DE2827356A1 - Smooth starting circuit for electric motors - has semiconductor switch shunted by rc circuits whose capacitor is discharged by transistor - Google Patents
Smooth starting circuit for electric motors - has semiconductor switch shunted by rc circuits whose capacitor is discharged by transistorInfo
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Abstract
Description
Sanftanlaufschaltung für Elektromotore Soft start circuit for electric motors
(Zusatz-Patentanmeldung zu P 27 03 284.4) Die Erfindung betrifft eine Sanftanlaufschaltung für Elektromotore nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 des Hauptpatents (Patentanmeldung P 27 03 284.4). (Additional patent application to P 27 03 284.4) The invention relates a soft start circuit for electric motors according to the preamble of claim 1 of the main patent (patent application P 27 03 284.4).
Schaltungen zum sanften Einschalten von Verbrauchern auf der Basis von Phasenschnittsteuerungen 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-Glied'gesteuert werden.Circuits for the smooth switching on of consumers on the basis of phase cut controls are known per se. These circuits use as Switches with thyratron characteristics very often so-called triacs or thyristors, which are controlled by an RC element at their control electrode via an ignition element.
-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 Wechselstromverbrauchern verwendet.-Triacs are basically two anti-parallel connected thyristors, so that the current is switched on in both directions via a common control electrode can be. This component is used in particular for power control of AC consumers used.
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.The one for connecting a triac to its control electrode required control pulses are generated by an ignition element that has a trigger diode, a diac (two anti-parallel connected four-layer diodes) or a unijunction transistor can be. The common property of these components that they have for their use Capable of being the ignition element of a triac, its breakover voltage is defined When the ignition element is activated, the triac is ignited.
In den meisten Fällen ist bei den Schaltungen mit Phasenanschntttsteuerung in Reihe zu einem Wechselstromverbraucher, beispielsweise R1 in Fig. 4, ein Triac Tr ges-chaltet.In most cases the circuits have phase interface control in series with an alternating current load, for example R1 in FIG. 4, a triac Door switched.
Parallel zu dieser Reihenschaltung ist ein RC-Glied geschaltet, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R und dem Kondensator C über ein Zündelement Z mit der Steuerelektrode des Triacs verbunden ist. Oberschreitet 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 läRt sich der Stromflußwinkel und damit die dem Wechselstromverbraucher zugeführte Leistung verändern.An RC element is connected in parallel to this series circuit, whereby the connection point between the resistor R and the capacitor C via an ignition element Z with the Control electrode of the triac is connected. Exceeds now after switching on at a half-wave of the AC input voltage Uw die If the voltage across the capacitor C is the breakover voltage of the ignition element, the ignition element will break in the pass band and thereby switches the triac on, making it conductive. In the following opposite half-wave of the alternating voltage it is repeated the same process with opposite current direction. By changing the resistance R is the angle of current conduction and thus that supplied to the alternating current consumer Change performance.
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.In many machines, especially machine tools, there is the desire to start the prime mover smoothly. This becomes through it achieved that the lead angle during the switch-on phase of the motor of the Speed 0 is automatically increased slowly to the setpoint.
Für das langsame Hochfahren von Glühlampen ist in der DT-OS 24 15 632 eine Schaltungsanordnung beschrieben, die im wesentlichen der Fig. 4 entspricht. Bei dieser Schaltung ist parallel zum Kondensator des RC-Gliedes eine Diodenbrückenschaltung geschaltet, in deren Mittel zwei ein weiteres RC-Glied (R1/C1) angeordnet ist. Durch diese Schaltung wird erreicht, daß ein zeitlich veränderlicher Anteil des Steuerstromes in einem zum Zündkondensator parallel liegenden Stromzweig abgeleitet wird.DT-OS 24 15 632 describes a circuit arrangement which essentially corresponds to FIG. In this circuit, a diode bridge circuit is parallel to the capacitor of the RC element switched, in the middle of which a further RC element (R1 / C1) is arranged. Through this circuit it is achieved that a time-variable portion of the control current in one to the ignition capacitor parallel branch is derived.
Während der ersten Perioden der Netzwechselspannung wird der Kondensator C1-langsam über die Diodenbrücke aufgeladen.During the first periods of AC mains voltage, the capacitor C1-slowly charged via the diode bridge.
