DE2851814A1

DE2851814A1 - Schaltung zur steuerung eines wechselstromgespeisten gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2851814A1
Application number: DE19782851814
Authority: DE
Inventors: Jacques Matthey; Andre Daniel Millenet; Marcel Torre
Original assignee: Mefina SA
Current assignee: Mefina SA
Priority date: 1977-12-01
Filing date: 1978-11-28
Publication date: 1979-06-07
Also published as: CA1126805A; GB2009539A; GB2009539B; NL7811619A; AU4207078A; CH620065A5; ES475567A1; US4236103A; BR7807848A; AU518889B2; JPS5486725A; FR2410904A1; ZA786602B; SE7812353L; IT7869751A0; FR2410904B1

Description

DlPL-INQ. DIETER JANDER DR-IN O. MAN FRED BONINQ PATENTANWÄLTE

MEFINA S.A=

"Schaltung zur Steuerung eines wechselstromgespeisten Gleichstrommotors"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Steuerung eines wechselstromgespeisten Gleichstrommotors, insbesondere eines solchen mit Fremderregung und mit Permanentmagneten, bestehend aus einem Gleichrichter, insbesondere einer Gleichrichterbrücke, einem Triac in dem Wechselstromzweig, einem Kondensator, dessen Spannung den Öffnungswinkel des Triacs bestimmt, einem Widerstand bzw. einem Widerstandsnetzwerk, der (das) mit dem Kondensator zusammengeschaltet ist, vorzugsweise mit diesem in Reihe liegt, und Organen zur Begrenzung der dem Motor angebotenen elektrischen Energie in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung.

Schaltungen dieser Art kommen beispielsweise bei Nähmaschinenmotoren zur Anwendung.

Es ist bekannt, zum Anschluß des Motors an unterschiedliche Netzspannungen einen Umschalter vorzusehen, der per Hand zu betätigen ist. Dieser wirkt unmittelbar auf die festen Spulen des Motors oder die Wicklungen des Transformators oder schaltet einen Widerstand, z.B. in Reihe mit einer Diode geschaltet, in Reihe mit dem Motor. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß man u.U. die Umschaltung vergißt, was zu einer Zerstörung des Motors bzw. auch des Geschwindigkeitsreglers führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei größerer Versorgungsspannung die Organe den Öffnungswinkel des Triacs automatisch verkleinern.

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DlPL-INq. DIETER JANDER DR-INQ. MANFRED BDNINO PATENTANWÄLTE

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Schaltschema und

Fig. 2 ein Spannungsdiagramm für die Spannungsverhältnisse am Kondensator CY.

Die erfindungsgemässe Schaltung dient zur Versorgung eines Nähmaschinenmotors mit 110 Volt oder 220 Volt.

Mit den Anschlüssen R und N des Netzes ist eine Leuchte L über einen Schalter I^ verbunden. Dieser Kreis ist unabhängig von dem Kreis zum Steuern des Motors M, der über Permanentmagnete und mit Hilfe von Gleichstrom betrieben wird. Der Motor M ist über die Anschlüsse 4 und 5 mit zwei Ausgängen K^ und K₂ einer Gleichrichterbrücke D^, D₂, D,, D^ verbunden. K. ist negativ und K₂ ist positiv.

Der eine Eingang J der Gleichrichterbrücke ist mit dem Netzanschluß N unter Zwischenschaltung eines Schalters I_M (mit Kontroll-Lampe) und einer Spule L^ zur Unterdrückung von Störeffekten verbunden. Der andere Eingang F des Gleichrichters ist mit dem Anschluß R unter Zwischenschaltung eines TriacsT und eines Widerstandes R₂ verbunden. Die Steuerelektrode des TriacsT ist über ein Diac D mit der einen Belegung eines Kondensators C^ verbunden, dessen andere Belegung mit dem Punkt F des Gleichrichters verbunden ist.

