DE3418939A1

DE3418939A1 - Leistungssteuerung fuer elektrische lasten

Info

Publication number: DE3418939A1
Application number: DE19843418939
Authority: DE
Inventors: Willy Dipl.-Ing. Frank (FH), 7100 Heilbronn; Karl-Diether Dipl.-Ing. 7101 Oedheim Nutz; Stefan-Peter Dipl.-Ing. Weller (FH), 7106 Neuenstadt
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1984-05-22
Filing date: 1984-05-22
Publication date: 1985-11-28

Description

Leistungssteuerung für elektrische Lasten
Für elektrische Werkzeuge wie z. B. Bohrmaschinen werden Leistungssteuerungen benötigt, die dazu geeignet sind, die für die elektrischen Werkzeuge erforderlichen Motoren mit einer Wechselspannung unterschiedlicher Netzfrequenz betreiben zu können. Denn es gibt Länder, in denen die Netzfrequenz 50 Hz beträgt, sowie Länder, in denen eine Netzfrequenz von 60 Hz vorhanden ist. Bei Leistungssteuerungen zur Steuerung von Motoren für elektrische herkzeuge ist heute noch ein sogenannter Grundabgleich erforderlich, bei dem die Minimalleistung eingestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierbare Leistungssteuerung für elektrische Lasten wie Motoren anzugeben, bei der kein Umschalten auf unterschiedliche Netzfrequenzen erforderlich ist und bei der außerdem auch der bisher erforderliche Grundabgleich entfällt. Diese Aufgabe wird bei einer Leistungssteuerung für elektrische Lasten mit einem Sollwertgeber, der eine von der gewünschten Leistung abhängige Sollspannung liefert, nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Schaltung vorgesehen ist, die ein netzsynchrones, sich änderndes digitales Rampensignal sowie eine Spannung liefert, die eine Funktion des Maximalwertes des netzsynchronen Rampensignals ist und die als Bezugsgröße für den Sollwertgeber dient, daß eine Schaltung vorgesehen ist, die die vom Sollwertgeber gelieferte Sollspannung, die Teil des Maximalwertes der netzsynchronen Rampenspannung ist, in ein entsprechendes digitales Signal umwandelt, und daß ein Digitalkomparator vorgesehen ist, der das der Sollspannung entsprechende digitale Sollsignal mit dem netzsynchronen digitalen Rampensignal vergleicht und bei Gleichstand der beiden digitalen Signale eine Schaltung aktiviert, die für den Fall, daß das Leistungsbauelement keinen Laststrom führt, einen Zündstrom für das Leistungsbauelement liefert.
Zur Erzeugung des netzsynchronen, sich ändernden digitalen Rampensignals sowie einer Spannung, die eine Funktion des Maximalwertes des netzsynchronen Rampensignals ist, dient gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Oszillator, der einen Zähler hochtaktet, ein Nullspannungsdetektor, der für die Netzsynchronität des Rampensignals sorgt, ein Buffer, der den Maximalwert des netzsynchronen Rampensignals speichert, sowie ein Digital/Analog-Wandler, der den digitalen Maximalwert des Rampensignals in eine entsprechende analoge Spannung umwandelt.
Zur Erzeugung derjenigen Rampenspannung, die zum Vergleich mit der Sollspannung dient, wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein zweiter Zähler hochgetaktet und das Ausgangs signal des zweiten Zählers durch einen zweiten Digital/Analog-Wandler in ein entsprechendes Analogsignal umgewandelt, welches in einem analogen Komparator mit der Sollspannung verglichen wird.