Anfangs ist die Spannung an diesem Kondensator sehr klein, so daß über den Widerstand R1 und den-Kondensator C1 ein relativ großer Strom fließt. Der Zündkondensator C erhält daher in der Einschaltphase nur einen geringen Ladestrom und erreicht 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.Initially, the voltage across this capacitor is very small, so that A relatively large current flows through the resistor R1 and the capacitor C1. Of the Ignition capacitor C therefore only receives a low charging current in the switch-on phase and thus reaches the ignition voltage much later than through the resistance R is given. As a result, the triac Tr also ignites relatively late, so that the consumer only a small amount of power is supplied during the switch-on phase.
Im weiteren -Verlauf wird nun der Kondensator C1 langsam weiter aufgeladen, so daß seine Spannung ansteigt und sein Ladestrom abnimmt. Eine Entladung des Kondensators C1 findet über die Diodenbrückenschaltung noch nicht statt. Die Spannung an C1 wächst daher mit der Zeit an und wirkt huber einen sich langsam verzögernden Zeitraum jeder Halbwelle der Eingangswechselspannung als Gegenspannung, so daß der Ladestrom über den Kondensator C1 immer kleiner und der Ladestrom von C immer größer wird. Dadurch verändert sich der Anschnittswinkel langsam bis zum vorgegebenen Sollwert.In the further course of the process, the capacitor C1 is slowly further charged, so that its voltage increases and its charging current decreases. A discharge of the capacitor C1 does not yet take place via the diode bridge circuit. The tension on C1 increases therefore over time and acts over a slowly retarding period of time each Half-wave of the AC input voltage as counter voltage, so that the charging current via the capacitor C1 is getting smaller and the charging current from C is getting smaller gets bigger. As a result, the lead angle changes slowly up to the specified Setpoint.
Zur Linearisierung des Arbeitsstromanstieges ist in.Serie zu dem R1C1-Glied ein Feldeffekttransistor T1 geschaltet, dessen Steuerelektrode an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 angeschaltet ist.For the linearization of the increase in working current there is a series for the R1C1 element a field effect transistor T1 is connected, the control electrode of which is connected to the connection point is connected between the resistor R1 and the capacitor C1.
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 niederohmige Werte einstellbar ist, dann ist auch im höheren Drehzahl bereich eine Drehzahl einstellung nicht mehr möglich. Diesem Mangel ist nur dadurch abzuhelfen, daß ein Motor verwendet wird, der mit einer niedrigeren Spannung als der Netzspannung betrieben wird.This known circuit suffers from the defect that the adjustable Resistance R must not be too small, because the circuit is already critical otherwise becomes completely unstable. But if the setting resistor R is not on low resistance Values can be set, then a speed setting is also possible in the higher speed range not possible anymore. This deficiency can only be remedied by using a motor that is operated with a lower voltage than the mains voltage.
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 üb-erhöhter Drehzahl laufenden Werkzeuge zu einer großen Gefahrenquelle werden lassen.Such a measure is opposed by the Machine Protection Act, this requires that when the electronics are bypassed, there are no hazards due to impermissible high voltages may arise. But this danger exists when the for motor designed for lower voltages in the event of a failure of the control electronics the full mains voltage is switched on. In that case the engine would turn too turn quickly, possibly burn out, or those running at an over-increased speed Let tools become a major source of danger.
Außerdem sind die Werte all-er Bauteile eng zu tolerieren und in Hochvolt-Au-sführung vorzusehen. Dieses bringt Nachteile auf der Kostenseite mit sich.In addition, the values of all components are to be tolerated closely and in high-voltage design to be provided. This has disadvantages on the cost side.
Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die aus nur we-nigen 8aufteilen aufgebaute bekannte Schaltung in den Zeit--konstanten ihrer RC-Glieder große Wiederaufladezeiten aufweist. Bei einem schnellen Wiedereinschalten kann die Zeit bis zur Funktion des Sanftanlaufes bis zu einer Sekunde betragen, was für die Bedienungspersonen wieder Gefahren mit sich bringen kann, da diese annehmen können, daß der Sanftanlauf funktioniert, außerdem hat die Schaltung eine Totzeit von bis zu 2 Sekunden, wodurch die Betätigungsperson dazu verlei-tet wird, in das Werkzeug hineinzufassen, kurz bevor die Maschine wieder anläuft.Another disadvantage is that they consist of only a few 8divide built-up known circuit in time - constants of its RC elements has long recharge times. If it is switched on again quickly, the Time to the function of the soft start up to one second, which for the Operators can again bring dangers with them, as they can assume that the soft start works, and the circuit has a dead time of up to for 2 seconds, which induces the operator to go into the tool just before the machine starts up again.
