DE2916998C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits eine solche bekannt (DE-OS 27 02 142), bei der der Schwellwertschalter als Unÿunction-Transistor ausgebildet ist, der mit seiner Steuerelektrode an dem RC-Glied angeschlossen ist. Dem RC-Glied ist eine Zenerdiode parallel geschaltet, die ihrerseits wiederum parallel zum Wechselspannungnetz liegt. Damit ist die Eingangsspannung für das RC-Glied im wesentlichen konstant, auch wenn Schwankungen in der Netzwechselspannung auf­ treten. Der Kondensator des RC-Gliedes erreicht in jeder positiven Halbphase der Netzwechselspannung immer zum gleichen Zeitpunkt die zum Zünden des Unÿunction- Transistors erforderliche Ladespannung und der steuer­ bare Halbleiter wird damit immer zum gleichen Zeitpunkt gezündet. Bei gleichem Zündwinkel bedeutet aber eine höhere Netzspannung einen höheren Effektivwert der Betriebsspannung für den Motor. Die Drehzahl des Motors wird sich daher ebenfalls entsprechend den Schwankungen der Netzwechselspannung ändern, was sich insbesondere im niederen Drehzahlbereich des Motors nachteilig bemerkbar macht.

Aus der US 37 37 748 ist eine Schaltungsanordnung zur Drehzahl­ steuerung für einen Gleichstrom-Nebenschlußmotor bekannt, bei der die Drehzahl des Motors in Abhängigkeit von der Netzspannung und der Be­ lastung gesteuert wird. In dieser Schaltungsanordnung wird das Steuersignal für den steuerbaren Unÿunctiontransistor (PUT) von der Netzspannung über einen Transformator abgeleitet. Ungünstig ist, daß bei größerer Motorenleistung die Baugröße des Transformators relativ groß ist, so daß beispielsweise bei Elektrohandwerkzeugen der zur Verfügung stehende Raum oft zu klein ist. Auch kann dann die als Wärme abgegebene Verlustleistung des Transformators nicht abgeführt werden, so daß es zu Überhitzungserscheinungen kommt. Ein weiterer Nachteil ist, daß diese Steuerschaltung nur bei Nebenschlußmotoren anwendbar ist, die eine steife Drehzahlcharakteristik aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehzahlregler der eingangs genannten Art für einen Universalmotor zu schaffen, bei dem sich Änderungen der Netzspannung auf die voreingestellte Drehzahl, insbesondere im Teillastbereich des Motors, nicht auswirken.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem­ gegenüber den Vorteil, daß der Effektivwert der am Motor liegenden Spannung im wesentlichen konstant gehalten wird. Damit kann ein mit einer solchen Schaltungsanordnung ausgerüsteter Universalmotor an 220 V-Netzen betrieben werden, die einen Spannungsunterschied von ±10% aufweisen, ohne daß große Drehzahldifferenzen auftreten. Auch während des Betriebes des Motors im Netz selbst auftretende Spannungschwankungen, die die Drehzahl beeinflussen, werden ohne Verzögerung ausgeglichen. Der Motor läuft mit im wesentlichen konstanter Drehzahl. Durch die erfindungsgemäße Dreh­ zahlkorrektur bei unterschiedlichen Netzspannungs­ werten besteht darüber hinaus auch keine Gefahr mehr, daß ein Motor bei arretierter Schalterstellung als Folge von zu niedriger Netzspannung nicht dreht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maß­ nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen der im Hauptanspruch angegebenen Schaltungsanordnung möglich.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2-4 jeweils schematische Diagramme des Spannungsverlaufs an zwei verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung und des Stromverlaufs im Motor für drei unter­ schiedliche Netzspannungswerte.

