DE10100196A1 - Verfahren und Versorgungsvorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers - Google Patents
Verfahren und Versorgungsvorrichtung zur Versorgung eines elektrischen VerbrauchersInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers (11), insbesondere eines Elektromotors (11), mit elektrischer Energie, bei dem ein von mindestens einem ersten Phasenwinkel (24) abhängiger erster Anteil (30) einer wellenförmigen Spannung (Ue) für den elektrischen Verbraucher (11) bereitgestellt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Versorgungsvorrichtung (10) hierfür. Hierfür wird vorgeschlagen, dass abwechselnd ein von mindestens einem zweiten Phasenwinkel (28) abhängiger zweiter Anteil (31) der Spannung und ein von mindestens einem dritten Phasenwinkel (29) abhängiger dritter Anteil (32) der Spannung bereitgestellt wird, wobei der mindestens eine zweite Phasenwinkel (28) größer als der mindestens eine erste Phasenwinkel (24) und der mindestens eine dritte Phasenwinkel (29) kleiner als der mindestens eine erste Phasenwinkel (24) ist, so dass im zeitlichen Mittel der zweite und der dritte Anteil (31, 32) der Spannung (Ue) zusammen im Wesentlichen dem ersten Anteil (30) der Spannung (Ue) entsprechen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung eines e
lektrischen Verbrauchers, insbesondere eines Elektromotors,
mit elektrischer Energie, bei dem ein von mindestens einem
ersten Phasenwinkel abhängiger erster Anteil einer wellenför
migen Spannung für den elektrischen Verbraucher bereitge
stellt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Versorgungs
vorrichtung hierfür.
Zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers mit elektri
scher Energie wird in vielen Fällen eine sogenannte Phasenan
schnittsteuerung eingesetzt, bei der ein gemäß einem Phasen
winkel sozusagen angeschnittener Anteil einer wellenförmigen
Spannung, insbesondere einer sinuswellenförmigen Einphasen-
Wechselspannung, für den elektrischen Verbraucher bereitge
stellt wird. Durch Veränderung des jeweiligen Phasenwinkels
kann die effektiv für den Verbraucher bereitgestellte Span
nung variiert werden. Wenn der elektrische Verbraucher bei
spielsweise ein Elektromotor ist, z. B. ein sogenannter Uni
versalmotor, ist durch Veränderung des Phasenwinkels eine
einfache Drehzahlverstellung bzw. -regelung möglich. Somit
ist beispielsweise bei einem mit dem Elektromotor betriebenen
Staubsauger dessen Saugleistung einstellbar oder bei einer
derart angetriebenen Bohrmaschine deren Drehzahl. Phasenan
schnittsteuerungen werden z. B. auch bei sogenannten Dimmern
zur Leuchtstärkeneinstellung elektrischer Leuchten einge
setzt.
Eine Phasenanschnittsteuerung ermöglicht einen verlustarmen
Betrieb und kann sehr einfach aufgebaut werden. Bedingt durch
einen schlagartigen Spannungssprung beim Durchschalten einer
eingangsseitig anstehenden Spannung zum Verbraucher, bei
spielsweise beim Durchschalten einer Netzspannung eines öf
fentlichen Versorgungsnetzes, sowie bedingt durch den darauf
hin einsetzenden Strom entstehen jedoch bei einer Phasenan
schnittsteuerung eine Vielzahl von Oberwellen-Störungen, die
auf die eingangsseitige Spannung einwirken und z. B. bei einer
sinusförmigen Netzspannung deren Verlauf nachteilig beein
flussen. Beispielsweise weicht der Motorstrom eines Elektro
motors bedingt durch einen Phasenanschnitt einer Netzspannung
stark von der an sich gewünschten Sinusform ab.
Man kann zwar hochfrequente Störungsanteile, die bis zu einem
Bereich von mehreren hundert Megaherz auftreten können, mit
passiven Filtern noch verhältnismäßig einfach unterdrücken.
