DE2827356C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sanftanlaufschaltung für Elektro­ motore nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 des Hauptpatents 27 03 284.

Schaltungen zum sanften Einschalten von Verbrauchern auf der Basis von Phasenschnittsteuerungen sind an sich bekannt. Diese Schaltungen verwenden als Schalter mit Thyratron-Charakteristik sehr häufig sogenannte Triacs oder Thyristoren, die an ihrer Steuerelektrode über ein Zündelement von einem RC-Glied gesteuert werden.

Triacs sind im Prinzip zwei antiparallel geschaltete Thyristoren, so daß der Strom in beiden Richtungen über eine gemeinsame Steuerelektrode eingeschaltet werden kann. Dieses Bauelement wird insbesondere zur Leistungs­ steuerung von Wechselstromverbrauchern verwendet.

Die für die Durchschaltung eines Triacs an seiner Steuer­ elektrode benötigten Steuerimpulse werden von einem Zünd­ element erzeugt, das eine Triggerdiode, ein Diac (zwei antiparallel geschaltete Vierschicht-Dioden) oder ein Uni­ junktiontransistor sein kann. Die diesen Bauelementen gemeinsame Eigenschaft, die sie für ihre Verwendung als Zündelement eines Triacs befähigt, ist ihre definierte Kippspannung, bei deren Erreichen das Zündelement durch­ geschaltet und damit der Triac gezündet wird.

In den meisten Fällen ist bei den Schaltungen mit Phasen­ anschnittsteuerung in Reihe zu einem Wechselstromverbraucher, beispielsweise R 1 in Fig. 4, ein Triac Tr geschaltet. Parallel zu dieser Reihenschaltung ist ein RC-Glied ge­ schaltet, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R und dem Kondensator C über ein Zündelement Z mit der Steuerelektrode des Triacs verbunden ist. Überschreitet nun nach dem Einschalten bei einer Halbwelle der Eingangs­ wechselspannung U _W die Spannung am Kondensator C die Kipp­ spannung des Zündelements, so kippt das Zündelement in den Durchlaßbereich und schaltet dadurch den Triac ein, womit er leitend wird. Bei der folgenden entgegengesetzten Halb­ welle der Wechselspannung wiederholt sich der gleiche Vor­ gang mit entgegengesetzter Stromrichtung. Durch Verändern des Widerstandes R läßt sich der Stromflußwinkel und damit die dem Wechselstromverbraucher zugeführte Leistung ver­ ändern.

Bei vielen Maschinen, insbesondere bei Werkzeugmaschinen, besteht der Wunsch, die Antriebsmaschinen sanft anlaufen zu lassen. Dieses wird dadurch erreicht, daß der Anschnitts­ winkel während der Einschaltphase des Motors von der Drehzahl 0 automatisch langsam auf den Sollwert hochgefahren wird.

Für das langsame Hochfahren von Glühlampen ist in der DE-OS 24 15 632 eine Schaltungsanordnung beschrieben, die im wesentlichen der Fig. 4 entspricht. Bei dieser Schaltung ist parallel zum Kondensator des RC-Gliedes eine Dioden­ brückenschaltung geschaltet, in deren Mittelzweig ein weiteres RC-Glied (R ₁/C ₁) angeordnet ist. Durch diese Schaltung wird erreicht, daß ein zeitlich veränderlicher Anteil des Steuer­ stromes in einem zum Zündkondensator parallel liegenden Stromzweig abgeleitet wird.

Während der ersten Perioden der Netzwechselspannung wird der Kondensator C ₁ langsam über die Diodenbrücke aufgeladen. Anfangs ist die Spannung an diesem Kondensator sehr klein, so daß über den Widerstand R ₁ und den Kondensator C ₁ ein relativ großer Strom fließt. Der Zündkondensator C erhält daher in der Einschaltphase nur einen geringen Ladestrom und erreicht dadurch die Zündspannung erst wesentlich später, als durch den Widerstand R vorgegeben ist. Dadurch zündet auch der Triac Tr relativ spät, so daß dem Verbraucher in der Einschaltphase nur eine geringe Leistung zugeführt wird.

