DE2229694A1

DE2229694A1 - Drehzahlregler fuer ein elektrowerkzeug

Info

Publication number: DE2229694A1
Application number: DE2229694A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Ing Hoenung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1972-06-19
Filing date: 1972-06-19
Publication date: 1974-01-17
Also published as: CH555621A; ES416025A1; US3848168A; IT989263B; GB1425490A; JPS5628476B2; FR2163218A5; JPS4962919A

Description

7.6.1972 Rs/Dr

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH₃ 7 Stuttgart 1

Drehzahlregler für ein Slektrowerkzeug

Die Erfindung betrifft einen Drehzahlregler für ein Elektrowerkzeug, welches durch einen mit Einphasen-Wechselstrom gespeisten Universalmotor angetrieben wird, mit einen steuerbaren Halbleiterschaltelement und mit einer elektronischen Steuereinrichtung für das Halbleiterschaltelement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem baulichem Aufwand einen betriebssicheren Regler für wechselstromgespeiste Elektrowerkzeuge zu schaffen, der die Leerlaufdrehzahl des Motors begrenzt und dem Drehzahlabfall bei Belastung so entgegen wirkt, daß die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie mindestens bis zum Nenndrehmoment mit wesentlich verringerter Neigung verläuft. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der ^r Drehzahlregler als Zweipunktregler ausgebildet ist, wobei das Halbleiterschaltelement, vorzugsweise ein bidirektionaler Thyri₄st-qr (Triac), im-Laststromkreis des Motors angeordnet ist und bei Leerlauf des Motors mit einem ersten festen

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Stromflußwinkel ^ gezündet wird, bei Vollast mit einem zweiten festen Stromflußwinkel ^₂, welcher größer ist als Jl₃ und bei Teillast mit einer etwa der Lastzunahme entsprechenden statistischen Verteilung von Zündimpulsen mit Stromflußwinkeln Jl bzw. i2.

Versuche haben ergeben, daß der Strornflußwinkel 7l vorteilhafterweise ca. 90° beträgt. Der Stromflußwinkel ^₂ ergibt sieh auf

grund der Regierfunktion zu annähernd l80 . Weiterhin hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der bidirektionale Thyristor durch zwei getrennte Steuerkreise für die beiden verschiedenen Stromflußwinkel $ 1, ^2 gesteuert wird. Ein besonders einfacher Aufbau des Drehzahlreglers ergibt sich dann, wenn der erste Steuerkreis zur Erzeugung des ersten Stromflußwinkels ^ 1 eine parallel zur Speisespannungsquelle liegende Reihenschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes enthält, zwischen denen die eine Elektode"eines Triggerelementes angeschlossen ist, dessen andere Elektrode an der Zündelektrode des bidirektionalen

Thyristors liegt; der Steuerkreis zur Erzeugung des zweiten Stromflußwinkels j 2 liegt zweckmäSigerweise parallel zur Reihenschaltung bestehend aus Spannungsquelle und Motor und besteht einerseits aus der Reihenschaltung wenigstens eines VJiderstandes und eines Kondensators zur weitgehenden Abtrennung der Speisewechselsparmung und andererseits aus einer mit der zuvorgenannten Reihenschaltung in Serie liegenden Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators, der durch die an diesem Widerstand infolge von höherfrequenten Kommutierungsströmen abfallende Spannung auf die Durchbruchsspannung eines zweiten Triggerelementes für den bidirektionalen Thyristor aufgeladen wird. Durch diesen Aufbau erhält man einen gegenüber bekannten Schaltungen sehr einfachen, billigen sowie raun- und gev/ichtssparenden ' Aufbau. Die Regelwirkung ist gut. Der Regler braucht mit dem Motor nur elektrisch verbunden zu werden und kann daher

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an beliebiger Stelle des Elektrowerkzeuges "eingebaut werden. Die Vereinfachung des Regleraufbaues ist insbesondere dadurch gelungen, daß anstelle eines stetig wirkenden Reglers beim Erfindungsgegenstand eine Zweipunktregelung erfolgt, bei der man sich di'e drehzahl- und lastabhängigen Kommutierungsspannungen am Motor in den Stromflußpausen zur Regelung zunutze macht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Drehzahlreglers besteht darin, daß der im ersten Steuerkreis angeordneten Widerstand zur Beeinflussung des Stromflußwinkels ^1 als veränderlicher Widerstand ausgebildet wird. Hierdurch erreicht man, daß die Leerlaufdrehzahl einstellbar wird, wodurch beispielsweise ein langsames Hochfahren des Motors aus dem Stillstand heraus ermö gli cht·vrird.

