DE3138841C2

DE3138841C2 - Sanftanlaufschaltung für phasenanschnittsgesteuerte Motoren

Info

Publication number: DE3138841C2
Application number: DE19813138841
Authority: DE
Inventors: Karl-Diether Dipl.-Ing. 7101 Oedheim Nutz
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Atmel Germany GmbH
Priority date: 1981-09-30
Filing date: 1981-09-30
Publication date: 1987-02-19
Also published as: DE3138841A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sanftanlaufschaltung für phasenanschnittsgesteuerte Motoren, bei der die Zunahme des Stromflußwinkels in der Anlaufphase des Motors verzögert wird. Nach der Erfindung ist vorgesehen, daß der Stromflußwinkel nach dem Startbefehl bis zum Drehbeginn des Motors steil und linear anwächst, während nach dem Drehbeginn der Stromflußwinkel zunächst sehr langsam und im weiteren Verlauf wieder rasch bis zum Erreichen des im Regelbereich liegenden Sollwertes anwächst. Der zweite Teil der Steuerkennlinie hat vorzugsweise einen positiv logarithmischen Verlauf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sanftanlaufschaltung für phasenanschnittsgesteuerte Motoren, durch die die Zunahme des Stromflußwinkels in der Anlaufphase des Motors verzögert wird.
Aus "Philips Application Note" Nr. 200, Bestellnummer 939 932 070 001, Oktober 73, ist eine Sanftanlaufschaltung für Kurzschlußläufermotoren bekannt. Bei dieser Schaltung wird eine bestimmte Zeit ein fester Stromflußwinkel eingestellt, der so dimensioniert ist, daß während dieser Zeit die Nenndrehzahl des Motors erreicht sein sollte. Die Startphase fällt jedoch zwingend mit dem Drehbeginn zusammen.
Mit Hilfe von Phasenanschnittssteuerschaltungen läßt sich die Leistungsaufnahme einer Last am Wechselstromnetz durch Verschiebung der Zündimpulse zwischen 0° und 180° Phasenwinkel für den die Last steuernden Triac oder Thyristor verändern bzw. einstellen. Derartige Phasenanschnittssteuerschaltungen sind beispielsweise aus der DE-OS 26 18 414 und der DE-OS 24 15 630 bekannt. Ferner wird die prinzipielle Wirkungsweise der Phasenanschnittssteuerung mit integrierten Halbleiterschaltungen in " Elektronik" 1975, Heft 7, Seiten 72-74 beschrieben. Außerdem ist der Schaltkreis U 111 B, der Firma AEG-Telefunken für die Phasenanschnittssteuerung bzw. -regelung von Wechselstromverbrauch vorgesehen. Bei den bekannten Phasenanschnittssteuerschaltungen wird der jeweilige Stromflußwinkel durch den Vergleich einer sägezahnförmig verlaufenden Spannung mit einer einstellbaren Referenzspannung gewonnen. Der Spannungsvergleich erfolgt an Komperatoren. In der Anlaufphase des Motors muß der Stromflußwinkel vom Wert 0 bis zum Erreichen des Regelbereiches zunehmen. Bei den bekannten Phasenanschnittssteuerschaltungen wird zur Vermeidung großer Anlaufmomente und zu hoher Anlaufströme der Stromflußwinkel nicht abrupt erhöht, sondern beispielsweise gemäß in den Fig. 1a und 1b dargestellten Funktionsläufen.
Beim Funktionsverlauf a der Fig. 1a nimmt der Stromflußwinkel in der Anlaufphase linear zu bis er den dem Regelbereich entsprechenden Wert erreicht. Beim Funktionsverlauf b gemäß Fig. 1b ist die Zunahme des Stromflußwinkels in der Anlaufphase e-funktionell. Beim linearen Anwachsen des Stromflußwinkels darf die Steilheit des Funktionsverlauf a nicht zu groß gewählt werden, da es sonst zu einem ruckartigen Anlauf des Motors kommt. Dies hat zur Folge, daß die Hochlaufzeit relativ lange ist. Beim Funktionsverlauf b gemäß Fig. 1b ist die Hochlaufzeit zwar kürzer, doch ist hier der Motoranlauf relativ unsanft, da die Steilheit des Funktionsverlaufes zu Beginn der Anlaufphase relativ groß ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stromflußwinkel in der Anlaufphase des Motors bei phasenanschnittsgesteuerten Motoren so geregelt zu erhöhen, daß die Hochlaufzeit des Motors kurz ist und dennoch der Motor sanft, schnell und ohne ruckartige Stöße anläuft. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Schaltung Mittel enthält, durch die der Stromflußwinkel bis zum Drehbeginn des Motors nach dem Startbefehl sehr rasch zunimmt und durch die nach Drehbeginn der Stromflußwinkel zunächst sehr langsam und im weiteren Verlauf wieder rascher bis zum Erreichen des im Regelbereich liegenden Sollwertes anwächst, wobei der tatsächliche Drehbeginn von einem Drehmelder erfaßt wird.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird von den tatsächlichen Verhältnissen ausgegangen, da erst nach Erfassung des Drehbeginns über einen Drehmelder die Phase der progressiven Erhöhung des Stromflußwinkels beginnt.
Der erfindungsgemäße Funktionsverlauf ist in der Fig. 1c dargestellt. Der Funktionslauf c besteht in der Anlaufphase aus zwei Teilen c ₁ und c ₂. Der Teil c ₁, der unmittelbar nach dem Ergehen eines Starbefehls einsetzt, verläuft sehr steil und linear bis der Stromflußwinkel den Wert 1 erreicht hat. Dieser steile linerae Verlauf wird ab dem Wert 1, der mit dem Drehbeginn des Motors zusammenfällt, durch die Kurve c ₂ abgelöst, deren Steilheit zunächst sehr gering ist und dann bis zum Erreichen des Regelbereiches stetig zunimmt. Die Kurve c ₂ hat daher vorzugsweise einen positiv logarithmischen Verlauf. Der steile lineare Verlauf c ₁ ist folglich nur so lange gegeben, bis die den Feldwicklungen des Motors zugeführte Leistung ausreicht, um die innere Reibung des Motors zu überwinden und den Drehbeginn auszulösen. Mit Drehbeginn ist die Zunahme des Stromflußwinkels und damit das Anwachsen der Leistungsaufnahme zunächst sehr gering, so daß ein sehr sanftes Anlaufen des Motors zustande kommt. Durch den logarithmischen Verlauf der Kurve c ₂ ist jedoch gewährleistet, daß der Motor relativ rasch die Solldrehzahl im geregelten Bereich erreicht. Durch den steilen linearen Verlauf c ₁ wird die sogenannte Totzeit des Motors stark reduziert. Unter Totzeit wird jene Zeit verstanden, die zwischen einem Startbefehl und dem Drehbeginn des Motors vergeht.
Die prinzipielle technische Realisierung der erfindungsgemäßen Sanftanlaufschaltung ist in Form eines Blockschaltbildes in der Fig. 2 dargestellt. Dabei wird an einem Kondensator C eine Spannung U _c erzeugt, von der der Stromflußwinkel Φ als Funktion dieser Spannung abgeleitet wird. Die Schaltung enthält eine erste Stromquelle Q ₁, die nach dem Auftreten eines Startbefehls über die Kippstufe FF an den Kondensator C angeschlossen wird. Diese Stromquelle Q ₁ liefert einen relativ großen Strom I ₁, so daß der Kondensator gemäß dem Funktionsverlauf c ₁ der Fig. 1c zunächst rasch aufgeladen wird. Der Drehmelder D, der an einen in der Fig. 2 angedeutet Drehzahlgeber angeschlossen ist, setzt die Kippstufe FF bei Drehbeginn durch einen Impuls wieder zurück, so daß die Stromquelle Q ₁ und damit der den Kondensator C aufladene Strom I ₁ wieder abgeschaltet wird. Zum gleichen Zeitpunkt etwa wird die Stromquelle Q ₂ über die am Kondensator C anliegende Spannung eingeschaltet, so daß die weitere Aufladung des Kondensators C allein über den Strom I ₂ erfolgt. Dieser Strom I ₂ ist proportional zu der am Kondensator C anstehenden Spannung U _c, so daß aufgrund des anwachsenden Stromes I ₂ der in der Fig. 1c dargestellte Funktionsverlauf c ₂ zustande kommt. Die Stromquelle Q ₂ wird somit über einen in der Fig. 2 dargestellten Operationsverstärker Op mit der am Kondensator jeweils anliegenden Spannung U _c gesteuert. Dies ist in Fig. 2 durch die den Operationsverstärker OP und die Stromquelle Q ₂ einschließende Regelschleife angedeutet.
Die zweite Stromquelle Q ₂ wird nach der Erfindung selbsttätig eingeschaltet, wenn die am Kondensator C anstehende Spannung U _c einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Dieser Schwellwert ist vorzugsweise durch die Ansprechschwelle des Operationsverstärkers Op vorgegeben.
