DE10062940A1 - Verfahren und Steuersystem zur elektronischen Drehzahlsteuerung eines Asynchronmotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuersystem zur elektronischen Drehzahlsteuerung eines Asynchronmotors, wie eines Kondensator- oder Spaltpolmotors. Aus einer insbesondere sinusförmigen Eingangswechselspannung wird elektronisch eine zur Drehzahleinstellung bezüglich ihrer Grundfrequenz und/oder Amplitude durch einen jeweils mit einem bestimmten, gegebenenfalls unsymmetrischen Zündwinkelmuster erfolgenden Phasenanschnitt variierbare Motor-Wechselspannung generiert. Jeweils für einen bestimmten Solldrehzahl-Arbeitspunkt (A) einer lastspezifischen Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie (III) des Motors werden alternierend mindestens zwei verschiedene Motorspannungen generiert, und zwar anhand von verschiedenen Phasenanschnitt-Zündwinkelmustern, die einerseits für eine Motorkennlinie (I) mit optimiertem Anlaufdrehmoment (M¶0¶) und andererseits für eine Motorkennlinie (II) mit optimiertem Wirkungsgrad (eta) ausgelegt sind. Diese Motorkennlinien schneiden sich zumindest annähernd in dem Solldrehzahl-Arbeitspunkt (A), und etwa in diesem Arbeitspunkt wird andauernd periodisch zwischen den verschiedenen Zündwinkelmustern umgeschaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektronischen Drehzahlsteuerung eines Asynchronmotors, wie eines Kondensator- oder Spaltpolmotors, wobei aus einer insbesondere sinusförmigen Eingangswechselspannung elektronisch eine zur Dreh­ zahleinstellung bezüglich ihrer Grundfrequenz und/oder Amplitude durch einen jeweils mit einem bestimmten, gegebenenfalls unsymmetrischen Zündwinkelmuster erfolgenden Phasenanschnitt variierbare Motorwechselspannung generiert wird.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Steuersystem insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei von einer elektronischen Steuereinheit zumin­ dest eine Wicklung des Motors über einen statischen Schalter mit einer Motor­ wechselspannung angesteuert wird, wobei die Steuereinheit den statischen Schalter derart mit einem bestimmten, gegebenenfalls unsymmetrischen, sich periodisch wie­ derholenden Zündwinkelmuster ansteuert, dass die Motorwechselspannung bezüglich ihrer Grundfrequenz und/oder Amplitude variierbar ist.

Aus der DE 198 43 106 A1 ist ein entsprechendes Drehzahl-Steuersystem bekannt, mit dem es möglich ist, aus der Eingangswechselspannung - üblicherweise aus der Netzspannung - nahezu beliebig viele bezüglich Grundfrequenz und/oder Kurvenverlauf unterschiedliche Motorwechselspannungen zu generieren, wodurch ein Motorbetrieb mit günstigem Wirkungsgrad oder hohem Anlaufmoment möglich ist. Allerdings führt eine Erhöhung des Anlaufmomentes gleichzeitig auch zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades und umgekehrt.

