DE2722965A1 - Schaltung zur veraenderung der geschwindigkeit eines einphasen-wechselstrom-motors - Google Patents

Description

DIPLINC. DIETIR JANDER DR.-INC MANFRED PAT(NTANWAlTi

"Schaltung zur Veränderung der Geschwindigkeit eines Einphasen-Wechselstrom-Motors"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Veränderung der Geschwindigkeit eines Einphasen-Wechselstrom-Motors, bestehend aus einem steuerbaren, in zwei Richtungen durchlässigen Halbleiter, der in Reihe mit dem Motor liegt, und aus einem RC-Kreis, der parallel zu dem Halbleiter liegt, ein Steuerpotentiometer aufweist und dessen Verbindung zwischen dem Widerstandszweig und der Kapazität mit der Steuerelektrode des Halbleiters verbunden ist.

Speziell kommt eine solche Schaltung bei Universalmotoren vor, wie sie beispielsweise in tragbaren elektrischen Werkzeugen zur Anwendung kommen.

Bei kleinen Geschwindigkeiten ist die Steuerung des Motors schwierig: Bei diesen sind die öffnungswinkel des Halbleiters in jeder Phase relativ klein. Auch ist die Leitung für die Anfangsleerlaufgeschwindigkeit des Motors klein. Änderungen der Spannung der Versorgungsquelle beeinflussen somit stark die eingestellte Geschwindigkeit.

Man kann einen Kreis vorsehen, der eine Gegenreaktion auf den RC-Kreis ausübt und kann auf diese Weise Fehler reduzieren. Dies geschieht dadurch, daß man den öffnungswinkel des Halbleiters mittels der EMK des Motors beeinflußt (siehe z.B. das französische Patent 1 591 033 der Anmelderin). Der die Gegenreaktion ausübende Kreis arbeitet jedoch nur auf einer Halbwelle, und Einflüsse der remanenten EMK des Motors können nicht vernachlässigt werden; sie beeinflussen ebenfalls den Steuerteil der Schaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs erwähnte Schaltung derart auszubilden, daß bei kleinen wie großen Geschwindigkeiten eine einwandfreie Steuerung der Geschwindigkeit möglich ist.

709847/1177 _ ₅ _

DIf LINO DIETER JANDEK DILINC MANf RtD »ONING

rAIINTANWXLII

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen in einer Richtung durchlässigen Halbleiter, der parallel zur Kapazität und einem das Potentiometer enthaltenden Teil des Widerstandszweiges liegt.

Dadurch wird erreicht, daß der Motor bei kleinen Geschwindigkeiten Jeweils nur mit einer Halbwelle und bei großen Geschwindigkeiten Jeweils mit zwei Halbwellen arbeitet, wobei die Änderung allein durch Verschieben des Abgriffs des Potentiometers erfolgt und die Geschwindigkeit über den gesamten Stellbereich des Potentiometers stetig geändert werden kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen Teil dieser Schaltung mit einer Einstellung für kleine Geschwindigkeiten,

Fig. 3 einen Teil dieser Schaltung mit einer Einstellung für mittlere Geschwindigkeiten und

Fig. 4 eine andere Ausführungsform.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 wird ein Universalmotor M von einer einphasigen Wechselstromquelle S, z.B. dem Netz, gespeist. Im Speisestromkreis liegt ein steuerbarer, in zwei Richtungen leitfähiger Halbleiter, nämlich ein Triac T und ein Widerstand R₁. Letzterer ist klein und liefert eine Spannung, die zum Steuern ausgewertet wird.

Die Steuerelektrode E des Triac T ist mit einem Diac D verbunden, das seinerseits mit einem Punkt J verbunden ist, der in einem Steuerkreis liegt, bestehend aus einem Kondensator C, einem Widerstand R und einem steuerbaren Kreis CR, der zwischen

709847/1177

DIPL -ING DIET[R JANDER DR.INO MANFRfD !ONING PATiNTANWXLTI

den Punkten A und B des Speisestromkreises angeschlossen ist. Die Punkte A und B liegen diesseits und jenseits des Triac T.

