DE1563542C - Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines ein elektrisches Handgerat antreiben den Gleichstromnebenschlußmotors - Google Patents

Description

Das Hauptpatent bezieht sich auf eine Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines ein elektrisches Handgerät antreibenden Gleichstromnebenschlußmotors sowie zur gleichzeitigen Steuerung von zu diesem Handgerät gehörenden Hilfseinrichtungen, mit einer aus einer Gleichstromquelle gespeisten und für einen vorgebbaren Betriebsbereich des Motors abgleichbaren Wheatstoneschen Brücke, deren einer Zweig vom Motorankerstrom durchflossen wird und deren Diagonalspannung ein die Motorankerspannung veränderndes Stellglied steuert, wobei der Motorankerstromkreis vom Anker des Motors, der Gleichstromquelle, dem vom Ankerstrom durchflossenen Brückenzweig, dem die Ankerspannung verändernden Stellglied und einem bei Überschreiten eines bestimmten Motorankerstroms ansprechenden Meßglied zur Steuerung der Stellglieder für die Hilfseinrichtungen gebildet ist, und ein Brückenzweig eine feste Bezugsspannung vorgibt.

Als Gleichstromnebenschlußmotoren werden hierbei vorzugsweise Kleinmotoren verwendet, die jedoch gegenüber einem zu raschen Anlauf oder gegenüber einer zu schnellen Umkehrung der Drehrichtung ziemlich empfindlich sind. Sobald diese Motoren ihre volle Nennspannung erhalten, entsteht ein Einschaltstrom, dessen Stärke den fünffachen Wert des Motornennstroms oder einen noch höheren Wert erreichen kann. Auch bei einer plötzlichen Umkehrung der Betriebsspannung entsteht ein Ankerstrom in derselben Größenordnung. Dieser starke Ankerstrom kann insbesondere bei denjenigen Kleinmotoren, bei welchen das Ständerfeld durch Dauermagnete erzeugt wird, einen Verlust an Magnetisierung dieser Dauermagnete zur Folge haben, was eine Vergrößerung der Drehzahl, eine Erhöhung des Stromverbrauches und die Gefahr eines Bruches einer die Motorwelle mit dem Verbraucher verbindenden Kupplung einschließt.

Bei Gleichstrommotoren mit einstellbarer Drehzahl ist es bereits bekannt, eine beim Einschalten des Motors oder bei einer Änderung der Drehzahleinstellung ansprechende, transistorisierte Verzögerungsschaltung mit einem Kondensator vorzusehen, welche für einen hinreichend verzögerten Anlauf des Motors oder eine hinreichend verzögerte Änderung der Drehzahl sorgt (USA.-Patentschrift 2 929 980). Dieser Kondensator liegt in Reihe mit der Basis-Kollektorstrecke des Transistors einer besonderen Transistorschaltung, welche durch eine der eingestellten Solldrehzahl proportionale Sollspannung beeinflußbar ist und die Geschwindigkeit der Aufladung oder Entladung des Kondensators auf eine neue, vom Sollwert abhängige Aufladungsspannung steuert, die ihrerseits das Basispotential eines weiteren Transistors im Steuerkreis des Motors bestimmt. Bei abgeschaltetem Motor ist ein Entladestromkreis des Kondensators geschlossen, welcher über die Basis-Kollektorstrecke des ersterwähnten Transistors, einen Widerstand sowie ein Schaltglied des Ausschalters verläuft.

Auch ist es bekannt, ein die Ankerwicklung eines Gleichstromnebenschlußmotors speisendes elektrisches Ventil in Abhängigkeit vom Ladevorgang eines i?C-Gliedes auszusteuern (USA.-Patentschrift 1 962 344).

