DE10028492A1 - System for controlling mains controlled a.c. synchronous motor, operates motor in asynchronous mode at reduced speed if speed deviation persists for defined period - Google Patents

System for controlling mains controlled a.c. synchronous motor, operates motor in asynchronous mode at reduced speed if speed deviation persists for defined period

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Abstract

The system has a control unit (4) for monitoring the actual revolution rate of the motor and for exerting control influence on the motor if the actual revolution rate deviates from the synchronous revolution rate over a defined time. The control unit operates the motor in asynchronous mode at reduced revolution rate if the deviation persists for a defined period.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Steuern eines permanenterregten, in einer von einer Netzfrequenz abhängigen Synchrondrehzahl netzgeführten Wechselstrom-Synchron-Motors, mit einer den Motor bezüglich seiner jeweiligen Ist­ drehzahl überwachenden und zumindest im Falle einer über eine bestimmte Zeit bestehenden Abweichung der Istdrehzahl von der Synchrondrehzahl steuerungstechnisch auf den Motor einwirkenden Steuereinheit.The present invention relates to a system for controlling a permanently excited, in a synchronous speed dependent on a network frequency AC synchronous motor, with one the motor with respect to its respective actual speed monitoring and at least in the case of a certain time existing deviation of the actual speed from the synchronous speed Control unit acting on the engine in terms of control technology.

Aus dem DE 299 17 700 U1 ist es bei einer elektronischen Starteinrichtung für Synchronmotoren bekannt, eine Überwachung des Synchronbetriebes vorzunehmen. Im Falle einer Abweichung der jeweiligen Motordrehzahl von der Synchrondrehzahl, einem sog. Außer-Tritt-Fallen, wird ein erneuter Anlauf mit dem Ziel versucht, den Motor wieder in den Synchronismus zurückzuführen. Nach einem vergeblichen Startversuch können auch periodisch weitere Startversuche durchgeführt werden, und zwar stets mit dem Ziel, wieder den Synchronbetrieb zu erreichen. Zudem kann der betroffene Motor eventuell auch nach einer gewissen maximalen Anzahl von vergeblichen Anlaufversuchen gänzlich abgeschaltet werden. Es können Betriebsbedingungen vorliegen, die ein Erreichen des Synchronismus unmöglich machen. Deshalb würden die bekannten Maßnahmen nach einer bestimmten Zeit letztendlich doch zwangsläufig zum vollständigen Abschalten des Motors führen.From DE 299 17 700 U1 it is for an electronic starting device for Synchronous motors are known to monitor synchronous operation. In the event of a deviation of the respective engine speed from the synchronous speed, a so-called fall-out fall, a new attempt is attempted with the aim of Engine attributed back to synchronism. After a vain Start attempts can also be carried out periodically, and always with the aim of achieving synchronous operation again. In addition, the affected motor possibly also after a certain maximum number of unsuccessful start-up attempts are completely switched off. It can Operating conditions exist that make it impossible to achieve synchronism do. Therefore, the known measures would take a certain amount of time ultimately lead to the complete shutdown of the engine.

Bei vielen Anwendungen, beispielsweise in der Kältetechnik, wäre aber eine völlige Abschaltung des Motors mit Nachteilen durch beispielsweise zusätzlich erforderliche Überwachungseinrichtungen oder Redundanz verbunden.In many applications, for example in refrigeration, would be a complete one Shutdown of the engine with disadvantages due to additional requirements, for example Monitoring devices or redundancy connected.

Auch aus der EP 0 666 639 A1 ist es bekannt, eine nicht korrekt im Synchronismus laufende Maschine wieder bis zur Synchrondrehzahl zu beschleunigen. Reicht die Versorgungsspannung für den Synchronbetrieb nicht aus oder ist die Belastung zu hoch, bleibt der Motor in diesem Beschleunigungsbetrieb, ohne aber tatsächlich beschleunigen zu können. Dies kann in bestimmten Fällen zu einer thermischen Überbelastung und so zum Ausfall führen.It is also known from EP 0 666 639 A1 that one is not correctly synchronized accelerate the running machine again up to the synchronous speed. Is that enough Supply voltage for synchronous operation is not off or the load is too  high, the engine remains in this acceleration mode, but without actually to accelerate. In certain cases this can lead to a thermal Overload and lead to failure.

Aus der EP 0 872 949 A2 ist es bekannt, den Anlaufvorgang eines Synchronmotors in 4 Phasen aufzuteilen:
From EP 0 872 949 A2 it is known to divide the starting process of a synchronous motor into 4 phases:

  • 1. Ausrichten des Rotors in eine definierte Drehstellung,1. Align the rotor in a defined rotational position,
  • 2. Starten des Rotors zur anfänglichen Rotation in eine gewünschte Drehrichtung durch Ansteuerung mit Spannungs- (oder Strom-)Impulsen,2. Start the rotor to initially rotate into a desired one Direction of rotation by control with voltage (or current) pulses,
  • 3. Stabilisierungsphase mit einer unterhalb des Synchronismus liegenden Drehzahl und3. Stabilization phase with one below synchronism Speed and
  • 4. Synchronisierungsphase.4. Synchronization phase.

Dabei ist die 3. Phase optional und wird eingefügt, falls die Last eine anfängliche Stabilisierung bei einer kleineren Drehzahl als die Synchrondrehzahl erfordert. Als Beispiel für eine solche Last wird eine Pumpe genannt. Offensichtlich wird diese dritte Betriebsphase zum Zweck einer Optimierung des Hochlaufs des Motors bei bestimmten Lasten eingeführt. Jedenfalls laufen die drei oder vier Phasen stets sukzessive nacheinander ab mit dem Ziel, den Motor jedenfalls bis in den Synchronismus zu bringen.The 3rd phase is optional and is inserted if the load is an initial one Stabilization at a speed lower than the synchronous speed requires. As An example of such a load is called a pump. Obviously this will be third Operating phase for the purpose of optimizing the startup of the motor certain loads introduced. In any case, the three or four phases always run successively in succession with the aim of at least reaching the engine Bring synchronism.

