-
Anlauf strombegrenzung für Universalmotoren
-
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Anlaufstrombegrenzung bei
einem wechselspannungsgespeisten UniversalmotorF mit einem im Motorstromkreis liegenden,
insbesondere zweiarmigen, Drei-Stellungs-Schalter, der den Motorstromkreis in seiner
ersten Stellung unterbricht und ihn in seiner zweiten Stellung über einen Strombegrenzungszweig
und in seiner dritten Stellung direkt schließt.
-
Derartige Schaltungen zur Anlaufstrombegrenzung bei Universalmotoren,
bei denen der Motor über einen manuell bedienten Drei-Stellungs-Schalter geschaltet
wird, der eine Aus-Stellung, eine Anlauf stellung und eine Betriebsstellung besitzt,
wurden bereits früher vorgeschlagen. Bei der früheren Schaltung wird ein Strombegrenzungszweig
mit einem ohmschen Widerstand verwendet; in den Motorstromkreis wird also ein einfacher
Vorwiderstand gelegt, was eine kostengünstige Lösung darstellt. Andererseits ergeben
sich bei der früheren Schaltung jedoch gewisse Schwierigkeiten. Einerseits wird
der Widerstand nämlich durch den hohen Anlaufstrom des Universalmotors außerordentlich
hoch
belastet, wobei sich für die Dauer von 10 bis 100 m sec.
-
Leistungsspitzen bis zu 1 kW ergeben. Für derartige impulsmäßige Belastungen
sind jedoch handelsübliche Drahtwiderstände kleiner Baugröße nicht geeignet.
-
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Anlaufstrom bei einem
defekten Motor möglicherweise nicht bis auf den Leerlaufstrom abklingt, so daß der
Vorwiderstand infolge thermischer Überlastung zerstört wird. Schließlich besteht
bei der früheren Schaltung bei Bedienungsfehlern oder Schalterdefekten die Gefahr,
daß der Motorstrom dauernd über den Widerstand fließt.
-
Wenn der Motor dann in diesem Betriebszustand belastet wird, so daß
der Motorstrom entsprechend ansteigt, dann brennt der Vorwiderstand innerhalb weniger
Sekunden durch.
-
Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, ist die frühere Schaltung
in der Praxis für eine Anlaufstrombegrenzung bei Universalmotoren wenig geeignet.
Andererseits treten beim Betrieb von Universal (-Hauptschluß-) Motoren höherer Leistung
an Wechselspannungsnetzen in der Anlaufphase Ströme auf, die übliche Haushaltssicherungen
zum Ansprechen bringen können.
-
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn magnetisch auslösbare Sicherungsautomaten
verwendet werden. Die Ansprechzeiten dieser Sicherungsautomaten liegen im Bereich
von weniger als 10 m sec., so daß bereits Oberströme, die nur während einer Speisespannungshalbwelle
auftreten, eine Abschaltung bewirken.
-
Liegen die Motorleistungen bei einer Netzspannung von 220 V beispielsweise
im Bereich von 1000 W bzw. 1600 W, dann halten in der Regel die im Haushalt üblichen
Sicherungsautomaten mit einem Nennstrom von 10 Ampere bzw. 16 Ampere der Anlaufstromspitze
nicht stand. Da einerseits die Haushalte zunehmend mit Sicherungsautomaten ausgerüstet
werden und andererseits die Motorleistungen von Elektrowerkzeugen, insbesondere
Winkelschleifern und dergleichen, Immer höher werden, müssen Maßnahmen getroffen
werden, die den Motorstrom bzw. die an den Sicherungen
wirksam werdende
Netzbelastung in der Anlaufphase absenken.
-
Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfindung also die Aufgabe
zugrunde, eine Schaltung zur Anlaufstrombegrenzung bei Universalmotoren anzugeben,die
auch bei unsachgemäßer Bedienung,beispielsweise bei Belastung des Motors während
der Anlaufphase in der Anlaufstellung des Drei-Stellungs-Schalters, zuverlässig
arbeitet und nicht zerstört wird.
-
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung der eingangs beschriebenen
Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Strombegrenzungszweig eine steuerbare
Halbleitergleichrichteranordnung enthält und daß ein Steuerkreis vorgesehen ist,
mit dessen Hilfe die HalbleitergleichrichEranordnung in jeder Speisespannungshalbwelle
mindestens bis zum Auftreten des Spannungsmaximums sperrbar ist.
-
Der entscheidende Vorteil des Einsatzes einer steuerbaren HalbleitergleichrichEranordnung
besteht darin, daß der Effektivwert des Anlauf stroms nicht durch eine Amplitudenabsenkungmittelseiner
Widerstandserhöhung begrenzt wird, sondern dadurch, daß man einen Stromfluß nur
während vorgegebener Zeitintervalle zulässt. Die dabei auftretende Verlustleistung
ist wegen des minimalen Spannungsabfalls an der Halbleitergleichrichteranordnung
um ein Vielfaches kleiner als bei Verwendung eines ohmschen Widerstandes.
