WO1992022126A1 - Laststeuerungs-schaltung für netzbetriebenen einphasen-asynchron-kondensator-motor - Google Patents

Laststeuerungs-schaltung für netzbetriebenen einphasen-asynchron-kondensator-motor Download PDF

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motor
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Daniel Flückiger
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Ascom Autelca Ltd.
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/04—Single phase motors, e.g. capacitor motors

Definitions

  • the invention relates to a load control circuit for a mains-operated single-phase asynchronous capacitor motor according to the preamble of claim 1. It also relates to the use of such a circuit in a postage meter machine.
  • Asynchronous capacitor motors which are operated on the general single-phase network (e.g. 220V, 50Hz) are generally known and widely used. They are inexpensive, robust and work maintenance-free. In addition to their positive properties, they also have disadvantages. They have poor efficiency, which is generally below 50%. This always results in a relatively large power loss, which can heat the motor windings up to critical temperatures of over 100 ° C. This considerable power loss is also given when the engine is idling.
  • a franking machine which has an asynchronous capacitor motor as the drive.
  • This engine is running after switching on the machine substantially at idle, 'whereby it drives the feed rollers for the letters to be franked.
  • the press rotor of the machine is coupled to the motor and accelerated via a coupling.
  • the mechanical load on the capacitor motor increases significantly for a short time.
  • the operation of the capacitor motor is such that it is predominantly very lightly loaded in order to be significantly more heavily loaded in the short term.
  • the strength of the load is still dependent on the type of letters to be franked, especially on their thickness, which can vary between less than 1 mm and about 8 mm.
  • the design of the capacitor motor is geared to the load peaks, which results in relatively unfavorable working conditions when the load is low, which exposes the entire franking machine to a considerable amount of heat.
  • FIG. 1 Basic circuit diagram of a load control circuit
  • Fig. 2 - Detailed circuit diagram of the load control circuit.
  • FIG. 1 shows the basic circuit diagram of a load control circuit for a mains-operated single-phase asynchronous capacitor motor 11.
  • This motor 11 has a 4-pole structure, for example. Its main windings are connected via connections 13, 14 and 15 to a single-phase alternating current network of the standard 220V, 50Hz or 110V, 60Hz, for example via a mains plug 18.
  • a first capacitor 19 is connected to the secondary winding of motor 11, via which the latter Winding with the Connection 15 is AC connected.
  • the arrangement described so far corresponds to a generally known capacitor motor, the windings of the motor 11 and the capacitance value of the first capacitor 19 being matched to one another in such a way that optimized conditions result for the essentially unloaded running of the motor 11, i.e. above all, the lowest possible power loss.
  • a second capacitor 20 is now provided, which can be connected to the motor 11 in parallel with the first capacitor 19 via a switch arrangement 70.
  • the capacitance value of the two capacitors 19, 20 is selected so that the motor 11 can easily handle considerable, but relatively short-term load peaks.
  • the load control circuit further comprises a current sensor 30, a voltage sensor 40, a comparator 25 with tilt hysteresis and a switch control 60.
  • the current sensor 30 continuously detects the current in the connection 14, which corresponds to the current in the main winding of the motor 11. It also outputs a (first) DC voltage signal S-, ⁇ at its output 36, which is proportional to the current i.
  • the voltage sensor 40 continuously detects the mains voltage U in parallel and outputs a second DC voltage signal S 2 at its output 39, which is proportional to the voltage U.
  • the two direct voltage signals S lr S 2 are continuously compared in the comparator 25. As soon as the first signal S- j _ becomes larger than the second signal S, the comparator 25 tilts from its rest position into its working position. If the second signal S 2 is again greater than the first signal S- j _, then it tilts back into its rest position.
  • the tilt hysteresis is generated by two slightly different tilt values and prevents a possible oscillation of the comparator 25 if the two signals S lr S 2 are identical.
  • the switch arrangement 70 is preferably designed as a semiconductor switch, for example as a triac.
  • the switch control 60 which prevents damage to the switch, is connected upstream of this semiconductor switch. In particular, the switch control 60 ensures that the semiconductor switch is only switched on when the voltage crosses zero.
  • the current sensor 30 comprises a low-resistance measuring resistor 31, which is inserted into the connection 14.
  • the voltage drop across this resistor 31 is proportional to the main winding current of the motor 11, is rectified by a diode 32 and smoothed by a capacitor 33 to which a high-resistance discharge resistor 34 is connected in parallel.
  • the resulting sensor voltage is buffered in an operational amplifier 35 and output as the first direct voltage signal S- ] _ via the connection 36 to the plus input of the comparator 25.
  • the diode 32 and the capacitor 33 form a very simple rectifier and filter element.
  • the voltage sensor 40 comprises a voltage divider composed of two resistors 41, 42, which is connected to the connections 13, 15 and to the tap 43 of which a rectifier diode 44 and a smoothing capacitor 45 with a discharge resistor 46 connected in parallel to form the second DC voltage signal S 2 are connected.
  • the comparator 25 with tilt hysteresis is by a.
  • An operational amplifier is formed, which is fed back via a resistor 53 from its output 52 to its plus input (+) and is connected to the output 36 of the current sensor 30 via a further resistor 57.
  • This circuitry causes the tilt hysteresis mentioned and the tilt values are set.
  • the output 52 of the comparator 25 controls a light emitting diode (LED) 55 via a transistor 54, which is part of an optocoupler.
  • the optocoupler isolates the flip-flop 50 and the switch control 60 in terms of potential.
  • the switch controller 60 has the task of switching the switch of the switch arrangement 70 when the phototransistor 61 of the optocoupler responds and the next zero crossing of the voltage applied to the switch occurs.
  • the photo transistor 61 is followed by a zero voltage detector circuit as described in "Thyristors & Triac Application Manual 1989" by SGS-Thomson, page 57 ff.
  • the switch arrangement 70 comprises a triac 71 which is switched on by the circuit 60 - as described above - when the AC voltage crosses zero.
  • a resistor 72 is connected in series with the triac 71, which limits any current peaks that may occur.
  • a voltage-dependent resistor (VDR) 73 is connected in parallel with the resistor 72 and the triac 71 and limits any overvoltages that may occur when the triac 71 is interrupted.
  • the load control circuit together with the motor 11 forms an inexpensive solution to the problem shown. It ensures a significant reduction in the previously used heat loss without the need for decisive design measures on the franking machine.
  • the different workloads can, for example, "idling the franking machine” and “driving the Pressure rotor ".
  • the distinction between "idling” and “workload due to a thick envelope” is preferred.
  • the latter load can of course only occur when the pressure rotor is turned.
  • the load control circuit can be varied in a variety of ways compared to the real circuit of FIG. 2. Instead of the triac 71, for example, other semiconductor elements can be used, the current sensor 30 can be more complex, etc., without thereby affecting the invention as such.