Diese bekannten Verzögerungsschaltungen sind jedoch nicht ohne weiteres auf die eingangs genannte Anordnung zur Drehzahlsteuerung gemäß dem Hauptpatent anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das an sich bekannte Prinzip, den Anlauf eines Motors unter Ausnutzung der Aufladungszeit eines Kondensators zu verzögern, in geschickter Weise auf die Anordnung nach dem Hauptpatent derart anzuwenden, daß die Aufladungszeit ein und desselben Kondensators nicht nur beim Einschalten des Motors aus dem Stillstand, sondern auch bei einer Drehrichtungsumkehr des Motors für den verzögerten Anlauf des Motors in der gewählten Richtung wirksam wird, wobei im Falle der Drehrichtungsumkehr dafür gesorgt werden muß, daß sich der Kondensator wenigstens teilweise entladen kann, bevor der Anlauf in der neuen Drehrichtung beginnt; zur Erreichung des letztgenannten Zieles wird dabei von einem an sich bekannten verzögerten Drehrichtungsschütz Gebrauch gemacht. Schaltungsanordnungen zur zeitverzögerten Umschaltung von Gleich- und Wechselstromkreisen sind beispielsweise durch die deutsche Auslegeschrift S 32015 VIII b/21 c bekannt.

Zur Lösung der genannten Aufgabe besteht die Erfindung bei einer Anordnung der eingangs darge- rlegten Art darin, daß parallel zu . dem eine feste \$ Bezugsspannung vorgebenden, durch eine Zenerdiode gebildeten Brückenzweig der Kondensator eines den Motoranlauf verzögernden i?C-Gliedes angeordnet ist, daß dieser Kondensator außerdem im Steuerstromkreis eines das die Motorankerspannung verändernde Stellglied steuernden Transistors liegt, daß der Ladestromkreis des Kondensators über ohmsche Widerstände ständig geschlossen ist und sein Entladestromkreis über parallele Stromzweige mit je einem Schaltglied eines Ausschalters oder eines Drehrichtungsumschalters und eines über diesen gesteuerten verzögerten Drehrichtungsschützes bei deren Betätigung verläuft.

Auf diese Weise wird erreicht, daß der Entladestromkreis des Kondensators über einen von drei parallelen Stromzweigen geschlossen wird, wenn entweder der Motor über den Ausschalter abgeschaltet oder aber, während des Motorbetriebs in der einen oder in der anderen Drehrichtung, die Motordrehrichtung umgeschaltet wird, wobei im Falle der Betätigung des Drehrichtungsumschalters die Dauer der Schlie- (j. ßung des Entladestromkreises durch die Verzögerungszeit des verzögerten Drehrichtungsschützes bestimmt ist und nach der Umschaltung dieses Schützes der Entladestromkreis erneut unterbrochen wird. Um den Motor nach der Abschaltung oder während der Verzögerungszeit bis zum Ansprechen des Drehrichtungsschützes rasch zu bremsen, ist außerdem zweckmäßigerweise ein an sich bekanntes Bremsschütz vorgesehen, über welches ein ohmscher Widerstand in den Ankerstromkreis des Motors schaltbar ist. Dieses Merkmal gehört nicht zum Gegenstand der Erfindung.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein schematisches Blockschaltbild, F i g. 2 ein ausführliches Schaltbild und

F i g. 3 ein die Aufladung des Kondensators veranschaulichendes Diagramm.

Das Blockschaltbild nach Fig. 1 entspricht mit Ausnahme der mit 201 und 200 bezeichneten Schaltungsteile dem schematischen Blockschaltbild des Hauptpatentes. Eine Gleichstromquelle 1 ist mit ihrer positiven Klemme 2 und ihrer negativen Klemme 3 an die Eingangsklemmen 4 und 5 einer Wheatstone-