Der Kreis CR weist zwei Zweige auf, die parallel zueinan der liegen: Der eine Zweig wird gebildet von einem Wider stand Rp und einem Potentiometer P, und der andere Zweig von einem Widerstand R,, einer Diode D₁ und einem Widerstand R^. Beide Zweige liegen zwischen dem Punkt A und dem Widerstand R .

Ein in einer Richtung leitender spannungsempfindlicher Halbleiter, nämlich eine Zenerdiode Z, ist mit seiner Anode mit dem Punkt B verbunden. Die Kathode der Zenerdiode ist mit einem Punkt verbunden, der zwischen dem Widerstand R₂ und dem Potentiometer P liegt.

Der Widerstand R₁ ist Teil eines Meßkreises CM. Parallel zu ihm liegt ein Widerstand R₅, eine Gleichrichterdiode D₂ und ein Kondensator C₂. Parallel zu dem Kondensator C₂ liegt ein Widerstand Rg.

Zwischen den Punkten A und B liegt ferner ein Kreis RE, der einen Ableitungspfad für den Strom, der den CR-Kreis, R und C durchströmt, bildet und in Abhängigkeit des durch den Motor M fliessenden Stromes regelbar ist. Der RE-Kreis weist einen steuerbaren Transistor T₁ mit gemeinsamer Basis auf. Der Emitter dieses Transistors T₁ ist über einen Widerstand Ry mit dem Ausgang des CM-Kreises verbunden. Die Basis des Transistors ist mit einem Punkt verbunden, der zwischen zwei Widerständen R₈ und Rg liegt, die ihrerseits parallel zur Zenerdiode Z geschaltet sind. Der Kollektor des Transistors T₁ ist über eine Diode D, und einen Widerstand R₁₀ mit dem Punkt A verbunden.

Die Schaltung funktioniert folgendermassen (siehe auch die Fig. 2 und 3):

709847/1177

DIPL-INC DIETfR JANDER DR.-INC MANFRED !ONING PATINTANWALTf

Der Kondensator C wird periodisch über den CR-Kreis und den Widerstand R_Q geladen. Er steuert die Zündung des Diac D und des Triac T. Damit die Steuerenergie der Steu erelektrode E des Triac T zufliessen kann, muß sie groß genug sein, um das Diac D zu zünden. Die Energie akkumu liert sich in einer Zeit, die kurz ist im Verhältnis zur Periode der Spannung der Versorgungsquelle, Im allgemeinen liegt sie unter einer Millisekunde. Allerdings gilt das nur, wenn der CR-Kreis eine kleine Impedanz darstellt.

Der CR-Kreis stellt eine variable Impedanz dar, die eine nicht lineare Funktion der Stellung des Abgriffs des Potentiometers P ist. Man kann mit diesem Kreis die Ladung des Kondensators C beschleunigen oder verzögern und auf diese Weise den Zündzeitpunkt des Triac T für jede Periode variieren.

Wenn der Abgriff des Potentiometers P in bezug auf Fig. 1 unten ist, wenn er also unmittelbar mit R^ und R verbunden ist (siehe Fig. 2), läßt der kleine Widerstand R, einen beachtlichen Strom durch. Der Kondensator C lädt sich demgemäß während zweier Perioden der Versorgunsspannung entsprechend schnell auf. Das Triac T ist also offen zu Beginn jeder Periode, und der Motor wird von der gesamten Welle versorgt. Er läuft insofern mit Maximalgeschwindigkeit.

Wenn der Abgriff des Potentiometers P in bezug auf Fig. 1 oben ist, wenn er also mit dem Widerstand Rp und der Zenerdiode Z verbunden ist (siehe Fig. 1), ist die Funktion für die positive Halbwelle eine andere als für die negative Halbwelle:

Bei der positiven Halbwelle, bei der A positiv gegenüber B ist, läuft der Strom über die Widerstände R₂ und R, und polarisiert schnell die Zenerdiode Z bei deren Schwellspannung, z.B. 100 Volt. Von diesem Augenblick an erfolgt die Ladung des

709847/1177

Din INQ DIETER jANDER DRING MANFRED IONING PATlNTANWXlTf

Kondensators C praktisch mit konstantem Strom, der über das Potentiometer P und den Widerstand R₁ fließt. Das

führt zu einem Ladungsvorgang, der die Minimalgeschwindigkeit des Motors M mit sich bringt.