Als vorteilhafte Triggerelemente haben sieh bidirektionale Dioden (Diacs) bewehrt. Diese Elemente sind sehr raum- und gewichtssparend und außerdem preiswert und betriebssicher,

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind anhand der Figuren in der folgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema des Drehzahlreglers, Fig. 2 bis Fig. k Diagramme der Motorspannung bei verschiedenen

Belastungen,
Fig. 5a und b je eine vergrößerte Darstellung des Verlaufs

der Motorspannung bei Leerlauf und Vollast und Fig. 6 ein Kennlinien^! acramin eines Universalmotors

im geregelten und ungeregelten Zustand.

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In Fig. 1 ist mit 10 eine Einphasen-Wechselstromquelle bezeichnet, deren Innenwiderstand mit R. angegeben ist. Die Wechselstromquelle 10 mit den Innenwiderstand R. ist an zwei Klemmen und 12 angeschlossen. Von der Klemme 11 führt eine Leitung 13 zum einen Anschluß Al eines bidirektionalen Thyristors Th (Triac), dessen anderer Anschluß mit A2 bezeichnet ist und über eine Leitung 1*1 mit einet Anschlußklemme 15 eines Universalmotors M verbunden ist. Die andere Anschlußklemme 16 des Universalmotors ist über eine Leitung 17 an die Wechselspannungs-Klemme 12 angeschlossen.

Zwischen den Leitungen 13 und 17 liegt parallel zur Wechselspannungsquelle 10 die Reihenschaltung eines Kondensators Cl und eines veränderlichen Widerstandes Rl. Von einem Anschlußpunkt zwischen dem Kondensator Cl und dem !Widerstand Rl führt eine Leitung 19 zu einem ersten Triggerelement Dl, einer bidirektionalen Triggerdiode (Diac). Die vom Anschlußpunkt 18 abgekehrte Elektrode des Triggerelementes Dl ist einerseits mit der Steuerelektrode G des Triacs Th und andererseits mit einer Elektrode eines zweiten Triggerelementes D2 verbunden, welches ebenfalls aus einer bidirektionalen Triggerdiode (Diac) besteht. Der von der Steuerelektrode des Triacs abgekehrte Anschluuß des zweiten Triggerelementes D2 liegt einerseits über die Parallelschaltung eines Kondensators C3 und eines Widerstandes R3 an der Leitung 13 und andererseits über die Reihenschaltung eines Widerstandes R2 und eines Kondensators C2 an der Leitung 14.

Bevor anhand der Schaltung und der in den Figuren 2 bis 5 aufgezeichneten Kurven die '7irkunrsv,^Teise des Reglers erläutert wird, soll anhand der Fig. 6 der Zweck der Erfindung erläutert werden:

In Fig. 6 ist die Drehsahl-Drehmornent-Xennlinie eines Uni-

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versalmotors dargestellt. Die auf der Ordinate aufgetragene Drehzahl ist mit n, das auf der Abszisse aufgetragene Drehmoment mit Md bezeichnet. Der Verlauf der Kennlinie für den Betrieb des Universalmotors mit Nennspannung ohne Regler ist dargestellt durch die Kurve A-C-E. Der Nachteil des Universalmotors ist der starke Drehζahlab fall im Bereich A-C, bzw. die hohe Drehzahl im Leerlauf, die bei geringer Belastung stark abfällt und daher nicht genutzt werden kann. Im Bereich C-E ist der Verlauf der Kennlinie befriedigend, der Motor wird hier jedoch teilweise oder ganz im überlastbereich betrieben, was eine Nutzung über längere Zeit ausschließt. VJird die hohe Leerlaufdrehzahl herabgesetzt, indem die Betriebsspannung vermindert wird, dann ergibt sich die Kurve mit dem Verlauf B-D, die durch einen noch stärkeren Drehzahlabfall bei Belastung gekennzeichnet ist.