-
Im Prinzip kann der Steuerkreis in beliebiger Weise ausgebildet sein
und beispielsweise auf analoge oder digitale Weise die Phasenlage der Speisespannung
messen, wobei der Steuerkreis ggf. ständig mit dem netzseitigen Anschluß des Drei-Stellungs-Schalters
verbunden sein müßte. Besonders einfach ist es jedoch, wenn der Steuerkreis in Weiterbildung
der Erfindung parallel zum Strombegrenzungszweig einen Steuerstromzweig mit einem
Kondensator aufweist, in dem ein gegenüber der Speisespannung
voreilenderSteuerstrom
erzeugbar ist und wenn die Halbleitergleichrichterancrdnung in jeder Speisespannungshalbwelle
bis zum Null-Durchgang des Steuerstromes sperrbar ist.
-
Vorteilhaft ist es auch, wenn mindestens ein durch den Steuerstrom
steuerbarer Schalter vorgesehen ist, mit dessen Hilfe ein von der Speisespannung
abgeleitetes und damit phasengleiches Durchschaltsignal für die steuerbare Halbleitergleichrichteranordnung
bei geschlossenem Schalter unterdrückbar ist. Die Verwendung eines Schalters am
Ausgang des Steuerkreises bzw.
-
am Eingang der Halbleitergleichrichteranordnung ermöglicht nämlich
eine Dimensionierung der Bauelemente zur Phasenverschiebung, die von der Größe der
Durchschaltspannung bzw. des Durchschaltstromes für die Halbleitergleichrichtzanordnung
weitgehend unabhängig ist.
-
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Steuerstromzweig in Serie zu
dem Kondensator einen, insbesondere einstellbaren, Widerstand aufweist. Ein solcher
(einstellbarer) Widerstand ermöglicht es nämlich, die Verschiebung der Phasenlage
des Steuerstromes gegenüber der Speisespannung in einem Winkelbereich zwischen nahezu
0 und 900 einzustellen.
-
Günstig ist es auch, wenn als Schalter ein Transistor vorgesehen ist,
dessen Basis mit dem Steuerstromzweig verbunden ist und dessen Kollektor-Emitter-Strecke
in Serie zu einem Widerstand parallel zu der Halbleitergleichrichfftmrordnung geschaltet
ist und wenn eine Steuerelektrode der Halbleitergleichrichteramrdnung mit einem
Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und dem Transistor verbunden ist. Bei dieser
Ausgestaltung kann nämlich das Durchschaltsignal für die Halbleitergleichrichter~
anordnung bei gesperrtem Transistor einfach über den Widerstand aus der Speisespannung
abgeleitet werden. Bei leitend gesteuertem Transistor kann sich dagegen kein Durchschaltsignal
aufbauen,
welches zum Durchschalten der Halbleitergleichrichteranordnung
führen würde.
-
Bei einer Halbwellensteuerung kann bei der vorstehend erläuterten
Ausgestaltung als Halbleitergleichrichteranordnung mit Vorteil ein Thyristor eingesetzt
werden, dessen Gateelektrode mit dem Kollektor des Transistors verbunden ist.
-
Bei einer Vollwellensteuerung verwendet man dagegen als Halbleitergleichrichteranordnung
vorzugsweise einen Triac, wobei dann vorteilhafter Weise zwei Transistoren vorgesehen
sind, deren Basisanschlüssen der Steuerstrom aus dem Steuerstromzweig zuführbar
ist, wobei mit dem Kollektor jedes Transistors eine Diode verbunden ist, wobei die
beiden Dioden entgegengesetzt zueinander gepolt sind und wobei die den Kollektoren
abgewandten Anschlüsse der Dioden miteinander, mit der Gateelektrode des Triacs
und mit dem parallel zum Triac liegenden Widerstand verbunden sind.
-
zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele für Schaltungen gemäß der Erfindung
werden nachstehend anhand einer Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen: Fig.
1 ein Schaltbild einer Schaltung zur Anlav1fstrombegrenzung mit einem Strombegrenzungszweig;
Fig. 2 ein Schaltbild eines ersten erfindungsgemäß ausgebildeten Strombegrenzungszweiges
und Fig. 3 ein Schaltbild eines zweiten erfindungsgemäß ausgegebildeten Strombegrenzungszweiges.
-
Fig. 1 zeigt einen Motor M, der über einen zweiarmigen Drei-Stellungs-Schalter
Dr mit dem Netz verbindbar ist, wobei der Drei-Stellungs-Schalter Dr den Motorstromkreis
in seiner ersten
Stellung 1 vollständig vom Netz trennt. In seiner
zweiten Stellung 2 verbindet der Drei-Stellungs-Schalter Dr den Motorstromkreis
über einen Strombegrenzungszweig S zwischen den Schaltungspunkten A und B mit dem
Netz bzw. der Speisespannung, so daß der Strom durch den Motor M,insbesondere der
Anlaufstrom, begrenzt wird. In seiner dritten Stellung 3 verbindet der Drei-Stellungs-Schalter
Dr den Motor M unmittelbar mit dem Netz, so daß die Speisespannung nunmehr voll
an dem Motor M anliegt.
