DE3224366C2 - Steuerschaltung für einen elektrischen Motor - Google Patents

Abstract

In den Stromkreis eines Motors (20) ist ein steuerbarer Gleichrichter (21) gelegt, der bei einer Überlastung des Motors (20) den Stromflußwinkel vermindert. Um zu erreichen, daß die Stromflußsteuerung mit einfachen, handelsüblichen rein elektrischen Mitteln durchgeführt werden kann, ist in Serie mit dem Motor (20) bzw. dem steuerbaren Gleichrichter (21) ein Meßwiderstand (22) geschaltet. Die am Meßwiderstand (22) anstehende Meßspannung wird einem Schwellwertschalter (23) zugeführt, dessen Schwellwert so eingestellt ist, daß beim Überschreiten einer vorbestimmten Nennbelastung des Motors (20) ein nachgeschalteter Stromflußsteller (25) am steuerbaren Gleichrichter (21) einen verminderten Stromflußwinkel einstellt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs (DE-Z-"elektrotechnik", H. 4, 26.02.1982, S. 71).
• Bei einer bekannten Steuerschaltung dieser Art (DE-Z-"elektrotechnik", H. 4, 26.02.1982, S. 71) liegt ein elektrischer Motor in einer Serienschaltung mit einem Meßwiderstand und einem steuerbaren Gleichrichter. Dabei ist eine Schalteinrichtung zur Steuerung des Motors mit einem Stromflußsteller für den Gleichrichter ausgestattet, wobei der Stromflußsteller den Stromflußwinkel für den Gleichrichter im normalen Betrieb des Motors steuert. Andererseits wird am Meßwiderstand eine Meßspannung abgenommen, die bei einer über den Nennwert hinausgehenden Belastung des Motors derart auf den Stromflußsteller einwirkt, daß der Stromflußwinkel wesentlich vermindert und damit der Strom durch den Motor auf zulässige Weise begrenzt wird. Tritt im Betrieb eine solche Überlastung, insbesondere ein Blockieren des Motors ein, dann läuft der Motor sofort wieder hoch. Bei Winkelschleifern und anderen entsprechenden Werkzeugen kann dadurch eine Gefährdung der Bedienungsperson eintreten, weil während der Rückzugbewegung des Gerätes ein Verkanten der Schleifscheibe oder anderer Werkzeuge und damit eine unerwartete Beschleunigung des Gerätes eintreten kann.
• Bei einer Steuerschaltung für einen elektrischen Motor ist es daneben auch bekannt (GB-A 20 58 405), an einem in den Motorstromkreis eingeschalteten Meßwiderstand die Strombelastung des Motors zu ermitteln, jedoch wird dabei der Motorstrom lediglich so gesteuert daß ein weiter Variationsbereich der Geschwindigkeits-Drehmoment- Charakteristik erreicht wird und die Steuerung in einem weiten Eingangsspannungsbereich betrieben werden kann. Eine Verminderung der Motorleistung nach einer Überlastung tritt hierbei nicht ein.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs zu schaffen, deren Schalteinrichtung rein elektrische Schaltmittel umfaßt, die Anwendung vorgegebener elektrischer Bausteine ermöglicht und ein zeitlich bestimmtes Schaltverhalten nach einer Überlastung des Motors aufweist.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs.
• Durch die Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung wird nicht nur erreicht, daß der steuerbare Gleichrichter, über den der Motor im normalen Betriebszustand z. B. auf seine volle Leistung gesteuert wird, gleichzeitig auch die Steuerung bei vermindertem Stromflußwinkel übernimmt. Zusätzlich wird über die am Meßwiderstand abfallende Meßspannung im Überlastungsfall ein Zeitschalter gestartet, der die Betriebsdauer mit dem verminderten Stromflußwinkel festlegt. Das Wiedereinschalten des normalen Betriebszustandes erfolgt somit für den Benutzer nicht unerwartet, wobei die Impulsdauer des Zeitschalters in der Praxis auf eine Sekunde eingestellt ist. Wird danach in den normalen Betriebszustand zurückgeschaltet und ist die Blockierung des Motors noch gegeben, dann wird sofort wieder der Zeitschalter aktiviert und der Betriebszustand mit der wesentlich verminderten Motorleistung aufrechterhalten. Dabei sind die Ansprechleistung, die Voll- und Teillastzeiten und die jeweils freigegebenen Leistungen frei wählbar.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
• Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Schaltskizzen verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.
• Es zeigt
• Fig. 1 eine Prinzip-Schaltung einer Steuerschaltung.
• Fig. 2 eine mit diskreten Schaltelementen aufgebaute Steuerschaltung.
• Fig. 3 eine erste Schaltungsvariante der Steuerschaltung mit einer integrierten Phasenanschnittsteuerung.
• Fig. 4 eine zweite Schaltungsvariante einer Steuerschaltung mit einer integrierten Phasenausschnittsteuerung.
• Fig. 5 ein Ansprechdiagramm eines Schwellwertschalters und
• Fig. 6 eine Schaltung zur verzögerten Rückstellung des Stromflußstellers.
• 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 Meßwiderstand 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 übrigen die notwendigen Versorgungsspannungen für die Steuerelemente 23, 24, 25 bereit.
• 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.
• 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 Meßspannung 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-Stromflußwinkel umgeschaltet wird. Dabei kann dieser Minimal-Stromflußwinkel durch entsprechende Bemessung eines an den Eingang 6 angeschlossenen Widerstand 42 vorgewählt werden. 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.
• 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 46 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 17 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. Bei einer erneuten Überlastung wiederholt sich die vorbeschriebene Funktion.
• Bei der Schaltungsvariation nach Fig. 4 ist im Gegensatz zur Schaltung nach Fig. 3 der Ausgang des Differenzverstärkers 36 nicht unmittelbar dem der Laststrombegrenzung dienenden 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.
• 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.
• 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. 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).
• Eine geringe Zeitverzögerung der Rückstellung kann dabei durch den Entladezeitraum des RC-Gliedes 30, 29, 30 erreicht werden, wenn parallel 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-Gliedes verbunden (Fig. 6). Hierdurch wird der Entladewiderstand 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.