Zur Erzeugung der Zündleistung für das Leistungsbauelement wird das Ausgangssignal des Digital-Komparators, in dem das der Sollspannung entsprechende digitale Signal mit dem netzsynchronen digitalen Rampensignal verglichen wird, einer trigger/retrigger-Logik zugeführt, die über einen Stromdetektor das Leistungsbauelement nach Laststrom abfragt. Bei Gleichstand der beiden, im Digitalkomparator miteinander verglichenen Digitalsignale wird eine Pulsbreitensteuerung sowie eine Impulsendstufe aktiviert, die den Zündstrom für das Leistungsbauelement liefert Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
Der Oszillator 1, der Zähler 2 und der Spannungsnulldurchgangs-Detektor 3 dienen der Erzeugung eines einer netzsynchronen Rampenspannung entsprechenden digitalen Rampensignals. Der Buffer 4 speichert den Maximalwert des digitalen Rampensignals und der D/A-Wandler 5 wandelt den Maximalwert des digitalen Rampensignals in eine analoge Spannung um, die am Punkt A zur Verfügung steht und an den Sollwertgeber gelegt wird, der im Ausführungsbeispiel ein Potentiometer 6 ist.
Der Spannungsnulldurchgangs-Detektor 3 hat die Aufgabe, den Zähler 2 durch Rücksetzen auf Null bei jedem Nulldurchgang der Netzspannung mit der Netzspannung zu synchronisieren Dies geschieht durch einen Nulldurchgangsimpuls, den der Spannungsnulldurchgangs-Detektor 3 beim Nulldurchgang der Netzspannung liefert. Nach Ablauf des Spannungsnulldurchgang-Impulses wird der Zähler 2, der im Ausführungsbeispiel ein 6 bit-Zähler ist, vom Oszillator 1, der im Ausführungsbeispiel ein mitintegrierbarer RC-Oszillator ist, hochgetaktet, und zwar bis zum Einsetzen (Beginn) des nächsten Spannungsnulldurchgang-Impulses. Mit dem Spannungsnulldurchgangsimpuls wird der Zähler 2 zurückgesetzt. Kurz vor dem Rücksetzen des Zählers 2 wird dessen Zählerstand in den Buffer 4 übernommen und, wie bereits beschrieben, mit Hilfe des D/A-Wandlers 5 in eine entsprechende Spannung umgewandelt, die am Punkt A zur Verfügung steht.
Die am Punkt A zur Verfügung stehende Referenzspannung, die dem Maximalwert des netzsynchronen Rampensignals entspricht, dient als Bezugsgröße für die Sollwertspannung.
Die am Punkt A vorhandene Referenzspannung wird deshalb an den Sollwertgeber angelegt, der im Ausführungsbeispiel das Potentiometer 6 ist. Der am Potentiometer 6 anliegende Maximalwert der Rampenspannung wird entsprechend der Schleiferstellung des Potentiometers geteilt.
Die am Schleifer des Potentiometers 6 anliegende Sollspannung entspricht im allgemeinen der Stellung eines Kombinationsgeräteschalters.
Bei der Leistungssteuerung nach der Erfindung erfolgt ein Vergleich eines digitalen Rampensignals mit einem digitalen Sollwertsignal, welches der am Schleifer des Potentiometers 6 anliegenden Sollspannung entspricht.
Dieser Vergleich erfolgt mittels des Komparators 7.
Erreicht das digitale Rampensignal, welches zwischen zwei Netzspannungsnulldurchgängen von einem bestimmten Zählerstand (im allgemeinen Null) bis zu einem Maximalwert hochläuft, den Wert des Sollwertsignals, so erfolgt die Zündung des Leistungsbauelementes, wenn dieses keinen Laststrom führt.
