DE10021918B4

DE10021918B4 - System zum Ansteuern von Wechselstrom-Motoren

Info

Publication number: DE10021918B4
Application number: DE2000121918
Authority: DE
Inventors: András Dr.-Ing. Lelkes
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2000-05-05
Filing date: 2000-05-05
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2020-05-06
Also published as: DE10021918A1

Abstract

System zum Ansteuern von Wechselstrom-Motoren über mittels einer Ansteuereinheit (2) steuerbare elektronische Schaltelemente (Tr), wobei mindestens zwei Motoren (M₁, M₂) zu einer gemeinsam von der gleichen Ansteuereinheit (2) derart synchronisiert angesteuerten Motorengruppe zusammengefasst sind, dass ein sich ergebender Gesamtstrom zumindest annähernd frei von Unterschwingungsanteilen ist, und wobei eine Anzahl (n) von Motoren oder eine Anzahl (n) von jeweils aus mindestens zwei Motoren bestehenden Teilgruppen jeweils mit einer gegenüber einer Ausgangsfrequenz (f_N) einer Versorgungswechselspannung (U_N) reduzierten Grundfrequenz (f_G) angesteuert wird, wobei die Grundfrequenz (f_G) gleich der Ausgangsfrequenz (f_N) geteilt durch die Anzahl (n) der Motoren oder Teilgruppen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Ansteuern von Wechselstrom-Motoren über mittels einer Ansteuereinheit steuerbare elektronische Schaltelemente.

Es ist bekannt (vgl. dazu beispielsweise die DE 198 43 106 A1 ), dass mit einer geeignet gesteuerten, mindestens einen statischen Schalter, wie einen Triac oder dergleichen, aufweisenden Leistungsstufe nicht nur die Amplitude, sondern auch die Grundfrequenz der Motorspannung und damit auch des Motorstroms verändert werden kann. Damit kann eine Reduzierung des Energiebedarfs im unteren Drehzahlbereich, eine bessere Drehzahlstabilität („robustere" Arbeitspunkte) sowie eine Erweiterung des Drehzahlstellbereichs nach unten, d. h. in Richtung niedrigerer Drehzahlen, erreicht werden. Nachteilig ist aber, dass das Versorgungsnetz mit niederfrequenten Strömen belastet wird.

Die DE 198 02 711 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Leistungsreduzierung einer Doppelturbine in Schmutzsaugern. Dabei werden zwei von einer gemeinsamen Steuereinheit angesteuerte Motoren in einem sogenannten Dimmerbetrieb so angesteuert, dass der erste Motor mit der oberen Halbwelle der Netzwechselspannung und der zweite Motor mit der unteren Halbwelle versorgt wird. Dies soll dazu führen, dass eine absolut symmetrische Belastung des Netzes vorhanden ist, so dass schädliche Oberwellen oder sonstige Rückwirkungen auf das Netz nicht stattfinden, weil eine absolut symmetrische Belastung beider Motoren im reduzierten Drehzahlbetrieb erfolgt.

