

F i g. 1 zeigt einen Motor Ά, der übe inen zweiarmigen Drei-Stellungs-Schalter Dr mit d^m N ;tz verbindbar ist wobei der Drei-Stellungs-Schalter Dr den Motorstromkreis in seiner ersten Stellung 1 vollständig vom Netz trennt In seiner zweiten Stellung 2 verbindet der Drei Stellungs-Schalter Dr den Motorstromkreis über einen Strombegrenzungszweig S zwischen den Schaltungspunkten A und B mit dem Netz bzw. der Speisespannung, so daß der Strom durch den Motor M, insbesondere der Anlaufstrom, begrenzt wird, in seiner dritten Stellung 3 verbindet der Drei-Stellungs-Schaiter Dr den Motor M unmittelbar mit dem Netz, so daß die Speisespannung nunmehr voll an dem Motor Manliegt.

Wenn der Strombegrenzungszweig 5 nun einfach

durch einen ohmschen Widerstand gebildet ist, dann ergeben sich die eingangs ausführlich d?rpelegten Nachteile. Erfindungsgemäß wird nun aber zwischen den Schaltungspunkten A und B der Schaltung gemäß F i g. 1 ein Strombegrenzungszweig vorgesehen, wi·.: ihn beispielsweise F i g. 2 zeigt Dieser Strombegrenzungszweig enthält einen Thyristor Th. der in Serie zum Motor M liegt und dem ein Steuerkreis zugeordnet ist, der einen parallel zum Thyristor liegenden Steuerzweig mit der Serienschaltung eines Widerstandes R₂, eines Kondensators C und einer Diode D aufweist. Ebenfalls parallel zum Tnyristor Th liegt die Serienschaltung eines weiteren Widerstandes R\ mit der Kollektor-Emitter-Sti ecke eines als Schalter dienenden Transistors T, dessen Basis mit dem Verbindungspunkt des Kondensators C und der Diode D im Steuerzweig verbunden ist und dessen Kollektor mn der Gateelektrode des Thyristors 77i verbunden ist

Di ζ Schaltung gemäß F > g. 2 arbeitet wie folgt:

Wenn der Drei-Stellungs-Schalter Dr in seine zweite Stellung 2 geschähet wird, dann ergibt sich auf der dem Schaltungspunkt A b'tw. dem Netz abgewand'sn Seite des Kondensators C ein voreilender Steuerst^rom. der der Basis des Transistors 7"zugeführt wird. Der Phasenwinkel, um den der Steuerstrom gegenüber der Speisespannung voreil',, läßt sich durch Einstellen des Widerstandswertes des Widerstandes R\ der als einstellbarer Widerstand angedeutet ist, zwischen etwa 0 und 90" verändern. Der Transistor Γ wird unter der Voraussetzung, daß bei einem Betätigen des Drei-Stellungs-Schalters gerade eine positive Speisespannungshalbwelle ansteht, praktisch sofort leitend gesteuert und bleibt dann

bis etwa zum Nulldurchgang des voreilenden Stroms leitend. Erst wenn die negative Halbwelle des voreilenden Steuerstroms beginnt, wird der Transistor T gesperrt. Nunmehr kann der Gateelektrode des Thyristors Th über den weiteren Widerstand R\ der erforderliche Durchschaltstrom zugeführt werden, so daß der Thyristor Th nunmehr bis zum Ende der betreffenden positiven Halbwelle der Speisespannung leitend bleibt. Während der nachfolgenden negativen Halbwelle der Speisespannung ist der Thyristor Th dagegen gesperrt, wobei die Diode D im Steuerstromzweig das für die Phasenverschiebung notwendige Umladen des Kondensators (^ermöglicht.