Das Hauptpatent hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Sanftanlaufschaltung für Elektromotore anzugeben, die zuverlässig und sicher arbeitet und Gefahren von ihren Bedienungspersonen fernhält.The main patent has therefore set itself the task of a soft starter circuit specify for electric motors that work reliably and safely and dangers from away from their operators.
Wie Fig. 3 zeigt, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß parallel zum Kondensator C2 des RC-Gliedes mindestens eine Stromquellenschaltung, bestehend aus einem Stromquellentransistor T mit Emitterwiderstand R2 und Basisspannungsteiler R3/R4, geschaltet ist, wobei parallel zu dem mit dem Emitterwiderstand verbundenen Widerstand R3 des Spannungsteilers ein Hilfskondensator C1 angeordnet ist.As Fig. 3 shows, this object is achieved in that in parallel to the capacitor C2 of the RC element, there is at least one power source circuit from a current source transistor T with emitter resistor R2 and base voltage divider R3 / R4, being connected in parallel to that connected to the emitter resistor Resistor R3 of the voltage divider, an auxiliary capacitor C1 is arranged.
Fig. 4 zeigt die Modifizierung dieser Lösung für Vollwellenbetrieb, bei dem für jede der beiden Polaritäten der Netzwechselstromhalbwellen je eine Stromquellenschaltung vorgesehen ist, die ihren Ladestrom zur Aufladung des Zündkondensators C2 über einstellbare Widerstände P1 und P2 diesem zuführen.Fig. 4 shows the modification of this solution for full wave operation, in which there is a power source circuit for each of the two polarities of the mains alternating current half-waves is provided that their charging current for charging the ignition capacitor C2 via adjustable Apply resistors P1 and P2 to this.
Bei dieser Schaltung ist es zweckmäßig, den Zündkondensator nach der jeweiligen Halbwelle des Netzwechselstroms möglichst ganz zu entladen, und zwar möglichst im Stromnulldurchgang.In this circuit, it is useful to switch the ignition capacitor to respective half-wave of the mains alternating current as possible to discharge completely, and as far as possible in the current zero passage.
Hierzu ist eine Diode D3 parallel zum Zündkondensator C2 geschaltet. Es ist hierbei nicht optimal, daß die Anforderungen an die verwendete Trigger-Diode groß sind. Ihr Durchbruchstrom muß nämlich sehr klein sein, damit bei kleinem Stromflußwinkel die..Zündung sicher erfolgen kann. Bei relativ großen Strömen muß sich die Diode jedoch noch in ihrem ein--genommenen Zustand halten, um bei vollem Stromfluß die Synchronisation sicherzustellen. Weiterhi.n müssen die in der Schaltung verwendeten Elektrolyt-Kondensatoren relativ hohe Werte haben, was einerseits die äußeren Abmessungen des Schaltungsaufbaues vergrößert und di-e Schaltung selbst insgesamt verteuert. Schließlich ist auch die Zuverlässigkeit noch nicht optimal, da nicht sichergestellt ist, daß der Zündkondensator jedesmal völlig entladen wird.For this purpose, a diode D3 is connected in parallel with the ignition capacitor C2. It is not optimal here that the requirements on the trigger diode used are great. Your breakdown current must namely be very small, so with a small current flow angle the ignition can take place safely. With relatively large currents, the diode must however, keep it in the state it is in, so that the Ensure synchronization. Next must be the ones used in the circuit Electrolytic capacitors have relatively high values, which on the one hand the external dimensions the circuit structure is enlarged and the circuit itself is more expensive overall. Finally, the reliability is not yet optimal, because it is not guaranteed is that the ignition capacitor is completely discharged each time.
Es ist daher die Aufgabe des vorliegenden Zusatzpatents, die Schaltungsanordnungen nach dem Hauptpatent hinsichtlich dieser Aspekte zu verbessern.It is therefore the task of the present additional patent, the circuit arrangements to improve according to the main patent with regard to these aspects.