Die DE 197 01 856 A1 beschreibt eine weitere elektronische Anlauf und Betriebssteuerung für einen Einphasen-Synchronmotor. Auch hierbei sind verschiedene Betriebsphasen definiert, und zwar Anlauf, Hochlauf und Synchronlauf. Bei einem Auftreten einer Überlastung im Synchronlauf kann die Drehzahl absinken. In diesem Fall sollen die Steuergesetze des Synchronlaufes abgeschaltet und die des Hochlaufes eingeschaltet werden. Eventuell wird nachfolgend noch auf die Steuergesetze für den Anlauf umgeschaltet. Somit soll auch hier der Motor wieder beschleunigt und in den Synchronismus zurückgeführt werden.DE 197 01 856 A1 describes a further electronic start-up and Operation control for a single-phase synchronous motor. Here too are Different operating phases are defined, namely start-up, run-up and synchronous operation. If an overload occurs in synchronous operation, the speed may drop. In In this case, the control laws of synchronous operation should be switched off and that of Startup can be switched on. Possibly the following will also be mentioned Tax laws switched over for startup. So the engine should again accelerated and returned to synchronism.

In der EP 0 574 823 B1 ist eine Startvorrichtung für einen Synchronmotor beschrieben, wobei der Anlauf über einen entsprechend gesteuerten statischen Schalter, z. B. Triac, erfolgt. Der Motorfluß kann optional dadurch vergrößert werden, daß die Versorgungsspannung während der Anlaufphase an eine Anzapfung der Motorwicklung geschaltet wird. Nach einer vorgegebenen Zeit wird der entsprechende Schalter abgeschaltet, und der Schalter, der die ganze Motorwicklung ans Netz schaltet, wird eingeschaltet. Ein Lagesensor ermöglicht auch die Überwachung der Drehzahl. Nach dem Ablauf der vorgegebenen Anlaufzeit wird die Drehzahl kontrolliert. Wurde die Synchrondrehzahl nicht erreicht, wird der Motor vom Netz getrennt. Um den Motor nachfolgend noch einmal starten zu können, muß das Motorsystem und die elektronische Schaltung für eine kurze Zeitspanne ganz von der Wechselspannungsspeisequelle abgetrennt werden.EP 0 574 823 B1 describes a starting device for a synchronous motor, the start-up via an appropriately controlled static switch, e.g. B. Triac, he follows. The motor flow can optionally be increased in that the Supply voltage to a tap of the Motor winding is switched. After a given time, the corresponding one  Switch turned off, and the switch that connects the entire motor winding to the grid switches, is switched on. A position sensor also enables monitoring of the Rotational speed. After the specified start-up time has elapsed, the speed is checked. If the synchronous speed has not been reached, the motor is disconnected from the mains. To the To be able to start the engine again afterwards, the engine system and the electronic circuitry for a short period of time entirely from the AC voltage source are disconnected.

Schließlich beschreibt auch die EP 0 682 404 B1 eine Anlaufsteuerung für einen einphasigen Synchronmotor mit Permanentmagneten. Durch eine bestimmte Ansteuerung soll der Motor beschleunigt werden, bis die Synchronisation mit der Netzspannung und damit die maximale Drehzahl erreicht ist, die bekanntlich eine Funktion der Netzfrequenz und der Polzahl des Motors ist. Dabei wird erwähnt, daß es möglich ist, mit einer bestimmten Ansteuerung die Drehzahl zu reduzieren und auf einer geringeren Synchrondrehzahl zu stabilisieren. Mögliche Synchrondrehzahlen ergeben sich durch Division der maximalen Synchrondrehzahl durch eine ganze Zahl (2, 3, . . .)Finally, EP 0 682 404 B1 also describes a start-up control for a single-phase synchronous motor with permanent magnets. The motor should be accelerated by a specific control until synchronization with the mains voltage and thus the maximum speed is reached, which is known to be a function of the mains frequency and the number of poles of the motor. It is mentioned that it is possible to reduce the speed with a certain control and to stabilize it at a lower synchronous speed. Possible synchronous speeds result from dividing the maximum synchronous speed by an integer ( 2 , 3 ,...)

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerungssystem der genannten Art zu schaffen, mit dem auch in problematischen Betriebssituationen, insbesondere bei Überlast, ein vollständiger Ausfall des Motors bzw. ein zwangsweises Abschalten weitgehend vermieden wird.The present invention has for its object a control system to create the type mentioned, with which even in problematic operating situations, especially in the event of an overload, a complete failure of the motor or a forced one Switching off is largely avoided.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Steuereinheit derart ausgelegt ist, daß nach einer bestimmten Zeit einer Abweichung der Istdrehzahl von der Synchrondrehzahl der Motor in einem asynchronen Notbetrieb mit einer bezüglich seiner Synchrondrehzahl reduzierten Drehzahl betrieben wird.According to the invention, this is achieved in that the control unit is designed in this way is that after a certain time a deviation of the actual speed from the Synchronous speed of the motor in an asynchronous emergency mode with respect to its synchronous speed reduced speed is operated.

