DE69018781T2

DE69018781T2 - Elektronischer Regelkreis für Wechselstrommotoren.

Info

Publication number: DE69018781T2
Application number: DE69018781T
Authority: DE
Inventors: Giuseppe L Cuneo
Original assignee: Black and Decker Inc
Current assignee: Black and Decker Inc
Priority date: 1989-11-24
Filing date: 1990-11-20
Publication date: 1995-08-24
Anticipated expiration: 2010-11-21
Also published as: EP0430535B1; US5086491A; IT1237844B; IT8922510A0; EP0430535A3; EP0430535A2; DE69018781D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Regelkreis für Wechselstrommotoren.
Bei der bekannten Technologie wird das Erfordernis häufig nicht erreicht, einen Elektromotor zwischen einem Volleistungs-Zustand und einem Teilleistungs-Zustand umschalten zu können, um zum Beispiel dessen Drehzahl und/oder den aufgenommenen Strom und folglich dessen Belastung zu begrenzen.
Um ein hohes Verhältnis zwischen Leistung und Größe zu erhalten, verwenden beispielsweise einige Elektromotoren solche Wicklungen, daß sie im Leerlauf und bei voller Leistung äußerst hohe Winkelgeschwindigkeiten erreichen, wodurch Probleme bezüglich der Zuverlässigkeit und der Sicherheits-Standards entstehen. Zur Lösung dieser Probleme wurden Regelkreise entwickelt, die solche Motoren bei Leerlauf mit Teilleistung versorgen, um die Leerlaufdrehzahl zu begrenzen, und mit Volleistung, wenn eine Last aufgebracht und deshalb die gesamte verfügbare Leistung des Motors benötigt wird, ohne daß das Risiko zu hoher Drehzahlen entsteht. Bei der bekannten Technologie haben solche Schaltkreise normalerweise einen komplizierten Aufbau mit teuren, speziell integrierten Regelkreisen oder elektromechanischen Systemen, die beispielsweise die durch Drehung des Motors entstehende Zentrifugalkraft verwenden, bei Betrieb jedoch unzuverlässig sind und häufig eine sperrige Größe haben.
Motoren des zuvor erwähnten Typs werden beispielsweise wegen ihres guten Verhältnisses von Gewicht und Leistung häufig in tragbaren Elektrogeräten verwendet. Es ist offensichtlich, daß bei solchen Anwendungen Kosten, kompakte Bauweise und Betriebssicherheit des Regelkreises wichtige Eigenschaften sind, die, wie beschrieben, von der bekannten Technologie nur unzureichend erfüllt werden.
Ein weiteres Beispiel für die Notwendigkeit, zwischen den beiden obengenannten Zuständen umschalten zu können, ergibt sich dann, wenn der von einem Elektromotor aufgenommene Strom auf einen Maximalwert begrenzt werden soll, um bei mechanischer Überlastung eine Beschädigung zu verhindern. Ein spezieller Regelkreis führt dem Motor solange Volleistung zu, wie der Betrag des aufgenommenen Stromes einen vorbestimmten Wert nicht übersteigt, oberhalb dessen der Regelkreis dem Motor nur Teilleistung und folglich einen geringeren Strom zuführt, um so dessen Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Um zur Verhinderung der Überlastung eine solche Funktion durchführen zu können, erfordert die bekannte Technologie komplizierte Lösungen, die zum Umschalten zwischen den obengenannten Leistungs-Zuständen teure, speziell integrierte Schaltkreise oder Bimetall-Schaltereinrichtung verwenden, die schwierig einzustellen sind und diskontinuierlich arbeiten. Die DE-A-32 24 366 zeigt eine solche Anordnung.
Bei tragbaren Elektrogeräten besteht eine erwünschte Eigenschaft ebenfalls darin, den Strom zu begrenzen, um durch große Laständerungen entstehende mechanische Überlastungen zu verhindern, denen solche Geräte bei Benutzung ausgesetzt sind. Auch hier ist die bekannte Technologie bezüglich der Kosten, der kompakten Bauweise und der Betriebssicherheit nicht zufriedenstellend.
Die vorliegende Erfindung basiert auf einem elektronischen Regelkreis für einen Elektromotor mit einer ersten bidirektional gesteuerten Diode (hiernach als "TRIAC" bezeichnet), die in Reihe zum Motor geschaltet ist, um diesen bei Durchlaß mit einer Wechselstromquelle zu verbinden, wobei ein Steueranschluß des TRIAC mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, die so ausgebildet ist, um die leitende Periode des TRIAC während jeder Wellenperiode der Quelle zu verringern, so daß dem Motor eine reduzierte Leistung zugeführt wird, und auf einer Schaltereinrichtung, die so angeordnet ist, daß sie bei geschlossener Stellung dem TRIAC einen Steuerstrom zuführt, um dessen ununterbrochenen Durchlaß zu bewirken, so daß dem Motor volle Leistung zugeführt wird. Eine solche Anordnung wird in der DE-A-35 26 598 gezeigt.