Es sind weiterhin herkömmliche Phasenanschnittsteuerungen bekannt, wobei statische Schalter, wie Triacs oder Thyristoren, zum periodischen, regelmäßigen Phasenanschnitt eingesetzt werden. Dabei erfolgt bei jeder Halbwelle ein Phasenanschnitt mit dem gleichen Zündwinkel. Wird mittels einer solchen Phasenanschnittsteuerung durch Veränderung des Zündwinkels die Motordrehzahl reduziert, so erniedrigt sich der Motorwirkungsgrad nicht unerheblich. Die abgeschwächten Kennlinien für kleinere Drehzahlen weisen ein stark reduziertes Anlaufmoment auf. Kann dieses Anlaufmoment nicht unter jeder zulässigen Betriebsbedingung (unter Berücksichtigung eines bestimmten Temperaturbereichs, Spannungsbereichs, einer Fertigungsstreuung, einer veränderbaren Belastung und/oder Lagerreibung usw.) einen sicheren Start (Anlauf) garantieren, muß der operative Drehzahlbereich nach unten begrenzt werden. Dies ist jedoch für viele Anwendungen ein großer Nachteil.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, um einen Asynchronmotor gerade auch in einem unteren Drehzahlbereich mit einem im Vergleich zu herkömmlichen Phasenanschnittsteuerungen erhöhten Wirkungsgrad sicher betreiben zu können und dabei gleichzeitig auch einen sicheren Anlauf und sicheren Dauerbetrieb zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird dies zunächst gemäß einem Verfahren nach dem Anspruch 1 dadurch erreicht, dass jeweils für einen bestimmten Solldrehzahl-Arbeitspunkt einer lastspezifischen Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des Motors alternierend mindestens zwei verschiedene Motorspannungen generiert werden, und zwar anhand von ver­ schiedenen (vorbestimmten, gespeicherten) Phasenanschnitt-Zündwinkelmustern, die einerseits für eine Motorkennlinie mit optimiertem Anlaufdrehmoment und andererseits für eine Motorkennlinie mit optimiertem Wirkungsgrad ausgelegt sind, wobei sich diese Motorkennlinien zumindest annähernd in dem Solldrehzahl-Arbeitspunkt schneiden und etwa in diesem Arbeitspunkt andauernd periodisch zwischen den verschiedenen Zündwinkelmustern umgeschaltet wird.

Das erfindungsgemäße Steuersystem ist demgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit Speichermittel für zumindest zwei verschiedene Zündwinkelmuster aufweist, die einerseits für eine Motorkennlinie mit optimiertem Anlaufdrehmoment und andererseits für eine Motorkennlinie mit optimiertem Wirkungsgrad ausgelegt sind und sich etwa in einem gleichen Solldrehzahl-Arbeitspunkt schneiden, wobei die Steuer­ einheit den statischen Schalter periodisch abwechselnd mit den verschiedenen Zünd­ winkelmustern ansteuert.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen und Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüche enthalten.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es das aus der DE 198 43 106 A1 bekannte Steuerverfahren ermöglicht, verschiedene Motorwechselspannungen zu generieren, die durch Auswahl bestimmter Zündwinkelmuster entweder für eine Motor­ kennlinie mit hohem Anlaufdrehmoment oder für eine Motorkennlinie mit hohem Wir­ kungsgrad auslegbar sind. Zudem können diese Kennlinien so festgelegt werden, dass sie sich zumindest annähernd in einem vorgegebenen bzw. gewünschten Solldreh­ zahl-Arbeitspunkt schneiden. Erfindungsgemäß wird dann permanent zwischen den unterschiedlichen Kennlinien gewechselt. Dabei gewährleistet die periodisch immer wieder wirksame Kennlinie mit hohem Anlaufdrehmoment den sicheren Anlauf des Motors, und die in den verbleibenden Zeiten jeweils wirksame Kennlinie mit optimier­ tem Wirkungsgrad reduziert insgesamt die Motor-Aufnahmeleistung. Da die unter­ schiedlichen Kennlinien mit der Lastkennlinie des Motors zusammen ungefähr den gleichen Arbeitspunkt bilden, ändert sich die Drehzahl bei der erfindungsgemäßen Umschaltung vorteilhafterweise nicht oder nur unmerklich. Dadurch können störende akustische Effekte vermieden werden. Die Zeiten für die einzelnen Kennlinien können so gewählt werden, dass der Motor vergleichsweise länger, insbesondere sehr viel länger, mit niedriger Aufnahmeleistung arbeitet und die andere Kennlinie mit erhöhtem Anlaufmoment relativ selten und für jeweils relativ kürzere Zeiten wirksam ist. Bei geeigneter Bestimmung dieser kürzeren Zeiten kann sichergestellt werden, dass ein Anlauf unter jeder in der Praxis erlaubten Betriebsbedingung möglich ist. Insgesamt gewährleistet die Erfindung einen sicheren Motor-Betrieb mit im Durchschnitt wesent­ lich verbessertem Wirkungsgrad und ohne wesentliche Drehzahländerung.