Die Steuereinheit überwacht somit den Anlauf und den Synchronbetrieb und greift dann ein, wenn beim Start die Synchrondrehzahl nicht erreicht wird oder der Motor später aus dem Synchronismus fällt. Die Steuereinheit kann dann eventuell noch eine bestimmte Anzahl von Anlaufversuchen unternehmen. Wenn es aber auch dann nicht möglich ist, den Motor in den Synchronismus zu bringen bzw. im Synchronismus zu halten, schaltet die Steuereinheit erfindungsgemäß auf Notbetrieb um. In diesem Betrieb arbeitet der Motor asynchron, ähnlich wie beim Anlauf, jedoch nicht mit dem Ziel, bis zur Synchrondrehzahl zu beschleunigen. Um in diesem erfindungsgemäßen Notbetrieb eine Überhitzung zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn der Notbetrieb mit einem gegenüber der Beschleunigungsphase reduzierten Wicklungsstrom erfolgt. Diese Reduzierung des Wicklungsstromes kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung durch eine insbesondere durch Phasenanschnitt bewirkte Reduzierung der Wicklungsspannung erfolgen. Alternativ oder aber zusätzlich kann eine Reduzierung des Stroms auch durch eine Wicklungsumschaltung auf eine größere Windungszahl erfolgen.The control unit thus monitors start-up and synchronous operation and intervenes then on when the synchronous speed is not reached or the engine later falls out of sync. The control unit can then possibly have another make certain number of attempts to start. But if it doesn't it is possible to bring the motor in synchronism or in synchronism hold, the control unit switches over to emergency operation according to the invention. In this In operation, the motor works asynchronously, similar to starting, but not with Aim to accelerate to synchronous speed. To in this invention  Emergency operation to avoid overheating, it is advantageous if the emergency operation with a winding current is reduced compared to the acceleration phase. This reduction of the winding current can be in an advantageous embodiment by reducing the Winding voltage. Alternatively or in addition, a reduction can be made of the current also by changing the winding to a larger number of turns respectively.

Der erfindungsgemäße Notbetrieb eines netzgeführten Synchronmotors betrifft in erster Linie Anwendungen im Bereich Ventilatoren und Pumpen. Hier steigt das Drehmoment mit der dritten Potenz der Drehzahl, weshalb im Bemessungspunkt des Motors, d. h. bei höchster Drehzahl, das größte Drehmoment auftritt. Bei nicht erreichbarem Synchronismus ist dadurch ein Betrieb bei kleinerer Drehzahl möglich, ohne den Motor thermisch zu überlasten.The emergency operation of a network-controlled synchronous motor according to the invention relates to primarily applications in the field of fans and pumps. Here it rises Torque with the third power of the speed, which is why in the rated point of the Motors, d. H. at the highest speed, the greatest torque occurs. With not achievable synchronism is therefore possible to operate at a lower speed, without thermally overloading the motor.

Man ist hinsichtlich des Erreichens eines hohen Motorwirkungsgrades bestrebt, die Motordimensionierung so vorzunehmen, daß der Wirkungsgrad beim Bemessungsmoment maximal wird. Dies hat jedoch zur Folge, daß die Sicherheit gegenüber einem Außer-Tritt-Fallen des Motors bei kurzzeitiger Überlastung oder kurzzeitigem Absinken der Netzspannung verhältnismäßig klein ist.One is striving to achieve high engine efficiency, the Motor dimensioning so that the efficiency at Design torque becomes maximum. However, this has the consequence that security against a falling out of the engine in the event of a brief overload or brief drop in the mains voltage is relatively small.

Eine Überdimensionierung des Motors zur sicheren Vermeidung solcher Fälle hätte eine Verschlechterung des Motorwirkungsgrades zur Folge. Der Motorwirkungsgrad ist jedoch einer der entscheidenden Vorteile eines permanenterregten netzgeführten Synchronmotors. Besonders bei Synchronmotoren kleiner Leistung, die mit kostengünstigen Spaltpol- oder Kondensatormotoren konkurrieren müssen, wäre eine solche Maßnahme neben der Reduzierung des Wirkungsgrades mit einem wirtschaftlichen Nachteil durch einen größeren Materialeinsatz verbunden.Oversizing the motor to safely avoid such cases would have occurred a deterioration in engine efficiency. The engine efficiency is however, one of the key advantages of a permanently excited network-based Synchronous motor. Especially with synchronous motors with low power competing inexpensive shaded-pole or capacitor motors would be one such measure in addition to reducing the efficiency with a economic disadvantage associated with a greater use of materials.

Durch den erfindungsgemäßen Notbetrieb können die genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Der Motor kann mit minimaler Reserve für einen maximalen Wirkungsgrad unter Nennbedingungen ausgelegt werden. Ist der Synchronbetrieb durch kurzzeitige Überlast oder zu kleine Netzspannung nicht mehr möglich, dann wird in den beschriebenen Notbetrieb mit verminderter Drehzahl und Drehmoment übergegangen. In diesem temporären Fehlerfall sinkt zwar der Wirkungsgrad gegenüber dem Synchronbetrieb, der Motor ist jedoch noch in der Lage, auch hier die geforderte minimale (Luft-)Leistung zu liefern.Due to the emergency operation according to the invention, the disadvantages mentioned State of the art can be avoided. The engine can run with minimal reserve for maximum efficiency can be designed under nominal conditions. Is the Synchronous operation no longer due to short-term overload or insufficient mains voltage possible, then in the described emergency mode with reduced speed and Torque passed. In this temporary fault case, the  Efficiency compared to synchronous operation, but the motor is still able to deliver the required minimum (air) performance here too.

Die Erfindung hat demnach wesentliche technische und wirtschaftliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.The invention therefore has significant technical and economic advantages compared to the state of the art.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale sind in den Unteransprüchen sowie in der folgenden Beschreibung enthalten.Further advantageous design features are in the subclaims and in included in the following description.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielhaft genauer erläutert werden. Dabei zeigen:The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawing. there demonstrate:

Fig. 1 ein schematisches Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Systems in einer ersten Ausführungsform eines netzgeführten, permanenterregten Synchronmotors, Fig. 1 is a schematic principle diagram of a system according to the invention, in a first embodiment of a line-commutated, permanent-magnet synchronous motor

Fig. 2 ein ähnliches Prinzipschaltbild mit einem Synchronmotor mit einer Wicklungsanzapfung für den Hochlauf, Fig. 2 is a similar schematic diagram with a synchronous motor with a winding tap for the run,

Fig. 3 ein Diagramm des Wicklungsstrom-Verlaufs in einem möglichen quasisynchronen Betriebspunkt für den Notbetrieb (beispielsweise 16 2/3 Hz) und Fig. 3 is a diagram of the winding current profile in a possible quasi-synchronous operating point for emergency operation (for example 16 2/3 Hz) and

Fig. 4 ein beispielhaftes Flußdiagramm zur Erläuterung der Funktionen des erfindungsgemäßen Systems. Fig. 4 is an exemplary flow chart to explain the functions of the system according to the invention.