-
Wenn der Strombegrenzungszweig S nun einfach durch einen ohmschen
Widerstand gebildet ist, dann ergeben sich die eingangs ausführlich dargelegten
Nachteile. Erfindungsgemäß wird nun aber zwischen den Schaltungspunkten A und B
der Schaltung gemäß Fig. 1 ein Strombegrenzungszweig vorgesehen, wie ihn beispielsweise
Fig. 2 zeigt. Dieser Strombegrenzungszweig enthält einen Thyristor Th, der in Serie
zum Motor M liegt und dem ein Steuerkreis zugeordnet ist, der einen parallel zum
Thyristor liegenden Steuerzweig mit der Serienschaltung eines Widerstandes R2, eines
Kondensators C und einer Diode D aufweist. Ebenfalls parallel zum Thyristor Th liegt
die Serienschaltung eines weiteren Widerstandes R1 mit der Kollektor-Emitter-Strecke
eines als Schalter dienenden Transistors T, dessen Basis mit dem Verbindungspunkt
des Kondensators C und der Diode D im Steuerzweig verbunden ist und dessen Kollektor
mit der Gateelektrode des Thyristors Th verbunden ist.
-
Die Schaltung gemäß Fig. 2 arbeitet wie folgt: Wenn der Drei-Stellungs-Schalter
Dr in seine zweite Stellung 2 geschaltet wird, dann ergibt sich auf der dem Schaltungspunkt
A bzw. dem Netz abgewandten Seite des Kondensators C ein voreilenderSteuerstrom,
der der Basis des Transistors T zugeführt wird. Der Phasenwinkel,um den der Steuerstrom
gegenüber der Speisespannung voreilt, läßt sich durch Einstellen des Widerstandswertes
des Widerstandes R2 der als einstellbarer Widerstand
angedeutet
ist, zwischen etwa 0 und 900 verändern. Der Transistor T wird unter der Voraussetzung,
daß bei einem Betätigen des Drei-Stellungs-SchaltersDrgerade eine positive Speisespannungshalbwelle
ansteht, praktisch sofort leitend gesteuert und bleibt dann bis etwa zum Nulldurchgang
des voreilenden Stroms leitend. Erst wenn die negative Halbwelle des voreilenden
Steuerstroms , beginnt, wird der Transistor T gesperrt. Nunmehr kann der Gateelektrode
des Thyristors Th über den weiteren Widerstand R1 der erforderliche Durchschaltstrom
zugeführt werden, so daß der Thyristor Th nunmehr bis zum Ende der betreffenden
positiven Halbwelle der Speisespannung leitend bleibt. Während der nachfolgenden
negativen Halbwelle der Speise spannung ist der Thyristor Th dagegen gesperrt, wobei
die Diode D im Steuerstromzweig das für die Phasenverschiebung notwendige Umladen
des Kondensators C ermöglicht.
-
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Strombegrenzungszweig liegt in Serie zum
Motor M zwischen den Schaltungspunkten A und B ein Triac Tr der eine Vollwellensteuerung
des Motors M ermöglicht. Parallel zum Triac Tr liegt wieder ein Steuerstromzweig
mit dem Widerstand R2 und dem Kondensator C, dessen dem Widerstand R2 abgewandte
Platte wieder mit der Basis eines Transistors verbunden ist, und zwar mit der Basis
eines Transistors T1, dessen Kollektor über eine Diode D1 mit der Steuerelektrode
des Triacs Tr verbunden ist, wobei zwischen dem Schaltungspunkt A und der Steuerelektrode
des Triacs Tr wieder der weitere Widerstand R1 liegt.
-
Im Hinblick auf den vorstehend beschriebenen Aufbau ergeben sich bei
der Schaltung gem. Fig. 3 beim Anliegen einer positiven Speisespannungshalbwelle
wieder genau die gleichen Verhältnisse, wie sie vorstehend für den Strombegrenzungszweig
gemäß Fig. 2 erläutert wurden. Anders als bei der Schaltung gemäß Fig. 2 bleibt
der Strombegrenzungszweig gemäß Fig. 3 jedoch während der negativen Speisespannungshalbwellen
nicht gesperrt. Vielmehr ist
ein zweiter Transistor T2 vorgesehen,
dessen Basisanschluß ebenso wie der Basisanschluß des ersten Transistors T1 mit
dem Kondensator verbunden ist und der ebenfalls über eine Diode D2 mit der Steuerelektrode
des Thyristors Tr verbunden ist. Mit Hilfe.des zweiten Transistors T2 läßt sich
also während der negativen Speisespannungshalbwellen eine entsprechende Steuerung
des Triacs Tr erreichen, wie sie oben für die positive Halbwellen beschrieben wurde.
-
Die Dioden D1 und D2 verhindern einen dauernden Abfluß des Durchschaltstroms
über jeweils eine Kollektor-Basis- bzw.
-
Basis-Emitter-Strecke der beiden Transistoren T1 und T2.