In dem in Fig. 1 dargestellten Schaltplan ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, im folgenden mit Drehzahlsteuerschaltung 10 bezeichnet, durch strichpunktierte Umrahmung gekennzeichnet. Mit seinen beiden Anschlußklemmen 11 und 12 ist die Drehzahl 10 an ein übliches Wechsel­ spannungsnetz 15 mit einer Spannung von 220 V und einer Frequenz von 50 Hz angeschlossen. Mit den An­ schlußklemmen 13 und 14 der Drehzahlsteuerschaltung 10 ist ein Universalmotor 16 in Form eines Reihenschlußkollektor­ motors verbunden. Der Motor 16 liegt damit in Reihe mit einem als Thyristor 17 ausgebildeten steuerbaren Halbleiter unmittelbar an dem Wechselspannungsnetz 15. Der Thyristor 17 ist phasenanschnittgesteuert. Hier­ zu ist ein Steuerkreis vorgesehen, der einen Schwell­ wertschalter 18 und ein RC-Glied 19 mit einstellbarer Zeitkonstante aufweist.

Der Schwellwertschalter 18, der einen steuerbaren Schwell­ wert aufweist, ist hier als ein programmierbarer Unÿunction- Transistor 20, im folgenden kurz PUT 20 genannt, ausgebildet. Eine Steuerschaltung 21 verändert den Schwellwert des PUT 20 im wesentlichen proportional zu den Schwankungen der Netzspannung des Wechsel­ spannungsnetzes 15. Diese Steuerschaltung 21 weist einen einstellbaren Spannungsteiler 22 auf, der aus den Widerständen 23, 24 und 25 besteht, wobei der Widerstand 24 als Potentiometer ausgebildet ist. Mit dem Teilerabgriff 26 des Spannungsteilers 22 ist der Anoden-Steueranschluß des PUT 20 verbunden. Zwischen dem Teilerabgriff 26 und dem unteren Potential­ punkt des Spannungsteilers 22 ist noch ein Dämpfungs­ kondensator 27 angeschlossen. Die Katode des PUT 20 ist über einen Widerstand 28 mit der Steuerelektrode des Thyristors 17 verbunden.

Das RC-Glied 19 weist einen Kondensator 29, einen Widerstand 30 und einen einstellbaren Widerstand 31 auf. Die drei genannten Schaltungselemente sind in Reihe geschaltet und einer Zenerdiode 32 parallel geschaltet. Zur Linearisierung der Leerlaufdrehzahl über den Poten­ tiometerweg ist ein weiterer Widerstand 56 parallel zum einstellba­ ren Widerstand 31 (Potentiometer) angeordnet. Zur Steuerschaltung 21 gehört außerdem noch ein Widerstand 33, der zusammen mit der Zener­ diode 32 eine Reihenschaltung bildet, die in Reihe mit einem Widerstand 34 und einer Diode 35 parallel zu den Anschlußklemmen 11 und 12 der Drehzahlsteuerschaltung 10 und damit parallel zum Wechselspannungsnetz 15 ge­ schaltet ist. Parallel zur Reihenschaltung aus Zener­ diode 32 und Widerstand 33 ist der Spannungsteiler 22 angeschlossen. Das RC-Glied 19 ist mit der Anode des PUT 20 verbunden, und zwar ist hier der Verbindungs­ punkt von Kondensator 29 und Widerstand 30 an der Anode des PUT 20 angeschlossen.

Zu dem Thyristor 17 ist ein zweiter Thyristor 36 parallel und gegenpolig geschaltet, so daß in jeder Halbwelle der Netz­ wechselspannung des Wechselspannungsnetzes 15 einer der beiden Thyristoren 17 und 36 jeweils Strom führen kann. Der zweite Thyristor 36 ist ebenfalls phasen­ abschnittgesteuert und weist hierzu einen Steuer­ kreis mit einem Schwellwertschalter 37 und einem RC- Glied 38 auf. Der Schwellwertschalter 37 ist als Triggerdiode 39 ausgebildet, die im Steuerelektroden­ zweig des Thyristors 36 angeordnet ist. Das RC-Glied 38 besteht aus einem Kondensator 40, der einerseits an der Katode des Thyristors 36 und andererseits am Eingang der Triggerdiode 39 angeschlossen ist, und aus einem Widerstand 41. Außerdem weist der Steuer­ kreis noch einen Kondensator 42 auf, dem das RC-Glied 38 parallel geschaltet ist. Der Widerstand 41 des RC-Gliedes 38 ist gleichzeitig Teil einer dem Kondensator 42 parallelgeschalteten Reihenschaltung, die noch eine Diode 43 und einen Widerstand 44 aufweist.