Die Steuereinheit ist bezüglich des jeweiligen Betriebszustands des Motors "blind", d. h. sie erhält keine Rückmeldung, ob der Motor nach einem Start tatsächlich angelaufen ist oder noch steht, ob er gerade anläuft oder mit Solldrehzahl läuft. Daher ist die Steuerung erfindungsgemäß für alle zulässigen Betriebsfälle so ausgefegt, dass der Motor sicher anläuft, bis zu seiner Solldrehzahl hochläuft und dann auch im wesentlichen stabil in seiner Soll-Betriebsdrehzahl arbeitet bzw. nach einer z. B. lastbedingten Abweichung wieder in die Solldrehzahl geführt wird. Dazu wird das periodische Umschalten zwischen den (mindestens) zwei verschiedenen Kennlinien konsequent, d. h. permanent durchgehend, durchgeführt, also unabhängig davon, ob der Motor noch steht, anläuft oder schon konstant in einer bestimmten Solldrehzahl läuft.

Die jeweiligen Kennlinien und deren periodische Wechsel und Zeitenverhältnisse sind abhängig von der jeweils gewünschten Solldrehzahl. Für die bzw. für jede mögliche, über die Steuerung wählbare Solldrehzahl werden zuvor empirisch durch Laborver­ suche geeignete Kennlinien mit hohem Anlaufmoment bzw. gutem Wirkungsgrad er­ mittelt und in Form von zugehörigen Zündwinkelmustern in Speichermitteln der Steuereinheit abgelegt. Die Steuereinheit verwendet dann je nach gewünschter oder eingestellter Solldrehzahl diese abgelegten Zündwinkelmuster zur permanent peri­ odisch wechselnden Ansteuerung des Motors.

Die Erfindung ist vor allem für den unteren Drehzahlbereich eines Asynchronmotors vorgesehen, d. h. für den Bereich von Null bis zu insbesondere etwa 25 bis 35% der maximalen Nenndrehzahl.

Anhand der Zeichnungen soll im Folgenden die Erfindung noch näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Steuersystems in einer ersten Schaltungsvariante,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Schaltungsvariante des erfindungsge­ mäßen Systems,

Fig. 3 verschiedene Diagramme eines in herkömmlicher Weise phasenan­ schnittgesteuerten Wechselstrom-Asynchronmotors,

Fig. 4 bis 6 verschiedene Kennliniendiagramme und

Fig. 7 Diagramme zum zeitlichen Ablauf der erfindungsgemäßen Steuerung.

In Fig. 1 ist beispielhaft ein Wechselstrom-Asynchronmotor 2 in einer Ausführung als Kondensatormotor veranschaulicht, der eine Arbeitswicklung W1 und eine Hilfswick­ lung W2 aufweist. Die Hilfswicklung W2 liegt in Reihe mit einem Kondensator C parallel zur Arbeitswicklung W1. In dieser Schaltungsvariante nach Fig. 1 werden beide Wick­ lungen W1 und W2 gemeinsam von einer elektronischen Steuereinheit 4 über einen elektronischen statischen Schalter, wie dargestellt z. B. über einen Triac Tr oder einen Thyristor, angesteuert. Diese Ansteuerung erfolgt derart, dass aus einer insbesondere sinusförmigen Eingangswechselspannung U_N durch Phasenanschnitt eine Motorwech­ selspannung U_M generiert wird, die bzgl. ihrer Grundfrequenz und/oder Amplitude durch einen jeweils mit einem bestimmten, gegebenenfalls unsymmetrischen Zünd­ winkelmuster erfolgenden Phasenanschnitt variierbar ist. Einzelheiten dieser Steuerung sind in der zuvor schon erwähnten DE 198 43 106 A1 offenbart, auf die deshalb an dieser Stelle in vollem Umfang Bezug genommen wird.

