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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Einrichtung zur
Steuerung des elektromagnetischen Selbstbremsstroms in umkehrbaren
rotierenden elektrischen Kommutatormaschinen, insbesondere für elektrische
Maschinen mit Reihenerregung, die allgemein als „Universalmotor" angegeben werden.
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Es
ist bekannt, daß elektrische
rotierende Kommutatormaschinen als Generatoren wirken können, wenn
auch nur für
eine begrenzte Zeit, d.h., sie können
von elektrischen Motoren zu Generatoren wechseln.
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Dieses
Funktionsprinzip ist für
verschiedene Arten von industriellen Anwendungen äußerst interessant,
und von diesen ist die interessanteste die Möglichkeit, ein gesteuertes
elektromagnetisches Selbstbremsen in Motoren für elektrische Werkzeuge zu
erzeugen.
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Wenn
die Funktionsumkehr von Motor zu Generator jedoch in einem Kurzschluß ausgeführt wird,
entsteht ein schneller Stromstoß,
der einige wenige Zehntel einer Millisekunde dauert, jedoch Spitzenwerte
der Intensität
in der Größenordnung
von Hunderten von Ampere erreicht. Solch ein hoher Wert verursacht
irreversible Beschädigung
der Komponenten der elektrischen Maschine, und insbesondere erleiden
der Kommutator, die Bürsten
und die Wicklungen eine unwiderrufliche Beschädigung.
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Aus
EP-A-0551909 und DE-A-4201023 sind vorbekannte Einrichtungen gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1 bekannt.
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Im
Hinblick auf den beschriebenen Stand der Technik besteht die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung darin, eine elektronische Einrichtung
herzustellen, die den in den elektrischen Maschinenwicklungen zirkulierenden
Strom steuern und den Wert des Stroms für die gesamte Zeitdauer, die
die Maschine benötigt,
um zu bremsen, konstant halten kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe mittels einer elektronischen Einrichtung gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Dank
der vorliegenden Erfindung kann eine Einrichtung zur Steuerung des
elektromagnetischen Selbstbremsstroms in reversiblen rotierenden
elektrischen Kommutatormaschinen hergestellt werden, die durch Verwendung
einer pilotfähigen
umschaltbaren Steuerschaltung, die eine elektrische Last, wie z.B.
einen Widerstand oder eine andere Einrichtung in Reihe mit der Induktivitätswicklung
verbindet und trennt, alle oder nahezu alle durch die Maschine erzeugte
Energie als Wärme
abführt,
wenn sie als Generator wirkt. Der Strom in der Schaltung, die die
Induktivitätswicklung
und die Armaturwicklung enthält, wird
also konstant gehalten und verursacht keine Beschädigung der
als Generator wirkenden Maschine. Zusätzlich erzeugt der konstante
Strom folglich ein konstantes elektromagnetisches Drehmoment auf dem
Rotor der Maschine.
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Außerdem muß beachtet
werden, daß die Technik
des Steuerns des Stroms mit einer schaltenden Leistungseinrichtung
parallel mit der elektrischen Last Transfers sehr hoher Leistung
mit verringerter Abmessung, vernünftigen
Kosten und hocheffizienter Elektronik, d.h. mit relativ begrenzter
thermischer Dispersion ermöglicht.
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Ein
anderer wichtiger Effekt der Verwendung einer umschaltbaren Steuerschaltung
ist die begrenzte Stromaufnahme im Standby-Zustand, wodurch bei
angemessener Dimensionierung der Komponenten die Funktionskapazitäten der
Steuerschaltung für
mehrere Sekunden nach der Trennung von der Netzversorgung gehalten
werden können.
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Die
Erregungsschaltung aktiviert die Selbsterregung der Maschine und
dann das Umschalten der in der Stromsteuerschaltung enthaltenen
Leistungseinrichtung zum Verbinden und Trennen der elektrischen
Last in Rei he mit der Induktivitätswicklung.
Die Erregungsschaltung verwendet für diesen Zweck einen elektrischen
Spannungsimpuls, der erzeugt wird, um die Selbsterregung der Maschine
zu ermöglichen,
und damit die Aktivierung des Generators für Impulse variabler Dauer zum
Umschalten der Leistungseinrichtung zu Verbindungs- und Trennungszuständen der
elektrischen Last.