Im weiteren Verlauf wird nun der Kondensator C ₁ langsam weiter aufgeladen, so daß seine Spannung ansteigt und sein Ladestrom abnimmt. Eine Entladung des Kondensators C ₁ findet über die Diodenbrückenschaltung noch nicht statt. Die Spannung an C ₁ wächst daher mit der Zeit an und wirkt über einen sich langsam verzögernden Zeitraum jeder Halbwelle der Eingangswechselspannung als Gegenspannung, so daß der Ladestrom über den Kondensator C ₁ immer kleiner und der Ladestrom von C immer größer wird. Dadurch verändert sich der Anschnittswinkel langsam bis zum vorgegebenen Sollwert. Zur Linearisierung des Arbeitsstromanstieges ist in Serie zu dem R ₁ C ₁-Glied ein Feldeffekttransistor T ₁ geschaltet, dessen Steuerelektrode an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R ₁ und dem Kondensator C ₁ angeschaltet ist.

Diese bekannte Schaltung leidet unter dem Mangel, daß der einstellbare Widerstand R nicht allzu klein werden darf, weil die ohnehin schon kritische Schaltung sonst gänzlich unstabil wird. Wenn aber der Einstellwiderstand R nicht auf niederohmige Werte einstellbar ist, dann ist auch im höheren Drehzahlbereich eine Drehzahleinstellung nicht mehr möglich. Diesem Mangel ist nur dadurch abzuhelfen, daß ein Motor verwendet wird, der mit einer niedrigeren Spannung als der Netzspannung betrieben wird.

Einer solchen Maßnahme steht aber das Maschinenschutz- Gesetz entgegen, das fordert, daß bei überbrückter Elektronik keine Gefährdungen durch unzulässig hohe Spannungen ent­ stehen dürfen. Diese Gefahr ist aber dann gegeben, wenn der für niedrigere Spannungen ausgelegte Motor bei einem Aus­ fall der Steuerelektronik an die volle Netzspannung ange­ schaltet wird. In diesem Fall würde der Motor sich zu schnell drehen, eventuell durchbrennen, oder die mit überhöhter Drehzahl laufenden Werkzeuge zu einer großen Gefahrenquelle werden lassen.

Außerdem sind die Werte aller Bauteile eng zu tolerieren und in Hochvolt-Ausführung vorzusehen. Dieses bringt Nachteile auf der Kostenseite mit sich.

Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die aus nur wenigen Bauteilen aufgebaute bekannte Schaltung in den Zeit­ konstanten ihrer RC-Glieder große Wiederaufladezeiten auf­ weist. Bei einem schnellen Wiedereinschalten kann die Zeit bis zur Funktion des Sanftanlaufes bis zu einer Sekunde betragen, was für die Bedienungspersonen wieder Gefahren mit sich bringen kann, da diese annehmen können, daß der Sanftanlauf funktioniert, außerdem hat die Schaltung eine Totzeit von bis zu 2 Sekunden, wodurch die Betätigungsperson dazu verleitet wird, in das Werkzeug hineinzufassen, kurz bevor die Maschine wieder anläuft.

In der DE-OS 22 38 093 ist eine Vorrichtung zur Anlauf­ strombegrenzung bei elektrischen Maschinen beschrie­ ben, bei der ein Steuerglied in Reihe zum Zündkonden­ sator eines Schalters mit Thyratron-Charakteristik liegt.

Diese Vorrichtung weist jedoch den Mangel auf, daß sie keine variable und einstellbare Anlaufzeit für Antriebsmotore zur Verfügung stellen kann. Selbst die Anlaufzeit, auf die sie einmal eingestellt wurde, kann sie nicht in gleichbleibender Länge einhalten, da sie Schwankungen der Umgebungstemperatur nicht zu kompensieren vermag.