sehen Brücke angeschlossen, in deren Brückenzweigen eine Zenerdiode 6 zwischen den Klemmen 5 und 7, ein Widerstände zwischen., den Klemmen 4 und 7 sowie die veränderbaren Widerstände 9 und 10 zwischen den Klemmen 4 und 12 bzw. 12 und 5 liegen. Ein in der Brückendiagonale zwischen den Klemmen 7 und 12 angeordneter Verstärker 11 ist mit seinen Ausgangsklemmen 18 und 19 an die Eingangsklemmen 20 und 21 eines Stellgliedes 16 angeschlossen, das in Reihe mit dem mit 200 bezeichneten Schaltungsteil im Ankerstromkreis des Gleichstromnebenschlußmotors 14 liegt. Der Ankerstromkreis verläuft von der Klemme 2 der Gleichstromquelle 1 über den Widerstand 8 im Brückenzweig, den Schaltungsteil 200, das Stellglied 16 und ein Meßglied 17 zur Klemme 3 der Gleichstromquelle 1. Das Meßglied 17 dient zur Steuerung der im betrachteten Beispiel aus drei Elektroventilen 24, 25 und 26 bestehenden Stellglieder für die nicht dargestellte Hilfseinrichtung und ist zu diesem Zweck mit seinen Ausgangsklemmen 22 und 23 an die drei parallelgeschalteten Wicklungen 28,29 und 30 der Elektroventile 24 bis 26 angeschlossen. Den Wicklungen 23 bis 30 ist ferner ein Kondensator 27 parallel geschaltet.

An der Zenerdiode 6 liegt unabhängig von der Größe des sie durchfließenden Stroms eine konstante Spannung. Sie gibt damit in ihrem Brückenzweig eine feste Bezugsspannung vor, welche in der Brückenschaltung mit der dem Motorstrom proportionalen Spannung am Widerstand 8 verglichen wird. Die Widerstände 9 und 10 in den anderen Brückenzweigen werden derart eingestellt, daß die Brücke für einen bestimmten Betriebsbereich des Motors, beispielsweise im Leerlauf, abgeglichen ist. Wenn unter dieser Bedingung der zunächst im Leerlauf betriebene Motor belastet wird, steigt seine Stromaufnahme und damit die Spannung am Brückenwiderstand 8, so daß die Brücke nicht mehr abgeglichen ist und ein der Erhöhung des Motorstroms proportionaler Strom durch die Brückendiagonale und damit den Verstärker 11 fließt. Der Verstärker 11 steuert das Stellglied 16 derart, daß eine der Erhöhung des Motor-Stroms entsprechend größere Spannung dem Motoranker zugeführt wird und damit für eine Kompensation der ohmschen Verluste infolge des Motorinnenwiderstandes gesorgt wird, so daß eine konstante vorgebbare Motordrehzahl aufrechterhalten bleibt.

Das Meßglied 17 bewirkt, wenn der Motorstrom eine vorgebbare Größe überschreitet, die Einschaltung der Hilfseinrichtung, beispielsweise einer Kühl- oder Zerstäubereinrichtüng an einem zahnärztlichen, durch den Motor angetriebenen Instrument.

Gemäß Fig. 1 ist der Zenerdiode6 der mit 201 bezeichnete Schaltungsteil parallel geschaltet, welcher, ebenso wie der Schaltungsteil 200, im folgenden an Hand des ausführlicheren Schaltbildes nach F i g. 2 näher erläutert wird. Die in F i g. 1 mit 1, 8, 9,10,11, 16 und 17 sowie 200 und 201 bezeichneten Bauelemente bzw. Schaltungsteiie sind in F i g. 2 gestrichelt umrandet. ■;■■:■·;..:■

Nach Fig. 2 enthält der Schaltungsteil201 einen npn-Transistor 202, dessen Emitterelektrode 203 mit dem Abgriff an einem der Widerstände in den Brückenzweigen mit den veränderbaren Widerständen 9,10 und dessen Kollektorelektrode 204 über einen ohmschen Widerstand 108 an die positive Klemme der Gleichstromquelle 1 angeschlossen ist. Die Basiselektrode 205 des Transistors 202 ist mit der Zenerdiode 6 verbunden, welcher ein Kondensator 206 parallel geschaltet ist. Der Ladestromkreis dieses Kondensators 206 ist ständig geschlossen und einerseits über einen ohmschen Widerstand 207, andererseits über ohmsche Widerstände 68 und 55 an die Gleichstromquelle 1 angeschlossen. Kondensator 206 und Widerstand 207 bilden ein jRC-GIied, in welchem die Aufladungszeit des Kondensators 206 nach F i g. 3