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Im
wesentlichen führt
die Erregungsschaltung die theoretische Funktion eines Generators
einer Impulsspannung mit angemessener interner Impedanzaus. Der
durch diesen Generator erzeugte Impuls beginnt dann, wenn der Stromumkehrer
der elektrischen Maschine kommutiert wird, und dauert mehrere Millisekunden,
woraufhin der Generator sich selbst ausschließt.
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Die
erfindungsgemäße Steuereinrichtung hat
sich als besonders für
elektrische Maschinen geeignet herausgestellt, die von Motor zu
Generator umgeschaltet werden können.
Ihre Verwendung ist auch in anderen Kontexten vorhersehbar, z.B.
für gesteuerte
elektromagnetische Bremsen.
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Die
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der folgenden ausführlichen
Beschreibung von Ausführungsformen,
die als nicht einschränkende
Beispiele in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt sind, offensichtlich werden. Es zeigen:
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1 ein
elektrisches Versorgungsdiagramm einer elektromagnetischen selbstbremsenden
elektrischen Maschine im Stand der Technik;
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2 ein
elektrisches Diagramm einer elektromagnetischen selbstbremsenden
elektrischen Maschine, die mit einer Stromsteuereinrichtung gemäßeiner ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;
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3 einen
experimentellen Graph des elektrischen Verhaltens einer Steuereinrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 ein
elektrisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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5 eine
dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 eine
fünfte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
sechste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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9 eine
siebte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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10 eine
achte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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11 eine
neunte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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12 eine
zehnte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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13 eine
elfte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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14 eine
zwölfte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Das
in 1 dargestellte herkömmliche elektrische Diagramm,
das beispielsweise eine elektrische Maschine betrifft, die von Motor
zu Generator kommutiert werden kann, sieht zwei Anschlüsse 1 vor,
aus denen eine Versorgungsspannung von 220–230 AC für eine elektrische Kommutatormaschine 2 mit
Reihenerregung erhalten werden kann, die eine Induktivitätswicklung 5 und
eine Rotor- oder Armaturwicklung 4 und einen Bipolarumkehrer 3 zum Umschalten
der elektrischen Maschine 2 von Motor auf Generator oder
umgekehrt durch Umkehren der Polarität der Induktivitätswicklung 5 mit
Bezug auf die Armaturwicklung 4 enthält.
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In
der durchgezogenen Darstellung befinden sich die beiden Pole des
Umkehrers 3 in der Position, die die Funktionsweise als
Motor der elektrischen Maschine bestimmt, während sie sich in der gestrichelten
Darstellung in der Stellung befinden, die die Funktionsweise als
Generator im Kurzschluß und des
folglichen Bremsens der elektrischen Maschine 2 bestimmt.
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In
der letzteren Stellung ist der Effekt, der in der elektrischen Maschine 2 erzeugt
wird, d.h., wenn die Umkehrung der Funktion von Motor zu Generator im
Kurzschluß durchgeführt wird,
die Erzeugung eines schnellen Stromstoßes, der einige wenige Zehntel
einer Millisekunde dauert, die aber Spitzenwerte in der Größenordnung
von mehreren Hundert Ampere erreicht, wodurch eine irreparable Beschädigung des Kommutators,
der Bürsten
und der Wicklungen der elektrischen Maschine 2 verursacht
wird.
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Eine
besonders ausführliche
Funktionsbeschreibung des elektrischen Diagramms in 1 findet
man in den geläufigeren
technischwissenschaftlichen Texten.
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2 zeigt
das entsprechende elektrische Diagramm einer ersten Ausführungsform
einer selbstbremsenden Stromsteuereinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Gemäß dem in
der Figur Gezeigten wird eine Stromsteuerelektronikschaltung 6,
die auch als PCCC-Schaltung bezeichnet wird, mit der Induktivitätswicklung 5 in
Reihe angeordnet, um die Steuerung des in dieser Induktivität zirkulierenden
Stroms auszuführen.
Die obige elektronische Schaltung 6 enthält eine
Parallelschaltung eines Bremswiderstands 10, eines Leistungstransistors 12 (der
auch durch einen anderen geeigneten elektronischen Leistungsschalter
ersetzt werden kann) und eines Kondensators 11 zum Schutz
des Transistors 12 vor starken Spannungsgradienten und
eine Generatorschaltung für
Impulse variabler Dauer 9 des Typs PWM (Impulsbreitenmodulation),
die zu einer Zeitsteuerung der Umschaltungen des Leistungstransistors 12 fähig ist. Eine
Vorladeeinrichtung 32, die Energie aus den Induktivitätswicklungen 5 erhält, ist
dem Generator PWM 9 zugeordnet.