In Fig. 2 ist eine Schaltungsvariante dargestellt, bei der die Arbeitswicklung W1 und die Hilfswicklung W2 von der Steuereinheit 4 gesondert über zwei separate statische Schalter Tr₁ und Tr₂ angesteuert werden.

Fig. 3 zeigt Diagramme zum Drehmoment (3.a), Aufnahmeleistung (3.b) und Wirkungs­ grad (3.c) eines herkömmlich phasenanschnittgesteuerten Wechselstrom-Asynchron­ motors. Aus den Diagrammen ist erkennbar, dass sich bei einer Reduzierung der Motordrehzahl n der Motorwirkungsgrad nicht unerheblich reduziert. Die abgeschwäch­ ten Kennlinien für kleinere Drehzahlen weisen ein stark reduziertes Anlaufmoment auf. Daher können besonders bei niedrigen Drehzahlen Anlaufprobleme auftreten.

Die Diagramme in Fig. 4 sollen verdeutlichen, dass sich mit geeigneter Wahl von Zündwinkelmustern im Vergleich zu der herkömmlichen Phasenanschnittsteuerung der Energiebedarf wesentlich reduzieren läßt. Das Anlaufmoment (Drehmoment bei Dreh­ zahl = 0) bleibt dabei praktisch unverändert.

Gemäß Fig. 5 kann mit einem anderen Zündwinkelmuster auch eine andere Kennlinie erzeugt werden, die das Anlaufmoment wesentlich erhöht.

Erfindungsgemäß wird insbesondere in einem unteren Drehzahlbereich permanent zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Kennlinien gewechselt, wobei min­ destens eine Kennlinie I ein hohes Anlaufmoment M₀ und mindestes eine Kennlinie II eine niedrige Aufnahmeleistung aufweist (vgl. Fig. 6). Hierbei ergeben erfindungsge­ mäß die unterschiedlichen Kennlinien zusammen mit der Lastkennlinie III ungefähr den gleichen Arbeitspunkt A, so dass sich durch die Umschaltung zwischen den Kennlinien I und II die Drehzahl des Motors praktisch nicht ändert.

Wie sich aus Fig. 7 entnehmen läßt, erfolgt die Ansteuerung mit dem für optimierten Wirkungsgrad ausgelegten Zündwinkelmuster jeweils über eine Zeit t₁, die länger, und zwar insbesondere sehr viel länger als eine Zeit t₂ ist, über die hinweg jeweils die An­ steuerung mit dem für optimiertes Anlaufdrehmoment M₀ ausgelegten Zündwinkel­ muster ist. Die Zeit t₂ muß jedenfalls so ausgewählt werden, dass sie für einen Anlauf unter jeder erlaubten Bedingung ausreicht. Das für einen Anlauf notwendige Moment hängt in der Praxis von der jeweiligen Motorbelastung ab: aktive Last (z. B. Gegendruck bei Lüftern und Pumpen) plus externe Haftreibung plus interne Haftreibung (Motorlager). Diese Parameter können variieren. Die Haftreibung ist z. B. temperaturabhängig. Weitere Einflußfaktoren: Einbaulage, Qualität des Lagerfettes, Verschmutzung, Vereisung usw. Das für den sicheren Start notwendige Anlaufmoment ist folglich abhängig von den für die aktuelle Anwendung erlaubten Betriebsbedingungen. Gleichzeitig ist auch das zur Verfügung stehende Anlaufmoment des Motors von den Betriebsbedingungen abhängig, so ist das Drehmoment temperatur- und spannungsabhängig. Werden dazu auch noch die Fertigungstoleranzen berücksichtigt, muß auch eine ausreichende Drehmomentreserve zur Verfügung stehen, damit sichergestellt ist, dass der Motor unter jeder erlaubten Betriebsbedingung sicher anlaufen kann. Das für die jeweilige Anwendung notwendige Anlaufmoment ist entweder bekannt (Erfahrungswert) oder kann empirisch ermittelt werden.