In der US-PS 39 62 616 schließlich ist eine Sanftanlauf­ schaltung für über Gleichrichter betriebene Wechsel­ strommotore beschrieben, die einen Transformator benötigt, woraus der Nachteil resultiert, daß diese Sanftanlaufschaltung nicht so klein aufgebaut werden kann, daß sie sich im Schaltergehäuse bestimmter elek­ trischer Handwerkszeuge unterbringen läßt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung gemäß dem Hauptpatent, eine Sanftanlaufschaltung für Elektromotore anzuge­ ben, deren Anlaufzeit wählbar bzw. einstellbar ist, wobei sie die eingestellte Anlaufzeit auch exakt einzu­ halten vermag, die sicherer arbeitet und Gefahren von ihren Bedienungspersonen fernhält.

Wie Fig. 3 zeigt, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß parallel zum Kondensator C 2 des RC-Gliedes mindestens eine Stromquellenschaltung, bestehend aus einem Stromquellen­ transistor T mit Emitterwiderstand R 2 und Basisspannungs­ teiler R 3/R 4, geschaltet ist, wobei parallel zu dem mit dem Emitterwiderstand verbundenen Widerstand R 3 des Spannungs­ teilers ein Hilfskondensator C 1 angeordnet ist.

Fig. 4 zeigt die Modifizierung dieser Lösung für Vollwellen­ betrieb, bei dem für jede der beiden Polaritäten der Netz­ wechselstromhalbwellen je eine Stromquellenschaltung vor­ gesehen ist, die ihren Ladestrom zur Aufladung des Zünd­ kondensators C 2 über einstellbare Widerstände P 1 und P 2 diesem zuführen.

Bei dieser Schaltung ist es zweckmäßig, den Zündkondensator nach der jeweiligen Halbwelle des Netzwechselstroms möglichst ganz zu entladen, und zwar möglichst im Stromnulldurchgang. Hierzu ist eine Diode D 3 parallel zum Zündkondensator C 2 geschaltet. Es ist hierbei nicht optimal, daß die Anforde­ rungen an die verwendete Trigger-Diode groß sind. Ihr Durch­ bruchstrom muß nämlich sehr klein sein, damit bei kleinem Stromflußwinkel die Zündung sicher erfolgen kann. Bei relativ großen Strömen muß sich die Diode jedoch noch in ihrem ein­ genommenen Zustand halten, um bei vollem Stromfluß die Syn­ chronisation sicherzustellen. Weiterhin müssen die in der Schaltung verwendeten Elektrolyt-Kondensatoren relativ hohe Werte haben, was einerseits die äußeren Abmessungen des Schaltungsaufbaus vergrößert und die Schaltung selbst ins­ gesamt verteuert. Schließlich ist auch die Zuverlässigkeit noch nicht optimal, da nicht sichergestellt ist, daß der Zündkondensator jedesmal völlig entladen wird.

Es ist daher die Aufgabe des vorliegenden Zusatzpatents, die Schaltungsanordnungen nach dem Hauptpatent hinsichtlich dieser Aspekte zu verbessern.

Gelöst wird diese Aufgabe des Zusatzpatents durch die im Kennzeichen seines Anspruchs 1 genannten Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch die obengenannten Merkmale des Zusatzpatents wird nicht nur die verbesserte Ausführung der Sanftanlaufschaltung, die Gegenstand des Hauptpatents ist, betriebssicherer und in ihren äußeren Abmessungen kleiner, sondern sie wird auch wirtschaftlicher, da bei der verbesserten Ausführungsform selbst im Vollwellenbetrieb nur eine Stromquellenschaltung benötigt wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes des Zusatzpatents erläutert. Hierzu dienen die Fig. 1 und 2. Die Fig. 3 und 4, die den Fig. 1 und 2 des Hauptpatents entsprechen, dienen zur Darstellung der Weiterbildungen des Gegenstandes des Zusatzpatents gegenüber dem Hauptpatent.

Wie ein Vergleich der Fig. 1 mit den Fig. 3 und 4, die den Gegenstand des Hauptpatents darstellen, zeigt, ist die ver­ wendete Stromquellenschaltung, bestehend aus dem Transistor T, den Widerständen R 2, R 3 und R 4 sowie dem Kondensator C 1 der­ jenigen, die Gegenstand des Hauptpatents ist, identisch.