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Die
Schaltung 6 enthält
außerdem
eine Sicherung 7 zum Schutz vor Überströmen, und zwar in diesem Fall
eine Sicherung mit einem Wert von 12A, und einen Widerstand 8,
der als „Sensing" bezeichnet wird,
zur Messung des in den Wicklungen 5 und 4 fließenden Stroms,
um so den Generator PWM 9 zum Umschalten der Leistungseinrichtung 12 zu
aktivieren.
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In
dem Diagramm befindet sich eine Erregungsschaltung 13,
die auch als ESC-Schaltung bezeichnet wird, zum Erzeugen einer kurzen
Impulsspannung, die für
die Selbsterregung der elektrischen Maschine zum Zeitpunkt des Umschattens von
Motor auf Generator ausreicht. Die Erregungsschaltung 13 besteht
aus der Parallelschaltung einer Leistungsdiode 14, einer
Vorlastkapazität 15 in
Reihe mit einem Widerstand 16 und einer Zenerdiode 17 in Reihe
mit einem Widerstand 18, wobei alles mit einem Widerstand 31 und
einer Diode 30 in Reihe geschaltet ist.
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Das
Schaltbild in 2 besteht im wesentlichen aus
zwei verschiedenen Schaltungen, und zwar der Steuerschaltung 6 und
der Erregungsschaltung 13, mit einem gemeinsamen Massepunkt 150.
Die beiden Schaltungen wirken an zwei unabhängigen Zweigen des Inversionsdiagramms
der Induktivitätswicklung 5 mit
Bezug auf die Armaturwicklung 4.
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Wenn
die elektrische Maschine 2 als Motor wirkt, was mit dem
Umkehren 3 in der in 2 mit durchgezogener
Linie dargestellten Stellung geschieht, erfolgt eine Vorladung der
Erregungsschaltung 13, wobei von der Armaturwicklung 4 ein
Strom I von einigen wenigen Milliampere abgezweigt wird, der den
Kondensator 15 lädt.
Die Einrichtung 32, die den Vorladestrom von der Induktivitätswicklung 5 abzweigt,
erfährt
ihrerseits eine Vorladung, wodurch der Generator PWM 9 gespeist
wird. Das Abzweigen dieser Ströme
ist für
die Funktionsweise der elektrischen Maschine 2 insignifikant,
da die Ströme
einen mäßigen Wert
aufweisen.
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Wenn
sich der Umkehren 3 in die in 1 mit gestrichelter
Linie dargestellte Stellung bewegt, wird aufgrund der Entladung
des Kondensators 15 durch den Widerstand 16 in
Reihe mit den Wicklungen 5 und 4 der Maschine 2 eine
kurze Impulsspannung erzeugt. Nach einer kurzen Transiente kann diese
Impulsentladungsspannung einen unidirektionalen Strom in der Maschine 2 erzeugen,
der die Maschine 2 minimal erregen kann, und kann dann
die Selbsterregung auslösen
und schließlich
die Maschine 2 als Generator herrauffahren.
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Der
Entladestrom des Kondensators
15, der so erzeugt wird,
muß unidirektional
sein, und damit dies geschieht, ist es auf der Grundlage der Differenzialgleichungen,
die RCL-Resonanzschaltungen steuern, unabdinglich, daß folgendes
gilt:
Hierbei ist R
16 der
Wert des Widerstands
16, C
15 ist der
Kapazitätswert
des Kondensators
15, R
WD gibt den
Gesamtreihenwiderstand der Wicklungen
5 und
4 an
und besitzt einen sehr niedrigen Wert und L
WD identifiziert
die Gesamtreiheninduktivitätder
Wicklungen
5 und
4.
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Wenn
eine Spannung in den Bürsten
der elektrischen Maschine 2 erzeugt wird und deshalb der
selbsterzeugte Strom beginnt, in den Wicklungen zu zirkulieren,
weist die Schaltung 13 eine Impedanz von Null auf, d.h.,
sie nimmt eine Kurzschlußkonfiguration
an, wobei die Leistungsdiode 14 antiparallel liegt.