Der Steuerkreis für den Thyristor 36 ist induktiv mit dem Lastkreis des Thyristors 17 gekoppelt. Hierzu ist ein Transformator 45 vorgesehen, dessen Primärwicklung 46 zwischen der Anschlußklemme 14 der Drehzahlsteuerschaltung 10 und der Anode des ersten Thyristors 17 eingeschaltet ist. Die Sekundärwicklung 47 des Transformators 45 liegt in Serie mit einer Diode 48 und dem Kondensator 42. Ein einstellbarer Widerstand 49 ist der Sekundär­ wicklung 47 parallel geschaltet. Über den Transformator 45 ist der Kondensator 40 des RC-Gliedes 38 zunächst auf eine Spannung aufladbar, die von der Stromstärke im Last­ kreis des ersten Thyristors 17 abhängig ist. Anschließend, und zwar während derjenigen Halbwelle der Netzwechselspannung des Wechselspannungsnetzes 15, in welcher der zweite Thyristor 36 gezündet werden kann, wird der Kondensator 40 weiter bis auf die erforderliche Zündspannung des Schwellwertschalters 37 bzw. der Triggerdiode 39 auf­ geladen. Hierzu ist eine aus der Reihenschaltung einer Diode 50 und eines Widerstandes 51 bestehende Sperreinrichtung 52 für die Diode 43 vorgesehen, die einerseits mit der zu der Anschlußklemme 11 führenden Leitung der Drehzahlsteuerschaltung 10 und andererseits mit dem Verbindungspunkt von Diode 43 und Widerstand 44 verbunden ist. Eine aus der Reihenschaltung eines Kondensators 53 und eines Widerstands 54 bestehende Thyristor-Schutzschaltung ist an der Anschlußklemme 11 und an der Anschlußklemme 14 der Drehzahlsteuerschaltung 10 angeschlossen. Eine Entstör-Kondensator- Kombination 55 liegt zwischen den Anschlußklemmen 11 und 12 der Drehzahlsteuerschaltung 10.

Die vorstehend beschriebene Drehzahlsteuerschaltung 10 arbeitet wie folgt:

Während einer positiven Halbwelle der Netzwechselspannung des Wechselspannungsnetzes 15 fließt ein Strom über die Diode 35, den Widerstand 34 und der Reihenschaltung aus Widerstand 33 und Zenerdiode 32. Geht man davon aus, daß das Wechselspannungsnetz gerade Nennspannung aufweist (Fig. 2, 1. Diagramm), so fällt an der Reihenschaltung von Zenerdiode 32 und Widerstand 33 die in Fig. 2 dargestellte Summen­ spannung U ₃₂ + U ₃₃ ab. Diese Summenspannung U ₃₂ + U ₃₃ liegt an dem Spannungsteiler 22. Der Kondensator 29 des RC-Glieds 19 wird mit der konstanten Spannung U ₃₂ aufge­ laden. Der Spannungsverlauf am Kondensator 29 ist in Fig. 2 mit U ₂₉ bezeichnet und in dem dritten Diagramm darstellt. Sobald die Spannung U ₂₉ die Schwell­ wertspannung U _{P 20} des PUT 20, die durch den einstellbaren Widerstand 24 vorgebbar ist, übersteigt, zündet der PUT 20 und der Thyristor 17 erhält einen Zündimpuls. Mit Leitendwerden des Thyristors 17 fließt ein Strom über den Motor 16, die Sekundärwicklung 46 des Trans­ formators 45 und den Thyristor 17, wobei die Höhe dieses Stromes in erster Näherung von der Belastung des Motors 16 abhängig ist. Da die Versorgungsspannung U ₃₂ des RC-Glieds 19 konstant ist, ist auch bei festgelegter Schwellwertspannung U _{P 20} des PUT 20 der Zündzeitpunkt des Thyristors 17 innerhalb der positiven Halbwelle der Netzwechselspannung unveränderlich festgelegt. Erhöht sich die Netzspannung des Wechselspannungsnetzes 15 um z. B. +10% (in Fig. 3 durch das "+"-Symbol dargestellt), so bleibt die Spannung U ₃₂ konstant und die Spannung U ₃₃ am Widerstand 33 steigt proportional mit der Spannungsänderung des Wechselspannungsnetzes. Die Summenspannung U ₃₂ + U ₃₃, die an dem Spannungsteiler 22 liegt, erhöht sich, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Damit wird auch das Potential des Teilerabgriffs 26 des Spannungsteilers 22 angehoben und damit auch die Schwellwertspannung U _{P 20} des PUT 20. Da der Kondensator 29 des RC-Gliedes 19 mit unveränderter Zeitkon­ stante und Eingangsspannung aufgeladen wird, die Schwellwertspannung U _{P 20} des PUT 20 aber höher liegt, wird diese innerhalb der positiven Halbwelle der Netzwechselspannung zeitlich später erreicht, so daß der Zündwinkel der Phasenanschnittsteuerung des Thyristors 17 vergrößert wird. Durch die Spannungs­ erhöhung der Netzwechselspannung hat sich der Scheitel­ wert der am Motor 16 liegenden Spannung ebenfalls erhöht. Bei geeigneter Dimensionierung des Steuerkreises für den Thyristor 17 wird aber der Zündwinkel des Thyristors 17 soweit verschoben, daß der Effektivwert der während der positiven Halbphase der Netzwechselspannung an dem Motor 16 liegenden Spannung gegenüber dem vorherigen Betrieb mit Nenn-Netzwechselspannung im wesentlichen unverändert bleibt.

Sinkt die Netzwechselspannung unter ihren Nennwert ab, wie in Fig. 4 dargestellt und mit dem "-"-Symbol be­ zeichnet ist, so wird im gleichen Maße die Summen­ spannung U ₃₂ + U ₃₃ reduziert. Die Schwellwertspannung U _{P 20} des PUT 20 sinkt ebenfalls. Damit wird der Zünd­ zeitpunkt des Thyristors 17 während der positiven Halbphase der Netzwechselspannung vorverlegt. Der Zünd­ winkel des Thyristors 17 wird damit soweit verkleinert, daß trotz kleinerem Scheitelwerts der am Motor 16 liegenden Spannung deren Effektivwert im wesentlichen gegenüber Nennbetrieb konstant bleibt.

Sobald der Thyristor 17 zündet, fließt durch die Reihen­ schaltung von Motor 16, Primärwicklung 46 des Trans­ formators 45 und Thyristor 17 ein Strom, der in den Fig. 2-4 für die jeweiligen verschiedenen Spannungs­ werte der Netzwechselspannung dargestellt und mit I _M bezeichnet ist. Dieser Strom ruft in der Sekundärwicklung 47 des Transformators 45 einen entsprechenden Strom her­ vor, der den Kondensator 42 auflädt. Dessen Aufladung am Ende der positiven Halbwelle ist von der Größe des Scheitelwerts des jeweils fließenden Stromes I _M abhängig. Noch während der positiven Halbwelle der Netzwechsel­ spannung entlädt sich der Kondensator 42 bereits teil­ weise über die Reihenschaltung des Widerstandes 41, der Diode 43 und des Widerstandes 44. Durch geeignete Dimen­ sionierung der Schaltungselemente wird diese Aufladung des Kondensators 40 in jedem Fall so klein gehalten, daß die Zündspannung der Triggerdiode 39 nicht erreicht wird.