ίο den zeitlichen Spannungsanstieg am Kondensator bis zum Erreichen der Zenerspannung der Diode 6 bestimmt. Diese in F i g. 3 durch die Linie A-B eingezeichnete Zenerspannung, die beispielsweise 9 Volt betragen kann, bleibt dann konstant.

Die Basiselektrode 205 des Transistors 202 ist über einen ohmschen Widerstand 209 einerseits mit der Ausschaltklemme 212 eines Ausschalters 210, der außerdem die Einschaltklemme 211 aufweist, und andererseits mit dem Schaltglied 215 eines Drehrichtungsumschalters 214 verbunden. Das Schaltglied des Ausschalters 210 sowie die Klemme 219 des Drehrichtungsumschalters 214 liegen über eine Leitung 208 an der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Speisetransformators und erhalten beispielsweise ein Potential von 36VoIt gegen Masse. Der Drehrichtungsumschalter 214 hat zwei mechanisch miteinander gekuppelte Schaltglieder 215 und 216, die wahlweise mit den· Klemmen 217 und 218 bzw. 219 und 220 zusammenarbeiten. Das Schaltglied 215 ist mit der Klemme 212 des Ausschalters 210 verbunden, während über das andere Schaltglied 216 ein verzögertes Drehrichtungsschütz 213 einschaltbar ist, das aus einer Spule 221, einem dieser Spule parallelgeschalteten Kondensator 222 sowie einem mit Spule und Kondensator in Reihe liegenden und an das Schaltglied 216 angeschlossenen ohmschen Widerstand 223 besteht. Dieses verzögerte Drehrichtungsschütz 213 hat drei Schaltglieder 224, 227 und 230, die wahlweise mit den Klemmen 225 und 226, 228 und 229 bzw. 231 und 232 zusammenarbeiten. Wenn die Schaltglieder 227 und 230, wie in Fig. 2 gezeigt, die Klemmen 229 bzw. 232 berühren, wird der Ankerstromkreis des Motors 14 in der einen Richtung gespeist, während im anderen Falle die Speisung über die anderen Klemmen 228 und 231 im entgegengesetzten Sinne erfolgt.

An die Einschaltklemme 211 des Ausschalters 210 ist ein Bremsschütz 234 angeschlossen, das aus einer Spule 228, einem mit der Spule in Reihe liegenden ohmschen Widerstand 235 und einem im Ankerkreis des Motors liegenden Schaltglied 236 besteht, welches nur bei Erregung des Bremsschützes 234 durch Kontakt mit der Klemme 237 den Motor an Betriebsspannung legt, andernfalls jedoch, bei abgefallenem Bremsschütz 234, durch Kontakt mit der Klemme 238 den Motorankerkreis über einen Bremswiderstand 239 schließt.

Die beschriebene Schaltanordnung arbeitet folgendermaßen: Wenn der Ausschalter 210 mit seinem Schaltglied die Ausschaltklemme 212 berührt, wie in F i g. 2 dargestellt^ ist der Motor 14 abgeschaltet, weil das Bremsschütz 234 stromlos und über dessen Schaltglied 236 der Ankerstromkreis des Motors über den Bremswiderstand 239 geschlossen ist. Außerdem ist ein Entladestromkreis für den Kondensator 206 über Widerstand 209, Schalter 210, Leitung 208 sowie Widerstände 55 und 68 geschlossen, so daß sich der während des Betriebs aufgeladene Kondensator

206 nach dem Abschalten des Motors entladen kann. Die Basisspannung des Transistors 202 wird dadurch so weit erniedrigt, daß dieser Transistor das Stellglied 16 nicht mehr speist und die Motorbetriebsspannung auf einen sehr geringen Wert abfällt.