Die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die obengenannten Probleme zu verhindern, indem ein Regelkreis einfachen Aufbaus, mit geringen Kosten und sicherem Betrieb geschaffen wird, um Wechselstrommotoren und insbesondere tragbare Elektrogeräte mit Volleistung oder Teilleistung zu versorgen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, mittels dieses Regelkreises eine Einrichtung zur Begrenzung der Drehzahl im Leerlaufbetrieb und außerdem eine Einrichtung zur Begrenzung des von den Wechselstrommotoren aufgenommenen Stromes zu schaffen.
Die Erfindung kann durch Anpassung der in der DE-A-35 26 598 gezeigten Anordnung realisiert werden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schaltereinrichtung durch eine Steuereinrichtung gesteuert wird, die aufweist:
a) eine Meßeinrichtung zum Messen des durch den Motor fließenden Stromes und zum Erzeugen eines die Funktion dieses Stromes darstellenden Signals; und
b) eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen dieses Signals mit einem vorbestimmten Grenzwert und zum Ansteuern der Schaltereinrichtung, wenn das Signal den Grenzwert übersteigt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung, bei Überlastung oder bei zu hoher Drehzahl des Motors von Volleistung auf Teilleistung zu schalten, wird auf einfache und wirkungsvolle Weise erreicht.
Die Steuereinrichtung enthält vorzugsweise ein Steuernetzwerk mit fester Phase, das den Durchlaß des TRIAC mit einer vorbestimmten Verzögerung bezüglich des Nullpunktes der Welle der Stromversorgung auslöst. Dabei kann das Steuernetzwerk mit fester Phase einen RC-Teiler und einen DIAC enthalten, der zwischen dem mittleren Punkt des letzteren und dem Steueranschluß des TRIAC geschaltet ist.
Vorzugsweise wird der Steuerstrom, der den ununterbrochenen Durchlaß des TRIAC bewirkt, durch einen Widerstand begrenzt, der in Reihe zur Schaltereinrichtung geschaltet ist.
Die Schaltereinrichtung kann einen zweiten TRIAC enthalten, dessen Steueranschluß einen Anschluß zur Aktivierung der Vergleichseinrichtung bildet.
In einer bevorzugten Anordnung wird dem Motor Volleistung zugeführt, wenn der Strom einen Grenzwertpegel übersteigt, der im wesentlichen dem Leerlauf-Aufnahmepegel des Motors entspricht.
In einer weiteren bevorzugten Anordnung wird dem Motor Teilleistung zugeführt, wenn der Strom einen Grenzwertpegel übersteigt, der im wesentlichen einem vorbestimmten Maximalstromwert entspricht.
In jedem Fall enthält die Meßeinrichtung vorzugsweise einen Meßwiderstand, der so geschaltet ist, daß er im wesentlichen von dem durch den Motor fließenden Strom durchflossen wird, und einen Wandlerschaltkreis, der die an den Anschlüssen des Meßwiderstandes abfallende Spannung in eine kontinuierliche elektrische Größe umwandelt, die deren Funktion darstellt.
Der Wandlerschaltkreis kann einen Operationsverstärker enthalten, der mit seinem invertierenden Eingang mit dem Meßwiderstand und mit seinem nichtinvertierenden Eingang mit einem Widerstandsteiler verbunden ist, welcher einen Referenzpegel liefert, der geringer ist als der Spitzenwert der am Meßwiderstand abfallenden Spannung, um an seinem Ausgang ein Signal zu erzeugen, das eine im wesentlichen rechteckige Wellenform und ein Pegelverhältnis aufweist, die einer Funktion des durch den Meßwiderstand fließenden Stromes entsprechen, und einen RC-Filterschaltkreis, der mittels einer Diode mit dem obengenannten Ausgang verbunden ist, um an seinem Ausgang als kontinuierliche elektrische Größe eine kontinuierliche Spannung zu liefern, die eine Funktion des Durchschnittswertes des im wesentlichen rechteckförmigen Wellensignals darstellt.
Alternativ kann der Wandlerschaltkreis einen Operationsverstärker, der mit dem Meßwiderstand verbunden ist, um an seinem Ausgang ein pulsierendes Amplitudensignal zu erzeugen, das eine Funktion des durch den Meßwiderstand fließenden Stromes darstellt, und einen RC-Filterschaltkreis aufweisen, der mittels einer Diode mit dem obengenannten Ausgang verbunden ist, um an seinem Ausgang als eine kontinuierliche elektrische Größe eine kontinuierliche Spannung zu liefern, die eine Funktion des pulsierenden Signals darstellt.