Eine Diode Dg und ein Widerstand R^, der in Reihe zu der Diode Dg liegt, liegen parallel zu dem Kondensator C^, wobei die Anode der Diode Dg über H mit der einen Belegung von C^ verbunden ist.

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Das an H liegende Potential wird u.a. durch den Kondensator Cr und ein Widerstandsnetz Rm bestimmt. Dieses Netz weist, ausgehend von H ("bei geschlossenem Schalter S,), einen veränderlichen Widerstand T_r zur Kompensation von Fehlerkomponenten, einen veränderlichen Widerstand R. der parallel zu dem Widerstand T liegt, und dessen Abgriff von außen verstellt werden kann, einen Widerstand R,- in Reihe geschaltet zu den Widerständen T_r und R. vier in Reihe liegende Widerstände ^R10' ^R9* ^R8 ^{und R}7' ^{die einen} Rheostaten bilden, und Anschlüsse Py, Pg, Pc, P^ und V-T aufweisen, auf. Diese Anschlüsse können nacheinander mit einer Stange B in Kontakt treten, die von pneumatischen Organen P und A betätigt wird und mit der die Geschwindigkeit des Motors gesteuert werden kann.

Der Anschluß P, kann unter Zwischenschaltung der Stange B und dem Anschluß P₁ mit dem Netzanschluß R verbunden werden. Der Anschluß P₂, über den Widerstand R₂ mit R verbunden, ist so angeordnet, daß dieser in Kontakt mit der Stange B tritt, wenn diese bereits ihre Verstellung begonnen hat und nachdem sie den Anschluß P₁ berührt hat. Die Anschlüsse P₂ bis Py werden nacheinander kontaktiert, wodurch der gesamte Widerstand Rm vermindert wird.

Der Steuerkreis weist weiterhin eine Diode Dc auf, die in Reihe mit einem Widerstand R, liegt. Beide Elemente liegen zwischen K₂ und H, wobei die Anode der Diode Dc mit H verbunden ist.

Parallel zu dem Schalter I^ liegt ein Kreis 11^, der auf die Netzspannungsänderungen anspricht. Dieser Kreis besteht aus einer Diode Dy, einer Relais-Spule Rt, einem veränderlichen Widerstand T , und einem Widerstand R₁₂, wobei alle diese Teile in Reihe liegen. Ein Kondensator Cg liegt parallel zu der Spule Ry, der ein vertretbares Wellenverhältnis für den Relais-Erregerstrom sicherstellt.

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Der veränderliche Widerstand T . ermöglicht eine präzise Einstellung der Schwelle der Veränderung des Relais, wobei dieser Widerstand durch den Schalter S₁ kurzgeschlossen ist, wenn das Relais in seinen anderen Zustand gelangt ist.

Das Relais R^ steuert zugleich den Schalter S^. Wenn dieser offen ist, liegt mit dem Widerstand Rm ein veränderlicher Widerstand R , ein Widerstand R,.,. und eine Diode Dg, welche parallel zu R₁₁ liegt, in Reihe.

Ferner steuert das Relais R^ einen Schalter S~» der, wenn er geschlossen ist, einen Widerstand R₁^ kurzschließt, der in Reihe mit dem Motor M liegt.

Der Kreis weist überdies einige zusätzliche Elemente zum Entstören auf, nämlich ein TT-Filter, bestehend aus der Spule L., die in Reihe zu N liegt, und zwei Kapazitäten C, und C₁, die mit den beiden Enden der Spule L₁ und dem Netzanschluß R verbunden sind, und eine Kapazität Cp, die zwischen R und der Masse des Motors M liegt. Induktionsspulen für hohe Frequenzen L2>L-z liegen im Motorversorgungskreis.

Ein RC-Kreis, bestehend aus einem Widerstand Rg und einem mit diesem in Reihe liegenden Kondensator Cc liegt parallel zu dem Triac T, um u.a. dieses vor Überspannungen zu schützen.