Niederfrequente Störungsanteile, die insbesondere im Zusam
menhang mit relativ leistungsstarken, als relativ große induktive
Last wirkenden Elektromotoren auftreten, können je
doch mit passiven Filtern nur mit hohem Aufwand ausgefiltert
werden. Dazu sind beispielsweise große Drosseln mit schweren
Eisenkernen notwendig, die zu Einen teuer sind und zum Andern
voluminös und schwer, so dass ein beispielsweise damit ausge
rüsteter Staubsauger oder eine damit versehene Bohrmaschine
teuer, unhandlich und schwer ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah
ren sowie eine Versorgungsvorrichtung der eingangs genannten
Art derart weiterzubilden, dass störende Einflüsse auf eine
eingangsseitig bereitgestellte wellenförmige Spannung, insbe
sondere eine sinusförmige Netzspannung, verringert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei dem eingangs genannten Ver
fahren erfindungsgemäß vorgesehen, dass abwechselnd ein von
mindestens einem zweiten Phasenwinkel abhängiger zweiter An
teil der Spannung und ein von mindestens einem dritten Pha
senwinkel abhängiger dritter Anteil der Spannung bereitge
stellt wird, wobei der mindestens eine zweite Phasenwinkel
größer als der mindestens eine erste Phasenwinkel und der
mindestens eine dritte Phasenwinkel kleiner als der mindes
tens eine erste Phasenwinkel ist, so dass im zeitlichen Mit
tel der zweite und der dritte Anteil der Spannung zusammen im
Wesentlichen dem ersten Anteil der Spannung entsprechen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ferner eine Versorgungsvorrich
tung gemäß der technischen Lehre des Anspruchs 12 vorgesehen.
Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, dass der den
zum Verbraucher durchgeschalteten Spannungsanteil beeinflus
sende Phasenwinkel im Bereich eines Soll-Phasenwinkels vari
iert wird, also teils größer als der Soll-Phasenwinkel und
teils kleiner als der Soll-Phasenwinkel eingestellt wird. Da
bei wird je nach eingestelltem Phasenwinkel teils ein größe
rer Anteil der Spannung, die z. B. eine sinuswellenförmige
Wechselspannung ist, und teils ein kleinerer Anteil der Span
nung zum Verbraucher durchgeschaltet, wobei im zeitlichen
Mittel in etwa ein solcher Spannungsmittelwert eingestellt
wird, der bei einem konstant beibehaltenen Soll-Phasenwinkel
am Verbraucher anliegen würde.
Zwar treten auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Ober
schwingungen auf, die eine eingangsseitig bereitgestellte
wellenförmige Spannung belasten können. Allerdings sind durch
die Variation des Soll-Phasenwinkels die Amplituden dieser
Oberschwingungen verhältnismäßig gering, so dass sich diese
auf die eingangsseitig bereitgestellte Spannung nur geringfü
gig und jedenfalls in einem tolerablen Bereich auswirken.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer bevorzugten Aus
führungsform von einer Versorgungsvorrichtung mit einem Mik
rocontroller durchgeführt. Der Mikrocontroller steuert z. B.
einen leistungselektronischen Schalter an, beispielsweise ein
Triac oder einen Thyristor, und verändert den Einschaltzeit
punkt, den sogenannten Zündwinkel, des leistungselektroni
schen Schalters zum Durchschalten einer eingangsseitig be
reitgestellten Spannung zum jeweiligen Verbraucher.
Der Soll-Phasenwinkel wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit
zumindest eines für den elektrischen Verbraucher ermittelten
Sollwerts eingestellt, bei einem Elektromotor als elektri
schen Verbraucher beispielsweise anhand eines Drehzahlsoll
werts und/oder Leistungssollwerts. Die erfindungsgemäße Ver
sorgungsvorrichtung kann beispielsweise als Drehzahlsteller
oder Drehzahlregler ausgeführt sein.
Somit kann bei einem Elektromotor beispielsweise dessen Dreh
zahl eingestellt werden, wobei die erfindungsgemäße Änderung
des Phasenwinkels, also beispielsweise des Zündwinkels eines
Triacs, in einer derart hohen Veränderungsfrequenz erfolgt,
dass im Wesentlichen eine einem Soll-Phasenwinkel bzw.
-Zündwinkel entsprechende Drehzahl des Elektromotors erzielt
wird. Die Veränderung des Phasenwinkels wirkt sich auf die
einzustellende Drehzahl nicht oder allenfalls geringfügig
aus.
Zweckmäßigerweise wird eine sogenannte Phasenanschnittsteue
rung angewendet, bei der die jeweiligen Phasenwinkel jeweils
einen Einschaltzeitpunkt oder Zündwinkel zum Durchschalten
einer eingangsseitig anstehenden Spannungshalbwelle zu dem
elektrischen Verbraucher bilden.