Gelöst wird diese Aufgabe des Zusatzpatents durch die in seinem Anspruch 1 genannten Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This task of the additional patent is solved by the one in its claim 1 features mentioned. Advantageous configurations and training can be found in the subclaims.
Durch die obengenannten Merkmale des Zusatzpatents wird nicht nur die verbesserte Ausführung der Sanftanlaufschaltung, die Gegenstand des Hauptpatents ist, betriebssicherer und in ihren äußeren Abmessungen kleiner, sondern sie wird auch wirtschaftlicher, da bei der verbesserten Ausführungsform selbst im Vollwellenbetrieb nur eine Stromquellenschaltung benötigt wird.The above features of the additional patent will not only the improved execution of the soft start circuit, which is the subject of the main patent is, more reliable and smaller in its external dimensions, but it is also more economical, since with the improved embodiment even in full-wave operation only one power source circuit is required.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes des Zusatzpatents erläutert. Hierzu dienen die Fig. 1 und 2.The following is an embodiment of the subject matter of the additional patent explained. FIGS. 1 and 2 serve for this purpose.
Die Fig. 3 und 4, die den Fig. l und 2 des Hauptpatents entsprechen, dienen zur Darstellung der Weiterbildungen des Gegenstandes des Zusatzpatents gegenüber dem Hauptpatent.3 and 4, which correspond to FIGS. 1 and 2 of the main patent, serve to represent the further developments of the subject matter of the additional patent the main patent.
Wie ein Vergleich der Fig. 1 mit den Fig. 3 und 4, die den Gegenstand des Hauptpatents darstellen, zeigt, ist die verwendete Stromquellenschaltung, bestehend aus dem Transistor T, den Widerständen R2, R3 und R4 sowie dem Kondensator C1 derjenigen, die Gegenstand des Hauptpatents ist, identisch.How a comparison of Fig. 1 with Figs. 3 and 4, which the subject of the main patent shows, the power source circuit used is composed from the transistor T, the resistors R2, R3 and R4 as well as the capacitor C1 of those the subject of the main patent is identical.
Damit nun aber das völlige Entladen des Zündkondensators C2 sichergestellt ist, ist ein Entladetransistor T1 vorgesehen, dessen Kollektor-Emitter-Strecke wie ein Schalter im Durchlaßbereich arbeitet.However, this now ensures that the ignition capacitor C2 is completely discharged is, a discharge transistor T1 is provided, whose collector-emitter path as a switch in the pass band works.
Die Konstantstromquelle, die, wie bereits erwähnt wurde, aus dem Transistor T, den Widerständen R2 bis R4 sowie dem Kon--densator C,i besteht, lädt das Zündglied, das seinerseits aus einer Trigger-Diode und dem Zündkondensator C2 besteht, mit einem langsam ansteigenden Strom auf. Synchron zur angelegten Netzwechselspannung, und zwar jeweils im Nulldurchgang, wird der Zündkondensator C2 entladen. Dieser Entladevorgang leitet sich wie folgt ein: Während der negativen Halbwelle, bezogen auf den Anschlußpunkt AS1, gelangt die negative Spannung über den Widerstand R6 auf die Basis des Transistors T2, wodurch dieser in den Durchlaßbereich gesteuert wird und die Basis des Entladetransistors T1 auf positive Spannung legt (Anschlußpunkt AS1). Der Entladetransistor T1 vom pnp-Leitfähigkeitstyp ist damit gesperrt, so daß während der negativen Halbwelle der Zündkondensator C2 nicht kurzgeschlossen ist.The constant current source, which, as already mentioned, consists of the transistor T, the resistors R2 to R4 and the capacitor C, i, charges the ignition element, which in turn consists of a trigger diode and the ignition capacitor C2, with a slowly rising current. Synchronous to the applied mains AC voltage, in each case in the zero crossing, the ignition capacitor C2 is discharged. This The discharge process is initiated as follows: During the negative half-wave, related to the connection point AS1, the negative voltage reaches the resistor R6 on the base of the transistor T2, whereby this is controlled in the pass band and the base of the discharge transistor T1 is set to positive voltage (connection point AS1). The discharge transistor T1 of the pnp conductivity type is thus blocked, see above that the ignition capacitor C2 is not short-circuited during the negative half-cycle is.
