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Schaltung zur Anlaufstrombegrenzung bei einem Universalmotor
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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Anlauf strombegrenzung bei
einem Universalmotorv mit einer in einer Anlaufstellung eines Motorschalters im
Motorstromkreis liegenden Halbleitergleichrichteranordnung und mit einem Steuerkreis
für eine Phasenanschnittsteuerung der Halbleitergleichrichteranordnung.
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Eine derartige Schaltung zur Anlaufstrombegrenzung ist in einer früheren
Anmeldung (amtliches Aktenzeichen P27 38 249.6) der Anmelderin beschrieben. Bei
der früheren Schaltung ist die Halbleitergleichrichteranordnung in jeder Speisespannungshalbwelle
mindestens bis zum Auftreten des Spannungsmaximums sperrbar, um überhöhte Anlaufströme
und damit ein Ansprechen von Sicherungen zu verhindern. Außerdem wird bei der früheren
Schaltung der Strombegrenzungszweig nach dem Hochlaufen des Motors, d.h. am Ende
der Anlaufphase,durch Betätigen des Motorschalters kurzgeschlossen, so daß dem Motor
nunmehr die maximale Leistung zugeführt werden kann und dieser folglich mit der
max. Drehzahl läuft.
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Obwohl die früher vorgeschlagene Schaltung erhebliche Verbesserungen
mit sich bringt, ergeben sich bei ihrem praktischen Einsatz zwei Gesichtspunkte,
die eine weitere Verbesserung als wünschenswert erscheinen lassen.
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Bei der früheren Schaltung ist der Stromflußwinkel der Halbleitergleichrichteranordnurg,
vorzugsweise eines Thyristors, fest auf einen Wert unter 900 eingestellt und verändert
sich während des liochlaufens des Motors im Zuge der Anlaufphase nicht. Wenn man
nun einen möglichst weichen Anlauf des Motors erreichen möchte, dann muß man den
Phasenanschnitt bzw.
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den Stromflußwinkel möglichst klein wählen, was andererseits zur Folge
hat, daß der Anlaufvorgang besonders lange dauert und daß sich heim Kurzschließen
des Strombegrenzungszweiges am Ende der Anlaufphase ein starker Ruck aufgrund eines
erheblichen Sprunges in der Drehzahl ergibt. Außerdem ist bei einem kleinen Stromflußwinkel
die Gefahr, daß der Motorschalter zu früh betätigt wird, um die Anlaufphase zu beenden,
besonders hoch. Wenn man andererseits anstrebt, daß der Universalmotor möglichst
schnell hochläuft, das heißt, wenn man eine möglichst kurze Anlaufphase anstrebt,
dann muß man einen Stromflußwinkel von nahezu 900 wählen, wodurch tatsächlich ein
schnelleres Hochlaufen des Motors erreichbar ist. Andererseits ist jedoch in diesem
Fall nur noch eine geringe Sicherheit dafür vorhanden, daß das unerwünschte Ansprechen
von Sicherungen wirklich vermieden wird, da die Anlaufstromspitzen nahezu ungeschwächt
auftreten. Der Stromflußwinkel ist also bei der früheren Schaltung nur bedingt frei
wählbar und stellt in der Regel einen Kompromiß zwischen den zulässigen Einschaltstromspitzen,
dem zulässigen Hochlaufruck und der gewünschten Dauer der Anlaufphase dar.
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Weiterhin ist es bei der früheren Schaltung nicht voll befriedigend,
daß der Zeitpunkt der Betätigung des Motorschalters zur Beendigung der Anlaufphase
allein dem technischen "Fingerspitzengefühl des Benutzers überlassen ist, der die
Dauer der Anlaufphase abschätzt und/oder aufgrund des Maschinengeräusches auf die
richtige Drehzahl des Motors schließt.
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Ein zu frünes Umschalten auf den normalbetrieb ist daher bei der früheren
Schaltung insbesondere bei ungeübten Benutzern oft der Fall und hat zur Folge, daß
ein den Arbeitsablauf störendes Ansprechen der Sicherungen, insbesondere der
Haushaltsautomaten,
trotz der getroffenen Vorkehrungen eintritt.