Abstract

Die Schaltung zur Laststeuerung eines Asynchron-Motors (11) umfasst zwei Kondensatoren (19, 20), von denen der eine (20) über einen Schalter (70) parallel zum anderen (19) zusschaltbar ist. Zur Steuerung dienen ein Stromsensor (30) und ein Spannungssensor (40), deren Signale (S1, S2) in einem Komparator (25) verglichen werden. Je nach dem Grössenverhältnis der Signale (S1, S2) schaltet eine Schaltersteuerung (60) mit Kipphysteresis den Schalter (70) ein oder aus. Die Schaltung ist einfach, arbeitet unabhängig von der jeweiligen Netzspannung (U) und ist bezüglich ihres Schaltpunktes durch den Stromsensor (30) einstellbar.

Description

Laststeuerungs-Sc altunq für netzbetriebenen Einphasen- Asynchron-Kondensator-Motor
Die Erfindung betrifft eine Laststeuerungs-Schaltung für einen netzbetriebenen Einphasen-Asynchron-Kondensator-Motor entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1. Sie betrifft weiter die Verwendung einer derartigen Schaltung in einer Frankiermaschine.
Asynchron-Kondensator-Motoren, die am allgemeinen Einphasen-Netz (z.B. 220V, 50Hz) betrieben werden, sind allgemein bekannt und weit verbreitet. Sie sind preiswert, robust und arbeiten wartungsfrei. Neben ihren positiven Eigenschaften weisen sie aber auch Nachteile auf. Sie besitzen einen schlechten Wirkungsgrad, der im allgemeinen unter 50% liegt. Hierdurch entsteht stets eine relativ grosse Verlustleistung, die die Motorwicklungen bis zu kritischen Temperaturen von über 100°C erhitzen kann. Diese erhebliche Verlustleistung ist auch im Leerlauf des Motors gegeben.
Es ist weiter bekannt, dass Asynchron-Kondensator-Motoren beim Anlaufen aus dem Stillstand nur ein relativ geringes Anlaufmoment aufbringen. Zur Verbesserung dieser Eigenschaft kann dem Motor-Kondensator zum Anlaufen ein zusätzlicher Kondensator zugeschaltet werden.
Aus Hasler Review, Vol. 11 (1978), Nr. 1, S. 2-7 ist eine Frankiermaschine bekannt, die als Antrieb einen Asynchron- Kondensator-Motor aufweist. Dieser Motor läuft nach dem Einschalten der Maschine im wesentlichen im Leerlauf,' wobei er die Einzugsrollen für die zu frankierenden Briefe antreibt. Sobald ein Brief frankiert werden soll, wird über eine Kupplung der Druckrotor der Maschine an den Motor angekuppelt und beschleunigt. Hierbei steigt die mechanische Belastung des Kondensator-Motors kurzzeitig erheblich an. Die Arbeitsweise des Kondensator-Motors ist damit derart, dass er vorwiegend sehr gering belastet wird, um jeweils kurzfristig wesentlich stärker belastet zu werden. Hierbei ist die Stärke der Belastung noch von der Art der zu frankierenden Briefe abhängig, vor allem von deren Dicke, die zwischen weniger als 1 mm und etwa 8 mm schwanken kann.
Die Auslegung des Kondensator-Motors ist hierbei auf die Lastspitzen ausgerichtet, wodurch bei schwacher Belastung relativ ungünstige Arbeitsbedingungen resultieren, durch die die gesamte Frankiermaschine einer erheblichen Wärmebelastung ausgesetzt wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, für eine Frankiermaschine mit ihrer besonderen Art der Motorbelastung einen allgemeinen Antriebsmotor anzugeben, der bei ähnlichen Kosten wie bisher wesentlich weniger Wärme erzeugt.