Die Erfindung ist besonders für den unteren Drehzahlbereich, d. h. unterhalb einer Grenzdrehzahl von etwa 20 bis 50% insbesondere 25 bis 35%, der maximalen Nenn­ drehzahl des Motors vorgesehen. Oberhalb der Grenzdrehzahl kann der Motor perma­ nent mit der gleichen generierten Motorwechselspannung angesteuert werden, d. h. gemäß nur einem bestimmten Zündwinkelmuster.

Zur Erläuterung des Begriffs "unterer Drehzahlbereich" sei noch folgendes bemerkt. Ziel der Erfindung ist es, einen Asynchronmotor so zu steuern, dass die elektrische Aufnahmeleistung minimal ist, gleichzeitig aber auch ein ausreichendes Anlaufmoment für den sicheren Start vorhanden ist, und zwar auch dann, wenn keine Drehzahlerfassung vorgesehen ist. Für jeden Arbeitspunkt kann die Steuerung auf minimale Aufnahmeleistung optimiert werden. Jede Ansteuerung bzw. jedes Zündwinkelmuster erzeugt zusammen mit dem Motor eine bestimmte Drehmoment- Drehzahl-Kennlinie. Diese Kennlinien können im Labor empirisch ausgemessen werden. Das Drehmoment bei der Drehzahl 0 (Stillstand) ist das Anlaufmoment. Im mittleren und oberen Drehzahlbereich ist das Anlaufmoment naturgemäß größer als das für den sicheren Start zumindest notwendige Anlaufmoment. Im unteren Drehzahlbereich ist dies allerdings nicht der Fall. In diesem Bereich würde ein auf Wirkungsgrad (d. h. auf geringe Aufnahmeleistung) optimiertes Zündwinkelmuster kleinere Anlaufmomente erzeugen, als die besagte Anlaufmomentgrenze für den sicheren Start. Würde die Steuerung so modifiziert, dass das gewünschte An­ laufmoment erreicht wird, würde zwangsläufig der Wirkungsgrad verschlechtert.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch vermieden, dass zwischen wenigstens zwei Steuerungsarten periodisch umgeschaltet wird; die eine garantiert das Anlaufmoment, die andere braucht nur minimale Energie aus dem Netz. "Untere Grenze" des Dreh­ zahlbereichs bedeutet die für den jeweiligen Anwendungsfall des Motors gewünschte minimale Betriebsdrehzahl. "Obere Grenze" des "unteren Drehzahlbereichs" bedeutet diejenige Drehzahl, bei der das Motoranlaufmoment auch unter den ungünstigsten Be­ triebsbedingungen gerade das für den sicheren Start notwendige Anlaufmoment erreicht, wenn die Steuerung auf optimalen Wirkungsgrad ausgelegt ist. Beide Grenzen sind somit applikationsabhängig.

Bezüglich der Festlegung der in Fig. 7 veranschaulichten Zeiten t₁ und t₂ sei noch fol­ gendes bemerkt. Zu den Zeiten t₁ ist die Aufnahmeleistung P_η und während der Zeiten t₂ P_M0. Daraus resultiert als durchschnittliche Aufnahmeleistung für den jeweils aktu­ ellen Arbeitspunkt:

Da P_η « P_M0 ist, ist es sinnvoll, t₁ groß und t₂ klein zu wählen. Dabei ist die Zeit t₂ natürlich davon abhängig, wie lange der Motor braucht, um sich vom Stillstand aus zu beschleunigen und eine Drehzahl sicher zu erreichen, bei der auch die andere Steuerungsart schon genug Drehmoment erzeugt, um den Motor weiter bis zu seiner Solldrehzahl weiter beschleunigen zu können. Der Wert t₁ ist davon abhängig, wie lange der Motor ohne Betriebsstörung in der Gesamtanlage stehen bleiben darf. Beträgt beispielsweise t₁ = 60 s, bedeutet dies, dass der Motor maximal eine Minute steht, wenn er wegen einer kurzfristigen Überbelastung oder anderer Störungen, beispielsweise wegen eines kurzen Spannungseinbruchs, stehen bleibt. Beide Werte können somit ebenfalls nur applikationsspezifisch bestimmt werden.

