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Steuerschaltung für einen elektrischen Motor
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Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung gemäß dem Oberbegriff
des ersten Anspruchs.
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Bei einer bekannten Steuerschaltung dieser Art (EP-A1 0007 0007 617)
liegt im Stromkreis eines Motors die Parallelschaltung aus einem thermomechanischen
Schalter und einem elektronischen Stromflußsteller. Der thermomechanische Schalter
ist dabei der Belastungscharakteristik des Motors angepaßt und öffnet bei einer
Überlastung des Motors den Motor stromkreis. In geschlossener Stellung überbrückt
er den Stromflußsteller. Ist der thermomechanische Schalter geöffnet, dann wird
der parallel dazu liegende Thyristor des Stromflußstellers wirksam, wobei der Stromflußsteller
durch eine entsprechende, auf die Steuerelektrode des Thyristors wirkende Steuerbeschaltung
auf einen geringen Stromflußwinkel fest eingestellt ist. Bei dieser Anordnung wird
bei geschlossenem thermomechanischen Schalter dem Motor die volle Leistung zugeführt,
während bei geöffnetem Schalter über den Stromflußsteller ein verminderter Stromfluß
aufrecht erhalten wird, damit der Motor nach einer Entlastung weiterläuft und während
der Öffnungszeit des Schalters eine Selbstkühlung aufrecht erhält. Bei diesem Schaltüngsaufbau
muß
der thermomechanische Schalter mit über lastung betrieben werden, was nach den einschlägigen
Vorschriften nicht zulässig ist. Außerdem erfordert diese hybride Steuerung thermomechanische
und elektronische Mittel, für deren Herstellung unterschiedliche Technologien anzuwenden
sind.Dabei muß der thermomechanische Schalter auf die Charakteristik des Motors
abgestimmt sein, so daß seine Anwendung auf einen bestimmten Motortyp beschränkt
ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Steuerschaltung gemäß
dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs zu schaffen, deren Schalteinrichtung
allein elektrische Schaltmittel umfaßt und die Anwendung vorgegebener elektronischer
Bausteine ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden
Merkmale des ersten Patentanspruchs.
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Bei einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung ist der steuerbare Gleichrichter,
z.B. ein Triac, für den Normalbetrieb durch seine Steuerschaltung auf den maximalen
Stromflußwinkel eingestellt, so daß der Motor mit der vollen Netzwechselspannung
betrieben wird, wenn seine volle Leistung zur Verfügung stehen soll. Dieser Gleichrichter
wird auch für die Leistungszufuhr nach einer Überlastung des Motors ausgenutzt,
wobei die Ansprechleistung, die Voll- und Teillastzeiten und die jeweils freigegebenen
Leistungen frei wählbar sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen
angegeben.
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Die Erfindung ist nachfolgend an Hand von Schaltskizzen verschiedener
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzip-Schaltung einer Steuerschaltung.
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Fig. 2 eine mit diskreten Schaltelementen aufgebaute Steuerschaltung.
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Fig. 3 eine erste Schaltungsvariante der Steuerschaltung mit einer
integrierten Phasenanschnittsteuerung.
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Fig. 4 eine zweite Schaltungsvariante einer Steuerschaltung mit einer
integrierten Phasenanschnittsteuerung.
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Fig. 5 ein Ansprechdiagramm eines Schwellwertschalters und Fig. 6
eine Schaltung zur verzögerten Rückstellung des Stromflußstellers.
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Ein elektrischer Reihenschluß-Motor 20 liegt über die Serienschaltung
aus einem als Triac 21 ausgebildeten steuerbaren Gleichrichter und einem Meßwiderstand
22 an einem Versorgungsnetz. über dem Netzwiderstand 22 wird eine Steuerspannung
abgegriffen, die einem als Schmitt-Trigger ausgebildeten Schwellwertschalter 23
zugeführt wird. Überschreitet die Meßspannung einen dem Schwellwert des Schwellwertschalters
23 entsprechenden Betrag, dann gibt der Schwellwertschalter 23 ein Startsignal an
einen als monostabiles Flip-Flop ausgebildeten Zeitschalter 24 ab, dessen Ausgangssignal
einen Stromflußsteller 25 ansteuert, der dadurch den Gleichrichter 21 von einem
großen, vorzugsweise einem maximalen Stromflußwinkel auf einen wesentlich verminderten
Stromflußwinkel umschaltet. Die Umschaltung auf den verminderten Stromflußwinkel
bleibt solange erhalten, wie die Impulsdauer des Zeitschalters vorgibt. Nach dieser
Impulsdauer wird automatisch auf den für den normalen Betrieb vorgesehenen großen
Stromflußwinkel zurückgeschaltet. Bleibt danach die zu hohe Belastung des Motors
aufrechterhalten oder wiederholt sie sich im weiteren Betrieb, dann wiederholt sich
die vorbeschriebene Funktion. Eine
Spannungsversorgungs-Schaltung
26 stellt im übigen die notwendigen Versorgungsspannungen für die Steuerelemente
23, 24, 25 bereit.