Die Lösung dieser Aufgabe ist durch den kennzeichnenden Teil der unabhängigen Ansprüche gegeben. Die abhängigen Ansprüche geben Ausgestaltungen der Erfindung an.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Figurer. beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 - Prinzip-Schaltbild einer Laststeuerungs-Schaltung Fig. 2 - Detailliertes Schaltbild der Laststeuerungs- Schaltung.
Fig. 1 zeigt das Prinzip-Schaltbild einer Laststeuerungs- Schaltung für einen netzbetriebenen Einphasen-Asynchron- Kondensator-Motor 11. Dieser Motor 11 ist beispielsweise 4-polig aufgebaut. Seine Hauptwicklungen sind über die Verbindungen 13, 14 sowie 15 an ein Einphasen- Wechselstro netz der Norm 220V, 50Hz oder 110V, 60Hz angeschlossen, beispielsweise über einen Netzstecker 18. An der Nebenwicklung des Motors 11 ist ein erster Kondensator 19 angeschlossen, über den diese Wicklung mit der Verbindung 15 wechselstrommässig verbunden ist.
Die bis hierher beschriebene Anordnung entspricht einem allgemein bekannten Kondensator-Motor, wobei die Wicklungen des Motors 11 und der Kapazitätswert des ersten Kondensators 19 so aufeinander abgestimmt sind, dass sich auf den im wesentlichen unbelasteten Lauf des Motors 11 optimierte Verhältnisse ergeben, d.h. vor allem eine möglichst geringe Verlustleistung.
Es ist nun ein zweiter Kondensator 20 vorgesehen, der über eine Schalteranordnung 70 parallel zum ersten Kondensator 19 an den Motor 11 anschaltbar ist. Der Kapazitätswert beider Kondensatoren 19, 20 zusammen ist dabei so gewählt, dass der Motor 11 erhebliche, jedoch relativ kurzzeitige Lastspitzen problemlos bewältigen kann.
Die Laststeuerungs-Schaltung umfasst weiter einen Stromsensor 30, einen Spannungssensor 40, einen Komparator 25 mit Kipphysteresis und eine Schaltersteuerung 60.
Der Stromsensor 30 detektiert laufend die Stromstärke in der Verbindung 14, die der Stromstärke in der Hauptwicklung des Motors 11 entspricht. Er gibt weiter an seinem Ausgang 36 ein (erstes) Gleichspannungssignal S-,^ ab, das dem Strom i proportional ist. Der Spannungssensor 40 detektiert parallel hierzu laufend die Netzspannung U und gibt an seinem Ausgang 39 ein zweites Gleichspannungssignal S2 ab, das der Spannung U proportional ist. Die beiden Gleichspannungssignale Sl r S2 werden im Komparator 25 laufend verglichen. Sobald das erste Signal S-j_ grösser als das zweite Signal S wird, kippt der Komparator 25 aus seiner Ruhelage in seine Arbeitslage. Wird das zweite Signal S2 wieder grösser als das erste Signal S-j_, dann kippt er zurück in seine Ruhelage. Die Kipphysteresis wird dabei durch zwei geringfügig unterschiedliche Kippwerte erzeugt und verhindert ein eventuelles Oszillieren des Komparator 25 bei Gleichheit der beiden Signale Sl r S2. Die Schalteranordnung 70 ist bevorzugt als Halbleiterschalter ausgebildet, z.B. als Triac. Diesem Halbleiterschalter ist die Schaltersteuerung 60 vorgeschaltet, die eine Beschädigung des Schalters verhindert. Insbesondere sorgt die Schaltersteuerung 60 dafür, dass der Halbleiterschalter nur bei einem Nulldurchgang der Spannung eingeschaltet wird.
Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsart der Laststeuerungs-Schaltung. Der Stromsensor 30 umfasst einen niederohmigen Messwiderstand 31, der in die Verbindung 14 eingefügt ist. Der Spannungsabfall an diesem Wiederstand 31 ist proportional zum Hauptwicklungsstrom des Motors 11, wird gleichgerichtet durch eine Diode 32 und geglättet durch einen Kondensator 33, dem ein hochohmiger Entladewiderstand 34 parallel geschaltet ist. Die entstehende Sensorspannung wird in einem Operationsverstärker 35 gepuffert und als erstes GleichspannungsSignal S-]_ über die Verbindung 36 an den Plus-Eingang des Komparators 25 abgegeben. Die Diode 32 und der Kondensator 33 bilden hierbei, allgemein gesprochen, ein sehr einfaches Gleichrichter- und Siebglied.