Ein Widerstand R₁ liegt zwischen R und N, um eine Entladung der Kondensatoren C₁ und C, zu gewährleisten, wenn der Stecker aus der Steckdose herausgezogen worden ist.

Die Schaltung funktioniert folgendermassen:

Die Nähmaschine ist arbeitsbereit, wenn der Schalter Ij, geschlossen ist. Die Nähmaschine wird mit 110 V versorgt, die Schalter S₂ und S, sind geschlossen, und der Schalter S₁ ist

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DtPLHNG-DrETERlANDER Dit-LNQ. WANFRED BONiNC PAtENTANWAtTE

offen. Die Spannung reicht nicht aus, um das Relais zu betätigen. Solange der Benutzer nicht das Organ P betätigt, ist die Stange B in ihrer zurückgezogenen Lage (s.Fig. 1). Die Anschlüsse P^ bis Py sind frei. Der Steuerkreis des Triac ist offen.

Wenn der Benutzer das Organ P betätigt, verschiebt sich die Stange B und kommt zunächst in Kontakt mit P^, was zur Folge hat, daß sie auf Netzspannung zu liegen kommt. Wenn die Stange B Pp berührt, schließt sie Rp kurz. Wenn sie P, berührt, wird der Steuerkreis des Triacs T mit Strom versorgt. Das allmähliche Unter-Spannung-Setzen bzw. Spannung-Fortnehmen hat zur Folge, daß Funken an den Kontakten P^. und Pp vermieden werden, die einerseits Störungen bewirken und andererseits zu einem schnellen Verschleiß der Kontakte führen.

Die Steuerung des Triacs T erfolgt über das Widerstandsnetz dessen Gesamtwiderstand variabel ist, den Kondensator CY und das Diac D. Der Öffnungswinkel des Triacs hängt von der Geschwindigkeit der Änderung der Spannung an den Anschlüssen des Kondensators C^ ab.

Je kleiner Rm wird, umso schneller lädt sich der Kondensator CY auf und umso schneller zündet das Diac D und damit das Triac T. Das wiederum führt dazu, daß die Zeit der Leitfähigkeit des Triacs T sich vergrößert und der Motor M mehr Energie erhält.

Die Diode Dg und der Widerstand R^, der entsprechend gewählt 1st, ermöglichen das Anlassen des Motors bei solch niedrigen Drehzahlen, die die Reibungskräfte der Maschine gerade noch zulassen. Das ist vorteilhaft im Hinblick auf die bekannten Elemente, die bei unterschiedlichen Spannungen in beiden Richtungen öffnen und schnelle und plötzliche Änderungen der Ge-

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schwindlgkeiten bewirken. Während einer positiven Halbwelle begrenzt der Widerstand R^ die Ladung des Kondensators C^, indem er einen Teil des Stromes ableitet. Die Diode Dg ist leitend, so daß der-Kondensator C^ nicht die positive Spannung örhält, die das Diac öffnet. Während einer negativen Halbwelle ist die Diode Dg blockiert! es ergibt sich keinerlei Stromfluß über R^ * so daß der Kondensator C^ zu einem bestimmten Augenblick die negative Steuerspannung für das Diac D erreicht. Das Triac T zündet also nur bei der negativen Halbwelle, und zwar bei großen Werten von R_T, was einen niedrigen Arbeitsbereich des Motors ermöglicht_β

Die Diode D- und der Widerstand R^ lassen die elektromotorische Kraft des Motors M während des Sperrzustandes des Triacs T als Gegenreaktion zur Wirkung kommen. Diese ist besonders bei kleinen Geschwindigkeiten wirksam« Eine Vergrößerung des Drehmomentes, das auf den Motor wirkt, bewirkt eine Verminderung der Geschwindigkeit des Motors und eine Verminderung der elektromotorischen Kraft während des Sperrzustandes des Triacs T..