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Ausgehend vom Stande der Technik bzw. von dem früheren Vorschlag liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schaltung zur Anlaufstrombegrenzung
anzugeben, welche eine wirksame Verkürzung der Anlaufphase ermöglicht, wobei gleichzeitig
angestrebt wird, dem Benutzer eines mit der Schaltung ausgerüsteten Motors eine
optimale Ausnutzung der Tatsache der verkürzten Anlaufphase zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung der eingangs beschriebenen
Art gemäß der Erfindung daaurch gelöst, daß ein Zeitglied vorgesehen ist, mit dessen
Hilfe der Stromflußwinkel für die Halbleitergleichrichteranordnung zu Beginn einer
Anlaufphase, ausgehend von einem vorgegebenen unteren Grenzwerts zunehmend vergrößerbar
ist. Erfindungsgemäß erfolgt also zunächst ein sanftes Anfahren des Motors bei einem
relativ kleinen Stromflußwinkel der Halbleitergleichrichteranordnung und dann eine
allmähliche Erhöhung des Stromflußwinkels, wodurch die Anlaufphase insgesamt verkürzt
wird, wodurch ferner ein Hochlaufruck beim Umschalten in die Betriebsstellung vermieden
wird und wodurch schließlich gegen Ende der Anlaufphase ein Stromflußwinkel von
über 900 erreicht werden kann, ohne daß sich die Gefahr eines Ansprechens von Haushaltssicherungen
od. dergl. ergäbe, da bei der zu diesem Zeitpunkt bereits erreichten Drehzahl des
Motors keine Extremwerte des Einschaltstromes mehr auftreten.
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Besonders einfach und billig läßt sich die erfindungsgemäße Schaltung
bei einer Variante der früheren Schaltung verwirklichen, bei der mit einem Thyristor
als Halbleitergleichrichteranordnung und mit einem Steuerkreis gearbeitet wird,
der parallel zu dem Thyristor einen Steuerstromzweig mit einem Kondensator aufweist,
in dem ein gegenüber der Speisespannung voreilender Steuerwechselstrom zur Steuerung
des Stromflußwinkels des Thyristors erzeugbar ist.
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In diesem Fall genügt es nämlich für eine kontinuierliche Erhöhung
des Stromflußwinkels Gs Thyristors,wenn parallel zu diesem als Zeitglied ein RC-Glied
mit gegenüber der Periodendauer der (hXechsel-)Speisespannung großer Zeitkonstante
zur Erzeugung eine0 dem Ladezustand des Kondensators entsprechenden, dem Steuerwechseistrom
überlagerten, ansteigenden Steuerstroms vorgesehen ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn bei einer Schaltung gemäß der Erfindung eine
Anzeigevorrichtung zur Anzeige des Endes der Anlaufphase bzw. zum Anzeigen der Erreichung
des vorgegebenen Stromflußwinkels oder der vorgegebenen Drehzahl vorgesehen ist.
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Eine solche Anzeigevorrichtung, welche vorzugsweise mit Hilfe einer
Glimmlampe verwirklicht werden kann, bietet den Vorteil, daß der Benutzer optisch
sofort informiert wird, wann die optimalen Bedingungen für ein Umschalten des Motorschalters
in die Betriebsstellung vorliegen, so daß die Wartezeit weder zu kurz noch zu lang
ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild einer Schaltung zur Anlaufstrombegrenzung mit einem
Strombegrenzungszweig, und Fig. 2 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform
eines Strombegrenzungszweiges gemäß der Erfindung für eine Schaltung gemäß Fig.
1.