Während der positiven Halbwelle der Hetzwechselspannung gelangt positives Potential über den Widerstand R5 und die Diode D3 an die Basis des Entladetransistors T1 und sperrt diesen wiederum, während über den Widerstand R6 auch an die Basis -des Transistors T2 positives Potential gelangt. Auch dieser Transistor sperrt nun. Der Zündkondensator C2 ist somit auch während der positiven Halbwelle der Netzwechselspannung nicht kurzgeschlossen.During the positive half-wave of the alternating voltage, positive occurs Potential through resistor R5 and diode D3 to the base of the discharge transistor T1 and blocks this in turn, while via the resistor R6 also to the base -of the transistor T2 reaches positive potential. This transistor is now also blocking. The ignition capacitor C2 is thus also during the positive half-cycle of the AC mains voltage not shorted.
In der negativen Halbwelle wird die Spannung an der Begrenzerdiode D1 begrenzt und der Hilfskondensator C3 über die Diode D2 auf diese Spannung aufgeladen. Aus diesem Hilfskondensator bezieht die Schaltung nun während der positiven Halbwelle und während der Nulldurchgänge ihre erforderliche Energie.In the negative half cycle, the voltage on the limiter diode D1 is limited and the auxiliary capacitor C3 is charged to this voltage via the diode D2. The circuit now draws from this auxiliary capacitor during the positive half-cycle and their required energy during the zero crossings.
Denn- während der Nulldurchgänge gelangt negatives Potential vom Hilfskondensator C3 über den Widerstand R7 an die Basis des Entladetransistors T1 und über den Widerstand R2, den Transistor T, und die veränderbaren Widerstände P1 und P2 an den Kollektor des Ladetransistors T1. Dieser Entladetransistor wird somit in den Durchlaßbereich gesteuert, wodurch er wie ein Kurzschlußschalter den Zündkondensator C2 völlig entleert.Because - during the zero crossings, negative potential comes from the auxiliary capacitor C3 through the resistor R7 to the base of the discharge transistor T1 and through the resistor R2, the transistor T, and the variable resistors P1 and P2 to the collector of the charging transistor T1. This discharge transistor is thus in the pass band controlled, whereby it completely drains the ignition capacitor C2 like a short-circuit switch.
Die Entladezeit ist, wie auch die Zeitdauer der Durchschaltung des Entladetransistors T1, sehr kurz. Dieser Zeit von etwa 200 microsec. reicht jedoch zur völligen Entladung des Zündkondensators C2 aus.The discharge time is, like the duration of the connection of the Discharge transistor T1, very short. This time of about 200 microsec. however, it is sufficient to completely discharge the ignition capacitor C2.
Dieser Vorgang ist in Fig. 2 grafisch dargestellt. Der Kurvenzug 1 stellt das negative Potential A an der Basis des Transistors T2 dar, das bei jeder negativen Halbwelle ansteht.This process is shown graphically in FIG. The curve 1 represents the negative potential A at the base of the transistor T2, which is at each negative half-wave is pending.
Der Kurvenzug 2 zeigt dann bei B und C das positive Potential an der Basis des Entladetransistors T1, das ihn in den Sperrbereich steuert, während bei D das kurzzeitige negative Potential s.ichtbar ist, das das Durchsteuern des Transistors bewirkt.Curve 2 then shows the positive potential at B and C Base of the discharge transistor T1, which controls it in the blocking range, while at D the short-term negative potential is visible that the transistor is turned on causes.
Das positive Potential bei B wird durch das Durchsteuern -des Transistors T2 bewirkt. Am Anschlußpunkt AS1 liegt während dieser Ze-it die positive Halbwelle an. Das positive Potential bei C gelangt über den Widerstand R5 und die Diode D3 an die Basis des Entladetransistors T1 in der positiven Halbwelle.The positive potential at B is generated by turning the transistor through T2 causes. During this time, the positive half-wave is present at the connection point AS1 at. The positive potential at C comes through resistor R5 and diode D3 to the base of the discharge transistor T1 in the positive half-cycle.
Der Anschlußpunkt.AS1 liegt während dieser Zeit an negativem Potential.The connection point.AS1 is at negative potential during this time.
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