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Um die Meßspannung unabhängig von Augenblickswerten und von kurzfristigen
Störspannungen zu halten, wird sie über eine Diode 27 gleichgerichtet und über ein
als pi-Glied ausgebildetes RC-Glied 28 mit wenigstens einem im Längszweig liegenden
Widerstand 29 und Kondensatoren 30 in den Querzweigen geglättet (Fig. 2). Die so
geglättete Meßspannung wird der Basis eines Transistors 31 zugeführt, der als Schwellwertschalter
arbeitet und ein in üblicher Weise aufgebautes monostabiles Flip-Flop als Zeitschalter
ansteuert. An den Ausgang des Zeitschalters 24 ist ein Transistor 32 gelegt, über
den während der Impulsdauer des Zeitschalters 24 ein Widerstand 33 so an die Steuerelektrode
34 des Gleichrichters 21 angeschaltet wird, daß der Stromflußwinkel des Gleichrichters
21 auf einen wesentlich verminderten Wert heruntergestellt wird. Außerhalb der Impulsdauer
des Zeitschalters 24 bewirkt eine übliche, aus einem Triac 35 sowie Widerständen
und Kondensatoren aufgebaute und aus der Netzspannung gespeiste Steuerbeschaltung
die Einstellung eines Stromflußwinkels, wie er für den Normalbetrieb des Motors
erforderlich ist.
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Gemäß Fig. 3 wird die über das RC-Glied 28 geglättete Meßspannung
dem negativen Eingang eines als Schwellwertschalter dienenden Differenzverstärkers
36 zugeführt, der in einer integrierten Phasenanschnittsteuerung 37 enthalten ist.
Dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 36 wird eine konstante Sollschwellwertspannung
über einen Spannungsteiler aus Widerständen 38, 39 vorgegeben. Durch eine Veränderung
des Spannungsteilerverhältnisses, z.B. des Widerstandes 39, kann dabei die Sollschwellwertspannung
und damit der im Motorstromkreis über dem Widerstand 22 fließende Ansprechstrom
verändert werden. Sobald nämlich die negative Meß-
spannung den
Wert der Sollschwellwertspannung überschreitet, entsteht am Ausgang des Differenzverstärkers
ein Signal, welches über einen Spannungsteiler aus Widerständen 40,41, einem Eingang
14, der als Stromflußsteller wirkenden Phasenanschnittsteuerung 37 zugeführt wird.
Der Baustein 37 ist dabei eine integrierte Schaltung vom Typ U1 11B. Über den Eingang
14 wird eine spannungsgesteuerte Laststrombegrenzung erreicht, wobei ein Ansteigen
der Steuerspannung an diesem Eingang über einen bestimmten Wert zur Folge hat, daß
der Stromflußwinkel auf einen voreingestellten Minimal-Stromfluß winkel umgeschaltet
wird. Dabei kann dieser Minimal-Stromflußwinkel durch entsprechende Bemessung eines
an den Eingang 6 angeschlossenen Widerstandes 42 vorgewählt werden.
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Der maximale Stromflußwinkel für den Normalbetrieb ist dabei durch
einen Widerstand 43 einstellbar, welcher an den Phasenanschnittsteuer-Eingang 11
gelegt ist. Von dort wird auch eine Referenzspannung über einen Widerstand 44 zu
einem Referenzspannungs-Eingang 10 geführt. Über einen Anschlag 2 des Stromflußstellungs-Eingangs
10 geführt. über einen Anschluß 2 des Stromflußstellers 37 wird die Steuerelektrode
34 des Gleichrichters 21 angesteuert.
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Um hierbei die Verminderung des Stromflußwinkels auf eine vorbestimmte
Zeit zu beschränken, ist der Zeitschalter 24 so ausgebildet, daß parallel zu einem
Kondensator 30 des RC-Gliedes die Serienschaltung aus einem Widerstand 45 mit wählbarem
Widerstandswert und der Kollektor Emitter-Strecke eines Transistors 46 geschaltet
ist. Die Basis des Transistors 4o ist über einen Kondensator 47 wie der Emitter
und der Kondensator 30 gegen Masse geschaltet, während andererseits von der Basis
ein Widerstand 48 an den Eingang 14 des Stromflußstellers 37 bzw. den Ausgang des
Differenzverstärkers 36 angeschlossen ist. Sobald demnach am Eingang 14 eine Spannung
ansteht, läd sich der Kondensator 47 langsam auf, wodurch die Kollektor-Emitter-Strecke
des
Transistors 46 leitend wird und über den Widerstand 45 eine
Entladung des Kondensators 30 bewirkt. Hierdurch sinkt die Meßspannung am negativen
Eingang des Differenzverstärkers 36 und damit dessen Ausgangssignal, so daß auch
die Spannung am Eingang 14 und damit am Widerstand 48 abfällt. Der Kondensator 47
hält dann jedoch bis zu seiner Entladung über die Basisstrecke den Stromfluß im
Transistor 46 offen, so daß nur für eine bestimmte Zeitdauer die Meßspannung über
dem Wert der Sollschwellwertspannung liegen kann. Wird die Überlastung des Motors
20 während der Impulsdauer vermindert, dann bleibt die Meßspannung unter der Sollschwellwertspannung
und damit der volle Stromflußwinkel eingeschaltet.