In jedem Fall enthält die Vergleichseinrichtung vorzugsweise außerdem einen Operationsverstärker, dessen invertierender Eingang mit dem Ausgang der Meßeinrichtung und dessen nichtinvertierender Eingang mit einem Widerstandsteiler verbunden ist, der den Schaltergrenzwert steuert.
Die Vergleichseinrichtung kann außerdem eine Hysterese enthalten, die während des Schaltens den Eingriffs-Grenzwert in eine Richtung verschiebt, die entgegen der Bewegungsrichtung durch den Grenzwert der kontinuierlichen Spannung verläuft.
Um die innovativen Prinzipien der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile gegenüber der bekannten Technologie darzustellen, folgt eine Beschreibung eines möglichen Beispiels, das diese Prinzipien verwendet und durch die anliegenden Zeichnungen verdeutlicht wird.
Figur 1 zeigt gemäß der Erfindung ein Blockdiagramm eines Regelkreises für einen Wechselstrommotor;
Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm unter Verwendung des Schaltkreises aus Figur 1, um entsprechend dem vom Motor aufgenommenen Strom eine automatische Steuereinrichtung für einen Wechselstrommotor zu bilden;
Figur 3 zeigt einen Schaltplan, der die in Figur 2 gezeigte Anordnung realisiert, um eine Einrichtung zur Begrenzung der Drehzahl eines Wechselstrommotors im Leerlaufbetrieb zu bilden;
Figur 4 zeigt einen Schaltplan, der die in Figur 2 gezeigte Anordnung realisiert, um eine Einrichtung zur Begrenzung des von einem Wechselstrommotor aufgenommenen Stromes zu bilden.
Unter Bezugnahme auf die Figuren zeigt Figur 1 einen Entwurf eines Regelkreises, der im allgemeinen mit 10 bezeichnet wird, und der gemäß der Erfindung für einen Wechselstrom-Elektromotor 11 vorgesehen ist. Der Motor ist über eine bidirektional gesteuerte Diode (TRIAC) 12 mit den Anschlüssen 13 und 14 einer Wechselstromzufuhr verbunden.
Der Steueranschluß 15 des TRIAC 12 ist mit einem DIAC 16 verbunden, dessen anderer Anschluß mit einem RC-Netzwerk verbunden ist, das einen Widerstand 17 und einen Kondersator 18 enthält. Der DIAC 16 und das RC-Netzwerk 17, 18 bilden somit für den TRIAC 12 ein bekanntes Steuersystem mit fester Phase.
Der Steueranschluß des TRIAC ist ebenfalls mit einer Schaltereinrichtung verbunden, die durch ein Signal angesteuert wird, das über einen Anschluß 21 zugeführt wird, um im geschlossenen Zustand den Steueranschluß 15 über einen Begrenzungswiderstand 20 mit einem Potentialpegel zu verbinden, der ausreicht, um den TRIAC zu betätigen. Vorzugsweise wird dieses Potential an einen anodischen Anschluß des TRIAC geführt.
Die Werte der Komponenten sind für einen Fachmann offensichtlich, insbesondere mit Blick auf die folgenden Erläuterungen bezüglich deren Funktion.
Der TRIAC 12 muß bezüglich der zulässigen Strom- und Spannungscharakteristiken und bezüglich der Verlustleistung auf die Charakteristiken des zu speisenden Motors 11 angepaßt werden. Die Werte des RC-Netzwerkes 17, 18 müssen so gewählt sein, daß es eine Phasenverzögerung erzeugt, die der Teilleistung entspricht, mit der der Motor auf Befehl gespeist werden soll. Der Wert des Widerstandes 20 muß ausreichend klein sein, um den TRIAC vollständig auszulösen, wenn der gesteuerte Schalter 19 geschlossen ist, gleichzeitig jedoch ausreichend groß, um den durch den Widerstand und folglich durch den Steueranschluß 15 fließenden Strom auf einen Betrag zu begrenzen, der für die Funktionsfähigkeit der Komponenten 12 zulässig ist. Ein anwendbarer Wert kann zum Beispiel ungefähr 1 Kiloohm betragen.
Der Schaltkreis 10 arbeitet wie folgt:
Wenn den Anschlüssen 13 und 14 Energie zugeführt wird (normalerweise durch das sinusförmige Stromversorgungsnetz), werden die Volleistungs- oder Teilleistungs-Zustände des Elektromotors durch ein Schaltsignal über Anschluß 21 gesteuert, über welches der gesteuerte Schalter 19 geschlossen bzw. geöffnet wird.
Wenn sich der Schalter 19 in einer geöffneten Stellung befindet, wird der Durchlaß des TRIAC 12 durch das Steuernetzwerk 17, 18 mit fester Phase und durch den DIAC 16 ausgelöst, und zwar, wie für den Fachmann offensichtlich, mit einer Phasenverschiebung bezüglich des Nullpunktes der sinusförmigen Leistungsversorgung an den Anschlüssen 13 und 14, die durch die Komponenten 16, 17, 18 bestimmt wird. Auf diese Weise wird der effektive Spannungswert an den Enden des Motors bezüglich der Versorgung mit voller Leistung reduziert, und folglich ist die Drehzahl des Motors kleiner als die Nominaldrehzahl.