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Deshalb
arbeitet die Schaltung 13 als ein Generator einer Impulsspannung
mit angemessener Impedanz. Der durch den Spannungsgenerator erzeugte
Impuls beginnt zum Zeitpunkt der Umkehr des Umkehrens 3,
dauert einige wenige Millisekunden, d.h. die Entladezeit der Reihenschaltung
des Kondensators 15 und des Widerstands 16, und
als Abschluß wird
der Spannungsgenerator durch Schließung durch die Leistungsdiode 14 in
Kurzschluß versetzt.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
kann der Impulsspannungsgeneratorvon einem vorgeladenen Kondensator
verschieden sein. Neben der in 2 dargestellten
können
andere Ausführungsformen
zur Erzeugung des Spannungsimpulses angepaßt werden, der sich für das Auslösen der
Selbsterregung der Maschine 2 eignet, wie z.B. Verwendung piezoelektrischer
Kristalle oder wiederaufladbarer Batterien mit einer geeigneten
Spannung.
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Die
Schaltung 6 hat die Eigenschaft eines mäßigen Stromverbrauchs, wenn
die elektrische Maschine 2 als Motor wirkt, weil der Leistungstransistor 12 eingeschaltet,
aber mit einem unterbrochenen Zweig verbunden ist und deshalb keinen
Strom umsetzt. Bei angemessener Bemessung der Vorladeeinrichtung 32 ist
es auch möglich,
den Operationsablauf der Schaltung für einige wenige Sekunden nach
der Trennung der Maschine 2 von dem elektrischen Netz 1 zu
erweitern.
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Nachdem
die Schaltung 13 den Spannungsimpuls zur Erregung der Maschine 2 erzeugt
hat, schreitet die Schaltung 6 ein und führt die
Steuerung des in den Wicklungen 5 und 4 fließenden Stroms aus,
wobei Signale des Typs ON/OFF für
den Leistungstransistor 12 parallel mit dem Widerstand 10 erzeugt
werden.
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Deshalb
wird die Steuerung des Stroms mittels des Schalttransistors 12 ausgeführt, der
im OFF-Zustand, d.h., wenn der Transistor 12 offen ist, die
Verbindung des Widerstands 10 ermöglicht, der durch den Joule-Effekt
die von der Maschine 2, wenn sie als Generator wirkt, erzeugte
Energie in Wärme abführen kann,
während
im ON-Zustand, d.h., wenn der Transistor 12 geschlossen
ist, der Widerstand 10 sich im Kurzschluß befindet.
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Auf
diese Weise hält
die Steuerschaltung 6 den Strom konstant, wodurch verhindert
wird, daß der
Strom eine Beschädigung
der als Generator wirkenden Maschine 2 verursacht.
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In 3 ist
ein Experimentalgraph gezeigt, in dem die X-Achse die in Millisekunden
ausgedrückte
Zeit und die Ordinatenachse den in Ampere ausgedrückten Strom
angibt.
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3 zeigt
das von einem Oszilloskop genommene Bild des Stroms, der während einer
Bremsung gesteuert wird, die an einem Elektrowerkzeug mit 2500 W
einschließlich
der relativen Trägheitslast ausgeführt wird.
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Es
ist ersichtlich, daß in
einem ersten Schritt 19, in dem die elektrische Maschine 2 als
ein Motor wirkt, zum Zeitpunkt T, zu dem der Umkehren 3 umgewechselt
wird, d.h., wenn die Funktionsweise der Maschine 2 umgekehrtwird,
ein schneller Stromstoß 20 erzeugt
wird, der einige wenige Zehntel einer Millisekunde dauert und Spitzenwerte
von etwa 10 Ampere aufweist, wobei dieser Strom in der Induktivitätswicklung 5 und
der Armaturwicklung 4 fließt. Im Schritt 19 erfolgt
eine Vorladung des Kondensators 15 der Schaltung 13,
wobei Strom aus der Wicklung 4 gezogen wird, und zum Zeitpunkt
T kann die in dem Kondensator 15 akkumulierte Ladung die
Maschine 2 erregen; die Maschine 2 führt eine
Selbsterregung aus und fährt
dann als ein Generator herauf. Aufgrund des Leitens von Strom durch
den „Sensing"-Widerstand 8,
tritt die Einrichtung 6 in Aktion und steuert den Wert
des fließenden
Stroms, wobei die erzeugte Energie mit dem Widerstand 10 in
Wärme umgesetzt
wird und die Leistungseinrichtung 12 durch den Generator 9 gesteuert
wird, um so den Strom in der Schaltung innerhalb einer Schwelle 21 zu
halten.