Das Ausschalten einer zum elektrischen Verbraucher bereits
durchgeschalteten Spannungshalbwelle kann prinzipiell eben
falls durch eine erfindungsgemäße Versorgungsvorrichtung ein
gestellt werden, beispielsweise durch einen Schaltbefehl an
den obengenannten leistungselektronischen Schalter. Vorteil
hafterweise jedoch findet eine sogenannte Selbstlöschung
statt, bei der jeweils ein Nulldurchgang einer Spannungsvoll
welle oder eines von dieser abhängigen Stromflusses einen Ab
schaltzeitpunkt zum Abschalten einer zu dem elektrischen
Verbraucher bereits durchgeschalteten Spannungshalbwelle bil
det.
Bei der Ausführung des Verfahrens sind verschiedene Vorge
hensweisen möglich:
Prinzipiell kann jede eingangsseitig bereitgestellte Span nungshalbwelle mit einem individuellen Phasenwinkel bearbei tet werden, beispielsweise angeschnitten werden.
Prinzipiell kann jede eingangsseitig bereitgestellte Span nungshalbwelle mit einem individuellen Phasenwinkel bearbei tet werden, beispielsweise angeschnitten werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante werden der erste
Anteil der Spannung und/oder der zweite Anteil der Spannung
und/oder der dritte Anteil jeweils als Ausschnitte aus zumin
dest zwei aufeinanderfolgenden Spannungshalbwellen der ein
gangsseitig bereitgestellten Spannung gebildet. Es werden da
bei zweckmäßigerweise beide Halbwellen einer eingangsseitig
anstehenden Spannungsvollwelle symmetrisch jeweils mit dem
selben Phasenwinkel bearbeitet und ausgangsseitig dem
Verbraucher bereitgestellt. Beispielsweise werden die aufein
anderfolgenden Halbwellen einer Vollwelle mit demselben Pha
senwinkel angeschnitten.
Jeweils nach einer oder mehreren Vollwellen der eingangssei
tigen Spannung wird der Phasenwinkel, z. B. der Zündwinkel,
geändert. Beispielsweise könnten bei einem an sich einzustel
lenden Soll-Phasenwinkel bzw. Soll-Zündwinkel von 90 Grad ab
wechselnd jeweils zwei aufeinanderfolgende Halbwelle mit ei
nem Phasenwinkel von 80 Grad und zwei weitere aufeinanderfol
gende Halbwellen mit einem Phasenwinkel 100 Grad angeschnit
ten werden. Der Phasenwinkel weicht dabei vom Soll-
Phasenwinkel jeweils beispielsweise um einen festen Wert ab
und bleibt für zwei aufeinanderfolgende Halbwellen konstant.
Zwischen den sozusagen mit "manipulierten" Phasenwinkeln be
arbeiteten Vollwellen können auch eine oder mehrere Vollwel
len mit dem Soll-Phasenwinkel bearbeitet werden. Im obigen
Beispiel könnten dann eine oder mehrere Vollwellen mit einem
Phasenwinkel 90° angeschnitten und anschließend wieder der
verkürzte bzw. verlängerte Phasenwinkel (80 Grad bzw.
100 Grad) angewandt werden.
Zwar geht möglicherweise im Bereich des minimalen Phasenwin
kels und somit des maximalen Zündwinkels, also bei nahezu
vollständiger Durchschaltung der eingangsseitigen Spannung
zum Verbraucher, die erfindungsgemäße Beeinflussung des Pha
senwinkels nahezu ganz verloren. Allerdings ist dies insofern
unproblematisch, als in diesem Arbeitsbereich ohnehin nur ei
ne verhältnismäßig geringe Oberwellenbelastung entsteht.
Jedenfalls wird durch die symmetrische Bearbeitung beider
Halbwellen einer Vollwelle mit jeweils für beide Halbwellen
gleichem Phasenwinkel der Einfluss geradzahliger Oberwellen
auf den Stromfluss zwischen einer erfindungsgemäßen Versor
gungsvorrichtung und dem elektrischen Verbraucher minimiert.
Zudem wird eine mögliche Gleichstrombelastung bei einem die
eingangsseitige Spannung bereitstellenden Versorgungsnetz
niedrig gehalten oder sogar ganz vermieden.