In den Fig. 1 und 2 ist von einem permanenterregten Wechselstrom-Synchronmotor jeweils die Motorwicklung 2 und der permanentmagnetische Rotor 1 dargestellt. Bei der Ausführung nach Fig. 1 liegt ein statischer Schalter Tr1 in Reihe zu der Motorwicklung 2, und diese Reihenschaltung liegt an einer Netz-Wechselspannung, d. h. an einem Phasenleiter L1 und einem Null-Leiter N. Der statische Schalter Tr1 wird von einer Steuereinheit 4 angesteuert. Bei der Ausführung nach Fig. 2 besitzt die Motorwicklung 2 eine Anzapfung 6, über die ein Teil der Motorwicklung 2 mittels eines ersten statischen Schalters Tr1 ansteuerbar ist. Die gesamte Motorwicklung 2 ist über einen zweiten statischen Schalter Tr2 ansteuerbar. Beide Schalter Tr1 und Tr2 werden wahlweise von der Steuereinheit 4 angesteuert. Bei den statischen Schaltern kann es sich insbesondere um Triac oder Thyristoren handeln.In Figs. 1 and 2, the motor coil 2 and the permanent magnetic rotor 1 is represented by a permanent-magnet synchronous AC motor, respectively. In the embodiment of Fig. 1, a static switch Tr 1 is connected in series to the motor winding 2, and this series circuit lies at an AC line voltage, that is, at a phase conductor L 1 and a neutral conductor N. The static switch Tr 1 of controlled a control unit 4 . In the embodiment according to FIG. 2, the motor winding 2 has a tap 6 , via which part of the motor winding 2 can be controlled by means of a first static switch Tr 1 . The entire motor winding 2 can be controlled via a second static switch Tr 2 . Both switches Tr 1 and Tr 2 are optionally controlled by the control unit 4 . The static switches can in particular be triac or thyristors.

Zur Erfassung der Rotordrehzahl ist ein Rotor-Positionssensor 3 vorgesehen, bei dem es sich vorzugsweise um einen Hall-Sensor handelt, der das magnetische Feld des Rotors erfasst.To detect the rotor speed, a rotor position sensor 3 is provided, which is preferably a Hall sensor that detects the magnetic field of the rotor.

Die Ermittlung der Rotordrehfrequenz ist nicht, wie vereinfachend in Fig. 1 oder Fig. 2 dargestellt, auf die Anwendung eines Rotorpositionssensors beschränkt, sondern kann auch sensorlos geschehen. Bei dieser Ausführungsform ist anstatt des Rotor­ positionssensors (3) eine geeignete sensorlose Erfassungsschaltung vorgesehen, die der Steuereinheit (4) Informationen über die Drehfrequenz des Rotors liefert, indem eine direkte Messung des Verlaufs der vom rotierenden permanentmagnetischen Polrad (1) in der Motorwicklung (2) induzierten Spannung erfolgt, oder indem eine indirekte Bestimmung über die Messung von Wicklungsströmen und Spannungen vorgesehen ist.The determination of the rotor rotation frequency is not, as shown in a simplified manner in FIG. 1 or FIG. 2, restricted to the use of a rotor position sensor, but can also be done without sensors. In this embodiment, instead of the rotor position sensor ( 3 ), a suitable sensorless detection circuit is provided, which provides the control unit ( 4 ) with information about the rotational frequency of the rotor by directly measuring the course of the rotating permanent magnetic pole wheel ( 1 ) in the motor winding ( 2 ) induced voltage, or by providing an indirect determination via the measurement of winding currents and voltages.

In Anlehnung an das in Fig. 4 dargestellte Flußdiagramm soll zunächst die Erfindung für die Ausführung nach Fig. 1 ohne Wicklungsanzapfung für den Hochlauf-Vorgang erläutert werden.Based on the flowchart shown in FIG. 4, the invention for the embodiment according to FIG. 1 without winding tapping for the start-up process will first be explained.

Für den Hochlauf eines netzgeführten, permanenterregten Synchronmotors ist im Allgemeinen ein höherer Fluß erforderlich als für den Synchronbetrieb. Die Wicklungsauslegung des Motors muß deshalb so erfolgen, daß bei maximal zulässiger mechanischer Last und bei minimal zulässiger Netzspannung der Hochlauf noch sicher möglich ist. Der Hochlauf ist ein temporärer Vorgang, der im Allgemeinen nicht lange andauert. In vielen Fällen erfolgt die Auslegung der Wicklung daher so, daß der Hochlauf einen Überlastfall darstellt. Der für den Hochlauf erforderliche große Fluß wird im Synchronbetrieb, um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen, durch Phasenanschnitt der Netzspannung vermindert. Vorteilhaft wird die effektive Wicklungsspannung lastabhängig angepaßt, so daß in einem weiten Bereich ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.For the start-up of a mains-operated, permanently excited synchronous motor is in Generally a higher flow is required than for synchronous operation. The The motor must therefore be designed in such a way that the maximum permissible mechanical load and the start-up is still safe with a minimum permissible mains voltage is possible. The startup is a temporary process that generally does not take long continues. In many cases, the winding is designed so that the Startup represents an overload case. The large flow required for the run-up will be in synchronous operation in order to achieve good efficiency by Phase angle of the mains voltage reduced. The effective one is advantageous Adapted winding voltage depending on the load, so that a high in a wide range Efficiency is achieved.