Die elektromotorische Spannung, die an dem Anschluß Kp ansteht,, steht der Spannung, die an dem Anschluß H ansteht, entgegen, was zur Folge hat, daß bei einer Verminderung der elektromotorischen Spannung sich eine Vergrößerung des abgeleiteten Ladestroms über die Elemente Dc und R-* ergibt. Der Kondensator CV_- wird mit einer kleineren Spannung während der positiven Halbwelle geladen. Er kommt schneller auf die negative Spannung zur Aufsteuerung des Diac bei negativer Halbwelle. Das Triac T wird dann schneller gezündet, sein Leitzustand ist langer vorhanden, und der Motor erhält mehr Energie. Bei Verwendung eines Kreises zur Schaffung einer Gegenreaktion wie dem, der beschrieben ist, benötigt die elektromotorische Kraft des Gleichstrommotors mit Fremd-

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regung durch Permanentmagnete keine Verstärkung, da ihre Größe ausreichend ist.

Der veränderliche Widerstand T_p wird bei der Montage der Maschine eingestellt derart, daß eine bestimmte Geschwindigkeit des Motors sichergestellt ist, wenn die Widerstände Ry - R^q kurzgeschlossen sind und der Widerstand R^ seinen Maximalwert hat, der der kleinsten Geschwindigkeit entspricht.

Wenn die Maschine an 220 V gelegt wird, betätigt der Strom, der durch den Kreis 11_A fließt, das Relais R_L. Die Schalter S₂ und S^ öffnen sich und der Schalter S^ schließt sich. Letzteres führt zu einem Kurzschluß des Widerstandes T ·. · Auf diese Weise kann dieser Widerstand klein in der Leistung und niedrig im Preis sein.

Der Widerstand R₁₇ befindet sich in Reihe mit dem Motor M, so daß der Strom begrenzt wird, besonders beim Startvorgang und bei Stillstand des Motors. Auf diese Weise wird eine Entmagnetisierung der Magnete vermieden. Wenn ein 110 V Motor mit 220 V gespeist wird und der Öffnungswinkel des Triac T geändert wird, kann der Motor Impulse erhalten, die zu stark sind. Man muß dann den Strom auf einen kleineren Wert drücken, so daß eine Entmagnetisierung der Magnete des Motors vermieden wird.

Der Widerstand R^y kann natürlich auch durch einen anderen Kreis zur Begrenzung des Stromes ersetzt werden.

Damit ein 110 V Motor, der mit 220 V versorgt wird, im alten Arbeitsbereich arbeitet, muß die Leitzeit des Triac reduziert werden. Das wird dadurch erreicht, daß der Widerstand R_& zugeschaltet wird.

Dieser Widerstand begrenzt den Ladestrom und den Entladestrom des Kondensators C^, was zu einer Vergrößerung der Sperrzeit des Triac T und eine Verminderung der Leitzeit führt.

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Fie bereits erwähnt wurde, ist, um ein sanftes Anlaufen des Motors bei 110 V zu erhalten, eine Unsymmetrie bezüglich der Ladung des Kondensators C^ vorgesehen, dies dadurch, daß der Widerstand R^ und die mit diesem in Reihe liegende Diode Dg parallel zu dem Kondensator C^ geschaltet sind. Um eine Gegenreaktion bei niedrigem Arbeitsbereich des Motors zu erhalten, ist die zweite Unsymmetrie in Form des Widerstandes R^ und der Diode D- vorgesehen, die ebenfalls eine Ableitung des Ladestroms für den Kondensator C^ bewirken.

Bei 110 V, wenn der Motor bei vollem Arbeitsbereich arbeitet, ist der Effekt dieser Unsymmetrie zu vernachlässigen, so daß der Motor Impulse bei jeder Halbwelle erhält, die praktisch gleich groß sind.

Bei 220 V hingegen erhält der Motor Stromimpulse, die viel grosser sind, mit der halben Frequenz, verglichen mit der bei 110 V. Diese starken Impulse lassen die Bürsten des Motors M stärker verschleissen und bewirken eine kürzere Lebensdauer des Motors.