Die DE 43 33 882 C2 betrifft eine Heizleistungssteuerung von Heizwiderständen elektrischer Haushaltsgeräte, insbesondere eines elektrischen Brotrösters. Dabei ist im Wesentlichen eine sogenannte Pulstpaketsteuerung beschrieben, mittels der die Leistung auf mehrere (zwei) Heizwiderstände verteilt wird, indem die einzelnen Heizwiderstände abwechselnd nur zeitweise getaktet angesteuert werden. Die Netzfrequenz bleibt dabei grundsätzlich unverändert, es werden lediglich Netz-Vollwellen auf die Heizwiderstände geschaltet. Bei solchen Heizwiderständen, wobei es sich ja um ohm'sche Lasten handelt, spielt die Frequenz im Grunde keine Rolle.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ansteuersystem für Wechselstrom-Motoren zu schaffen, wodurch Netzströme mit niedrigen Frequenzen vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass mindestens zwei Motoren zu einer gemeinsam von der gleichen Ansteuereinheit derart synchronisiert angesteuerten Motorengruppe zusammengefaßt sind, dass ein sich ergebender Gesamtstrom zumindest annähernd frei von Unterschwingungsanteilen ist, wobei eine Anzahl von Motoren – oder aber eine Anzahl von jeweils aus mindestens zwei Motoren bestehenden Teilgruppen – jeweils mit einer gegenüber einer Ausgangsfrequenz einer Versorgungswechselspannung, insbesondere gegenüber der Netzfrequenz einer Netzspannung, reduzierten Grundfrequenz angesteuert wird, wobei die Grundfrequenz gleich der Ausgangsfrequenz geteilt durch die Anzahl der Motoren bzw. Motoren-Teilgruppen ist. Dabei sind die einzelnen, jeweils die reduzierte Grundfrequenz aufweisen den Motor- oder Teilgruppenspannungen zueinander derart phasenversetzt, daß durch Überlagerung ein Gesamtstrom in der gemeinsamen Motor-Versorgungsleitung entsteht, der im Wesentlichen unterschwingungsfrei ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die oben geschilderte Ansteuerung von einzelnen Motoren aufgrund der reduzierten Grundfrequenz der Motorspannung auch zwangsläufig entsprechend niederfrequente, nachteilige Unterschwingungsanteile enthaltende Ströme hervorruft. Erfindungsgemäß werden die Motorströme von der Ansteuereinheit so synchronisiert, daß der sich ergebende Gesamtstrom keinen oder nur einen geringfügigen Unterschwingungsanteil enthält.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Anhand der Zeichnung soll im Folgenden die Erfindung beispielhaft genauer erläutert werden. Dabei zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines an sich bekannten Steuersystems zum Ansteuern eines einzelnen Wechselstrom-Motors,
2 ein Schaltbild analog zu 1 in einer ebenfalls an sich bekannten Variante,
3 ein Diagramm des bei den Ausführungen nach 1 und 2 auftretenden Stromverlaufs,
4 ein Blockschaltbild einer möglichen Ausführung eines erfindungsgemäßen Ansteuersystems, beispielhaft mit zwei zu einer Gruppe zusammengefaßten Motoren,
5 Diagramme der Motorströme zu 4,
6 Diagramme der Motorströme von drei Motoren, bzw. für mehrere Motoren in drei Teilgruppen geordnet,
7 ein Diagramm des Gesamtstromes für eine Gruppe von drei Motoren, bzw. für mehrere Motoren in drei Teilgruppen geordnet.
Gemäß 1 wird ein Wechselstrom-Motor M über ein steuerbares elektronisches Schaltelement, beispielsweise über einen statischen Schalter (Tr) angesteuert. Das Schaltelement Tr seinerseits wird von einer Ansteuereinheit 2 vorzugsweise in Abhängigkeit von der jeweiligen Polarität bzw. von Nulldurchgängen einer Versorgungswechselspannung (Netzspannung U_N) angesteuert. Bei dem dargestellten Motor M handelt es sich um einen Kondensatormotor mit einer Arbeitswicklung W1 und einer in Reihe mit einem Kondensator C geschalteten Hilfswicklung W2.
Bei der in 2 dargestellten Variante werden die Arbeitswicklung W1 und die Hilfswicklung W2 gesondert über jeweils ein eigenes Schaltelement Tr₁ bzw. Tr₂ angesteuert. Dadurch kann eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht werden.
Mit solchen Schaltungen nach 1 oder 2 kann die Grundfrequenz der Motorspannung und so auch der Motorströme geändert werden. Ein Nachteil dieser Schaltungen ist, daß sie Netzströme mit niedrigen Frequenzen erzeugen, wie dies in 3 veranschaulicht ist. Je nach Grundfrequenz handelt es sich z.B.- um 16 2/3 oder 25 Hz.
Wie sich nun aus 4 ergibt, werden erfindungsgemäß mehrere Wechselstrom-Motoren, im dargestellten Beispiel zwei Motoren M₁ und M₂, zu einer Motorengruppe zusammengefaßt, die gemeinsam von der gleichen Ansteuereinheit 2 über jeweils mindestens ein Schaltelement Tr_A, Tr_B derart synchronisiert angesteuert wird, daß ein sich ergebender Gesamtstrom zumindest annähernd frei von Unterschwingungsanteilen ist. Für die zwei Motoren gemäß 4 mit einer sogenannten „25 Hz-Steuerung" (bei Netzfrequenz 60 Hz : 30 Hz) ist dies in 5 veranschaulicht.
Bei der Schaltung nach 4 kann mit Vorteil ein kostengünstiger Mikrocontroller für die Ansteuereinheit 2 eingesetzt werden, womit ohne weiteres zwei Motoren gleichzeitig gesteuert werden können. In einem oberen Drehzahlbereich kann vorteilhafterweise mit der Schaltung eine Phasenanschnittsteuerung realisiert werden. In einem unteren Drehzahlbereich kann das Verhalten der Motoren (Wirkungsgrad, Drehzahlstabilität und/oder Anlaufmoment) mit veränderter Grundfrequenz wesentlich verbessert werden. Zusätzlich kann der Wirkungsgrad – analog zu 2 – mit zwei Schaltelementen pro Motor noch weiter verbessert werden.
Ganz allgemein gilt, daß die Grundfrequenz f_G, mit der jeder Motor oder jede aus mindestens zwei Motoren bestehende Motoren-Teilgruppe angesteuert wird, gleich der jeweiligen Ausgangsfrequenz , beispielsweise Netzfrequenz f_N geteilt durch die Anzahl n der Motoren bzw. Teilgruppen sein sollte.
Demgemäß gilt für eine Gruppe mit drei Motoren bei einer Netzfrequenz von 50 Hz, daß die Grundfrequenz jeweils 16 2/3 Hz beträgt, bei Netzfrequenz 60 Hz entsprechend 20 Hz. Dabei wird jeder Motor nur in jeder dritten Halbwelle eingeschaltet. Dies ist in 6 veranschaulicht. Dadurch können die niederfrequenten Grundfrequenz-Stromanteile vorteilhafterweise eliminiert werden. Bei einer geringfügigen Asymmetrie in den Motoren oder in der Belastung wird dieser Anteil zumindest wesentlich erniedrigt. In 7 ist das Diagramm des Gesamtstromes i für eine Gruppe von drei Motoren, bzw. für mehrere Motoren, die in drei Teilgruppen angeordnet sind, dargestellt.
Erfindungsgemäß können auch andere Motorengruppen bzw. Kombinationen entsprechend gesteuert werden. Beispielsweise können bei sechs Motoren je drei Motoren gleichmäßig gesteuert werden, so daß dann zwei Teilgruppen mit je drei Motoren für eine 25 Hz-Steuerung (bei Netzfrequenz 50 Hz) gebildet werden. Bei noch niedrigeren Drehzahlen kann ein 16 2/3 Hz-Steuermuster günstiger sein, wozu dann die sechs Motoren in drei steuerungstechnisch zusammengefaßte Teilgruppen, also in drei Teilgruppen mit je zwei Motoren, aufgeteilt werden.
Das erfindungsgemäße Prinzip kann ebenfalls für Asynchron-Drehstrommotoren angewendet werden. In diesem Fall wird jeder Motor mit jeweils einem Schaltelement pro Phase geschaltet.
Die Ansteuereinheit 2 kann grundsätzlich mit beliebigen elektronischen Bauteilen oder Schaltungen realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist ein „low-cost-Microcontroller. Ebenfalls geeignet wäre auch ein ASIC, FPGA oder dergleichen.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist zur Drehzahleinstellung eine Phasenanschnittsteuerung vorgesehen, wodurch der Effektivwert der Spannung verändert werden kann. Gemäß 4 ist dazu eine Einrichtung 4 zur Erfassung der Polarität der Versorgungswechselspannung U_N und zum Erzeugen von Polaritätssignalen vorgesehen, die der Ansteuereinheit 2 zugeführt werden. Insbesondere wird bei jedem Nulldurchgang der Versorgungswechselspannung U_N ein Steuerimpuls an die Ansteuereinheit 2 abgegeben, der zum Triggern der synchronisierten Ansteuerung der einzelnen Motoren oder Teilgruppen und mit Vorteil auch zum Triggern des Phasenanschnittwinkels bei Drehzahleinstellung dient.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.

