DE3325698C1 - Sanftanlaufsteuerung für einen Elektromotor - Google Patents

Description

• zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung, F i g. 2 ein Blockschaltbild mit einer Grundschaltungsanordnung nach F i g. 1 und einer zusätzlichen Schaltung für die Sicherung des Motors vor Überlastung, F i g. 3 die Detailschaltung der Stromerfassungsschaltung, F i g. 4 die Prinzipschaltung des Regelverstärkers, F i g. 5 die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 in Verbindung mit einem integrierten Baustein des Typs U 2l I B, F i g. 6 die Schaltungsanordnung nach F i g. 2 ebenfalls in Verbindung mit einem integrierten Baustein des TypsU211 B.
• Im Blockschaltbild gemäß F i g. 1 stellt 1 einen Universalmotor für den Antrieb eines Elektrowerkzeuges dar, der mittels des Schalters 2 an das speisende Wechsclspannungsnetz anschließbar ist und in seinem Stromkreis einen Triac 3 enthält, dessen Zündelektrode (Gate) 4 über einen Widerstand R9 an den Ausgang einer Phasenanschnittsteuerung 5 angeschlossen ist. Dem Triac 3 ist ein Widerstand R8 vor- bzw. nachgeschaltet, dessen triacseitiges Potential über einen weiteren Widerstand R7 an den Eingang einer Stromerfassungsschaltung 6 gelegt ist, deren Ausgang mit einem aus der Parallelschaltung des Kondensators C4 und dem Widerstand Rlo gebildeten Integrierglied beschaltet und außerdem an den nichtinvertierenden Eingang eines Regelverstärkers 7 mit bipolarem Konstantstromausgang angeschlossen ist. Der mit dem Eingang der Phasenanschnittsteuerung 5 verbundene Ausgang des Regelverstärkers 7 ist mit einem Kondensator Cs sowie gegebenenfalls mit einem in Serie dazu liegenden Widerstand R11 beschaltet. Der Kondensator Cs erzeugt zusammen mit der Stromquelle des Regelverstärkers 7 eine linear ansteigende Spannung, die als Eingangsspannung für die Phasenanschnittsteuerung 5 dient. Die an dem aus den Widerständen R5 und R6 gebildeten Spannungsteiler abgegriffene Referenzspannung UREF liegt dabei im invertierenden Eingang des Regelverstärkers 7. Der Stromflußwinkel zur Zeit der Zuschaltung des Antriebsmotors list mittels des an die Phasenanschnittsteuerung angeschlossenen Einstellwiderstands R2 (Potentiometer) vorgebbar. Die Phasenanschnittsteuerung 5, die Stromerfassungsschaltung 6 und der Regelverstärker 7 können dabei, wie gestrichelt angedeutet ist, als integriertes Bauelement (U 211 B) ausgebildet oder Bestandteil eines solchen sein. Die Schaltung ist als Anlaufelektronik in ein Elektrowerkzeug eingebaut und wird durch den Schalter 2 gleichzeitig mit dem Antriebsmotor an Betriebsspannung gelegt und über die Diode D1 und den Widerstand R, gespeist. Der Kondensator C1 hat die Funktion eines Glättungskondensators. Der Stromflußwinkel ist in diesem Betriebszustand (Einschaltaugenblick) nur vom eingestellten Wert des Widerstandes R2 abhängig.
• Bei geschlossenem Motorschalter 2 fließt der vom Stromflußwinkel bestimmte motorspezifische Anlaufstrom. Der am Widerstand R8 entstehende Spannungsabfall bewirkt über die Stromerfassungsschaltung 6 einen über die Referenzspannung UREFam Spannungsteiler R6 hinausgehenden Spannungsanstieg am Widerstand Rlo des Integrierglieds. Der am Ausgang des Regelverstärkers liegende Kondensator C5 wird nun über den Widerstand R1 mit einem konstanten Strom (ca.
• 100 ,uA) aufgeladen und erzeugt damit eine kontinuierlich ansteigende Steuerspannung. Der Stromflußwinkel ändert sich selbsttätig proportional mit der Steuerspannung und bewirkt somit einen kontinuierlichen Hochlauf des betreffenden Antriebsmotors ohne Stromspitze. Der am Widerstand 11 auftretende konstante Spannungsabfall bewirkt eine Minimierung der Reaktionszeit seit Schließen des Schalters.
• Da die erforderliche Funktionsweise über den Widerstand R8 erkannt wird, benötigt die Schaltung nach der Erfindung keine zusätzliche Bedienung.
• Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 2 ist gegenüber derjenigen nach F i g. 1 dahingehend erweitert, daß eine Freigabeschaltung 8 vorgesehen ist, der ein als Schwellwertschalter ausgebildetes RS-Flipflop 10 vorgeschaltet ist, das ein Set-Signal erhält, wenn der Spannungsabfall am Integrierglied R10C4 den Schwellwert überschreitet. Damit ist die Freigabe blockiert, so daß der Triac 3 keine Zündimpulse mehr erhält und der Laststromkreis somit unterbrochen ist. Die dadurch aktivierte Freigabeschaltung verhindert durch die UND-Verknüpfung mit der Phasenanschnittsteuerung die Ansteuerung des Triacs. Auf diese Weise ist eine Überlastsicherung des Antriebsmotors verwirklicht.