Claims (11)

1. Steuerschaltung für einen elektrischen Motor mit einer Schalteinrichtung, in welcher der elektrische Motor, ein steuerbarer Gleichrichter und ein Meßwiderstand eine Serienschaltung bilden, mit einem Stromflußsteller für den Gleichrichter, der einerseits den Stromflußwinkel für den Gleichrichter für den normalen Betrieb des Motors steuert und andererseits in Abhängigkeit von einer über einen Nennwert hinausgehenden Belastung des Motors über eine am Meßwiderstand anstehende Meßspannung den Stromflußwinkel wesentlich vermindert, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung einem Eingang eines Schwellwertschalters (23) zugeführt ist, dessen Ansprechschwellwert der bei einer vorbestimmten, über dem Nennwert liegenden Belastung des Motors (20) am Meßwiderstand (22) abfallenden Meßspannung angepaßt ist, daß der Schwellwertschalter (23) einen Zeitschalter (24) steuert und daß der Zeitschalter ( 24) während seiner Impulsdauer den Stromflußsteller (25) auf den verminderten Zündwinkel zurückstellt.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer des Zeitschalters (24) wählbar ist.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die am Meßwiderstand (22) abfallende Meßspannung gleichgerichtet und über ein RC-Glied (28) geglättet dem Schwellwertschalter (23) zugeführt wird.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder einen der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter ein Differenzverstärker (36) ist, an dessen Eingang die Meßspannung und an dessen zweiten Eingang eine gegebenenfalls einstellbare Sollwertspannung angeschaltet ist.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder einen der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitschalter ein monostabiles Flip-Flop (24) ist.

6. Steuerschaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitschalter einen Transistor (46) aufweist, dessen Emitter-Kollektorstrecke mit einem in Serie geschalteten Widerstand (45) parallel zu einem Kondensator (30) des RC-Gliedes (28) liegt und dessen Basis über einen Kondensator (47) gegen Masse sowie über einen Widerstand (28) an den Ausgang des Differenzverstärkers (36) angeschlossen ist, der zugleich den Stromflußsteller (25) steuert.

7. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder einen der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromflußsteller (25) einen Eingang aufweist, über den ein voreinstellbarer Stromflußwinkel einschaltbar ist und daß an diesen Eingang der Ausgang des Differenzverstärkers (36) oder des monostabilen Flip- Flop (24) angeschlossen ist.

8. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitschalter (24) während seiner Impulsdauer einen Stellwiderstand (33) parallel zur Steuerschaltung an die Steuerelektrode (34) des Gleichrichters (21) legt.

9. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter (23) einen Rückstellschwellwert aufweist, der bei zurückgestelltem Stromflußhersteller (25) zwischen den am Meßwiderstand (22) abfallenden Meßspannungen bei blockiertem Motor (20) und bei leerlaufendem Motor (20) liegt.

10. Steuerschaltung nach Anspruch 3, 4, 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem mit dem Eingang des Schwellwertschalters (23) verbundenen Kondensator (30) des RC-Gliedes (28) ein Entladewiderstand (45) geschaltet ist.

11. Steuerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie mit dem Entladewiderstand (45) die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors (46) geschaltet ist, dessen Basiselektrode einerseits mit dem Ausgang des Schwellwertschalters (36) und andererseits über die Kollektor- Emitter-Strecke eines Sperrtransistors mit Masse verbunden ist, dessen Basiselektrode an den ersten Kondensator (30) des RC-Gliedes (28) angeschlossen ist.