Bei der anderen Halbwelle (B>A) sind die Verhältnisse anders, da die Zenerdiode durchlässig ist. Durch R fließt praktisch kein Strom, und der Kondensator ist praktisch kurzgeschlossen.

Der Motor M wird also durch eine einseitige Wechselspannung versorgt, da während der negativen Halbwelle das Triac T nicht offen ist.

Man kann, ausgehend von der Minimalgeschwindigkeit des Motors M,die Geschwindigkeit vergrößern, indem man den Abgriff des Potentiometers P nach unten schiebt. Dabei wird das Potential dieses Abgriffs negativer, denn ein gewisser Widerstand fcA (siehe Fig. 3) trennt den Abgriff vom Potential Null, welches durch die Zenerdiode Z gegeben ist, und an den Punkt anliegt, der zwischen der Zenerdiode und dem Widerstand R₂ liegt. Bin negativer Strom zirkuliert also durch den Wider&and R_Q und den unteren Teil rB des Potentiometers P und lädt den Kondensator C auf. Bei gewissen Stellungen des Abgriffs des Potentiometers P reicht die Energie im Kondensator C nicht aus, um das Diac D zu zünden, wenn das Potential in B größer ist als das in A. In diesem Falle wird der Motor von der einseitigen Wechselspannung beaufschlagt. Die Steuerung des Stroms erfolgt auf dem gesamten Stück rA für alle Halbwellen, wenn das Potential des Punktes A größer ist als das von B. Wenn jedoch der Abgriff eine bestimmte Position erreicht hat, (welche auf einem Drittel der gesamten Strecke, ausgehend vom oberen Anschluß, liegen kann), erfolgt eine Änderung dergestalt, daß sich bei jeder negativen Halbwelle der Kondensator ausreichend lädt, um das Diac D und damit das Triac T zu zünden.

709847/1177

DIPLINCDIETEIJANDER DR.INO MANFRED IONINO FAtINTANWXlTI

Für den Rest des Stellbereiches des Abgriffes erfolgt dann mehr und mehr eine Beeinflussung bei jeder Halbwelle, und zwar immer mehr eine symmetrische.

Gemäß der Erfindung wird also bei kleinen Geschwindigkeiten mit einseitigem Wechselstrom und bei großen Geschwindigkeiten mit zweiseitigem Wechselstrom gesteuert.

Wenn der Motor M mit einem Strom läuft, dessen Intensität dem Leerlauf entspricht, bei einer entsprechenden Stellung des Abgriffs des Potentiometers P (entsprechend der kleinsten Geschwindigkeit, wobei die Schaltung mit einseitigem Wechselstrom arbeitet), leitet der Transistor T₁ des Kreises RE einen Strom ab, der beachtlich ist im Verhältnis zu demjenigen, der das Potentiometer P und den Widerstand R^ durchläuft. Der Ladestrom für den Kondensator C ist also klein, und der Kondensator lädt sich langsam auf. Der öffnungswinkel des Triac T ist also klein, so daß sich der Motor langsam dreht.

Wenn die Last des Motors wächst, hat dieser die Tendenz, langsamer zu werden. Der ihn speisende Strom vergrößert sich, und der Kreis CM liefert eine größer werdende Spannung an seinen Ausgang. Diese wachsende Spannung führt aber zu einer Reduktion der Leitfähigkeit des Transistors T₁ (während der positiven Halbwelle), der Kondensator lädt sich entsprechend schneller, und der öffnungswinkel des Triac T wird größer, was eine Kompensation des Geschwindigkeitsabfalles mit sich bringt, der bei Abwesenheit des Kreises RE vorhanden wäre. Der Kreis RE übt also eine Gegenreaktion aus. Diese Phänomen der Gegenreaktion ist gut mit Hilfe der Zenerdiode Z zu beherrschen, die hier zum Linearisieren der Ladung des Kondensators C wie auch zur Ableitung des Stromes durch den Transistor T₁ dient. Es ergibt sich somit aufgrund des Vorhandenseins der Zenerdiode ein Unterdrücken des "Pumpen" der Regelschaltung.