Die Steuereinheit 4 kann auf einen bestimmten Solldrehzahl-Arbeitspunkt A ausgelegt sein, wozu mit geeigneten Speichermitteln die entsprechenden Zündwinkelmuster für die zugehörigen (mindestens) zwei Kennlinien abgelegt sind. Die Steuereinheit 4 kann aber mit Vorteil auch für mehrere, wahlweise auswählbare Solldrehzahl-Arbeitspunkte ausgelegt sein, wozu für jeden der Arbeitspunkte mindestens zwei verschiedene Zündwinkelmuster für die periodisch abwechselnde Ansteuerung abgespeichert sind.

Die Steuereinheit 4 kann dazu bevorzugt durch einen Mikrocontroller gebildet sein, und zwar insbesondere einem Low-End-Mikrocontroller, der auch softwaremäßig realisiert sein kann.

Abschließend noch ein konkretes Anwendungsbeispiel zur weiteren Verdeutlichung der Wirkungsweise und Vorteile der Erfindung:

Ein 4-poliger Kondensatormotor, gespeist vom 230 V/50 Hz-Netz, arbeitet in einem Beispielsfall mit 1120 min^-1 Drehzahl. In diesem Arbeitspunkt liegt das Drehmoment bei 59 Ncm. Das bedeutet, dass der Motor 69 W mechanische Leistung abgibt. Gleichzeitig nimmt er 153 W elektrische Leistung aus dem Netz. Daraus ergibt sich ein Wirkungsgrad von 45%.

Ist die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der Last quadratisch, was für Lüfter- und Pumpenanwendungen meistens der Fall ist, und wird der Motor von einer herkömmlichen Phasenanschnittsteuerung gespeist, erreicht der Motor bei 120° Phasenanschnittwinkel eine Drehzahl von 450 min^-1. In diesem Arbeitspunkt ist das Drehmoment 9,3 Ncm, die mechanische Abgabeleistung 4,4 W, die elektrische Aufnahmeleistung 62 W. Daraus ergibt sich ein stark reduzierter Motorwirkungsgrad von 7%.

Mit der aus DE 198 43 106 A1 bekannten Steuerung kann der gleiche Arbeitspunkt (450 min^-1, 9,3 Ncm) mit wesentlich reduzierter Aufnahmeleistung erreicht werden. Dazu kann zum Beispiel die Schaltung gemäß Fig. 2 mit zwei Triacs getrennt für die Arbeitswicklung (AW) und für die Hilfswicklung (HW) benutzt werden.

Wird beispielsweise die sogenannte 25 Hz Steuerung gewählt, (das heißt, die Zündwinkel wiederholen sich nach vier Halbwellen) ergibt sich die minimale Aufnahmeleistung bei den Zündwinkeln:
AW: 99°, 99°, 180°, 180°,
HW: 97°, 0°, 180°, 180°,
wobei 180° Zündwinkel bedeutet, dass die ganze Halbwelle gesperrt ist. Bei dieser Steuerungsart reduziert sich die Aufnahmeleistung von 62 W auf 39 W. Das bedeutet eine Energieersparnis von 37%.

Beide Steuerungen (herkömmliche Phasenanschnittsteuerung und "25 Hz"-Steuerung) erzeugen ungefähr das gleiche Anlaufmoment, ca. 5,4 Ncm. Kann das Haftmoment größer sein, ist ein sicherer Start nicht gewährleistet. (Bei Lüfteranwendungen dieser Leistungsklasse reicht üblicherweise schon ein Anlaufmoment von 1-2 Ncm für den Start. Dann würde man aber bei noch kleineren gewünschten Arbeitsdrehzahlen das gleiche Problem haben.)