• Die Detailschaltung der in den F i g. 1 und 2 mit 6 bezeichneten Stromerfassungsschaltung zeigt F i g. 3.
• Diese Schaltung enthält den Widerstand R8, der in Serie zum Motor 1 und zum Triac 3 geschaltet ist und an dem ein dem jeweiligen Motorstrom entsprechender Spannungsabfall auftritt. Der Wert des Widerstandes R8 liegt im mQ-Bereich, so daß der jeweilige Spannungsabfall zwischen 10 und 100 mV liegt. An den Widerstand R8 ist der Meßwiderstand R7 angeschlossen, an dem der Strom In einen Spannungsabfall erzeugt, der den unkritischen Grenzwert der Motorleistung nach dem Abschaltvorgang bestimmt. Dieser Strom In fließt über den Meßwiderstand R7 und die Dioden D3, D4 sowie den Transistor T2.
• Der Komparator bzw. Operationsverstärker besteht aus den Transistoren T4 und T3, die nach Art eines Differenzverstärkers emitterseitig miteinander verbunden sind. Die bereits erwähnte Diodenstrecke D3, D4 ist mit der Basis des Transistors T4 verbunden, während eine völlig gleichartige Diodenstrecke D5, D6 zwischen das Bezugspotential (DV) und die Basis des Transistors Tg geschaltet ist. In Reihe zur Diodenstrecke D5, D6 sind ein Widerstand R3, die Diodenstrecke D7, D8, der Widerstand R4 und der als Diode betriebene Transistor T geschaltet. Hierdurch wird der Strom über den Transistor Ts und den Widerstand R6, der den durch den Differenzverstärker fließenden Gesamtstrom bildet, eingestellt.
• Durch den Stromspiegel Tl. T2 ist sichergestellt, daß durch die Diodenstrecken D3, D4 bzw. Dg, D6 exakt gleiche Ströme fließen. Die Referenzspannung UREFist diejenige des gesamten Schaltkreises.
• In die Kollektorstrecken der Transistoren T4 und T5 des Differenzverstärkers sind als Stromspiegelverstärker wirkende Mehrkollektortransistoren T6 bzw. T7 geschaltet. Ein Kollektor des Transistors T6 liefert seinen Strom an das aus dem Kondensator C4 und dem Widerstand Rto bestehende Parallel-RC-Glied.
• Der in den F i g. 1 und 2 mit 7 gekennzeichnete Regelverstärker mit bipolarem Konstantstromausgang ist im Detail in F i g. 4 dargestellt. Dieser Regelverstärker besteht aus dem aus Tal51. 152. 153 und 154 gebildeten Differenzverstärker mit Darlington-Eingang.
• Der Arbeitsstrom dieses Eingangskomparators wird durch den Widerstand R bzw. den Stromspiegel T155, T156 definiert. Je nach Polarität der Eingangsdifferenzspannung zwischen PIN 10 und PIN 11 wirkt der Stromspiegel T148 mit einem positiven Ausgangsstrom am Ausgang PIN 12 bzw. der Doppelspiegel T147, 149. 150 mit einem negativen Ausgangsstrom auf PIN 12. Der bei Vollaussteuerung fließende positive bzw. negative Konstantstrom ergibt sich aus dem mittels R eingestellten Arbeitsstrom und dem Kollektorverhältnis der Stromspiegel T147 und T145.
• F i g. 5 veranschaulicht die erfindungsgemäße Sanft- anlaufsteuerung als Vorschaltgerät in Verbindung mit einem bekannten integrierten Baustein des Typs U211 B.
• Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, ist diese Schaltung mittels des Schalters 11 an das speisende Netz, z. B. an ein 220-Volt-Netz, anschließbar. Für den Anschluß des Antriebsmotors 1, der mittels des Schalters 2 zuschaltbar ist, ist eine Anschlußbuchse 12 (Steckdose) vorgesehen.
• Bei geschlossenem Schalter 11, jedoch noch offenem Laststromkreis entsteht am Widerstand R8 kein Spannungsabfall. Daher ist die am Integrierglied R10C4 anliegende Spannung kleiner als die am invertierenden Eingang des Regelverstärkers liegende Referenzspannung UREF, solange der Motorschalter 2 geöffnet ist. Dementsprechend ist auch die Steuerspannung an der Reihenschaltung C5R11 noch Null. Der Zündwinkel ist in diesem Betriebszustand wiederum nur vom eingestellten Wert des Widerstands R2 abhängig.
• Die Ausgangsspannung der Stromerfassungsschaltung 6 am PIN 15 ist entsprechend dem im vorstehenden ausgeführten wegen fehlenden Spannungsabfall an R8 gleich Null (Bezugspunkt PIN 16). Das Potential am nichtinvertierendeji Eingang PIN 11 des in den F i g. 1,2 und 4 mit 7 bezeichneten Regelverstärkers, der mit PIN 15 verbunden ist, ist daher Nullpotential. Der invertierende Eingang des Regelverstärkers liegt bezogen auf das Potential an PIN 16 auf ca. 1 V.
• Die Steuerspannung ist daher am Ausgang PIN 12 noch Null. Die jetzt erzeugten Zündimpulse sind wirkungslos, da der Laststromkreis nicht geschlossen ist.