Der beschriebene Zweipunktregler wirkt nun so auf den Universalmotor ein, daß zunächst mit verminderter Spannung gefahren wird mit einer Leerlaufdrehzahl entsprechend dem Ausgangspunkt B. Mit zunehmender Belastung erhöht der Regler die effektive Motorspannung, so daß das Drehmoment ansteigt und dem Drehzahlabfall entgegen gewirkt wird. Es ergibt sich eine wesentlich flachere Kennlinie B-C, d. h. ein drehzahlstabilieres Verhalten. Im Punkt C hat der Regler die Motorspannung bis auf die Nennspannung erhöht, so daß hier die ursprüngliche Drehzahl erreicht wird und die geregelte Kennlinie 3-C in die ungeregelte Kennlinie C-E übergeht. Die Nennleistung des Motors, die im Bereich C-S liegt, bleibt dadurch erhalten.

VJie Fig. 2 zeigt, reduziert der Regler im Leerlauf die Motorspannung υ« auf 30 bis 80 %_t vorzugsweise 60 bis 70 % der von der ^echselspannungsquelle,10 gelieferten Nennspannung durch einen fest eingestellten Phasenanschnitt. Der Motor erhält nur oder überwiegend angeschnittene ilalbvrellen a.

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Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß der Regler bei Belastung zunehmend zu den angeschnittenen Halbwellen a volle Halbwellen b hinzuschaltet, so daß der Effektivwert der Motorspannung U^ zunimmt. Mit steigender Belastung werden immmer mehr angeschnittene Halbwellen durch volle Halbwellen ersetzt, so daß schließlich die Motorspannung IL·. gleich der von V'echselstromquelle 10 abgegebenen Wennspannung wird, d. h., daß ausschließlich mit vollen Halbwellen gefahren wird, wie dies in Fig. 4 bei b dargestellt ist. Der Motor hat dann die beim betreffenden Drehmoment maximal mögliche Drehzahl erreicht, was dem Punkt C in Fig. 6 entspricht. Insgesamt arbeitet der Regler so, daß nur phasenanpeschnitteneivolle Halbwellen an den Motor gelangen. Der Stromflußv/inkel "3 wird nicht kontinuierlich sondern sprunghaft z. B von 90 auf 180 verändert, so daß sich ein Halb-Ein/Voll-Ein-?rinzip ergibt. Der Regler arbeitet als Zweipunktregler mit fester Grundgröße.

Der in Fig. 1 dargestellte Drehzahlregler arbeitet folgendermaßen:

Der im Laststromkreis liegende Triac Th wird durch zwei getrenne Steuerkreise gezündet. Der erste Steuerkreis besteht aus den Bauelementen Rl, Cl und Dl. Er zündet den Triac Th unabhängig vom Belastungszustand des Motors, so daß sich die angeschnittenen Halbwellen a in Fig. 2 und Fig. 5 ergeben. Der Zündzeitpunkt bzw. der Stromflußwinkel ^₁ wird durch die Dimensionierung von Rl und Cl, bzw. durch die Einstellung von Rl bestimmt. Im Leerlauf des Motors ist überwiegend der erste Steuerkreis wirksam, es ergibt sich der in Fig. 2 dargestellte Verlauf der Motorspannung U„, wobei die am Anfang jeder positiven und jeder negativen Halbv/elle erkennbare Phasenverschiebung zwischen dem Mulldurchcang der Motorspannung und den Motorstroir. durch die Motorimpedanz verursacht .v;ird. Im Stronnulldurchgang hat die Spannung am Motor bereits einen kleinen positiven oder negativen Wert erreicht.