Bei zu großer mechanischer Belastung und/oder bei einer zu kleinen Netzspannung kann der Motor außer Tritt fallen. Ein solcher Fall wird erfindungsgemäß von der Steuereinheit 4 erkannt. Vorteilhaft kann dies erfolgen, indem ein Vergleich der z. B. über den Rotorpositionssensor 3 erfassten Drehfrequenz des Motors mit der Netzfrequenz der Versorgungswechselspannung erfolgt und eine Abweichung festgestellt wird. Daraufhin können zunächst erneute Hochlaufversuche eingeleitet werden.If the mechanical load is too high and / or the mains voltage is too low, the motor can fall out of step. According to the invention, such a case is recognized by the control unit 4 . This can advantageously be done by comparing the z. B. via the rotor position sensor 3 detected rotational frequency of the motor with the mains frequency of the AC supply voltage and a deviation is determined. Thereupon, renewed start-up attempts can be initiated.

Hochlaufversuche und ÜberwachungStart-up attempts and monitoring

Ein Hochlaufversuch mit hohem Fluß erfolgt solange, bis eine vorgegebene Zeitdauer t1 verstrichen ist und die Synchrondrehzahl nS während dieser Zeit nicht erreicht werden konnte. Daraufhin wird der Motor für eine festgelegte Zeitdauer t2 vom Netz getrennt, um eine Überhitzung der Wicklung zu vermeiden. Nach dem Ablauf von t2 wird ein erneuter Hochlauf mit hohem Fluß durchgeführt. Konnte nach einer festgelegten Anzahl Z1 von nacheinander ausgeführten Hochlaufversuchen die Synchrondrehzahl nicht erreicht werden, was über den Vergleich der Rotordrehfrequenz, die z. B. über den Rotorpositionssensor 3 erfasst wird, mit der bekannten Netzfrequenz festgestellt wird, so wird der erfindungsgemäße Notbetrieb aktiviert. Insbesondere bei Anwendungen des Motors als Antrieb für Gebläse oder Pumpen ist es vorteilhaft, wenn trotz eines bestehenden Fehlerfalls, z. B. mechanische Überlast oder Netzunterspannung, noch eine gewisse, vom jeweiligen Fehlerfall abhängige Förderleistung erbracht wird, d. h. der Motor nicht ganz ausfällt. Beim Notbetrieb erfolgt eine Ansteuerung des Motors derart, daß im asynchronen, d. h. untersynchronen Betrieb die Wicklung trotz eines eventuell bestehenden Überlastfalls nicht unzulässig hohe Temperaturen annimmt. Dies geschieht bevorzugt durch Reduzierung der angelegten Wicklungsspannung. Bevorzugt wird die Wicklungsspannung über Phasenanschnitt der Netzspannung gegenüber dem regulären Hochlaufvorgang vermindert. Gemäß dem gewünschten Phasenanschnitt wird von der Steuereinheit 4 der statische Schalter Tr1 angesteuert. Der Phasenanschnittwinkel wird hierbei vorteilhafterweise als Funktion der Drehzahl des Motors bei der maximal zulässigen Netzspannung so festgelegt, daß die Motorwicklungen keine unzulässig hohe Temperatur annimmt. Jeder Motordrehzahl, d. h. bestimmten Drehzahlbereichen, wird so ein bestimmter Phasenanschnittwinkel zugeordnet, bei dem die Wicklung gerade noch nicht überhitzt. Diese Zuordnung wird in der Steuereinheit 4, vorzugsweise in einem Mikrocontroller in Form einer Drehzahl- Anschnittwinkel-Tabelle abgelegt. Während des Notbetriebs wird die aktuelle Motordrehzahl von der Steuereinheit 4 fortlaufend über den Rotorpositionssensor 3 erfasst und der entsprechende Phasenanschnittwinkel zur Reduzierung der an die Wicklung geschalteten Spannung angewendet. Auf diese Weise kann trotz sich ändernder Belastung eine Überhitzung der Motorwicklung während des Notbetriebs in einem weiten Lastbereich vermieden werden.A run-up attempt with a high flow takes place until a predetermined time period t 1 has passed and the synchronous speed n S could not be reached during this time. The motor is then disconnected from the mains for a defined period of time t 2 in order to prevent the winding from overheating. After t 2 has elapsed, another high-speed start-up is carried out. After a specified number Z 1 of successive run-up attempts, the synchronous speed could not be reached, which is evident from the comparison of the rotor rotational frequency, e.g. B. is detected via the rotor position sensor 3 , is determined with the known network frequency, the emergency operation according to the invention is activated. Especially in applications of the motor as a drive for fans or pumps, it is advantageous if, despite an existing fault, for. B. mechanical overload or mains undervoltage, a certain, depending on the respective fault delivery capacity is still provided, ie the motor does not fail. In emergency operation, the motor is controlled in such a way that in asynchronous, ie under-synchronous operation, the winding does not assume inadmissibly high temperatures despite a possible overload situation. This is preferably done by reducing the applied winding voltage. The winding voltage is preferably reduced via the phase angle of the mains voltage compared to the regular startup process. The control unit 4 controls the static switch Tr 1 in accordance with the desired phase control. The phase gating angle is advantageously determined as a function of the speed of the motor at the maximum permissible mains voltage so that the motor windings do not assume an impermissibly high temperature. Each motor speed, ie certain speed ranges, is assigned a certain phase gating angle at which the winding is not yet overheating. This assignment is stored in the control unit 4 , preferably in a microcontroller, in the form of a speed-gating angle table. During emergency operation, the current motor speed is continuously recorded by the control unit 4 via the rotor position sensor 3 and the corresponding phase angle is used to reduce the voltage connected to the winding. In this way, overheating of the motor winding during emergency operation in a wide load range can be avoided despite changing loads.