Der Spannungssensor 40 umfasst einen Spannungsteiler aus zwei Widerständen 41, 42, der an die Verbindungen 13, 15 angeschlossen ist und an dessen Abgriff 43 eine Gleichrichterdiode 44 und ein Glättungskondensator 45 mit parallel geschaltetem Entladewiderstand 46 zur Bildung des zweiten Gleichspannungssignals S2 angeschlossen ist.
Der Komparator 25 mit Kipphysteresis wird durch einer. Operationsverstärker gebildet, der über einen Widerstand 53 von seinem Ausgang 52 zu seinem Plus-Eingang (+) rückgekoppelt und über einen weiteren Widerstand 57 mit dem Ausgang 36 des Stromsensors 30 verbunden ist. Durch diese Beschaltung entsteht die genannte Kipphysteresis und werden die Kippwerte eingestellt. Der Ausgang 52 des Komparators 25 steuert über einen Transistor 54 eine iichtemittierende Diode (LED) 55, die Bestandteil eines Optokopplers ist. Der Optokoppler trennt die Kippschaltung 50 und die Schaltersteuerung 60 potentialmässig. Die Schaltersteuerung 60 hat die Aufgabe, den Schalter der Schalteranordnung 70 jeweils dann zu schalten, wenn der Fototransistor 61 des Optokopplers anspricht und der jeweils nächste Nulldurchgang der am Schalter anliegenden Spannung auftritt. Hierzu ist dem Fototransistor 61 eine Nullspannungs-Detektorschaltung nachgeschaltet, wie sie in "Thyristors & Triac Application Manual 1989" der Firma SGS- Thomson, Seite 57 ff beschrieben ist.
Die Schalteranordnung 70 umfasst als Schalter einen Triac 71, der durch die Schaltung 60 - wie oben beschrieben - bei einem Nulldurchgang der Wechselspannung eingeschaltet wird. Zur Sicherheit ist ein Widerstand 72 in Serie mit dem Triac 71 geschaltet, der eventuell trotzdem auftretende Stromspitzen begrenzt. Parallel zum Widerstand 72 und dem Triac 71 ist ein spannungsabhängiger Widerstand (VDR) 73 geschaltet, der beim Unterbrechen des Triacs 71 eventuell auftretende Überspannungen begrenzt.
Die Laststeuerungs-Schaltung bildet zusammen mit dem Motor 11 eine preiswerte Lösung des aufgezeigten Problems. Sie sorgt für eine erhebliche Reduzierung der bisher gewohnten Verlustwärme, ohne dass entscheidende konstruktive Massnahmen an der Frankiermaschine notwendig sind. Mit der gleichzeitigen Messung des Motorstromes i und der Netzspannung U bietet sie eine stets sichere Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Arbeitsbelastungen des Motors 11, unabhängig von Über- oder Unterspannungen am Netzstecker 18. Die unterschiedlichen Arbeitsbelastungen können dabei zum Beispiel "Leerlauf der Frankiermaschine" und "Antreiben des Druckrotors" sein. Bevorzugt wird jedoch die Unterscheidung zwischen "Leerlauf" und "Arbeitsbelastung durch ein dickes Kuvert". Letztere Belastung kann selbstverständlich nur bei Drehung des Druckrotors auftreten. Die Laststeuerungs-Schaltung kann gegenüber der realen Schaltung von Fig. 2 in mannigfaltiger Art variiert werden, Anstelle des Triacs 71 können beispielsweise andere Halbleiterelemente verwendet werden, der Stromsensor 30 kann aufwendiger ausgebildet sein usw., ohne dass hierdurch die Erfindung als solche berührt würde.