- 10 709847/1177

DIPLINO DIETER JANDlR DIt-INQ. MANFRED SONINC

PATfNTANWAlTf

- 10 -

Wenn die Leerlaufgeschwindigkeit des Motors M vergrößert wird, indem man den Abgriff des Potentiometers P verstellt, wirkt sich die Gegenreaktion des Kreises RE immer weniger aus, bis der Strom, der über diesen Kreis abgeleitet wird, beinahe konstant bleibt, während der Strom, der durch den Zweig, gebildet durch das Potentiometer P und den Widerstand R^, zirkuliert, sich merklich vergrößert.

Der Transistor T₁ wirkt nicht bei negativer Halbwelle, so daß bei maximaler Geschwindigkeit der Einfluß der Gegenreaktion vernachlässigbar ist.

Die Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform. Sie weist zunächst fast alle Elemente auf, die auch die Ausführungsform gemäß Fig. 1 besitzt. Jedoch enthält sie überdies einen Kreis CP zum Schutz gegen Überlastung, der einen zweiten Kreis zur Ableitung des Stroms, welcher den Kondensator C lädt, darstellt. Für die Funktion dieses Kreises ist eine Spannung +e, die ein Bild des Speisestromes in den positiven Halbwellen darstellt, und eine Spannung -e erforderlich, die ein Bild des Speisestroms in den negativen Halbwellen darstellt. Zur Erzeugung dieser Spannungen weist der Kreis CM einen zweiten Zweig auf, der zu dem Kreis D₂, C₂, Rg parallel geschaltet ist, aus den Elementen D_2-1, C_2-1 und Rg_-1 besteht, und abgesehen von der Tatsache, daß D_2-1 entgegengesetzt gepolt ist zu der Diode D₂, dem ersten Zweig entspricht. Der erste Zweig liefert die Spannung +e und der zweite Zweig die Spannung -e.

Der Schutzkreis CP weist zwei Transistoren T₂ und T* entgegengesetzter Leitfähigkeit mit zusammengeschalteten Emittern auf.

Die Emitter sind mit einem Widerstand R₁₀ verbunden, der seinerseits mit dem Punkt B verbunden ist. Der Widerstand R_ir hat eine doppelte Aufgabe: Er kompensiert eventuelle Ab-

709^47/1177

- 11 -

DIPL ING DIETtR JANDER DR-ING MANFRED BONING PATINTANWXLTf

weichungen der Parameter der Transistoren T₂ und T,, und er begrenzt die Verstärkung der letzteren, indem er ihre Umschaltungswirkung amortisiert und ein allzu plötzliches Funktionieren der Schaltung vermeidet. Die Basis des Transistors T₂ liegt über einen Widerstand R₁₁ an dem -e führenden Anschluß des Kreises CM. Die Basis des Transistors T, liegt über einen Widerstand R,_[2 an dem +e führenden Anschluß des Kreises CM. Die Basen der Transistoren sind überdies über Widerstände R₁, bzw. R₁^ mit einem Punkt verbunden, der zwischen R und R^ liegt.

Die Kollektoren der Transistoren sind über Schutzdioden D^ und Dc entgegengesetzter Polung und einen Widerstand R₁C mit einem Punkt verbunden, der zwischen dem Kondensator C und dem Widerstand R liegt.

Die Diode D, liegt in Reihe mit einem Widerstand R₁^ und ermöglicht zusammen mit diesem eine Regulierung der Spannung +e.