Bei dem in F i g. 3 gezeigten Strombegrenzungszweig liegt in Serie zum Motor Λ/zwischen den Schaltungspunkten A und Sein Triac Tr der eine Vollwellensteuerung des Motors M ermöglicht. Parallel zum Triac Tr liegt wieder ein Steuerstromzweig mit dem Widerstand Ri und dem Kondensator C. dessen dem Widerstand R; abgewandte Platte wieder mit der Basis eines Transistors verbunden ist. und zwar mit der Basis eines Transistors Tu dessen Kollektor über eine Diode D\ mit der Steuerelektrode des Tnacs Tr verbunden ist. wobei zwischen dem Schaltungspunkt A und der Steuerelektrode des Triacs Tr wieder der weitere Widerstand R₁ liegt

Im Hinblick auf den vorstehend beschriebenen Aufbau ergeben sich bei der Schaltung gemäß Fi g. 3 beim Anliegen einer positiven Speisespannungshaibwelle wieder genau die gleichen Verhältnisse, wie sie vorstehend für den Ssrombegrenzungszweig gemäß F i g. 2 er- jo läutert wurden. Anders als bei der Schaltung gemäß F i g. 2 bleib! der Strombegrenzungszweig gemäß F i g. 3 jedoch während der negativen Speisespannungshalbwellen nicht gesperrt. Vielmehr ist ein zweiter Transistor Ti vorgesehen, dessen Basisanschluß ebenso wie der Basisanschluß des ersten Transistors T\ mit dem Kondensator verbunden ist und der ebenfalls über eine Diode D-> mit der Steuerelektrode des Thyristors Tr verbunden ist. Mit Hilfe des zweiten Transistors 7? läßt sich also während der negativen Speisespannungshaibwellen eine entsprechende Steuerung des Triacs Tr erreichen, wie sie oben für die positiven Halbwellen beschrieben wurde.

Die Dioden D, und Dj verhindern einen dauernden Abfluß des Durchschaltstroms über jeweils eine Kollektor-Basis- bzw. Basis-Emitter-Strecke der beiden Transistoren T, und 7">.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Anlaufstrombegrenzung bei einem wechselspannungsgespeisten Universalmotor mit einem im Motorstromkreis liegenden, insbesondere zweiarmigen Dreistellungsschalter, der den Motorstromkreis in seiner ersten Stellung unterbricht, ihn in seiner zweiten Stellung über einen StrombegrenziKigszweig und in seiner dritten Stellung direkt schließt, und mit einer steuerbaren HaIb-Ieitergleichrichteranordnung im Strombegrenzungszweig, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerkreis mit einem Kondensator (C) zur Erzeugung eines voreilenden Steuerstromes und mit einem steuerbaren Schalter (T; Tu Ti) vorgesehen ist, wobei mit Hilfe des Steuerkreises die Halbleitergleichrichteranordnung (Th, Tr) in jeder Speisespannungshalbweüe mindestens bis zum Auftreten des Spannungsmaximums sperrbar ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des steuerbaren Schalters (T; Ti, 72) ein von der Speisespannung abgeleitetes und damit phasengleiches Durchschaksignal für die steuerbare Halbleitergleichrichteranordnung (Th, Tr) bei geschlossenem steuerbaren Schalter (T; Tu Ti) unterdrückbar ist

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis in Serie zu dem Kondensator (C) einen, insbesondere einstellbaren, Widerstand (Ri) aufweist.

4. Schaltur lach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbarer Schalter ein Transistor f7? vorgesehen ist, dessen Tisis mit dem Steuerkreis verbunden ist und d".sser Kollektor-Emitter-Strecke in Serie zu einem Widers; and (Rt) parallel zu der Halbleitergleichrichteranordnung (Th, 77^geschaltet ist, und daß eine Steuerelektrode der HaIb-Ieitergleichrichteranordnungf777, Tr) mit einem Verbindungspunkt zwischen Widerstand (Rt) und Transistor (T, Tt) verbunden ist.

5. Schaltung nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitergleichrichteranordnung ein Thyristor (Th) ist, dessen Gateelektrode mit dem Kollektor des Transistors (T, Tt) verbunden ist.

6. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitergleichrichteranordnung ein Triac (Tr) ist, daß als steuerbare Schalter zwei Transistoren (Tu Ti) vorgesehen sind, deren Basisanschlüssen der Steuerstrom aus dem Steuerkreis zuführbar ist, daß mit dem Kollektor jedes Transistors (Tt, Ti) eine Diode (Dt, Di) verbunden ist, daß die beiden Dioden (Du D₂) entgegengesetzt zueinander gepolt sind und daß die den Kollektoren abgewandten Anschlüsse der Dioden (Du Dz) miteinander, mit der Gateelektrode des Triacs (Tr) und mit dem parallel zum Triac (Tr) liegenden Widerstand (Rt) verbunden sind.