Claims

Patentansprϋche
1. Laststeuerungs-Schaltung für einen Asynchron-Motor (11), der mit Hilfe eines ersten Kondensators (19) an einem Einphasen-Netz betrieben wird, wobei ein zweiter Kondensator (20) vorgesehen ist, der dem ersten Kondensator (19) über einen Schalter (70) parallel zuschaltbar ist, gekennzeichnet
- durch einen Stromsensor (30) zum laufenden Detektieren des Motorstromes (i) durch die Hauptwicklung des Motors (11) und zur Abgabe eines zu diesem Strom (i) proportionalen ersten Gleichspannungssignals (S-^) ,
- durch einen Spannungssensor (40) zum laufenden Detektieren der Netzspannung (U) und zur Abgabe eines zu dieser Spannung proportionalen zweiten Gleichspannungssignals (S2) ,
- durch einen Komparator (25) mit Kipphysteresis zum laufenden Vergleichen des ersten (Sη_) und des zweiten Gleichspannungssignals (S2) und zum jeweiligen Abgeben eines Schaltsignals an den Schalter (70) , solange das erste Signal (S-j_) grösser als das zweite Signal (S2) ist.
2. Laststeuerungs-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (30) ein Widerstand (31) und der Spannungssensor (40) ein Spannungsteiler (41, 42) sind, jeweils mit einem nachgeschaltetem Gleichrichter- und Siebglied (32-34/ 44-46) .
3. Laststeuerungs-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltersteuerung (60) vorgesehen ist, die, sobald ein Schaltsignal des Komparators (25) auftritt, beim nächstfolgenden Nulldurchgang der Spannung am Schalter (70) diesen einschaltet.
4. Laststeuerungs-Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Optokoppler (55, 61) vorgesehen ist, der zwischen den Komparator (25) und die Schaltsteuerung (60) zum Zwecke der Potentialtrennung eingefügt ist.
5. Verwendung einer Laststeuerungs-Schaltung nach Anspruch 1 in einer Frankiermaschine, die einen Asynchron-Motor (11) aufweist, der laufend an einem Einphasen-Netz betrieben wird und dem gesteuert und über eine Kupplung ein in Rotation zu versetzender Druckrotor ankoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laststeuerungs-Schaltung so eingestellt ist, dass sie bei Drehung des Druckrotors und nur bei vergleichsweise besonders starker Belastung des Motors (11) den zweiten Kondensator (20) parallel zum ersten Kondensator (19) anschaltet.
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