Damit nun aber das völlige Entladen des Zündkondensators C 2 sichergestellt ist, ist ein Entladetransistor T 1 vor­ gesehen, dessen Kollektor-Emitter-Strecke wie ein Schalter im Durchlaßbereich arbeitet.

Die Konstantstromquelle, die, wie bereits erwähnt wurde, aus dem Transistor T, den Widerständen R 2 bis R 4 sowie dem Kon­ densator C 1 besteht, lädt das Zündglied, das seinerseits aus einer Trigger-Diode und dem Zündkondensator C 2 besteht, mit einem langsam ansteigenden Strom auf. Synchron zur angeleg­ ten Netzwechselspannung, und zwar jeweils im Nulldurchgang, wird der Zündkondensator C 2 entladen. Dieser Entladevorgang leitet sich wie folgt ein:

Während der negativen Halbwelle, bezogen auf den Anschluß­ punkt AS 1, gelangt die negative Spannung über den Wider­ stand R 6 auf die Basis des Transistors T 2, wodurch dieser in den Durchlaßbereich gesteuert wird und die Basis des Entladetransistors T 1 auf positive Spannung legt (Anschluß­ punkt AS 1). Der Entladetransistor T 1 vom pnp-Leitfähigkeits­ typ ist damit gesperrt, so daß während der negativen Halb­ welle der Zündkondensator C 2 nicht kurzgeschlossen ist.

Während der positiven Halbwelle der Netzwechselspannung gelangt positives Potential über den Widerstand R 5 und die Diode D 3 an die Basis des Entladetransistors T 1 und sperrt diesen wiederum, während über den Widerstand R 6 auch an die Basis des Transistors T 2 positives Potential gelangt. Auch dieser Transistor sperrt nun. Der Zündkondensator C 2 ist somit auch während der positiven Halbwelle der Netzwechsel­ spannung nicht kurzgeschlossen.

In der negativen Halbwelle wird die Spannung an der Begrenzer­ diode D 1 begrenzt und der Hilfskondensator C 3 über die Diode D 2 auf diese Spannung aufgeladen. Aus diesem Hilfskondensator bezieht die Schaltung nun während der positiven Halbwelle und während der Nulldurchgänge ihre erforderliche Energie. Denn während der Nulldurchgänge gelangt negatives Potential vom Hilfskondensator C 3 über den Widerstand R 7 an die Basis des Entladetransistors T 1 und über den Widerstand R 2, den Transistor T, und die veränderbaren Widerstände P 1 und P 2 an den Kollektor des Ladetransistors T 1. Dieser Entladetransistor wird somit in den Durchlaßbereich gesteuert, wodurch er wie ein Kurzschlußschalter den Zündkondensator C 2 völlig entleert. Die Entladezeit ist, wie auch die Zeitdauer der Durchschaltung des Entladetransistors T 1, sehr kurz. Diese Zeit von etwa 200 microsec. reicht jedoch zur völligen Entladung des Zündkondensators C 2 aus.

Dieser Vorgang ist in Fig. 2 grafisch dargestellt. Der Kurven­ zug 1 stellt das negative Potential A an der Basis des Transistors T 2 dar, das bei jeder negativen Halbwelle ansteht. Der Kurvenzug 2 zeigt dann bei B und C das positive Potential an der Basis des Entladetransistors T 1, das ihn in den Sperr­ bereich steuert, während bei D das kurzzeitige negative Potential sichtbar ist, das das Durchsteuern des Transistors bewirkt.

Das positive Potential bei B wird durch das Durchsteuern des Transistors T 2 bewirkt. Am Anschlußpunkt AS 1 liegt während dieser Zeit die positive Halbwelle an. Das positive Potential bei C gelangt über den Widerstand R 5 und die Diode D 3 an die Basis des Entladetransistors T 1 in der positiven Halbwelle. Der Anschlußpunkt AS 1 liegt während dieser Zeit an negativem Potential.