Die Schaltung funktioniert folgendermassen:

Wenn der Strom in dem Motor einen Wert aufweist, der unterhalb eines Schwellwertes liegt, der nicht überschritten werden sollte, sind die Spannung +e und -e zu klein, um eine Leitung der Transitoren T₂ und T, zu bewirken. In diesem Falle ist die Maximalspannung am Kondensator C allein bestimmt durch den anderen Ableitungskreis, der weiter oben bereits beschrieben ist. Wenn die Intensität des Stromes, der den Motor M und den Widerstand R₁ durchströmt, einen ausreichenden Wert erreicht, beginnen die Dioden D₂ und D_2-1 zu leiten. Die Kondensatoren C₂ und C_2-1 laden sich im Rhythmus der Halbwellen der Speisespannungen auf. Wenn die Intensität des Speisestromes eine solche ist, daß die Spannungen +e und -e hinreichend groß sind, wird die Leitfähigkeitsschwelle der Transistoren T₂ und T, überschritten, und die Spannungen -e und +e liegen über die Widerstände R₁₁

7098A7/1177

- 12 -

DIPL-INC DIETER JANDER DR-INO MANFRED !ONING PArENTANWAlTI

- 12 und R₁, an den Basen dieser Transistoren.

Die Transistoren T₂ und T, überwachen also die Vergrößerung des Stromes, der durch den Motor fließt, und verhindern ab einer gewissen Intensität dieses Stromes die Ladung des Kondensators C. Wenn also ein zu großes Drehmoment (dessen Wert durch die Widerstände des CR-Kreises bestimmt ist) auf die Welle des Motors wirkt, setzt die Versorgung für den Motor aus, weil das Triac nicht mehr leitet. Sobald dieses Drehmoment nicht mehr wirkt, nimmt der Motor automatisch seine Geschwindigkeit an, welche mittels des Potentiometers P eingestellt ist. Der Schutzkreis CP begrenzt auch den Strom beim Starten des Motors M.

Eine genaue Beschreibung des Schutzkreises befindet sich in der Anmeldung der selben Anmelderin vom gleichen Tage mit dem Titel "Schaltung zum Begrenzen des durch einen Motor fliessenden Stromes".

Die Erfindung hat also eine Schaltung zum Steuern der Geschwindigkeit zum Gegenstand, die bei kleinen Geschwindigkeiten mit einseitigem Wechselstrom und mit starker Gegenreaktion (Kreis RE) arbeitet, was eine besonders stabile Funktion für erhöhte Leistungen im unteren Drehbereich des Motors ermöglicht.

Die Funktion ist darüberhinaus besonders stabil wegen des Vorhandenseins der Zenerdiode, die in dem erwähnten Geschwindigkeit sber eich bei einseitigem Wechselstrom wirkt und lineare Bedingungen für den Kondensator C und den Transistor T₁ schafft.

Bei größeren Geschwindigkeiten ergibt ergibt sich eine Funktion mit zweiseitigem Wechselstrom, ohne daß ein zusätzlicher Kontakt betätigt werden müßte, sondern einfach

709847/1177 - 13 -

DIPL-INC DIETER JANDER DR.INC MANFRED IONINC PATINTANWXlTf

dadurch, daß der Abgriff des Potentiometers P verstellt wird. Am Ende des Stellbereiches dieses Abgriffes hat man praktisch eine Funktion mit vollen Wellen.

Der Schutzkreis CP verwendet einen großen Teil der Elemente der übrigen Steuerschaltung. Seine Kosten und seine Raumbeanspruchung sind also entsprechend reduziert, wobei die Elemente dieses Kreises bei kleinen Strömen und schwachen Leistungen arbeiten.