Zu Beginn der negativen Halbwelle der Netzwechselspannung beginnt nunmehr ein Strom über die Reihenschaltung von Diode 50, Widerstand 51 und Widerstand 44 zu fließen, der zur Folge hat, daß die Diode 43 sperrt. Mit Sperren der Diode 43 wird der Kondensator 40, ausgehend von dem während der positiven Halbwelle erreichten Ladungs­ niveau, von dem Widerstand 42 weiter aufgeladen. Sobald die Ladespannung des Kondensators 40 die Zündspannung der Triggerdiode 39 übersteigt, bricht diese durch, und der Thyristor 36 wird gezündet.

Da der Strom I _M durch den Motor 16 im wesentlichen von der Belastung des Motors abhängig ist, ist es möglich, die Speisung des Motors 16 während jeder zweiten Halbwelle der Netzwechselspannung in Abhängigkeit von der Be­ lastung des Motors zu regeln, und zwar in dem Sinne, daß die Drehzahl unabhängig von der jeweiligen Belastung möglichst weitgehend aufrechterhalten wird. Da aber auch - wie in Fig. 2-4 dargestellt ist - der Scheitelwert des durch den Motor 16 fließenden Stroms I _M bei Spannungs­ änderungen im Wechselspannungsnetz 15 durch den Steuer­ kreis für den Thyristor 17 in entgegengesetztem Sinne beeinflußt wird, ändert sich auch das Ladungsniveau des Kondensators 40 im Steuerkreis für den zweiten Thyristor 36, das - wie vorstehend ausgeführt - abhängig von dem Scheitelwert des Stromes I _M im Lastkreis des ersten Thyristors 17 ist. Damit erfolgt auch eine Berücksichtigung der sich ändernden oder geänderten Netzwechselspannung in der zweiten (negativen) Halbwelle der Netzwechselspannung im Sinne einer verbesserten Drehzahlkonstanz bei sich ändernder Netzwechselspannung.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist es z. B. möglich, den Steuerkreis für den zweiten Thyristor 36 wie in der DE-OS 27 02 142 beschrieben aufzubauen, ohne daß er­ findungsgemäße Vorteile verlorengehen. Auch ist es mög­ lich, in der zweiten Halbwelle der Netzwechselspannung - wie in der Praxis häufig zu finden - überhaupt keine Steuer- und Regelungsmöglichkeiten vorzusehen.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Steuern der Drehzahl für einen an einem Wechselspannungsnetz betriebenen Universalmotor, mit einem in Reihe mit dem Motor liegenden gesteuerten Halbleiter, insbesondere einem Thyristor, mit einem Schwellwertschalter im Steuerkreis des gesteuer­ ten Halbleiters und mit einem RC-Glied mit einstellbarer Zeitkonstante auf der Eingangsseite des Schwellwertschalters, das an eine stabili­ sierte Spannungsquelle angeschlossen ist, die über einen Gleichrichter aus dem Wechselspannungsnetz gewonnen wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (18) einen in seiner Größe steuerbaren Schwellwert aufweist, indem ein Spannungsteiler (22, 23-26) über eine Diode (35) und einen Widerstand (34) mit dem Wechselspannungsnetz (11, 12, 15) verbun­ den ist, wobei ein Abgriff (26) des Spannungsteilers (22, 23-26) mit dem Steuereingang des Schwellwert­ schalters (18) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (18) als programmierbarer Unÿunction-Tran­ sistor (20) ausgebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß einem Teil des Spannungsteilers (22, 23-26) ein Kondensator (27) parallel geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (22, 23-26) in einem seiner Teile einen einstellbaren Widerstand (24) aufweist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Potentialabgriff für den Spannungstei­ ler (22, 23-26) zwischen Widerständen (33, 34) erfolgt, die einerseits über die Diode (35) mit dem einen Pol des Wechselspannungsnetzes (11, 12, 15) und andererseits über die stabilisierte Spannungsquelle (U ₃₂) mit dem anderen Pol des Wechselspannungsnetzes (11, 12, 15) verbunden sind.