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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 Motorstroiukreis
in seiner ersten
Stellung 1 vollständig vom Netz trennt. In seiner
zweiten Stellung 2,der Anlaufstellung, verbindet der Drei-Stellungs-Schalter Dr
den Motorstromkreis über einen Strombegrenzungszweig S zwischen den Schaltungspunkten
A und B mit dem Netz bzw. der Speisespannung, wodurchder Strom durch den Motor M,
insbesondere der Anlaufstrom, begrenzt wird. In seiner dritten Stellung 3,der Betriebsstellung'verbindet
der Drei-Stellungs-Schalter Dr den Motor M unmittelbar mit dem Netz, so daß die
Speisespannung nunmehr voll an dem Motor M anliegt.
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Zwischen den Schaltungspunkten A und B der Schaltung gemäß Fig. 1
ist ein Strombegrenzungszeig S vorgesehen, dessen Schaltbild 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 Th liegenden
Steuerzweig mit der Serienschaltung eines Widerstandes R21 eines Kondensators C
und einer Diode D aufweist. Ebenfalls parallel zum Thyristor Th liegt die Serienschaltung
eines weitercn 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 Gateelcktrode
des Thyristors Th verbunden ist.
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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
F bzw. dem Netz abgewandten Seite des Kondensators Cl ein voreilender Steuerstrom,
der der Basis des Transistors T zugeführt wird. Der Phasenwinkel, um den der Steuerstrom
gegenüber der Speisespannung voreilt, läßt sich durch Wahl des Widerstandswertes
des Widerstandes R2,zwischen etwa 0 und 90°verändern.Der Transistor T wird unter
der Voraussetzung, daß bei einem Betätigen des Drei-Stellungs-Schalters Dr gerade
eine positive Speisespannungshalbwelle ansteht, praktisch sofort leitend gesteuert
und bleibt dann bis etwa zum Nulldurchgang des
voreilenden Stroms
leitend. Erst wenn die negative Halbwelle es voreilenden Steuerstroms beginnt, wird
der Transistor T gesperrt. Nunmehr kann der Gateelektrode des Thyristors Th über
den weiteren Widerstand R1 der erforderliche Zündstrom zugeführt werden, so daß
der Thyristor Th zündet und bis zum Ende der betreffenden positiven Halbwelle der
Speisespannung leitend bleibt. Während der nachfolgenden negativen Halbwelle der
Speisespannung ist der Thyristor Th dagegen gesperrt, wobei die Diode D im Steuerstromzweig
das für die Phasenverschiebung notwendige Umladen des Kondensators C ermöglicht.
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Die Schaltung gemäß Fig. 2 entspricht in ihrem Aufbau und in ihrer
Wirkungsweise der eingangs erwähnten früheren Schaltung.
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Diese Schaltung ist nun gemäß der Erfindung durch ein Zeitglied in
Form eines RC-Gliedes mit einem Widerstand R3 und einem Kondensator C2 ergänzt,
deren gemeinsamer Verbindungspunkt F über den Widerstand R4 mit der Basis des Transistors
T verbunden ist.
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Die neu hinzugeJommenen Bauelemente R3,R4 und C2 sind dabei zur Verbesserung
der Übersichtlichkeit durch eine strichpunktierte Linie 10 von den Bauelementen
der früheren Schaltung getrennt.
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Aufgrund der beschriebenen Arbeitsweise des zuerst beschriebenen Teils
der Schaltung gemäß Fig. 2 ergeben sich an der Anode des Thyristors Th volle negative
und angeschnittene positive Halbwellen. Der Widerstandwert des Widerstandes R3 und
die Kapazität des Kondensators C2 werden nun so gewählt, daß die Zeitkonstante r
= R3 x C2 groß gegenüber der Periodendauer der Speisespannung, insbesondere der
Netzspannung, ist. Damit erreicht man, daß die Spannung über dem Thyristor Th durch
das RC-Glied integriert wird. Die vollen negativen Halbwellen dominieren dabei gegenüber
den angeschnittenen positiven Halbwellen, so daß der Kondensator C2 negativ aufgeladen
wird.
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Während der positiven Halbwellen fließt nun über den Widerstand R2
und den Kondensator C1 ein phasenverschobener Strom in die Basis des Transistors
T und steuert diesen leitend, wodurch die Zündung des Thyristors Th verhindert wird.