Mit einem anderen Zündwinkelmuster kann der gleiche Arbeitspunkt (450 min^-1, 9,3 Ncm) mit wesentlich erhöhtem Anlaufmoment erzeugt werden. Zum Beispiel mit einer 16 ²/₃ Hz-Steuerung:
AW: 0°, 180°, 180°,
HW: 180°, 180°, 97°.

Mit dieser Steuerung wird das Anlaufmoment verdoppelt. Nachteil ist, dass die elektrische Aufnahmeleistung stark auf 97 W wächst. Da die Abgabeleistung nur gut 4 W beträgt, liegt damit der Motorverlust bei 93 W. Das bedeutet einen Zusatzverlust von 35 W (+60%) im Vergleich zur Phasenanschnittsteuerung bzw. 58 W (+166%) im Vergleich zur optimierten 25 Hz-Steuerung. Diese Verluste erwärmen den Motor und können zu thermischen Problemen führen. Andererseits ist der erhöhte Leistungsbedarf auch aus ökologischen und ökonomischen Gründen unerwünscht.

Erfindungsgemäß werden die zwei unterschiedlich optimierten Steuerungsarten (16 ²/₃ Hz für maximales Anlaufmoment und 25 Hz für maximalen Wirkungsgrad) kombiniert. Die Steuerung (bevorzugt durch einem Low-End-Microcontroller softwaremäßig realisiert) wechselt periodisch die Zündwinkelmuster der Triacs.

Dazu folgendes Rechnungsbeispiel:

Der Motor wird eine Minute lang (6000 = 1500 × 4 Halbwellen bei 50 Hz-Netz) mit einem auf Wirkungsgrad optimierten 25 Hz-Zündwinkelmuster angesteuert. In dieser Zeit nimmt er nur 39 W aus dem Netz auf. Nach Ablauf der Minute schaltet die Steuereinheit 4 auf ein 16 Hz-Zündwinkelmuster um, welches eine Kennlinie mit höherem Anlaufmoment erzeugt. Die Steuerung arbeitet 0,99 s lang (99 = 33 × 3 Halbwellen) mit diesem Zündwinkelmuster, danach schaltet sie wieder auf das wirkungsgradoptimierte Zündwinkelmuster um. Steht der Motor, reicht das für etwa eine Sekunde erhöhte Drehmoment aus, um den Rotor vom Stillstand zu bewegen. Dreht sich der Rotor (was die Steuereinheit ohne zusätzlichen Sensor ja nicht unterscheiden kann), erzeugt das anlaufmomentoptimierte Zündwinkelmuster den gleichen Arbeitspunkt, beispielsweise 450 min^-1 bei 9,3 Ncm, so dass sich die Drehzahl nicht ändert (vgl. dazu Fig. 7a). Die durchschnittliche Aufnahmeleistung ergibt sich dabei beispielsweise wie folgt: P = (60 s.39 W + 0,99 s.97 W)/60,99 s = 40 W.

Mit dieser Lösung hat sich somit das für den Start relevante Anlaufmoment verdoppelt, die Aufnahmeleistung hat sich aber im Vergleich zu einer üblichen Phasenanschnitt­ steuerung (62 W) wesentlich reduziert (-35%).

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbei­ spiele beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die in den unabhängigen Ansprüchen jeweils definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, daß grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal jedes unabhängigen Anspruchs weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.