• Die Schaltung befindet sich somit in Wartestellung. Bezüglich der weiteren Funktionsweise der Schaltung wird auf die entsprechende Beschreibung zu F i g. 1 verwie sen. Wird der Schalter 11 geöffnet, so gelangt die Schaltung wieder in den Ausgangszustand.
• Die parallel zum Triac 3 liegende Reihenschaltung Kondensator C6 und Widerstand R12 ist die Schutzbeschaltung des Triacs. Die Widerstände R3 und R4 sind für die Synchronisierung der Phasenanschnittsteuerung vorgesehen. C3 ist ein Glättungskondensator und die Diode D2 dient zur Spannungsbegrenzung des Potentials an PIN 15.
• Der Kondensator C2 ist für die Erzeugung eines netzsynchronen Sägezahnspannungsverlaufs für die Phasenanschnittsteuerung und zugleich für die Vorgabe der Zündimpulsbreite erforderlich. Der Kondensator C2 definiert mit dem einstellbaren Widerstand R2 den Zündwinkel der Phasenanschnittsteuerung in Wartestellung.
• Die Schaltungsanordnung nach F ig. 6, die entsprechend F i g. 2 zusätzlich mit einer Überlastsicherung ausgestattet ist und bei welcher der Laststrom quantitiv erfaßt wird, ist ebenfalls auf der Basis des bekannten integrierten Bausteins des Typs U 211 B aufgebaut. An PIN 15 entsteht eine vom Laststrom abhängige Spannung, die beim Überschreiten von ca. 6,8 V bezogen auf das Potential an PIN 16 den aus den Transistoren Tl, T2, den Widerständen R13, R14, RIS, R16, den Dioden D2, D3 und dem Potentiometer P1 gebildeten Thyristor zündet.
• Dieser blockiert über den Freigabepin 18 weitere Triacimpulse und schaltet somit den Laststrom ab.
• Eine kurze Netzunterbrechung durch Betätigung des Schalters 11 bringt diese Schaltung dadurch wieder in den Ausgangszustand, daß der Kondensator Cs für den Thyristor ein power-on-reset Signal erzeugt (definierter Zustand beim Einschalten). Die Abschaltleistung ist mittels des Potentiometers Pt einstellbar.
• Die Bauelemente C6, Rl2, R3, R4, C2, C3 und R2 haben hier dieselbe Funktion wie sie im Zusammenhang mit Fig. 5 angegeben worden ist.
• Mit 13 ist eine Kontrollampe bezeichnet.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Sanftanlaufsteuerung für einen Elektromotor, insbesondere für einen Antriebsmotor eines Elektrowerkzeuges, die eine mit wenigstens einem Triax bestückte Phasenanschnittsteuerung mit motorstromabhängiger Steuerung des Stromflußwinkels des Triacs enthält, dadurch gekennzeichn e t, daß zur Erfassung des über den Triac (3) fließenden Laststromes eine den Spannungsabfall an einem im Lastkreis liegenden Widerstand (R8) abgreifende Stromerfassungsschaltung (6) vorgesehen ist, deren Ausgang mit einem Integrierglied (RloC4) beschaltet sowie an den nicht invertierenden Eingang eines Regelverstärkers (7) mit bipolarem Konstantstromausgang geführt ist, an dessen Ausgang ein Kondensator (Cs) geschaltet ist, der zusammen mit der Stromquelle des Regelverstärkers (7) eine linear ansteigende Spannung erzeugt, die als Eingangsspannung für die Phasenanschnittsteuerung (5) dient und daß an den invertierenden Eingang des Regelverstärkers (7) eine Referenzspannung gelegt ist.
2. 2. Sanftanlaufsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei offenem Lastkreis die am Integrierglied (R10C4) anliegende Spannung kleiner gewählt ist als die am invertierenden Eingang des Regelverstärkers liegende Referenzspannung.
3. 3. Sanftanlaufsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mindeststromflußwinkel zur Zeit der Zuschaltung des Antriebsmotors an das speisende Netz mittels eines Einstellwiderstandes (R2) vorgebbar ist.
4. 4. Sanftanlaufsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungsschaltung (6) nur die positiven Halbwellen erfaßt.
5. 5. Sanftanlaufsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem am Ausgang des Regelverstärkers (7) liegenden Kondensator (C5) ein Widerstand (Ro) in Reihe geschaltetist.
6. 6. Sanftanlaufsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenanschnittsteuerung (5) ausgangsseitig durch ein UND-Glied (9) mit einer Freigabeschaltung (8) verknüpft ist, an deren Eingang ein RS-Flipflop (10) angeschlossen ist, das bei einem grenzwertüberschreitenden Spannungsabfall am Integrierglied (R10C4) gesetzt wird und die Freigabe blockiert (Fig. 2).
7. 7. Sanftanlaufsteuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabeschaltung (8) durch einen Schwellwertschalter verkörpert ist und daß dem S-Eingang des Flipflops (10) eine für das Setzen des Flipflops maßgebende, definierte Schaltschwelle zugeordnet ist (F i g. 2).