DJ: BL

709847/1177

Claims (9)

1. DIPL-INQ. DIETERJANDER DR.-INQ. MANFRED BÖNINQ

   PATENTANWÄLTE

   KOLBERGER STRASSE 21 8 MÜNCHEN SO (BÖGENHAUSENl T.I.Ion: 089/98 27 04

   ZumtoNadresse

   KURFÜRSTENDAMM 66 1 BERLIN IS

   Tel.(on . 030/8 83 50 71/72

   Telegramme: Consideration Berlin

   816/15.990 DE 18. Mai 1977

   Patentanmeldung

   der Firma

   ACIERS ET OUTILLAGE PEUGEOT 25400 Audincourt (Frankreich)

   Patentansprüche :

   ( 1.7Schaltung zur Veränderung der Geschwindigkeit eines Ein-Ijhasen-Wechselstrom-Motors. bestehend aus einem steuerbaren, in zwei Richtungen durchlässigen Halbleiter, der in Reihe mit dem Motor liegt, und aus einem RC-Kreis, der parallel zu dem Halbleiter liegt, ein Steuerpotentiometer aufweist und dessen Verbindung zwischen dem Widerstandszweig und der Kapazität mit der Steuerelektrode des Halbleiters verbunden ist, gekennzeichnet durch einen in einer Richtung durchlässigen Halbleiter (Z), der parallel zur Kapazität (C) und einem das Potentiometer enthaltenden Teil des Widerstandszweiges (CR) liegt, insbesondere durch eine Zenerdiode (Z).
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandszweig (GR) zwei parallele Zweige aufweist, von denen der erste aus einem ersten Widerstand (Rp) und dem Potentiometer (P) und der zweite aus einem zweiten Widerstand (R,) und einem dritten Widerstand (R^) besteht, daß der Verbindungspunkt zwischen dem zweiten und dritten Widerstand (R,, R^) mit dem Abgriff des Potentiometers (P) verbunden

   709847/1 177

   DIPL INC DIETER JANDER DR.-INQ. MANFRED !ONING

   PATtNTANWAtTl

   27229C5

   ist, und daß der in einer Richtung durchlässige Halbleiter (Z) an den Verbindungspunkt zwischen dem ersten Widerstand (R₂) und dem Potentiometer (P) angeschlossen ist.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Diode (D₁) zwischen dem dritten Widerstand (R^) und dem Verbindungspunkt liegt, an den der Abgriff des Potentiometers (P) angeschlossen ist.
4. 4. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein Meßkreis (CM), der den Speisestrom vorzugsweise mittels eines vierten Widerstandes (R₁) erfaßt und Elemente (D₂, C₂, Rg; ^D2-1♦ C_2-1, ^R6_-|J aufweist, mit denen zwei gleiche aber entgegen gesetzte, vom Speisestrom abhängige Signale (+e, -e) erzeugt werden können, und ein Steuerkreis (RE) vorgesehen sind, der durch eines der beiden Signale (+e) gesteuert wird und der parallel zu mindestens einem Teil des RC-Kreises (C, CR) geschaltet ist.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß der Steuerkreis (RE) einen Steuertransistor (T₁) mit gemeinsamer Basis aufweist, dessen Emitter mit dem einen Ausgang (+e) des Meßkreises (CM) verbunden ist und dessen Kollektor-Basis-Pfad parallel zu dem RC-Kreis (C, CR) liegt.
6. 6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Basis des Transistors (T₁) mit dem Verbindungspunkt zweier Widerstände (R_Q, Rq) verbunden ist, die parallel zu dem in einer Richtung durchlässigen Halbleiter (Z) liegen.
7. 7. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß ein steuerbarer Ableitungskreis (CP) vorgesehen ist, der den Motor (M) gegen Überlastung schützt, und daß dieser Kreis (CP) an den An-

   709847/1177

   DIPLINC DIETEI JANDER DH-INC MANFRED RONINQ

   PATfNTANWAlTl

   Schlüssen CA,B) des RC-Kreises (C,CR) angeschlossen ist und von den Ausgangssignalen (+e, -e) des Meßkreises gesteuert wird.
8. 8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Ableitungskreis (CP) zwei Zweige (R_1Q, T₂, R₁₅; R₁₀, T₃, R₁₅) aufweist und daß jeder Zweig von einer Halbwelle der Speisespannung beeeinflußt wird.
9. 9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zweige je einen Steuertransistor (T₂, T,) aufweisen, deren Emitter zusammengeschaltet sind.

   709847/1177