Zusätzlich wird eine untere Grenzdrehzahl nGrenz1 definiert, um den Motor während des Notbetriebs auch gegenüber starker Überlastung zu schützen. Sinkt die Motordrehzahl infolge eines großen Lastmomentes unterhalb nGrenz1, dann erfolgt die Abschaltung des Motors und ggf. ein neuer Anlaufversuch.In addition, a lower limit speed n Limit1 is defined in order to protect the motor against severe overload during emergency operation. If the engine speed drops below n limit1 as a result of a large load torque, the engine is switched off and, if necessary, a new attempt to start.

Besonders günstig für den beschriebenen Notbetrieb sind sog. quasisynchrone Drehzahlen, beispielsweise 1/2 oder 1/3 Synchrondrehzahl (vgl. dazu Fig. 3). Hier arbeitet der Motor mit einem besseren Wirkungsgrad als bei den sonstigen untersynchronen Drehzahlen. Bei dieser Ausführung werden zusätzlich zur Reduzierung der effektiven Wicklungsspannung, z. B. wie oben beschrieben über Phasenanschnitt, Netzhalbwellen von der Steuereinheit 4 gezielt ausgeblendet, um eine Grundschwingung mit niedriger Frequenz als die Netzspannung zu erzeugen. Dadurch ergibt sich eine kleinere Drehzahl des Motors als bei Synchronismus mit der Netzfrequenz und - unter Annahme eines mit der Drehzahl steigenden Lastmomentes, wie es stets bei Lüftern oder Gebläsen vorliegt - eine kleinere Belastung des Motors. Für halbe Netzfrequenz können z. B. zwei aufeinanderfolgende, auch angeschnittene Netzhalbwellen auf die Motorwicklung geschaltet werden, wohingegen die beiden nachfolgenden Netzhalbwellen gesperrt werden. Dieses Verfahren wird vorteilhaft für den Notbetrieb eingesetzt.So-called quasi-synchronous speeds, for example 1/2 or 1/3 synchronous speeds, are particularly favorable for the described emergency operation (cf. FIG. 3). Here the motor works with a higher efficiency than at the other sub-synchronous speeds. In this version, in addition to reducing the effective winding voltage, for. B., as described above, phase cut, network half-waves selectively hidden by the control unit 4 in order to generate a fundamental oscillation with a lower frequency than the network voltage. This results in a lower speed of the motor than with synchronism with the mains frequency and - assuming a load torque that increases with the speed, as is always the case with fans or blowers - a lower load on the motor. For half the network frequency, e.g. B. two consecutive, also cut line half-waves can be switched to the motor winding, whereas the two subsequent line half-waves are blocked. This procedure is used advantageously for emergency operation.

Anlaufversuche und ÜberwachungStart-up attempts and monitoring

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Hochlaufversuch noch durch eine im folgenden beschriebene Maßnahme ergänzt, um auch extreme Überlastfälle während des Anlaufs sicher abzudecken. Ist der Rotor stark gebremst oder gar vollständig blockiert, was von der Steuereinheit 4 dadurch erkannt wird, daß trotz Bestromung der Wicklung, während einer festgelegten Zeitdauer t3 die kürzer als t1 ist, eine untere Grenzdrehzahl nGrenz2, die wiederum kleiner als nGrenz1 ist, nicht erreicht werden kann, so wird der Motor abgeschaltet. Hierbei erfolgen in wiederkehrenden Zeitabständen t4 erneute Anlaufversuche. Kann nach einer Anzahl Z2 aufeinanderfolgend ausgeführter Anlaufversuche keine Drehzahl größer nGrenz2 erreicht werden, so wird der Motor dauerhaft abgeschaltet. Kann aber innerhalb von t3 die Grenzdrehzahl nGrenz2 überschritten werden, erfolgen Hochlaufversuche und eine Überwachung nach dem oben bereits beschriebenen Verfahren.In an advantageous embodiment of the invention, the run-up attempt is supplemented by a measure described below in order to reliably cover extreme overload cases during start-up. If the rotor is heavily braked or even completely blocked, which is recognized by the control unit 4 in that, despite energization of the winding, a lower limit speed n limit2 , which in turn is less than n limit1 , for a fixed period of time t 3 that is shorter than t 1 is not reached, the engine is switched off. Here, repeated start-up attempts are made at recurring intervals t 4 . If, after a number of Z 2 successive start-up attempts , no speed greater than n Limit2 can be achieved, the motor is switched off permanently. However, if the limit speed n Limit2 can be exceeded within t 3 , start-up attempts and monitoring are carried out using the method already described above.

Erneute Hochlaufversuche nach dauerhafter Abschaltung oder bei NotbetriebRetry attempts after permanent shutdown or in emergency operation

Erneute Anlauf und Hochlaufversuche werden erst dann wieder gestartet, wenn die Betriebsspannung kurzzeitig ausgeschaltet wird, oder wenn - wie bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung realisiert - über einen in Fig. 1 und 2 nicht dargestellten Stelleingang der Steuereinheit 4 ein entsprechender Befehl hierfür gegeben wird.New start-up and start-up attempts are only started again when the operating voltage is briefly switched off, or when - as implemented in a preferred embodiment of the invention - a corresponding command for this is given via an actuating input of the control unit 4 (not shown in FIGS. 1 and 2).