Wenn sich der Schalter 19 in der geschlossenen Stellung befindet, erreicht der den TRIAC aktivierende Strom dessen Anschluß 15 direkt über den Widerstand 20 und wird über diesen Strom ununterbrochen auf Durchlaß geschaltet, so daß dem Motor die an den Anschlüssen 13 und 14 anliegende volle Leistung zugeführt wird.
Der gesteuerte Schalter 19 kann auf bekannte Weise, beispielsweise als ein Relais oder eine Halbleitereinrichtung, ausgebildet sein. Vorzugsweise kann, wie nachstehend gezeigt wird, ein zweiter Niederleistungs-TRIAC verwendet werden.
Obwohl das Schaltsignal auf Anschluß 21, beispielsweise manuell über einen Schalter, einfach erzeugt werden kann, um die Drehzahl eines Elektromotors zwischen dessen Nominaldrehzahl und einem kleineren vorbestimmten Wert zu verändern, kann, wie oben beschrieben, ein Regelkreis mit zwei Zuständen entsprechend dem vom Motor aufgenommenen Strom vorteilhaft für automatische Steuereinrichtungen eines Motors verwendet werden.
Figur 2 zeigt beispielsweise eine solche Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein niederohmiger Meßwiderstand 22 ist in Reihe mit dem Elektromotor 11 geschaltet, um an den Anschlüssen des Widerstandes einen Spannungsabfall zu erhalten, der sich proportional zu dem vom Motor aufgenommenen Strom verhält.
Ein Meßschaltkreis 23 mißt diesen Spannungsabfall und gibt ein Steuersignal auf den Anschluß 21, um zwischen den beiden Zuständen des Regelkreises 10 umzuschalten, wenn ein durch einen Referenzgenerator 24 erzeugter Grenzwert erreicht wird.
Bezogen auf einen Beispielfall, in dein ein Motor 11 verwendet wird, der im Leerlaufbetrieb zu sehr hohen Drehzahlen neigt, kann der Schaltkreis 23 eingestellt werden, um den Schalter 19 zu schließen, wenn der gemessene Stromwert größer ist als der Leerlauf-Aufnahmepegel des Motors.
Wenn sich der Motor im Leerlaufbetrieb befindet, ist der gesteuerte Schalter 19 geöffnet, und folglich wird der Motor mit Teilleistung gespeist, um diesen bei einer Drehzahl zu betreiben, die durch Auswahl der Werte des RC-Teilers 17, 18 eingestellt wird und sich innerhalb zulässiger Grenzen bewegt. Wenn andererseits der Motor belastet wird, ist der aufgenommene Strom ausreichend, um zu bewirken, daß die Einrichtung 23 das Schließen des Schalters 19 aus löst, so daß dem Motor über die Anschlüsse 13 und 14 die volle Leistung zugeführt wird.
Wenn der Motor stattdessen einen Überlastungsschutz benötigt, ist es ausreichend, den Schaltkreis 23 derart auszubilden, daß er den Schalter 19 öffnet, wenn ein vom Motor aufgenommener Strom gemessen wird, der über der Sicherheitsgrenze liegt. Wenn der Motor einen zulässigen Strompegel aufnimmt, kann er mit der vollen Leistung versorgt werden. Sobald der Pegel des aufgenommenen Stromes einen vorbestimmten Pegel überschreitet, öffnet der Schaltkreis 23 den Schalter 19, so daß der Motor mit Teilleistung versorgt wird, um die Größe des aufgenommenen Stromes auf einen sicheren Wert zu begrenzen.
Anhand eines Beispiels zeigt Figur 3 ein Schaltkreisdiagramm, das gemäß der innovativen Prinzipien der vorliegenden Erfindung eine Steuereinrichtung zur Begrenzung der maximalen Drehzahl des Motors im Leerlaufbetrieb realisiert.
Der Meßschaltkreis 23', der dem in Figur 2 durch 23 bezeichneten Typ entspricht, wird durch Operationsverstärker U1 und U2 gebildet, die mit der Leitungsspannung der Anschlüsse 13 und 14 gespeist werden, und zwar über einen Gleichrichtungs-, Reduzierungs und Stabilisierungs-Schaltkreis, der im allgemeinen mit 25 bezeichnet wird, für den Fachmann offensichtlich ist und deshalb nicht weiter beschrieben wird, um den Punkt 26 mit einer geeigneten Gleichspannung zu versorgen.
Der Regelkreis zum Umschalten zwischen den beiden Leistungs- Zuständen für den Motor wird mit 10' bezeichnet. Dieser Schaltkreis 10' entspricht im wesentlichen dem Schaltkreis 10 in den Figuren 1 und 2, wobei der einzige Unterschied darin besteht, daß ein Meßwiderstand 22' eingefügt wird, der in Reihe zum TRIAC 12 geschaltet ist, so daß er im wesentlichen von dem durch den Motor fließenden Strom durchflossen wird und aufgleiche Weise und mit der gleichen Funktion wie der Widerstand 22 in Figur 2 arbeitet. Die unterschiedliche Position des Meßwiderstandes zwischen Figur 2 und Figur 3 erfolgt ausschließlich aus Gründen der Vereinfachung im speziellen Schaltkreisdiagramm des Meß- Systems 23, das in Figur 3 gezeigt ist.