Claims (4)

1. Sanftanlaufschaltung für einen aus einer Wech­ selspannungsquelle gespeisten Wechselstrom- oder Allstrommotor, mit einem in den Motorstromkreis eingeschalteten steuerbaren Schalter mit Thyratron- Charakteristik, und einem parallel zu diesem geschalteten RC-Glied, wobei zwischen dem Kon­ densator des RC-Glieds und der Steuerelektrode des steuerbaren Schalters ein Zündglied angeordnet ist und mit dem Widerstand des RC-Glieds in Reihe eine den Ladestrom des Kondensators beim Anlauf vermindernde Stromsteuerschaltung angeordnet ist, die aus einem Transistor, dessen Kollektor-Emitter­ strecke mit dem Widerstand des RC-Glieds in Reihe geschaltet ist, sowie aus einem Basisspannungsteiler besteht, dessen einem Teilwiderstand ein Konden­ sator parallelgeschaltet ist, wobei der Kollektor- Emitterstrecke des Transistors der Stromsteuer­ schaltung ein Emitterwiderstand vorgeschaltet ist, so daß er mit dem Widerstand des RC-Glieds in Reihe geschaltet ist und ferner beim Basisspan­ nungsteiler nur der parallel mit dem Emitterwider­ stand verbundene Widerstand parallel zu einem Kondensator geschaltet ist, wobei zur Einstellung der Anlaufzeit in Serie zwischen den Kollektor des Transistors in der Stromsteuerschaltung und dem RC- Glied ein oder mehrere einstellbare Wider­ stände angeordnet sind, und zur transfor­ matorlosen Zündung die Zündspannung direkt galvanisch einem entsprechenden Zündglied zugeführt wird nach Patent 27 03 284, dadurch gekennzeichnet, daß zur netzsynchronen Entladung des Zündkondensators (C 2; Fig. 1), der Bestandteil des RC-Gliedes (R ₁, C ₂) ist, die Kollektor- Emitterstrecke des als Entladetransistor arbeitenden Transistors (T 1) parallel geschal­ tet ist, der durch eine Steuerschaltung derart steuerbar ist, daß der Entladetransistor synchron mit dem Null­ durchgang der angelegten Meßwechselspannung (U _N ) leitend wird.

2. Sanftanlaufschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für Vollwellenbetrieb die Steuerschaltung des Entladetransistors (T 1; Fig. 1) aus einer ersten Anordnung (R 6, T 2), die während der negativen Halb­ welle der Netzwechselspannung Sperrpotential an seine Steuerelektrode anlegt, ferner aus einer zweiten Anord­ nung (R 5, D 4), die während der positiven Halbwelle der Netzwechselspannung Sperrpotential an seine Steuerelek­ trode anlegt und schließlich aus einer dritten Anordnung (D 1, C 3, D 2, R 7) besteht, die während der Nulldurchgänge der Netzwechselspannung Durchschaltepotential an seine Steuerelektrode anlegt, wobei auch über einen Teil (R 2, T, P 1, P 2) der Konstantstromquelle ein solches Potential an den Kollektor des Entladetransistors angelegt wird, daß dieser leitend wird.

3. Sanftanlaufschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Entladetransistor (T 1; Fig. 1) und ein Hilfstransistor (T 2) vom pnp-Leitfähigkeitstyp und der Stromquellentransistor (T) vom umgekehrten Leitfähigkeits­ typ sind, so daß das genannte Sperrpotential durch ein positives und das genannte Durchschaltepotential und das Kollektorpotential, das von einem Teil der Konstant­ stromquelle an den Kollektor des Entladetransistors angelegt wird, durch ein negatives Potential ist.

4. Sanftanlaufschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch­ schaltedauer des Entladetransistors (T 1; Fig. 1) durch die Zeit bestimmt ist, während der der parallelgeschaltete Hilfskondensator (C 1) in der positiven Halbwelle der anliegenden Netz­ wechselspannung (U _N ) ein für eine Durchschaltung aus­ reichendes negatives Potential zur Verfügung halten kann.