Aus diesem Grunde ist für die Verwendung bei 220 V eine weitere Unsymmetrie in Form der Widerstände R_a und R₁₁ und der Diode Dg vorgesehen. Diese Unsymmetrie läßt eine Veränderung der Ladungszeit des Kondensators C^ zu, was sich auf den Zündwinkel des Triacs T auswirkt, derart, daß in Kombination mit den Unsymmetrien R^, Dg und R^, D,- der Motor bei niedriger Geschwindigkeit durch die negative Halbwelle versorgt wird und durch symmetrische Halbwellen positiver und negativer Art bei voller Leistung.

Der Motor M erhält also Stromimpulse geringerer Intensität verglichen mit denjenigen, die er erhielte ohne die Elemente R_Q , R₁₁ und D₈ bei Versorgung mit 220 V. Mit Hilfe des Widerstandes R kann man die Energie durch den Motor steuern, derart,

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daß die mechanische Energie, die abgegeben wird, die gleiche ist wie die, die bei 110 V abgegeben wird.

Die Fig. 2 zeigt die Änderungen des Potentials im Punkte H in Abhängigkeit der Spannung des Netzes bei voller Leistung des Motors.

Um bei voller Leistung des Motors Impulse etwa alle 10 ms, also bei jedem Wechsel, zu erhalten, sind die Elemente R^, Dg und R , R/i.*» Dq derart ausgebildet, daß der Kondensator CY Spannungen +U₀ und -U_n erhält, welche das Diac D alle 10 ms zünden. Wenn das Potential im Punkte H den Wert +U_ß eingenommen hat, entlädt sich der Kondensator C^ plötzlich bis auf einen Wert +U^₁ über das Diac D und das Triac T. Dann setzt sich die Entladung über R^ und Dg fort. Der Kondensator C^ ist vor dem Ende der positiven Halbwelle entladen.

Vom Beginn der negativen Halbwelle an lädt sich der Kondensator in der anderen Richtung über R™, R-ji» R_a· Sobald das Potential in H den Wert -U₀ erreicht hat, entlädt sich der Kondensator plötzlich bis auf -U₀₁ über das Diac D und das Triac T. Dann erfolgt die Entladung über R_&, D_Q und R^, und die Spannung, erreicht einen Wert -Uj)? (etwa) im Moment, wenn die Wechselspannung positiv wird. In diesem Augenblick beginnt die Ladung des Kondensators C^ in anderer Richtung über R™, Dg, R_&, bis das Potential in H +U_D ist.

Man sieht, daß die Unsymmetrie der Ladungszeit und der Entladungszeit ein Zünden des Diac und damit des Triacs alle 10 ms bewirkt, wenn sich der Motor bei voller Last dreht. Sie erlaubt ein Zünden des Diac und des Triacs bei niedrigem Arbeitsbereich bei jeder negativen Halbwelle derart, daß eine Beaufschlagung des Motors so niedrig wie erwünscht erfolgt, wobei alles in allem erreicht wird, daß die Energie begrenzt wird, derart, daß mit 220 V ein 110 V Motor gespeist werden kann.

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- 13 Selbstverständlich kann man nur den Widerstand R„ verwenden,

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um eine Variation der Ladung- und Entladungszeit beim Wechsel der Netzspannung zu erreichen. In diesem Falle liegt keine Unsymmetrie vor. Man kann auch anstelle des Widerstandes R_& oder zusätzlich zu diesem beim Wechsel der Spannungen einen Kondensator parallel zu dem Kondensator C^ schalten, was ebenfalls die Ladungszeit verändert, weil es die Kapazität vergrößert.

Es ist augenscheinlich, daß eine Begrenzung, wie sie durch die Elemente R_&, R^ und Dg erfolgt, auch im Zusammenhang mit der Unsymmetrie, die durch die Elemente Ra, Dg und R^, D,-geschaffen wird, erfolgen kann. Die Kombination aller dieser Elemente gibt sehr vorteilhafte Ergebnisse dann, wenn ein Nähmaschinenmotor bei sehr niedrigen und sehr hohen Leistungen gesteuert werden soll.