Periodisch initiierte HochlaufversuchePeriodically initiated start-up attempts

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung unterbricht die Steuereinheit 4 periodisch den Notbetrieb oder die Abschaltung des Motors in festgelegten Intervallen t5 bzw. t6, die länger sind als t2 und t3, und leitet erneute Start- bzw. Hochlaufversuche ein. Gelingt es weiterhin nicht, die Synchrondrehzahl zu erreichen, setzt die Steuereinheit 4 den Notbetrieb fort oder schaltet den Motor wieder ab, je nach vorliegendem Lastfall.In a particularly advantageous embodiment, the control unit 4 periodically interrupts the emergency operation or the shutdown of the engine at defined intervals t 5 or t 6 , which are longer than t 2 and t 3 , and initiates renewed start-up or start-up attempts. If it is still not possible to reach the synchronous speed, the control unit 4 continues the emergency operation or switches the engine off again, depending on the load situation at hand.

Zu den bisherigen Erläuterungen wird nochmals auf das Flußdiagramm in Fig. 4 hingewiesen, worin die beschriebenen Abläufe und Bedingungen veranschaulicht sind.With regard to the previous explanations, reference is again made to the flow chart in FIG. 4, in which the processes and conditions described are illustrated.

Es wird jetzt die Erfindung für die Ausführung nach Fig. 2 mit Wicklungsanzapfung 6 für den Hochlaufvorgang beschrieben.The invention for the embodiment according to FIG. 2 with winding tapping 6 for the startup process will now be described.

Wie bereits erwähnt wurde, ist für den Hochlauf eines netzgeführten, permanenterregten Synchronmotors ein höherer Fluß erforderlich als für den Synchronbetrieb. Dazu kann die Wicklungsanzapfung 6 vorgesehen sein. Der Hochlaufvorgang wird dann mit kleinerer Windungszahl über die Anzapfung 6 durchgeführt, wodurch ein größerer Fluß entsteht. Um eine gute Motorausnutzung zu erreichen, erfolgt üblicherweise die Auslegung der Wicklung so, daß der Betrieb während des Hochlauf mit der kleineren Windungszahl einen Überlastfall darstellt. Bei Synchronbetrieb wird dann die gesamte Wicklung eingeschaltet. Aufgrund der größeren Windungszahl ergibt sich dann ein kleinerer Wicklungsstrom und dadurch ein kleinerer Fluß als beim Hochlauf, woraus ein hoher Wirkungsgrad resultiert.As has already been mentioned, a higher flux is required for the startup of a mains-operated, permanently excited synchronous motor than for synchronous operation. The winding tapping 6 can be provided for this purpose. The run-up process is then carried out with a smaller number of turns via the tap 6 , which results in a larger flow. In order to achieve good motor utilization, the winding is usually designed so that operation during the start-up with the smaller number of turns represents an overload case. The entire winding is then switched on in synchronous operation. Because of the larger number of turns, there is then a smaller winding current and therefore a smaller flux than during startup, which results in a high degree of efficiency.

Die oben beschriebenen Maßnahmen zur Überwachung des Synchronbetriebs und des Anlaufs bzw. Hochlaufs können uneingeschränkt auch für diesen Motortyp mit Anzapfung 6 angewandt werden. Kann der Motor seine Synchrondrehzahl nicht erreichen, wird der Notbetrieb aktiviert, bei dem er mit geringerer Drehzahl, d. h. mit geringerer mechanischer Belastung, arbeitet, wenn ein mit der Drehzahl ansteigendes Lastmoment vorliegt. Um die Wicklung bei untersynchronem Betrieb, wobei der Motor einen schlechteren Wirkungsgrad besitzt als bei Synchronbetrieb, vor einer Überhitzung zu schützen, müssen die Ströme begrenzt werden. Dies kann entweder wie oben beschrieben durch Reduzierung der Wicklungsspannung oder hier durch eine größere Windungszahl erreicht werden. Erfindungsgemäß kann auch beides erfolgen, d. h. eine Reduzierung der Wicklungsspannung und eine Vergrößerung der Windungszahl zur Begrenzung der Wicklungsströme während des Notbetriebs bei untersynchronen Drehzahlen.The measures described above for monitoring synchronous operation and for starting or starting can also be used without restriction for this motor type with tap 6 . If the motor cannot reach its synchronous speed, the emergency mode is activated, in which it operates at a lower speed, ie with a lower mechanical load, if there is a load torque that increases with the speed. In order to protect the winding against overheating in under-synchronous operation, where the motor is less efficient than in synchronous operation, the currents must be limited. This can be achieved either by reducing the winding voltage as described above or here by increasing the number of turns. According to the invention, both can also be carried out, ie a reduction in the winding voltage and an increase in the number of turns to limit the winding currents during emergency operation at sub-synchronous speeds.

Bei dem aktiven Notbetrieb (untersynchrone Drehzahl) kann bevorzugt eine Bestromung der gesamten Motorwicklung wie beim Synchronbetrieb erfolgen anstatt nur eines Wicklungsteils über die Anzapfung wie beim Hochlauf. Durch die größere Windungszahl (= größere Impedanz und Polradspannung) werden die Ströme in der Wicklung gegenüber dem Hochlaufvorgang reduziert.With active emergency operation (sub-synchronous speed), one can preferably The entire motor winding is energized as in synchronous operation instead only one part of the winding via the tapping as during startup. By the bigger one Number of turns (= greater impedance and magnet wheel voltage) are the currents in the Winding reduced compared to the run-up process.

Für Motoren mit kleinerer Leistung ist diese Maßnahme in vielen Fällen ausreichend, um die Ströme auf einen genügend kleinen Wert zu bringen, damit der Motor in Verbindung mit dem oben beschriebenen Verfahren vor Überhitzung geschützt werden kann. Für Motoren mit größerer Leistung wird zusätzlich die Wicklungsspannung vermindert, um den Strom weiter zu verkleinern.In many cases this measure is sufficient for engines with lower power, to bring the currents to a sufficiently small value so that the motor in Protected against overheating by the method described above can. The winding voltage is also used for motors with higher power decreased to further reduce the current.

Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Maßnahmen weist die Steuereinheit 4 eine entsprechende Steuerlogik auf, die z. B. einen programmierbaren Baustein, Mikroprozessor oder Mikrocontroller enthalten kann. To carry out the measures according to the invention, the control unit 4 has a corresponding control logic which, for. B. can contain a programmable module, microprocessor or microcontroller.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungs- und Anwendungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.The invention is not based on the illustrated and described embodiment and Application examples limited, but also includes all within the meaning of the invention equivalent designs.

Claims (10)

1. System zum Steuern eines in einer von einer Netzfrequenz (fN) abhängigen Synchrondrehzahl (nS) netzgeführten Wechselstrom-Synchronmotors, mit einer den Motor bezüglich seiner jeweiligen Istdrehzahl (nist) überwachenden und zumindest im Falle einer über eine bestimmte Zeit bestehenden Abweichung der Istdrehzahl (nist) von der Synchrondrehzahl (ns) steuerungstechnisch auf den Motor einwirkenden Steuereinheit (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) derart ausgelegt ist, daß nach einer bestimmten Zeit einer Abweichung der Istdrehzahl (nist) von der Synchrondrehzahl (nS) der Motor in einem asynchronen Notbetrieb mit einer bezüglich seiner Synchrondrehzahl reduzierten Drehzahl (nU) betrieben wird.1. System for controlling a monitoring and at least in the case of existing a certain time deviation in one of its respective actual speed (n) with respect to a mains frequency (f N) dependent synchronous speed (n S) line-commutated AC synchronous motor with a motor the actual speed (n) of the synchronous speed (n s) of control technology on the engine acting control unit (4), characterized in that the control unit (4) is designed such that after a certain time of a deviation of the actual speed (n) of the synchronous speed (n S ) the motor is operated in an asynchronous emergency mode at a speed (n U ) which is reduced with respect to its synchronous speed. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Aktivierung des Notbetriebes und/oder nach Ablauf einer bestimmten Zeit (t6) nach einer Aktivierung des Notbetriebs von der Steuereinheit (4) wenigstens ein Synchronisierungsversuch, insbesondere periodisch eine bestimmte Anzahl (Z1/Z2) von mehreren Versuchen nacheinander unternommen wird, um den Motor wieder auf die Synchrondrehzahl (nS) zu bringen.2. System according to claim 1, characterized in that before an activation of the emergency operation and / or after a certain time (t 6 ) after an activation of the emergency operation by the control unit ( 4 ) at least one synchronization attempt, in particular periodically a certain number (Z 1 / Z 2 ) several attempts are made in succession to bring the motor back to the synchronous speed (n S ). 3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer bestimmten Anzahl von vergeblichen Synchronisierungsversuchen der Notbetrieb fortgesetzt oder der Motor vollständig abgeschaltet wird.3. System according to one of claims 1 or 2, characterized in that after a certain number of unsuccessful attempts to synchronize the Emergency operation continues or the engine is switched off completely. 4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) zur Drehzahlüberwachung die jeweilige Drehfrequenz (fD) des Motors mit der Netzfrequenz (fN) vergleicht.4. System according to one of claims 1 to 3, characterized in that the control unit ( 4 ) for speed monitoring compares the respective rotational frequency (f D ) of the motor with the mains frequency (f N ). 5. System nach einer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) die Drehfrequenz (fD) des Motors durch einen Rotorpositionssensor, insbesondere einen mit dem permanentmagnetischen Rotorfeld gekoppelten Hall-Sensor (3), erfaßt.5. System according to one of claims 1 to 4, characterized in that the control unit ( 4 ) detects the rotational frequency (f D ) of the motor by a rotor position sensor, in particular a Hall sensor ( 3 ) coupled to the permanent magnetic rotor field. 6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Notbetrieb mit einem gegenüber dem Synchronbetrieb reduzierten Wicklungsstrom erfolgt, wobei die Reduzierung des Wicklungsstromes durch eine insbesondere durch Phasenanschnitt bewirkte Reduzierung der Wicklungsspannung und/oder durch eine Wicklungsumschaltung auf eine größere Windungszahl erfolgt.6. System according to one of claims 1 to 5, characterized in that the emergency operation with a compared to synchronous operation reduced winding current takes place, the Reduction of the winding current through a particular Phase cut caused reduction of the winding voltage and / or by a winding changeover to a larger number of turns takes place. 7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Untersynchron­ drehzahl (nU) im Notbetrieb eine definierte, vorzugsweise quasisynchrone Drehzahl von beispielsweise 1/2 oder 1/3 der Synchrondrehzahl gewählt wird.7. System according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a defined, preferably quasi-synchronous speed of, for example, 1/2 or 1/3 of the synchronous speed is selected as the sub-synchronous speed (n U ) in emergency operation. 8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) den Motor über mindestens einen statischen Schalter (Tr1, Tr2), wie Triac und/oder Thyristor, ansteuert.8. System according to one of claims 1 to 7, characterized in that the control unit ( 4 ) controls the motor via at least one static switch (Tr1, Tr2), such as triac and / or thyristor. 9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des Notbetriebs eine von der Rotorlage bezüglich des aktuellen Phasenlage der Netzfrequenz abhängige Ansteuerung des statischen Schalters (Tr1, Tr2) durch die Steuereinheit (4) im Sinne einer Drehmomentbildung in die gewünschte Richtung erfolgt.9. System according to claim 8, characterized in that at least during emergency operation depending on the rotor position with respect to the current phase position of the mains frequency control of the static switch (Tr 1 , Tr 2 ) by the control unit ( 4 ) in the sense of torque formation in the desired Direction. 10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) des Wechselstrom-Synchronmotors mit einer Last verbunden ist, deren Drehmoment progressiv mit der Drehzahl steigt, insbesondere mit Ventilatoren oder Pumpen.10. System according to one of claims 1 to 9, characterized in that the rotor ( 1 ) of the AC synchronous motor is connected to a load whose torque increases progressively with the speed, in particular with fans or pumps.
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