Die am Widerstand 22' abfallende Spannung wird dem invertierenden Eingang 27 des ersten Operationsverstärkers U1 zugeführt, wobei dessen anderem Eingang 28 eine Referenz-Gleichspannung zugeführt wird, die kleiner ist als die minimale Spitzenspannung, die am Meßwiderstand 22' von Interesse ist, und die von einem Spannungsteiler gebildet wird, der die Widerstände R2, R3, R4 und den Kondensator C1 aufweist, der Schwankungen und Störungen herausfiltert.
Am Ausgang 29 des Operationsverstärkers U1 erhält man eine im wesentlichen rechteckige Welle mit einem Pegelverhältnis (d.h. einem Verhältnis zwischen hohem Pegel und niedrigem Pegel, duty cycle), das sich umgekehrt proportional zu dem durch den Meßwiderstand 22' fließenden Strom (mit sinusförmiger Form) verhält.
Diese Rechteckwelle wird über eine Zenerdiode D1 zu einem Netzwerk geführt, das einen Kondensator C2 und einen Widerstand R5 aufweist, wodurch ein Filter gebildet wird, um die Gleichspannung herauszufiltern, die sich proportional zum Durchschnittswert der Rechteckwelle verhält, und die dem invertierenden Eingang 30 des zweiten Operationsverstärkers U2 zugeführt wird. Je größer der vom Motor aufgenommene Strom ist, desto kleiner ist die Gleichspannung an Punkt 30.
Dem nichtinvertierenden Eingang 36 des Operationsverstärkers U2 wird eine Referenz-Gleichspannung zugeführt. Diese wird durch einen Widerstandsteiler, der die Widerstände R6 und R7 enthält, gebildet und durch einen Kondensator C5 gefiltert. Dadurch wird ein Spannungs-Vergleichsschaltkreis geschaffen.
Am Ausgang des Operationsverstärkers U2 liegt ein Steuersignal für den Anschluß 21 des Regelkreises 10' an, wie vorstehend für den Schaltkreis 10 beschrieben. Der Spannungspegel am Anschluß 21 wird insbesondere dann groß sein, wenn die Spannung an Eingang 30 kleiner ist als die Referenzspannung an Eingang 36. Der Spannungspegel wird jedoch kleiner sein, wenn der umgekehrte Zustand vorliegt.
Wie ebenfalls in Figur 3 gezeigt, enthält der durch das Signal 21 gesteuerte und vorstehend in den Figuren 1 und 2 als 19 bezeichnete Schalter einen TRIAC. Wenn das Signal 21 groß ist, schaltet der TRIAC 19 auf Durchlaß, und der Motor wird mit voller Leistung versorgt. Wenn das Signal 21 klein ist, sperrt der TRIAC 19, und der Motor wird, wie oben beschrieben, mit einer Teilwelle gespeist.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, wie der Teiler R6, R7 als Referenzgenerator funktioniert, der in Figur 2 durch 24 dargestellt ist. Die Referenzspannung an Punkt 36 bildet einen Grenzwert für den Betrieb des Regelkreises 10' mit zwei Zuständen.
Wenn der vom Motor aufgenommene Strom kleiner ist als ein bestimmter Wert, der am besten so gewählt ist, daß er kaum höher ist als der Leerlaufstrom des Motors, ist die Spannung an Punkt 30 größer als der Grenzwert. Dadurch wird der Motor bei Leerlauf mit Teilleistung versorgt, wodurch eine zu hohe Drehzahl vermieden wird.
Wenn der vom Motor aufgenommene Strom größer ist als der obengenannte Grenzwert, ist die Spannung an Punkt 30 größer als der Grenzwert, so daß der Motor mit Volleistung versorgt wird. Sobald der Motor belastet wird und deshalb kein Risiko einer zu hohen Drehzahl besteht, wird der Motor mit seiner normalen Betriebsleistung versorgt.
In Figur 4 ist ein weiterer Schaltplan gezeigt, der anhand eines Beispiels ein Steuersystem zeigt, das ebenfalls gemäß der hier beanspruchten innovativen Prinzipien gebildet wird, und das den vom Elektromotor aufgenommenen Strom begrenzt.
Wie in dieser Figur dargestellt, weist der Meßschaltkreis 23", der ebenfalls dem vorstehend in Figur 2 durch 23 bezeichneten Typ entspricht, zum Erreichen der besonderen Anwendung zwei Operationsschaltkreise U3 und U4 auf, die über einen Gleichrichtungs-, Reduzierungs- und Stabilisierungs-Schaltkreis, der im allgemeinen mit 31 bezeichnet wird, aufgleiche Weise wie der Schaltkreis aus Figur 3 mit der Leitungsspannung versorgt werden, um an Punkt 32 eine geeignete Gleichspannung zu erhalten.
Der Operationsschaltkreis U3, der in bekannter Verstärkeranordnung geschaltet ist, verstärkt eine halbe Welle der Spannung, die an dem in Reihe zum Leistungs-TRIAC geschalteten Meßwiderstand 22' abfällt.