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Der zweite Steuerkreis besteht aus den Bauelementen R2, C2, R3, C3 und D2. Er zündet den Triac Th in Abhängigkeit von einer an dessen Anschluß A2 durch C2 abgenommenen Regelgröße. Als Regelgröße werden die am Motor anstehenden. Kommutierungsimpulse in den Stronflußpausen des Motors verwendet. Diese Verhältnisse sind in Fig. 5a und 5b dargestellt. Beim Universalmotor ergeben sich unmittelbar nach dem Abschalten des Triacs im Stromnulldurchgang d. h. nach jeder Halbwelle der am Motor anliegenden Spannung, Kommutierungsiirraulse in einer bestimmten Höhe, die von der Belastung des Motors abhängig sind. Der Zeitpunkt des Stromnulldurchganges entspricht dem Zeitpunkt to bei dem in den Fig. 5a und 5b dargestellten Spannungsverlauf. Die Höhe der Schaltschwelle U„ ist abhängig von der Durchbruchspannung des Triggerelements D₂ und der Dimensionierung der Elemente Rp, Cp und R,, C, und wird so gelegt, daß im Leerlauf des Motors die durch die Kommutierung bedingten Impulsspdtzen die Schaltschwelle gerade noch nicht erreichen, d. h. der Triac Th nicht bei Beginn jeder Halbwelle gezündet wird. Den entsprechenden Spannungsverlauf zeigt Fig. 5a. Nimmt die Belastung'des Motors zu, so steigt die Höhe der Kommutierungsimpulse an und die Schaltschwelle Uk wird überschritten. Der Triac Th zündet· dann unmittelbar nach dem Stromnulldurchgang bzw. dem Zeitpunkt to und der Motor erhält volle Halbwellen als Betriebsspannung, wodurch die Drehzahl erhöht wird. Der zugehörige Spannungsverlauf ist in Fig. 5b dargestellt.

Die Reihenschaltung der Widerstände R3 und R2 und des Kondensators C2 ist so dimensioniert, daß bei der 50 Hz-Grundwelle der Strom durch C2 hinreichend klein und dadurch die an der Parallelschaltung von R, mit C, auftretende Spannung gegenüber der Zündspannung des Triggerelementes D2 vemachlassiRbar ist. Solange die Belastung des Motors gering ist, sind auch die durch die Kommutierung entstehenden Stromspitzen in

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ihrer Amplitude so gering, daß sie auf die Zündung des Triacs Th keinen Einfluß nehmen können. Die Zündung des Triacs Th erfolgt in diesem Fall ausschließlich in Abhängigkeit von der Dimensionierung bzw. Einstellung von Rl und Cl, also mit einem festen Phasenanschnittwinkel.

Nimmt die Belastung des Motors zu, so erreicht insbesondere der erste, durch die Ankerkommutierung bedingte Spannungsimpuls unmittelbar nach dem Zeitpunkt to in Fig. 5 eine Größe, die ausreicht, um den Kondensator CJ> bis auf die Durchbruchs spannung des Triggerelementes D2 und somit auf die Zündspannung des Triacs Th aufzuladen. Der Steuerkreis mit den Schaltelementen C2, R2, R3 und C3 liegt parallel zu der Reihenschaltung bestehend aus Motor und Spannungsquelle mit der sehr niederohmigen Netzimpedanz R., über die der Steuerkreis geschlossen wird. Ausschlaggebend für die Höhe der Aufladung des Kondensators C3 ist hauptsächlich der erste der unmittelbar nach to auftretenden>

• VKommutierungsimpulse. Reicht die Höhe dieses

Impulses nicht aus, um den Kondensator C3 auf die Durchbruchsspannung des Triggerelementes D2 aufzuladen, so entlädt sich der Kondensator C2 anschließend sofort wieder und die Zündung erfolgt erst bei dem durch den Kondensator Cl und den Widerstand Rl fest eingestellten'Leerlauf-Zündwinkel ¥.. Die in Fig. 3 dargestellte statistische Verteilung von voll durchgezündeten Halbwellen b und teilweise durchgezündeten Halbwellen a bei einer bestimmten Belastung Md ergibt sich dadurch, daß die Kommutierungsimpulshöhen durch die Abs ehaltvorgänge zwischen den Bürsten und den Kollektorlamellen bestimmt werden, die im Einzelfall Undefiniert sind und ihrerseits einer statistischen Verteilung unterliegen.