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Bei einer erneuten überlastung wiederholt sich die vorbeschriebene
Funktion.
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Bei der Schaltungsvariation nach Fig. 4 ist im Gegensatz zur Schaltung
nach Fig. 3 der Ausgang des Differenzverstärkers 36 nicht unmittelbar dem der Laststrombegrenzung
diendenden Eingang 14 verbunden. Hier ist vielmehr der Ausgang 4 des Differenzverstärkers
36 an den Eingang des Zeitschalters 24 angeschlossen, der als monostabile Flip-Flop-Schaltung
wirkt. Der Ausgang des Zeitschalters 24 ist auf den Laststrombegrenzungs-Eingang
14 gelegt. Die Stromversorgung des Flip-Flop erfolgt dabei über den Referenzspannungs-Anschluß
10 des Bausteins 37. über einen Widerstand 49 wird im übrigen eine Spannungssynchronisation
und über einen Widerstand 50 eine vom Stromfluß abhängige Synchronisation am Eingang
8 bzw. am Eingang 7 des Bausteins 37 erreicht, während die Gleichstromversorgung
am Anschluß 1 erfolgt, von dem auch die Gleichstromversorgung für die Eingänge 5
und 6 abgeleitet wird.
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Bei einem Schaltungsaufbau gemäß der Erfindung kann somit über den
einzigen Gleichrichter 21 im Motorstromkreis der Stromfluß gesteuert werden, wobei
durch die Bemessung des Meßwiderstandes 22 oder der Sollschwellwertspannung der
Ansprechstrom eingestellt werden kann während die Zeitdauer mit vermindertem Stromflußwinkel
durch entsprechende Einstellungen am Zeitschalter 24 vorgenommen werden kann und
die Leistung während der Zeitdauer mit vermindertem Stromflußwinkel frei wählbar
ist. Auch kann der Motor zeitweise mit dem Vielfachen seiner Nennleistung betrieben
werden, wie das bei Winkelschleifern im Betrieb auftritt, weil das RC-Glied 28 eine
Integrationswirkung zeigt und sich kurzzeitig Überlastungen daher nicht sofort auswirken.
Im übrigen kann an Stelle des Meßwiderstandes 22 auch der Spannungsabfall an einer
Feldspule des Motors verwendet werden. Auch kann der Meßwiderstand 22 durch einen
Leiterabschnitt auf einer gedruckten Schaltungsplatte realisiert werden. Daneben
häufen sich durch die integrierende Wirkung des RC-Gliedes mit zunehmender überlastung
des Motors die Zeiten mit verminderten Stromflußwinkel, so daß im Mittel der Motor
auch im überlastbetrieb nicht zerstört wird.
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Um ein jedmaliges, kurzzeitiges Anlaufen des Motors 20 zu vermeiden,
wenn-die Überlastung aufrechterhalten, d.h. der Motor 20 bei zurückgestelltem Stromflußsteller
25 blockiert bleibt, wird die starre Zeitschaltfunktion weggelassen.
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Dafür wird die Hysterese des Schwellwertschalters 23 so groß gewählt,
daß zwar bei Überlast der Stromflußsteller 25 den Stromflußwinkel zurückstellt,
jedoch wird der Rückstellschwellwert des Schwellwertschalters 23 zwischen die Werte
der Meßspannung gelegt, die auftreten, wenn bei zurückgestelltem Stromflußsteller
25 der Motor 20 zum einen
blockiert ist und zum anderen durch Entlastung
im Leerlauf weiterlaufen kann. Dadurch erfolgt eine Rückstellung des Stromflußstellers
25 erst auf den maximal eingestellten Stromflußwinkel, wenn die Blockierung des
Motors 20 aufgehoben ist (Fig. 5).
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Eine geringe Zeitverzögerung der Rückstellung kann dabei durch den
Entladezeitraum des RC-Gliedes 30, 29, 30 erreicht werden, wenn prallel zum Eingang
des Schwellwertschalters 23 ein Entladewiderstand 45 gegen Masse geschaltet wird.
Seine Größe ist so bemessen, daß das Eingangssignal für den Schwellwertschalter
23 bei Überlastung des Motors 20 nicht nachteilig beeinflußt, die Entladezeit jedoch
nicht zu groß wird. Ist eine geforderte kurze Zeitspanne auf diesem Wege nicht zu
erreichen, dann kann der Entladewiderstand 45 klein bemessen und in Serien mit der
Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors 46 gelegt werden, dessen Basis mit dem
Ausgang des Schwellwertschalters 25, 36 und zusätzlich über einen Sparrtransistor
50 mit Masse verbunden ist. Die Basis des Sparrtransistors 50 ist über einen Spannungsteiler
mit dem ersten Kondensator 30 des RC-Gleides verbunden (Fig. 6).
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Hierdurch wird der Entladewiederstand 45 nur dann an den zweiten Kondensator
30 wirksam angeschaltet, wenn nach einer Überlastung des Motors 20 und einer Entlastung
desselben ein neuer Hochlauf mit vollem Stromflußwinkel erfolgen soll.
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L e e r s e i t e