Die Impulswelle, deren Amplitude sich proportional zu dem vom Motor aufgenommenen Strom verhält, die am Ausgang 33 des Operationsverstärkers U3 anliegt, wird in eine Gleichspannung umgewandelt, die proportional zu deren Durchschnittswert ist, und zwar mittels eines Filters, der die Komponenten R9, D2, R10 und C6 enthält, wie für den Fachmann offensichtlich ist. Der auf diese Weise gebildete Gleichspannungswert wird dem invertierenden Eingang 34 des Operationsverstärkers U4 zugeführt, der mittels eines Widerstandsteilers R11, R12 und eines Rückführ- Widerstandes R13 einem Komperator mit Hysterese bildet.
Der Ausgang des Komperators wird über einen Widerstand R14 zum Steueranschluß 21 eines Regelkreises geführt, der dem in den Figuren 1 und 2 durch 10 dargestellten Typ entspricht, und der, wie in Figur 4 zu sehen ist, als gesteuerten Schalter 19 einen zweiten Niederleistungs-TRIAC enthält.
Die Funktionsweise eines auf diese Art entworfenen Schaltkreises ist für den Fachmann offensichtlich.
Der Widerstandsteiler, der mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers U4 verbunden ist, erzeugt einen Grenzwert für den maximalen Strom, der vom Motor aufgenommen werden kann. Wenn der an Punkt 34 anliegende Gleichspannungswert, der eine Funktion des durch den Motor fließenden Stromes darstellt, kleiner ist als der erzeugte Grenzwert, liegt am Ausgang des Komperators U4 ein hoher Spannungspegel an, und folglich schaltet der TRIAC 19 auf Durchlaß, und der Motor wird über den TRIAC 12 mit Volleistung versorgt. Wenn bei äußerst großer mechanischer Belastung der Strom des Motors die erzeugte zulässige Grenze überschreitet, wird die Spannung an Punkt 34 den Grenzwertpegel 35 überschreiten, und der Komperator wird seinen Ausgang verringern, wodurch der TRIAC 19 gesperrt und der Motor folglich mit Teilleistung versorgt wird, um den durch den Motor fließenden Strom auf einen zulässigen Wert zu begrenzen.
Wenn der Zustand der Überlastung beendet ist, reaktiviert der Schaltkreis 23 den TRIAC 19, und der Motor wird deshalb wieder mit Volleistung versorgt.
Zu dessen Vorteil bewirkt das Vorhandensein des Widerstandes R13 eine Hysterese des Komperators, wodurch dessen Eingriffsgrenzwert auf bekannte Weise leicht zwischen dem Zustand des oberen Grenzwertes und dem Zustand des unteren Grenzwertes in einer Richtung entgegen der Bewegungsrichtung zum Grenzwert verschoben wird, um eine Instabilität infolge der Verminderung des vom Motor aufgenommenen Stromes zu vermeiden, nicht um die Lastzustände zu verringern, sondern um die Versorgungsspannung infolge deren Reduzierung einfach zu verringern.
In der vorliegenden Beschreibung kann gesehen werden, wie mit einem Schaltkreis gemäß der innovativen Prinzipien der vorliegenden Erfindung, der mit 10 (oder 10') bezeichnet wird, auf einfache Art und Weise Steuereinrichtungen geschaffen werden können, um bei einem elektrischen Wechselstrommotor zwischen zwei Zuständen der Leistungsversorgung umschalten zu können.
Natürlich sind die obenbeschriebenen Entwürfe aus Gründen der anhand von Beispielen dargestellten innovativen Prinzipien der vorliegenden Erfindung begrenzt und dürfen daher nicht als Beschränkungen des beanspruchten Bereichs des Patents verstanden werden.
Beispielweise können die Widerstandsteiler zum Erzeugen des Grenzwertes variable Widerstände enthalten, um dadurch die Grenzwerte kontinuierlich und genau steuern zu können.
Wie mit zwei Operationsverstärkern kann ein Meßschaltkreis 23 auch mit einem anderen Schaltkreis realisiert werden, der diskrete oder andere Komponenten aufweist, wie für den Fachmann offensichtlich ist.
Es ist ebenso verständlich, daß die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Schaltkreismöglichkeiten mit naheliegenden Veränderungen entweder in einem Schaltkreis zur Drehzahlbegrenzung oder zur Strombegrenzung verwendet werden können. Zum Beispiel kann die Drehzahlbegrenzung als ein Schaltkreis verwendet werden, um den vom Motor aufgenommenen Strom in eine Gleichspannung für eben diese Funktion umzuwandeln, wobei der Schaltkreis für die entsprechende Funktion der Strombegrenzung in Figur 4 gezeigt ist. Dazu müssen die Verbindungen zwischen dem invertierenden Eingang und dem nichtinvertierenden Eingang des Komperators U2 zur korrekten Betätigung natürlich gewechselt werden, oder andererseits die des durch den TRIAC 19 gebildeten gesteuerten Schalters, wobei die Richtungsänderungen der Gleichspannung entsprechend dem vom Motor aufgenommenen Strom in jedem Fall umgekehrt sind.