Claims (9)

1. Verfahren zur elektronischen Drehzahlsteuerung eines Asynchronmotors, wie eines Kondensator- oder Spaltpolmotors, wobei aus einer insbesondere sinusförmigen Eingangswechselspannung (U_N) elektronisch eine zur Drehzahleinstellung bezüglich ihrer Grundfrequenz und/oder Amplitude durch einen jeweils mit einem bestimmten, gegebenenfalls unsymmetrischen Zündwinkelmuster erfolgenden Phasenanschnitt variierbare Motor- Wechselspannung (U_M) generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils für einen bestimmten Solldrehzahl-Arbeitspunkt (A) einer lastspezifischen Drehmoment-Drehzahl- Kennlinie des Motors alternierend mindestens zwei verschiedene Motorspannungen generiert werden, und zwar anhand von verschiedenen Phasenanschnitt-Zündwinkelmustern, die einerseits für eine Motorkennlinie mit optimiertem Anlaufdrehmoment (M₀) und andererseits für eine Motorkennlinie mit optimiertem Wirkungsgrad (η) ausgelegt sind, wobei sich diese Motorkennlinien zumindest annähernd in dem Solldrehzahl-Arbeitspunkt (A) schneiden und etwa in diesem Arbeitspunkt andauernd periodisch zwischen den verschiedenen Zündwinkelmustern umgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung mit dem für optimierten Wirkungsgrad (η) ausgelegten Zündwinkelmuster jeweils über eine Zeit (t₁) erfolgt, die länger, insbesondere sehr viel länger als eine Zeit (t₂) ist, über die jeweils die Ansteuerung mit dem für optimiertes Anlaufdrehmoment (M₀) ausgelegten Zündwinkelmuster erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl-Einstellung wahlweise auf einen von mindestens zwei verschiedenen Solldrehzahl- Arbeitspunkten durchführbar ist, wozu für jeden Arbeitspunkt mindestens zwei verschiedene, vorbestimmte Zündwinkelmuster für die periodisch abwechselnde Ansteuerung abgespeichert sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Solldrehzahl-Arbeitspunkt (A) im unteren Drehzahlbereich unterhalb einer Grenzdrehzahl von etwa 20 bis 50%, insbesondere etwa 25 bis 35%, der maximalen Nenndrehzahl liegt, wobei oberhalb der Grenzdrehzahl der Motor permanent mit der gleichen generierten Motorwechselspannung angesteuert wird.

5. Steuersystem zur elektronischen Drehzahlsteuerung eines Asynchronmotors, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei von einer elektronischen Steuereinheit (4) zumindest eine Arbeitswicklung (W1) des Motors über einen statischen Schalter (Tr) mit einer Motorwechselspannung (U_M) angesteuert wird, wobei die Steuereinheit (4) den statischen Schalter (Tr) derart mit einem bestimmten, gegebenenfalls unsymmetrischen, sich periodisch wiederholenden Zündwinkelmuster ansteuert, dass die Motorwechselspannung bezüglich ihrer Grundfrequenz und/oder Amplitude variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) Speichermittel für zumindest zwei verschiedene Zündwinkelmuster aufweist, die einerseits für eine Motorkennlinie mit optimiertem Anlaufdrehmoment (M₀) und andererseits für eine Motorkennlinie mit optimiertem Wirkungsgrad (η) ausgelegt sind und sich etwa in einem gleichen Solldrehzahl-Arbeitspunkt (A) schneiden, wobei die Steuereinheit (4) den statischen Schalter (Tr) periodisch abwechselnd mit den verschiedenen Zündwinkelmustern ansteuert.

6. Steuersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor als Kondensatormotor mit einer Arbeitswicklung (W1) und parallel dazu einer in Reihe mit einem Kondensator (C) liegenden Hilfswicklung (W2) ausgebildet ist.

7. Steuersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitswicklung (W1) und die Hilfswicklung (W2) gemeinsam über einen statischen Schalter (Tr) von der Steuereinheit (4) angesteuert werden.

8. Steuersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitswicklung (W1)und die Hilfswicklung (W2) von der Steuereinheit (4) gesondert über zwei separate statische Schalter (Tr₁, Tr₂) angesteuert werden.

9. Steuersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) durch einen Mikrocontroller gebildet ist.