   Gegenstand der Erfindung ist eine Sanftanlaufsteuerung für einen Elektromotor, insbesondere für einen Antriebsmotor eines Elektrowerkzeuges, die eine mit wenigstens einem Triac bestückte Phasenanschnittsteuerung mit motorstromabhängiger Steuerung des Stromflußwinkels des Triacs enthält.

   Durch die DE-OS 2631 418 ist zur Begrenzung des Anlauf- und Überlaststroms des Antriebsmotors eines Elektrowerkzeugs ist ein Vorschaltgerät bekannt, das einen mit einem phasenanschnittgesteuerten Triac zusammenarbeitenden Stromregler mit einstellbarem Sollwert und einem aus einem Übertrager, einem Gleichrichter und einem Kondensator bestehenden Strom-Meßumformer und einem kontaktlosen Schalter verbunden ist. Dieser Schalter ermöglicht bei angeschlossenem Gerät und geöffnetem Motorschalter die Aufladung des Kondensators, legt am Istwerteingang des Phasenanschnittsreglers einen Grundwert fest und schaltet bei geschlossenem Motorschalter ab. Der Wert am Istwerteingang des Stromreglers ist daher im Einschaltaugenblick durch Überlagerung der nach einer e-Funktion abfallenden Spannung am Kondensator und der Spannung vom Strom-Meßumformer bestimmt.

   Der Grundwert der Spannung am lstwerteingang des Stromreglers und dem Kondensator ist bei geöffnetem Motorschalter größer oder gleich der Spannung am Sollwerteingang. Bei an das Netz geschaltetem Vorsatzgerät wird der Kondensator im Ruhebetrieb über den kontaktlosen Schalter aufgeladen.

   Wird der Motorschalter geschlossen, so liegt im Istwerteingang des Phasenanschnittsreglers eine vom Strom-Meßumformer (Kondensator) bestimmte Spannung. Der Kondensator entlädt sich und die Istwertspannung sinkt ab. Damit beginnt ein Anlaufstrom mit zunehmenden Stromflußwinkel zu fließen. Der Stromistwert gelangt über den Strom-Meßumformer auf den Eingang der Phasenanschnittsteuerung. Erreicht der Strom-Istwert den eingestellten Sollwert, so wird der Anlaufstrom begrenzt.

   Eine derartige Schaltungsanordnung ist aufwendig.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sanftanlaufsteuerung der gattungsgemäßen Art zu konzipieren, die einen vergleichsweise geringeren Schaltungsaufwand erforderlich macht und die vollkommen selbsttätig arbeitet.

   Zur Lösung dieses Problems sieht die Erfindung vor, zur Erfassung des über den Triac fließenden Laststromes eine den Spannungsabfall an einem im Lastkreis liegenden Widerstand abgreifende Schaltungsanordnung vorzusehen, deren Ausgang mit einem Integrierglied beschaltet sowie an den nicht invertierenden Eingang eines Regelverstärkers mit bipolarem Konstantstromausgang geführt ist, an dessen Ausgang ein Kondensator geschaltet ist, der zusammen mit der Stromquelle des Regelverstärkers eine linear ansteigende Spannung erzeugt, die als Eingangsspannung für die Phasenanschnittsteuerung dient, und wobei an den invertierenden Eingang des Regelverstärkers eine Referenzspannung gelegt ist.

   Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sanftanlaufsteuerung wird im nachstehenden anhand entsprechender Schaltungsanordnungen erläutert.