Claims

1. Elektronischer Regelkreis für einen Elektromotor (11) mit einer ersten bidirektional gesteuerten Diode (hiernach als "TRIAC" bezeichnet) (12), die in Reihe zum Motor geschaltet ist, um diesen bei Durchlaß mit einer Wechselstromquelle (13, 14) zu verbinden, wobei ein Steueranschluß des TRIAC mit einer Steuereinrichtung (16, 17, 18) verbunden ist, die so ausgebildet ist, um die leitende Periode des TRIAC während jeder Wellenperiode der Quelle zu verringern, so daß dem Motor eine reduzierte Leistung zugeführt wird, und mit einer Schaltereinrichtung (19), die so angeordnet ist, daß sie bei geschlossener Stellung dem TRIAC einen Steuerstrom zuführt, um dessen ununterbrochenen Durchlaß zu bewirken, so daß dem Motor volle Leistung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtung durch eine Steuereinrichtung (23) gesteuert wird, die aufweist

a) eine Meßeinrichtung (22, 23) zum Messen des durch den Motor fließenden Stromes und zum Erzeugen eines die Funktion dieses Stromes darstellenden Signals; und

b) eine Vergleichseinrichtung (23, 24) zum Vergleichen dieses Signals mit einem vorbestimmten Grenzwert und zum Ansteuern der Schaltereinrichtung, wenn das Signal den Grenzwert übersteigt.

2. Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ein Steuernetzwerk (16, 17, 18) mit fester Phase aufweist, das den Durchlaß des TRIAC mit einer vorbestimmten Verzögerung bezüglich des Nullpunktes der Welle der Stromversorgung auslöst.

3. Regelkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuernetzwerk mit fester Phase einen RC-Teiler (17, 18) und einen DIAC (16) aufweist, der zwischen dem mittleren Punkt des letzteren und dem Steueranschluß des TRIAC geschaltet ist.

4. Regelkreis nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom, der den ununterbrochenen Durchlaß des TRIAC bewirkt, durch einen Widerstand (20) begrenzt wird, der in Reihe zur Schaltereinrichtung geschaltet ist.

5. Regelkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtung einen zweiten TRIAC (19) aufweist, dessen Steueranschluß einen Anschluß zur Aktivierung der Vergleichseinrichtung (23', 23") bildet.

6. Regelkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor Volleistung zugeführt wird, wenn der Strom einen Grenzwertpegel übersteigt, der im wesentlichen dem Leerlauf-Aufnahmepegel des Motors entspricht.

7. Regelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor Teilleistung zugeführt wird, wenn der Strom einen Grenzwertpegel übersteigt, der im wesentlichen einem vorbestimmten Maximalstromwert entspricht.

8. Regelkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Meßwiderstand (22, 22'), der so geschaltet ist, daß er im wesentlichen von dem durch den Motor fließenden Strom durchflossen wird, und einen Wandlerschaltkreis (23, 23') aufweist, der die an den Anschlüssen des Meßwiderstandes abfallende Spannung in eine kontinuierliche elektrische Größe umwandelt, die deren Funktion darstellt.

9. Regelkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerschaltkreis (23') einen Operationsverstärker (U1) aufweist, der mit seinem invertierenden Eingang mit dem Meßwiderstand und mit seinem nichtinvertierenden Eingang mit einem Widerstandsteiler (R2, R3, R4) verbunden ist, welcher einen Referenzpegel liefert, der geringer ist als der Spitzenwert der am Meßwiderstand abfallenden Spannung, um an seinem Ausgang ein Signal zu erzeugen, das eine im wesentlichen rechteckige Wellenform und ein Pegelverhältnis aufweist, die einer Funktion des durch den Meßwiderstand fließenden Stromes entsprechen, und einen RC-Filterschaltkreis (R5, C2), der mittels einer Diode (D1) mit dem obengenannten Ausgang verbunden ist, um an seinem Ausgang als kontinuierliche elektrische Größe eine kontinuierliche Spannung zu liefern, die eine Funktion des Durchschnittswertes des im wesentlichen rechteckigen Wellensignals darstellt.

10. Regelkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerschaltkreis (23") einen Operationsverstärker, der mit dem Meßwiderstand verbunden ist, um an seinem Ausgang ein pulsierendes Amplitudensignal zu erzeugen, das eine Funktion des durch den Meßwiderstand fließenden Stromes darstellt, und einen RC-Filterschaltkreis (R10, C6) aufweist, der mittels einer Diode (D2) mit dem obengenannten Ausgang verbunden ist, um an seinem Ausgang (34) als eine kontinuierliche elektrische Größe eine kontinuierliche Spannung zu liefern, die eine Funktion des pulsierenden Signals darstellt.

11. Regelkreis nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (23', 23") einen Operationsverstärker (U2, U4) aufweist, dessen invertierender Eingang mit dem Ausgang der Meßeinrichtung und dessen nichtinvertierender Eingang mit einem Widerstandsteiler (R6, R7), (R11, R12) verbunden ist, der den Schaltergrenzwert steuert.

12. Regelkreis nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung weiterhin eine Hysterese (R13) aufweist, die während des Schaltens den Eingriffs-Grenzwert in einer Richtung verschiebt, die entgegen der Bewegungsrichtung durch den Grenzwert der kontinuierlichen Spannung verläuft.