Zur Erzeugung des digitalen Sollwertsignals dient der zweite Zähler 8 (im Ausführungsbeispiel ein Vor/Rückzähler), dessen Zählerstand vom D/A-Wandler 9 in eine entsprechende Spannung umgewandelt wird. Die am Ausgang des weiten D/A-Wandlers 9 vorhandene Spannung wird mittels des zweiten Komparators 10 mit der Sollspannung am Schleifer des Potentiometers 16 verglichen. Der Zähler 8 läuft so lange hoch, bis die am Ausgang des D/A-Wandlers vorhandene Spannung gleich der am Komparator 10 anliegenden Sollspannung ist. Das Hochlaufen des Zählers 8 wird gesteuert durch den Komparator 10 und eine Schrittweitensteuerung 11. Ist die am Komparator 10 anliegende Sollspannung größer als die ebenfalls am Komparator 10 anliegende, vom D/A-Wandler 9 ge'iererte Spannung, so gibt der Komparator 10 die SchriçtsNeitensteuerung 11 frei, die mit z. B. aus dem S?ar.nungsnulldurchgang-Detektor 3 gewonnenen, beispielsise im Abstand von 10 msec erscheinenden Impulsen den Vor/Rück-Zähler 8 höher taktet. Der Zähler 8 wird so lange höher getaktet, bis die vom D/A-Wandler 9 gelieferte Spannung die Sollspannung erreicht. Sind die am Komparator 10 anliegenden Spannungen gleich groß, so schaltet der Komparator 10 die Schrittweiten-Steuerung 11 aus Ist die vom D/A-Wandler gelieferte Spannung gleich der Sollspannung, so entspricht der Zählerstand des Zählers 8 der Sollspannung. Dieser Sollwertzählerstand, der der Sollspannung entspricht, wird im Vor/Rück-Zähler 8 gespeichert. Bei binärem Gleichstand des Zählerstandes der Zähler 2 und 8 (der Zähler 2 liefert das digitale Rampensignal) liefert der Digitalkomparator 7 ein Steuersignal an eine Trigger/Retrigger-Logik 12, die ihrerseits den Zustand des Leistungsbauelementes (Triac) bezüglich eines Laststromflusses abfragt. Wenn die Abfrage, die über den Stromdetektor 13 erfolgt, ergibt, daß das Leistungsbauelement keinen Laststrom mehr führt, wird in dem Moment, in dem der Zählerstand des Zählers n den Sollzählerstand des Zählers 8 erreicht, die Pulsbreitensteuerung 14 aktiviert, die ihrerseits die den Zündstrom für das Leistungsbauelement liefernde Inpulsendstufe 15 aktiviert.
Der Taktzähler 16 hat die Aufgabe, den Nulldurchgangsimpuls in zwei zeitlich aufeinanderfolgende Teilsignale zu zerlegen, um sicher gewährleisten zu können, daß zuerst die Maximal information des Zählers 2 in den Buffer 5 übernommen werden kann und erst im Anschluß daran der Zähler 2 auf seinen Ausgangswert (meistens Null) zurückgesetzt wird.
Ein geeigneter Spannungsnulldurchgangs-Detektor ist beispielsweise in der deutschen Patentschrift 25 53 764 beschrieben. Der Buffer besteht im Ausführungsbeispiel aus 6 D-Flip-Flops. Mittels eines Obernahmekommandos werden die an den Dateneingängen der D-Flip-Flops anliegenden Zählerzustände des dem Buffer vorgeschalteten Zählers in den Speicher des Buffers übernommen.
Als Schrittweitensteuerung wird beispielsweise ein programmierbarer Teiler verwendet. Die trigger/retri.gger-Logik besteht im einfachsten Fall aus einem Takt-Flip-Flop mit Set- und Reset. Als Pulsbreitensteuerung kann beispielsweise ein monostabiles Flip-Flop verwendet werden.
Durch die Leistungssteuerung nach der Erfindung wird der Phasenwinkel gesteuert (Phasenanschnittsteuerung), bei dem das elektrische Leistungsbauelement die elektrische Last an das die Energie liefernde Netz schaltet. Denn bekanntlich ist die Größe der elektrischen Leistung, die an die elektrische Last abgegeben wird, vom Phasenwinkel der Netzspannung abhängig, bei dem das Leistungsbauelement angesteuert wird. Der Phasenwinkel, bei dem die Ansteuerung des Leistungsbauelementes erfolgt, ist im vorliegenden Fall eine Funktion der Schleiferstellung des Potentiometers bzw. der Stellung eines Kombinationsgeräteschalters wie z. B. des Tastschalters einer Bohrmaschine, durch den der Schleifer des Potentiometers gesteuert wird.