Claims

System zum Ansteuern von Wechselstrom-Motoren über mittels einer Ansteuereinheit (2) steuerbare elektronische Schaltelemente (Tr), wobei mindestens zwei Motoren (M₁, M₂) zu einer gemeinsam von der gleichen Ansteuereinheit (2) derart synchronisiert angesteuerten Motorengruppe zusammengefasst sind, dass ein sich ergebender Gesamtstrom zumindest annähernd frei von Unterschwingungsanteilen ist, und wobei eine Anzahl (n) von Motoren oder eine Anzahl (n) von jeweils aus mindestens zwei Motoren bestehenden Teilgruppen jeweils mit einer gegenüber einer Ausgangsfrequenz (f_N) einer Versorgungswechselspannung (U_N) reduzierten Grundfrequenz (f_G) angesteuert wird, wobei die Grundfrequenz (f_G) gleich der Ausgangsfrequenz (f_N) geteilt durch die Anzahl (n) der Motoren oder Teilgruppen ist.
System nach Anspruch 1, wobei jeder Motor (M₁, M₂) oder jede Teilgruppe über mindestens ein – insbesondere als statischer Schalter; wie Triac oder Thyristorschaltung, ausgebildetes – Schaltelement (Tr₁, Tr₂) angesteuert wird.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die die Schaltelemente (Tr₁, Tr₂) ansteuernde Ansteuereinheit (2) als elektronische Schaltung aus diskreten Bauelementen aufgebaut oder von einem Mikrocontroller gebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Drehzahleinstellung neben der Änderung der Grundfrequenz zusätzlich eine Phasenanschnittsteuerung zur Änderung der Spannungsamplitude vorgesehen ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer Einrichtung (4) zur Erfassung der Polarität der Versorgungswechselspannung (U_N) und zum Erzeugen von Polaritätssignalen, die der Ansteuereinheit (2) zugeführt werden.