Wenn die Spannung U _c am Kondensator C den vorgegebenen Regelbereich erreicht, bzw. übersteigt, wird durch sie der Stromflußwinkel Φ nicht mehr weiter beeinflußt. Dann ist für den Stromflußwinkel wieder der Spannungsvergleich zwischen der Rampenspannung und einer Referenzspannung maßgebend, wobei die entsprechenden Signale durch die mit A angedeuteten Schaltungsteile geliefert werden.
Eine beispielshafte Detailausführung der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß der Fig. 2 ist in der Fig. 3 dargestellt.
Einem Kondensator C, an dem die den Stromflußwinkel bestimmende Spannung abfällt, ist ein Widerstand R ₁ in Reihe geschaltet. Parallel zu dieser Reihenschaltung liegt die Kollektoremitterstrecke eines Transistors T ₁, auf dessen Basiselektrode ein Startbefehl über den Widerstand R ₅ gegeben wird. Dieser Startbefehl gelangt gleichzeitig über den Widerstand R ₄ auf die Basiselektrode des Transistors T ₂, der zusammen mit dem Transistor T ₃ einen Thyristor bildet. Der Thyristor ist über einen strombestimmenden Widerstand R ₂ an den Eingang eines Stromspiegelverstärkers angeschlossen. Die Tyristorstrecke bildet die Stromquelle Q ₁, über die im eingeschalteten Zustand der Strom I&sub1; fließt. An den genannten Eingang des Stromspiegelverstärkers ist eine zweite Stromquelle Q ₂ angeschlossen, die aus dem Dreifach-Darlington Transistor T ₅ und dem Widerstand R ₇ besteht. Die Steuerspannung an der Basiselektrode des Darlington- Transistors T ₅ ist durch die Spannung vorgegeben, die an der Reihenschaltung aus dem Widerstand R ₁ und dem Kondensator C abfällt.
Das genannte RC-Glied ist an den Ausgang des Stromspiegelverstärkers angeschlossen. Der Stromspiegelverstärker wird durch den Doppel-Kollektor-Transistor T ₆ gebildet, wobei eine Kollektorelktrode als Eingangsanschluß und die andere Kollektorelektrode als Ausgangsanschluß des Stromspiegelverstärker wirkt. Beide Kollektoren haben vorzugsweise gleich große aktive Flächen.
Wenn ein Startsignal U _ü auftritt, wird der Transistor T ₁ durchgesteuert, so daß der Kondensator C über diesen Transistor T ₁ sicher entladen wird. Gleichzeitig wird über das Startsignal der Thyristor mit den Transistoren T ₂ und T ₃ durchgesteuert, so daß der Strom I ₁ fließt. Dieser Strom I ₁ fließt über den Stromspiegelverstärker T ₆ in den Kondensator C, wodurch dieser linear und relativ rasch aufgeladen wird, bis der Wert Φ 1 gemäß Fig. 1c erreicht ist. Sobald der Drehmelder D ein dem Drehbeginn des Motors entsprechendes Signal abgibt, wird der Transistor T ₇ durchgesteuert, dessen Kollektoremitterstrecke parallel zur Basismitterstrecke des Transistors T ₂ liegt. Folglich wird der Transistor T ₂ gesperrt und der Thyristor gelöscht, so daß der Strom I ₁ abgeschaltet wird.
Zu diesem Zeitpunkt hat die Spannung U _c am Kondensator C einen Wert erreicht, der den für den Beginn einer Durchsteuerung des Transistors T ₅ erforderlichen Wert übersteigt. Bei einem Dreifach-Darlington-Transistor T ₅ ist dies bei einer Kollektorspannung U _c von ca. 2 Volt der Fall. Somit beginnt ein zunächst sehr kleiner Strom I ₂ aus der Stromquelle Q ₂ zu fließen, der nunmehr über den Stromspiegelverstärker T ₆ den Kondensator C weiter auflädt. Der Mehrfach-Darlington-Transistor T ₅ wird mit wachsender Kollektorspannung U _c immer wieder aufgesteuert, so daß der Strom I ₂ anwächst, wodurch der Funktionsverlauf c ₂ gemäß Fig. 1c bewirkt wird.
Die am RC-Glied R ₁, C anliegende Spannung steuert den als Emitterfolge betriebenen Transistor T ₄.
Die Ausgangsspannung des Transistors T ₄ bestimmt den Zündwinkel α innerhalb einer Halbperiode der Wechselspannung. Für den Stromflußwinkel gilt Φ = 180° - a.
Bei wachsender Spannung U _c am Kondensator C sinkt die Spannung am Ausgang des Transistor T ₄ bezogen auf den positiven Pol der Spannungsquelle und damit der Zündwinkel, während der Stromflußwinkel anwächst. Der Transistor T ₄ wird über die Stromquelle Q ₃ mit einem Konstantstrom versorgt.
Bei einem Ausführungsbeispiel wurde die Schaltung gemäß der Fig. 3, wie folgt demensioniert:

R ₁ = 1 kΩ
R ₂ = 168 kΩ
R ₃ = R ₄ = 48 kΩ
R ₅ = 28 kΩ
R ₆ =16 kΩ
R ₇ =64 kΩ
I ~ 50 µA
I ₂ ~ (U _c ~ 2 V) = 5 µA

Claims

1. Sanftanlaufschaltung für phasenschnittsgesteuerte Motoren, durch die Zunahme des Stromflußwinkels in der Anlaufphase des Motors verzögert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung Mittel erhält, durch die der Stromflußwinkel bis zum Drehbeginn des Motors nach dem Startbefehl sehr rasch zunimmt und durch die nach Drehbeginn des Stromflußwinkel zunächst sehr langsam und im weiteren Verlauf wieder rascher bis zum Erreichen des im Regelbereich liegenden Sollwertes anwächst, wobei der tatsächlich Drehbeginn von einem Drehmelder erfaßt wird.

2. Sanftanlaufschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung Mittel enthält, durch die der Stromflußwinkel nach dem Startbefehl bis zum Drehbeginn steil und linera anwächst, während nach dem Drehbeginn dieser lineare Verlauf durch eine positiv logarithmische Charakteristik mit wachsender Steilheit abgelöst wird (Fig. 1c).

3. Sanftanlaufschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Stromquelle (Q ₁) vorgesehen ist, die nach dem Auftreten eines Startbefehls einen Kondensator (C), an dem eine dem Stromflußwinkel proportionale Spannung abfällt, realtiv rasch lädt, daß diese Stromquelle (Q ₁) nach dem Drehbeginn des Motors abgeschaltet wird, und daß eine zweite, den Kondensator (C) weiter aufladende Stromquelle (Q ₂) eingeschaltet wird, deren Strom proportional zu der am Kondensator anstehenden Spannung ist.

4. Sanftanlaufschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromquelle (Q ₂) selbsttätig eingeschaltet wird, wenn die am Kondensator (C) anstehende Spannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.

5 Sanftanlaufschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert durch die für den Beginn der Durchsteuerung erforderliche Basis-Ermitterspannung eines Darlington-Transistors (T ₅) im Stromzweig der zweiten Stromquelle (Q ₂) bestimmt wird.

6. Sanftanlaufschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) an den Ausgang eines Spromspiegelverstärkers (T ₆) angeschlossen ist, an dessen Eingangsanschluß die beiden einander parallel geschalteten Stromquellen (Q ₁, Q ₂) angeschlossen sind.

7. Sanftanlaufschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromquelle (Q ₁) einen Thyristor (T ₂, T ₃) enhält, der durch einen Startimpuls durchgesteuert wird, so daß der Kondensator (C) über den Stromspiegelverstärker (T ₆) mit einem definierten konstanten Strom (I ₁) aufgeladen wird, und daß dieser Thyristor durch einen vom Drehzahlgeber beim Einsetzen der Motordrehung abgeleiteten Impuls wieder unter Abschaltung der ersten Stromquelle gesperrt wird.