Die Ausnutzung der Kommutierungsimpulshöhen zur direkten Ansteuerung des Triacs Th über den zweiten Steuerkreis unddie sich daraus ergebende Funktion des Reglers als Zweipunktregler

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bilden den wesentlichen Inhalt der vorliegenden Erfindung. Es ergibt sich ein außerordentlich einfacher elektronischer Regler, der mit wenigen Bauelementen aufgebaut ist und dessen Wirksamkeit mit aufwendigeren Schaltungen durchaus vergleichbar ist.

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Claims

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Ansprüche

1.j Drehzahlregler für ein Elektrowerkzeug, welches durch einen mit Einphasen-Wechselstrom gespeisten Universalmotor angetrieben wird, mit einem steuerbaren Halbleiterschaltelement und mit einer elektronischen Steuereinrichtung für das Halbleiterschaltelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlregler als Zweipunktregler ausgebildet ist, wobei das Halbleiterschaltelement, vorzugsweise ein bidirektionaler Thyristor (Th) , im Laststromkreis des Motors (M) angeordnet ist und bei Leerlauf des Motors (M) mit einem ersten festen Strorcflußwinkel ^f 1 gezündet wird, bei Vollast mit einem zweiten festen Stromflußwinkel ^f 2, welcher größer ist als 3 1, und bei Teillast mit einer der Lastzunahme entsprechenden statistischen Verteilung von Zündimpulsen mit Stromflußwinkeln ^ 1 bzw. if 2.

2. Drehzahlregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromflußwinkel J 1 70° bis 110°, vorzugsweise 90° beträgt.

3. Drehzahlregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stronflußwinkel ii 2 l80° beträgt.

4. Drehzahlregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bidirektionale Thyristor (Th) durch zwei getrennte Steuerkreise (Rl, Cl, Dl; Pause R2, C2, HJ C3

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D2) für die beiden verschiedenen Stromflußwinkel Jl, 32 gesteuert viird.

, Drehzahlregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Steuerkreis zur Erzeugung des ersten Stromflußwinkels

"3 1 eine parallel zur Speisespannungsquelle (10, Ri) liegende Reihenschaltung eines Kondensators (Cl) und eines Widerstandes (Rl) enthält, zwischen denen die eine Elektrode eines Triggerelementes (Dl) angeschlossen ist, dessen andere Elektrode an der Zündelektrode (G) des bidirektionalen Thyristors (Th) liegt.

6. Drehzahlregler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (Rl) zur Einstellung der Leerlaufdrehzahl veränderbar ist.

7. Drehzahlregler nach einem der Ansprüche k bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis zur Erzeugung des zweiten

Stromflußwinkels i2 parallel zur Reihenschaltung bestehend .·- aus WechselstromqueHe (10, R^) und Motor (M) liegt und einerseits aus der Reihenschaltung wenigstens eines Widerstandes (R2, R3.) und eines Kondensators (C2) zur weitgehenden Abtrennung der Speisewechselspannung und andererseits aus einer mit der zuvor genannten Reihenschaltung (R2, C2) in Serie liegenden Parallelschaltung eines Widerstandes (R3) und eines Kondensators. (C3) besteht, der durch die an diesem Widerstand (R3) infolge von hochfrequenten Kommutierunp.sströmen abfallende Spannung

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auf die Durchbruchsspannung eines zweiten Triggerelementes (D2) für den bidirektionalen Thyristor (Th) aufgeladen wird.

8. Drehzahlregler nach einem der Ansprüche 4 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Triggerelemente (Dl, D2) als bidirektionale Dioden ausgebildet sind.

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