Beim Einschalten des Schalters 210 wird einerseits der erwähnte Entladestromkreis für den Kondensator 206 unterbrochen und andererseits das Bremsschütz 234 erregt, dessen Schaltglied 236 den Motoranker vom Bremswiderstand 239 abtrennt. Der Kondensator 206 lädt sich auf, bis seine Spannung den Wert der Zenerspannung erreicht, der Transistor 202 durchgesteuert ist und die Brücke nunmehr ihre volle Betriebsspannung erhält. Während dieser, durch die Zeitkonstante des Zeitgliedes 206,207 bestimmten Anlaufverzögerung, die im betrachteten Beispiel nach F i g. 3 etwa 1 Sekunde beträgt, steigt der Ankerstrom entsprechend vom Wert Null auf den durch die Einstellung der veränderbaren Brückenwiderstände vorgegebenen Betriebswert an. Durch diese Anlaufverzögerung werden eine Entmagnetisierung der das Ständerfeld erzeugenden Dauermagnete des Motors sowie andere, mit einem zu raschen Motoranlauf und den bei herrschenden großen Ankerströmen zusammenhängende Nachteile vermieden. Der Ankerstrom des Motors verläuft, bei der in F i g. 2 dargestellten Stellung des Drehrichtungsumschalters 214, wie folgt: Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Speisetransformators, Widerstände 55 und 68, Klemme 229, Schaltglied 227 des verzögerten Drehrichtungsschützes 213, Anker des Motors 14, Schaltglied 236 des Bremsschützes 234, Klemme 237, Schaltglied 230 des Drehrichtungsschützes 213, Klemme 232, Stellglied 16, welches durch drei parallelgeschaltete Transistoren gebildet wird, Masse sowie dasjenige Ende der Sekundärwicklung des Speisetransformators, welches entsprechend der momentanen Polarität der Speisewechselspannung negatives Potential relativ zur Mittelanzapfung der Sekundärwicklung hat. Dementsprechend hat natürlich das jeweils andere Ende der Sekundärwicklung gegenüber der Mittelanzapfung positives Potential, welches über den Widerstand 108 den Transistor 202 speist.

Wenn während des Betriebs der Drehrichtungsumschalter 214, ausgehend von der in F i g. 2 dargestellten Lage, umgeschaltet wird, dann geschieht folgendes:

Über das Schaltglied 216 wird das verzögerte Drehrichtungsschütz 213 erregt, wobei die Verzögerungszeit beispielsweise 1 Sekunde betragen kann. Wenn mit einer Betriebsspannung von 36VoIt gearbeitet wird, kann das Schütz derart dimensioniert sein, daß es bei Erreichen einer Spannung von 22 Volt anspricht. Über das andere Schaltglied 215 wird gleichzeitig folgender Entladestromkreis für den Kondensator 206 geschlossen: Widerstand 209, Schaltglied 215, Klemme 218, Klemme 226 und Schaltglied 224 des verzögerten Drehrichtungsschützes 213. Während der Verzögerungszeit bis zur Umschaltung des Schaltgliedes 224 kann sich daher der Kondensator 206 entladen, so daß die Motordrehzahl verringert wird. Zweckmäßigerweise kann die Verzögerungszeit derart gewählt werden, daß der Motor vollständig zum Stillstand kommt, bevor das Drehrichtungsschütz 213 anspricht, wodurch einerseits der erwähnte Entladestromkreis für den Kondensator 206 durch das Schaltglied 224 unterbrochen und andererseits die Polarität der Betriebsspannung am Motoranker durch die Schaltglieder 227 und 230 umgekehrt wird. Nunmehr beginnt erneut die Aufladung des Kondensators206 gemäß der Kurve nach Fig. 3, so daß die bereits beschriebene Anlaufverzögerung während des Anlaufs des Motors in der entgegengesetzten Richtung wirksam wird. Der Ankerstrom des Motors verläuft dann wie vorstehend beschrieben, jedoch mit dem Unterschied, daß er nunmehr über Klemme 231, Schaltglied 230, Klemme 237, Schaltglied 236, Motoranker, Schaltglied 227 und Klemme 228 zum Stellglied 16 verläuft.