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Claims

Patentansprüche Leistungssteuerung für elektrische Lasten mit einem Sollwertgeber, der eine von der gewünschten Leistung abhängige Sollspannung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung vorgesehen ist, die ein netzsynchrones, sich änderndes digitales Rampensignal sowie eine Spannung liefert, die eine Funktion des Maximalwertes des netzsynchronen Rampensignals ist und die als Bezugsgröße für den Sollwertgeber dient, daß eine Schaltung vorgesehen ist, die die vom Sollwertgeber gelieferte Sollspannung, die Teil des Maximalwertes der netzsynchronen Rampenspannung ist, in ein entsprechendes digitales Signal umwandelt, und daß ein Digitalkomparator vorgesehen ist, der das der Sollspannung entsprechende digitale Sollsignal mit dem netzsynchronen digitalen Rampensignal vergleicht und bei Gleichstand der beiden digitalen Signale eine Schaltung aktiviert, die für den Fall, daß das Leistungsbauelement keinen Laststrom führt, einen Zündstrom für das Leistungsbauelement liefert.
2) Leistungssteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator und ein Zähler vorgesehen sind, wobei der Zähler von dem Oszillator während der Zeitspanne von einem Spannungsnulldurchgang bis zum nächsten Spannungsnulldurchgang hochgetaktet wird.
3) Leistungssteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsnulldurchgangs-Detektor vorgesehen ist, der das Hochtakten des Zählers bei Erreichen des nächsten Spannungsnulldurchganges beendet.
4) Leistungssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Buffer vorgesehen ist, der den Maximalwert des digitalen Rampensignals speichert.
5) Leistungssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Digital/Analog-Wandler vorgesehen ist, der den Maximalwert des digitalen Rampensignals in eine analoge Spannung umwandelt.
6) Leistungssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sollwertgeber vorgesehen ist, dem als Bezugsgröße die vom Digital/Analogwandler erzeugte maximale Rampenspannung zugeführt wird.
7) Leistungssteuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Sollwertgeber ein Potentiometer vorgesehen ist.
8) Leistungssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des der Sollspannung entsprechenden digitalen Signals ein zweiter Zähler vorgesehen ist.
9) Leistungssteuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zähler ein Vor/Rück-Zähler ist.
10) Leistungssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Zähler ein Digital/Analog-Wandler nachgeschaltet ist, der das digitale Signal des zweiten Zählers in ein entsprechendes analoges Signal umwandelt.
11) Leistungssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein analoger Komparator vorgesehen ist, der das Ausgangssignal des dem zweiten Zähler nachgeschalteten Digital/Analog-Wandlers mit der Sollspannung vergleicht.
12) Leistungssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schrittweitensteuerung vorgesehen ist, die vom analogen Komparator freigegeben wird, wenn die Sollspannung größer ist als die Ausgangsspannung des dem zweiten Zähler nachgeschalteten Digital/Analog-Wandlers, und die vom analogen Komparator bei Gleichstand der beiden Spannungen abgeschaltet wird.
13) Leistungssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsnulldurchgangs-Detektor Impulse zum Hochtakten des zweiten Zählers liefert.
14) Leistungssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trigger/Retrigger-Logik vorgesehen ist, die den Zustand des Leistungsbauelementes bezüglich Laststromfluß über einen Stromdetektor abfragt.
15) Leistungssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pulsbreitensteuerung vorgesehen ist, die der Trigger/Retrigger-Logik nachgeschaltet ist.
16) Leistungssteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulsendstufe vorgesehen ist, die der Pulsbreitensteuerung nachgeschaltet ist.