Das Maximum
dieses Steuerwechselstroms liegt aufgrund der Phasenverschiebung
vor dem Maximum der beWreffenden positiven Halbwelle der Speisespannung. Der Thyristor
Th zündet also erst, wenn bei abfallender Speisespannung der Nulldurchgang des Steuerwechselstroms
annähernd erreicht ist. Dieser Nulldurchgang wird nun durch die erfindungsgemäße
Ergänzung der früheren Schaltung vorverlegt, da ein Teil des Steuerwechselstroms
während jeder positiven Halbwelle der Speisespannung über den Widerstand R4 zu dem
Kondensator C2 abfließt, dessen negatives Potential zunächst nur langsam ansteigt.
Hierdurch wird erreicht, daß der Thyristor Th früher zündet.
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Mit dem Vorverlegen des Zündzeitounktes wird der Einfluß der positiven
Halbwellen der Speisesuannung auf den Ladezustand des Kondensators C2 kleiner, so
das-sich der Anstieg des negativen Potentials an dem Kondensator C2 beschleunigt,
was eine weitere Beschleunigung der Vorverlegung des Zündzeitpunktes für den Thyristor
Th zur Folge hat. Der Stromflußwinkel nimmt schließlich dann besonders schnell zu,
wenn erst einmal ein Wert von 900 erreicht ist, da der Phasenanschnitt zu diesem
Zeitpunkt das Maximum der positiven Halbwellen erreicht, deren Einfluß auf den Ladezustand
des Kondensators C2 nunmehr sehr stark abnimmt.
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Das Hochlaufen des Universalmotors wird dadurch in der erwünschten
Weise beschleunigt, was bedeutet, daß die erforderliche Wartezeit bis zum Umschalten
des Motorschalters in die Betriebsstellung3ketrEchtlich verkürzt wird. Dennoch ist
die Gefahr des Ansprechens einer Haushalts sicherung bei Einsatz der erfindungsgemäßen
Schaltung weit geringer als bei der früheren Schaltung mit unveränderlichem Phasenanschnitt,
deren erhebliche Vorteile jedoch sämtlich voll erhalten bleiben.
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Wenn nach Beendigung der Anlaufphase der Schalter Dr in die Betriebsstellung,
d.h. in die Stellung 31fortgeschaltet wird, dann ergibt sich für den Strombegrenzungszweig
S ein Kurzschluß, so daß der Kondensator C2 über den Widerstand R3 entladen wird
und folglich der Ausgangszustand der Schaltung
für den nächsten
Anlaufvorgang wieder hergestellt ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ergibt sich die Möglichkeit, eine Anzeigevorrichtung
vorzusehen, die dem Benutzer direkt anzeigt, wann die Anlaufphase beendet ist.
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Bei der Schaltung gemäß Fig. 2 wird die Anzeigevorrichtung durch die
Serienschaltung eines Widerstandes R5 mit der Parallel schaltung einer Glimmlampe
Gl und eines Kondensators C3 gebildet, wobei diese Serienschaltung insgesamt parallel
zu der Serienschaltung aus dem Widerstand R3 und dem Kondensator C2 liegt. Der Kondensator
C3 wird ähnlich wie der Kondensator C2 aufgrund der Gleichspannungskomponente des
Wechselspannungssignals an den Anschlußklemmen der Anzeigevorrichtung allmählich
aufgeladen, bis die Zündspannung der Glimmlampe Cl erreicht ist. Das Aufleuchten
der Glimmlampe Cl erfolgt bei entsprechender Wahl ihrer Zündspannung, sowie des
Kapazitätswertes des Kondensators C3 und des Widerstandes R5 dann, wenn der Stromflußwinkel
annähernd seinen vorgegebenen Endwert erreicht hat und die Umschaltung des Schalters
Dr in die Betriebsstellung 3 erfolgen kann.
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Eine Anzeigevorrichtung dieser Art läßt sich auch mit einer Leuchtdiode
verwirklichen, welche in Serie mit einer Zenerdiode als Schwellwertglied parallel
zu dem Kondensator C2 geschaltet ist.