Die erfindungsgemäß variierten Phasenwinkel können jeweils um
einen festen vorbestimmten Variationswert vom Soll-
Phasenwinkel abweichend eingestellt werden, im obigen bei
spielsweise jeweils um 10 Grad abweichend von einem Soll-
Phasenwinkel von 90 Grad.
Es ist auch möglich, dass die variierten Phasenwinkel gegen
über dem Soll-Phasenwinkel um von diesem jeweils abhängige
Variationswerte abweichend eingestellt werden. Beispielsweise
können die Variationswerte bei kleinen Soll-Phasenwinkeln
klein sein, bei großen Soll-Phasenwinkeln groß. Die notwendi
gen Variationswerte können beispielsweise anhand einer Re
chenregel, z. B. anhand einer Proportionalgleichung, bestimmt
werden oder in einer Tabelle hinterlegt sein.
Es versteht sich, dass die jeweiligen Phasenwinkel auch einen
Abschaltzeitpunkt zum Abschalten einer zu dem elektrischen
Verbraucher bereits durchgeschalteten Spannungshalbwelle
bestimmen können.
In diesem Fall schaltet zweckmäßigerweise der oben erwähnte
leistungselektronische Schalter jeweils bei einem einen Ein
schaltzeitpunkt definierenden Nulldurchgang einer Spannungs
vollwelle diese zu dem elektrischen Verbraucher durch.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Versorgungsvorrichtung
10, die einen Elektromotor 11 mit elektrischer
Energie versorgt,
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines von der Versorgungs
vorrichtung 10 aus Fig. 1 ausgeführten Pro
gramm-Moduls,
Fig. 3a den sinuswellenförmigen Verlauf einer Eingangs
spannung Ue für die Versorgungsvorrichtung 10
über einer Zeitachse t,
Fig. 3b einen Verlauf einer an dem Elektromotor 11 an
liegenden Ausgangsspannung Ua bei einem kon
stant eingestellten Phasenwinkel 24,
Fig. 3c einen Verlauf der Ausgangsspannung Ua bei vari
ierten Phasenwinkeln 24, 28, 29,
Fig. 4a einen Verlauf der Ausgangsspannung Ua bei einem
konstant eingestellten, gegenüber Fig. 3b kür
zeren Phasenwinkel 24,
Fig. 4b einen Verlauf der Ausgangsspannung Ua bei vari
ierten Phasenwinkeln 24, 28, 29, die gegenüber
Fig. 3c jedoch kürzer sind, und
Fig. 4c einen Verlauf der Ausgangsspannung Ua, mit ei
nem Einschaltzeitpunkten der Eingangsspannung
Ue wie in Fig. 4b, jedoch mit einem Abschalten
der Eingangsspannung Ue bei Erreichen von Pha
senwinkeln 24b, 28b.
Die schematische dargestellte Versorgungsvorrichtung 10 ver
sorgt den Elektromotor 11 als elektrischen Verbraucher mit
elektrischer Energie. Eingangsseitig liegt an der Versorgungsvorrichtung
10 eine wellenförmige Eingangsspannung Ue
an, die vorliegend eine durch ein elektrisches Versorgungs
netz bereitgestellte sinuswellenförmige Einphasen-
Wechselspannung ist. Der Elektromotor 11 und die Versorgungs
vorrichtung 10 sind beispielsweise Bestandteile eines Staub
saugers oder eines Elektro-Handwerkzeugs, z. B. einer Hand
bohrmaschine. Der Elektromotor 11 ist vorzugsweise ein soge
nannter Universal-Motor, also eine Reihenschlussmaschine, und
weist ein Leistung von etwa 1000-1600 Watt auf.
Die Eingangsspannung Ue wechselt zwischen einem positiven Ma
ximalwert +Um und einem negativen Maximalwert -Um, wobei eine
Vollwelle 12 der Eingangsspannung Ue eine vollständige Perio
de T mit einem Phasenwinkel von 360 Grad beschreibt. Die
Vollwellen 12 bestehen jeweils aus einer positiven und einer
negativen Halbwelle 13, 14 der Eingangsspannung Ue mit einer
Periode T/2 und einem Phasenwinkel von 180 Grad.