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Beginnend
von dem Zeitpunkt T1 verringert sich der Strom (Linie 22),
und dann hält
die Maschine 2 an (Linie 23), ohne jegliche Beschädigung an
ihren Komponenten.
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In 4 ist
ein elektrisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt.
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Gemäß dem in
der Figur Gezeigten ist ersichtlich, daß der einzige Unterschied zwischen 2 die
Positionierung der Erregungsschaltung 13 ist.
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Tatsächlich wird
bei dieser Darstellung die Schaltung 13 zwischen der Sicherung 7 und
der Steuerschaltung 6 angeordnet.
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Das
Funktionsprinzip bleibt identisch, es besteht aber insofern ein
zusätzlicher
Vorteil, als die gesamte Einrichtung als ein einziges Element mit
drei Anschlüssen
präsentiert
wird, so daß eine
Dreileitungsverkabelung ausreicht.
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Außerdem sollte
beachtet werden, daß das Schaltbild
von 2 zwar für
elektrische Maschinen sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom geeignet
ist, das in 4 nur für Maschinen mit Wechselstrom
geeignet ist.
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In
den Figuren von 5 bis 14, in
denen dieselben Zahlen ähnlichen
elektrischen Schaltungen entsprechen, sind Ausführungsformen mit verschiedenen
Methoden zur Verbindung der Steuereinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt.
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Insbesondere
ist in 5 eine andere Positionierung der Armaturwicklung 4 in
bezug auf die Induktivitätswicklung 5 zu
sehen, mit einer im Vergleich zu dem in 2 dargestellten
Diagramm umgekehrten Verbindung der Schaltungen 6 und 13.
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In 6 ist
die Positionierung der Armaturwicklung 4 in bezug auf die
Induktivitätswicklung 5 gezeigt,
mit im Vergleich zu dem in 4 dargestellten
Diagramm umgekehrter Verbindung der Schaltungen 6 und 13.
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In 7 ist
die Verbindung der Schaltungen 6 und 13 jeweils
in der Stellung zum Vorladen mit der Armaturwicklung 4 und
mit der Induktivitätswicklung 5 gezeigt.
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In 8 ist
die Verbindung der Schaltungen 6 und 13 in Stellungen
zum beiderseitigen Vorladen mit der Armaturwicklung 4 gezeigt.
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In 9 ist
die umgekehrte Verbindung der Wicklungen 5 und 4 im
Vergleich zu 7 dargestellt.
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In 10 ist
die umgekehrte Verbindung der Wicklungen 5 und 4 im
Vergleich zu 8 dargestellt.
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In 11 ist
ein Schaltbild gezeigt, das dem in 2 ähnlich ist,
mit der Ausnahme, daß die
Richtung des Bremsstroms umgekehrt ist.
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In 12 ist
ein Schaltbild gezeigt, das dem in 4 ähnlich ist,
mit der Ausnahme, daß die
Richtung des Bremsstroms umgekehrt ist.
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In 13 ist
ein Schaltbild gezeigt, das dem in 5 ähnlich ist,
mit der Ausnahme, daß die
Richtung des Bremsstroms umgekehrt ist.
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In 14 ist
ein Schaltbild gezeigt, das dem in 6 ähnlich ist,
mit der Ausnahme, daß die
Richtung des Bremsstroms umgekehrt ist.
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Für die verschiedenen
in den Figuren von 5 bis 14 gezeigten
Ausführungsformen kann
ein Austausch der Polarität
sowohl der Induktivitätswicklung
als auch der Armaturwicklung der elektrischen Maschine 2 vorgenommen
werden.
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Natürlich können alle
in den Zeichnungen gezeigten Beispiele, oder wie auch immer sie
in die folgenden Ansprüche
fallen, nicht nur mit diskreten Komponenten ausgeführt werden,
sondern auch in Form eines einzigen integrierten Chips, natürlich mit Ausnahme
der Leistungskomponenten, wie z.B. der Kondensatoren 11 und 15 und
des Widerstands 10.