Wird während dieses Betriebszustandes der Drehrichtungsumschalter 214 erneut umgeschaltet, dann wird einerseits über das Schaltglied 216 der Stromkreis des Drehrichtungsschützes 213 stromlos, und dieses Schütz fällt wegen des aufgeladenen Kondensators 222 verzögert ab, während gleichzeitig über das andere Schaltglied 215 wiederum ein Entladestromkreis für den Kondensator 206 geschlossen wird, und zwar über den Widerstand 209, Schaltglied 215, Klemme 218, Klemme 225 und Schaltglied 224 des verzögerten Drehrichtungsschützes 213. Dadurch wird, wie beschrieben, der Motorstrom vorübergehend so stark verringert, daß die Motordrehzahl Null wird oder einen sehr kleinen Wert erreicht, bevor beim Abfall des Drehrichtungsschützes 213 der Entladestromkreis für den Kondensator 206 wieder unterbrochen und die Polarität der Speisespannung an den Motorankerklemmen umgekehrt wird. Anschließend wird der Kondensator 206 erneut verzögert aufgeladen.

Durch das verzögerte Drehrichtungsschütz 213 sowie die bei einer Drehrichtungsumschaltung vorübergehende Schließung eines Entladestromkreises für den Kondensator 206 mittels des Schaltgliedes 224 werden alle mit einer raschen Polaritätsumkehr der Motorankerspannung zusammenhängenden Nachteile und Gefahren vermieden.

Bei Abschaltung des Motors durch den Ausschalter 210 wird ferner der Motorankerkreis über das Schaltglied 238 des Bremsschützes 234 und den Bremswiderstand 239 geschlossen, so daß der Motor rasch zum Stillstand kommt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines ein elektrisches Handgerät antreibenden Gleichstromnebenschlußmotors sowie zur gleichzeitigen Steuerung von zu diesem Handgerät gehörenden Hilfseinrichtungen, mit einer aus einer Gleichstromquelle gespeisten und für einen vorgebbaren Betriebsbereich des Motors abgleichbaren Wheatstoneschen Brücke, deren einer Zweig vom Motorankerstrom durchflossen wird und deren Diagonalspannung ein die Motorankerspannung veränderndes Stellglied steuert, wobei der Motorankerstromkreis vom Anker des Motors, der Gleichstromquelle, dem vom Ankerstrom durchflossenen Brückenzweig, dem die Ankerspannung verändernden Stellglied und einem bei Überschreiten eines bestimmten Motorankerstroms ansprechenden Meßglied zur Steuerung der Stellglieder für die Hilfseinrichtungen gebildet ist und ein Brückenzweig eine feste Bezugsspannung vorgibt, nach Patent 1 266 859, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem eine feste Bezugsspannung vorgebenden, durch eine Zenerdiode (6) gebildeten Brückenzweig der

   Kondensator (206) eines den Motoranlauf verzögernden .RC-Gliedes (206, 207) angeordnet ist, daß dieser Kondensator (206) außerdem im Steuerstromkreis eines das^Λ die Motorankerspannung verändernde Stellglied (16) steuernden Transistors (202) liegt, daß der Ladestromkreis des Kondensators (206) über ohmsche Wider -

   stände (55, 68, 207) ständig geschlossen ist und sein Entladestromkreis über parallele Stromzweige mit je einem Schaltglied eines Ausschalters (210) oder eines Drehrichtungsumschalters (214) und eines über diesen gesteuerten verzögerten Drehrichtungsschützes (213) bei deren Betätigung verläuft.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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