Die Erfindung kann auch bei anderen Maschinen angewendet werden, bei denen der Motor durch Gleichstrom mit Fremderregung und mit Hilfe von Permanentmagneten beaufschlagt wird, wobei die Versorgung aus dem Netz und die Steuerung über ein Triac und eine Gleichrichterbrücke erfolgt.

DJ: BL

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Claims

PATENTANWÄLTE 2851814 DIPL-INQ, DIETERJANDER DR.-INQ. MANFRED BÖNINQ Zustelladresse
reply to: KOLBERGER STRASSE 21
8 MÜNCHEN 80 (BOGENHAUSEN)
Telefon ; 089/98 27 04 KURFÜRSTENDAMM 66
1 BERLIN 15
Telefon : 030/8 83 50 71/72
Telegramme: Consideration Berlin

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Anmeldung

der Firma

MEFINA S.A.

Fribourg
5A, boulevard de Perolles

Ansprüche ;

1. !Schaltung zur Steuerung eines wechselstromgespeisten Gleichstrom-Motors, insbesondere eines solchen mit Fremderregung-und mit Permanentmagneten, bestehend aus einem Gleichrichter, insbesondere einer Gleichrichterbrücke, einem Triac in dem Wechselstromzweig, einem Kondensator, dessen Spannung den Öffnungswinkel des Triacs bestimmt, einem Widerstand bzw. einem Widerstandsnetz, der (das) mit dem Kondensator zusammengeschaltet ist, vorzugsweise mit diesem in Reihe liegt, und Organen zur Begrenzung der dem Motor angebotenen elektrischen Energie in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung, dadurch gekennzeichnet , daß bei größerer Versorgungsspannung die Organe den Öffnungswinkel des Triacs (T) automatisch verkleinern.

gekennzeich-

daß die Organe einen ersten Widerstand (R₀) aufweisen,

3.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch n e t

der bei größerer Versorgungsspannung in Reihe zu dem Widerstand

bzw. dem Widerstandsnetz (Rm) liegt.

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Postscheckkonto Berlin West Konto 1743 84-100

Berliner Bank AG.. Konto 01 10921 900

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DlPL-INQ. DIETER JANDER DR..INQ. MANFRED BONINO

PATENTANWÄLTE

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Organe einen zweiten Widerstand (R^₁) aufweisen, der parallel zu einer Diode (Dg) liegt, wobei diesen beiden Elemente bei größerer Versorgungsspannung in Reihe zu dem Widerstand bzw. Widerstandsnetz (Rm) und dem ersten Widerstand (R„) liegen»

el

4. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch ein Element (R^y) zur Begrenzung des Motorstromes.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein dritter Widerstand (R^y) ist, der bei größerer Versorgungsspannung in Reihe mit dem Motor (M) geschaltet ist.

6. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch* gekennzeichnet , daß ein erster Schalter (S-z) vorgesehen ist, der bei niedrigerer Versorgungsspannung die Organe (R , R-i-i, Dg) kurzschließt.

7. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweiter Schalter (S₂) vorgesehen ist, der bei niedrigerer Versorgungsspannung das Element (R^y) kurzschließt.

8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß ein Steuerkreis O ^) zur Betätigung des (der) Schalter(s) (S₂,S,) in dem Wechselstromzweig vorgesehen ist, der auf die Versorgungsspannung anspricht.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis (11_A) ein Relais (R_L) zur Betätigung der beiden Schalter (S₂,S^) aufweist, das bei höherer Versorgungsspannung umgeschaltet ist₀

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10. Schaltung nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß ein einstellbarer Widerstand (Tp-J₃) vorgesehen ist_f der eine Festlegung der Umschaltspannung ermöglicht.

11. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeich net, daß der Widerstand (T_rt)) mittels eines dritten Schalters (S^) von dem Relais bei höherer Versorgungspannung kurzgeschlossen werden kann.

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