Die Versorgungsvorrichtung 10 stellt einen Anteil der Ein
gangsspannung Ue als Ausgangsspannung Ua für den Elektromotor
11 bereit. Die Versorgungsvorrichtung 10 bildet die Ausgangs
spannung Ua mit Phasenanschnittsmitteln 15, die in Abhängig
keit von Phasenwinkeln den jeweiligen Anteil aus der Ein
gangsspannung Ue ausschneiden. Die Phasenanschnittsmittel 15
weisen Steuermittel 16, Speichermittel 17 sowie einen leis
tungselektronischen Schalter 18 auf, der in Reihe mit dem E
lektromotor 11 geschaltet ist. An der Reihenschaltung Schalter
18 und Elektromotor 11 liegt die Eingangsspannung Ue an.
Die Elektromotor 11 bildet eine induktive Last.
Der leistungselektronische Schalter 18 ist beispielsweise ein
TRIAC oder ein Thyristor zum Ein- und Ausschalten eines den
Elektromotor 11 durchfließenden Motorstromes Ia. Der Schalter
18 wird durch die Steuermittel 16 geschaltet, was durch eine
gestrichelte Verbindung 20 angedeutet ist.
Die Eingangsspannung Ue liegt über einen Vorwiderstand 21 an
den Phasenanschnittsmitteln 15 an und versorgt diese mit e
lektrischer Energie. Der Vorwiderstand 21 steht beispielhaft
für eine beliebige Stromversorgung der Versorgungsvorrichtung
10, die beispielsweise auch einen Spannungskonstanter
und/oder einen Überspannungsschutz aufweisen kann.
Bei den Steuermitteln 16 handelt es sich um einen Prozessor
oder um eine Prozessoranordnung, z. B. um einen Mikrocontrol
ler oder einen Digitalen Signalprozessor, der vorzugsweise
kurze Rechenzeiten aufweist. Dies ist beispielsweise bei so
genannten RISC-Mikrocontrollern der Fall (RISC = Reduced In
struction Set Controller). Die Steuermittel 16 führen Pro
grammcode von in Fig. 1 nicht dargestellten Programm-Modulen
aus, beispielsweise von einem in Fig. 2 schematisch als Ab
laufdiagramm gezeigten Programm-Modul 21. Die Programm-Module
sind in den Speichermitteln 17 gespeichert. Bei diesen han
delt es sich beispielsweise um separate oder in die Steuermittel
16 integrierte Speicherbausteine, z. B. sogenannte
Flash-Memories oder sonstige PROMS (PROM = Programmable Read
Only Memory). Die Steuermittel 16 steuern mit Hilfe der Pro
gramm-Module, eventuell unter Kontrolle eines Betriebssys
tems, die Funktionen der Versorgungsvorrichtung 10. Die nicht
gezeigten Programm-Module dienen zur Drehzahlregelung des E
lektromotors 11.
Die Versorgungsvorrichtung 10 ist vorliegend als ein Dreh
zahlsteller oder -regler für den Elektromotor 11 ausgeführt.
Die jeweils einzustellende Drehzahl wird den Phasenan
schnittsmitteln 15 als Drehzahl- oder Phasenwinkel-Sollwert
22 vorgegeben. Prinzipiell kann das Programm-Modul 21
und/oder ein nicht dargestelltes Programm-Modul und/oder eine
sonstige Funktionsbaugruppe der Versorgungsvorrichtung 10 zur
Drehregelung vorgesehen sein. Dabei werden beispielsweise die
an dem Elektromotor 11 anliegende Ausgangsspannung Ua
und/oder der über diesen fließenden Strom Ia mittels eines
zwischen dem Schalter 18 und dem Elektromotor 11 angeordneten
Abgriffs 23 als Regelungs-Ist-Werte erfasst.
In Fig. 3b ist zunächst eine bekannte Funktionsweise einer
Phasenschnittssteuerung dargestellt, bei der die Phasenan
schnittsmittel 15 einen von einem konstanten Phasenwinkel 24
abhängigen Anteil 30 der wellenförmigen Eingangsspannung Ue
für den als elektrischen Verbraucher dienenden Elektromotor
11 als Ausgangsspannung Ua bereitstellen. Der Phasenwinkel 24
weist einen Winkel von 90 Grad bzw. eine viertel Periode T/4
einer Vollwelle 12 der Eingangsspannung Ue auf. Der Phasen
winkel 24 beginnt aus Gründen der Vereinfachung jeweils bei
Beginn einer Halbwelle 13, 14.
Der Phasenwinkel 24 wird den Phasenanschnittsmitteln 15 z. B.
als Phasenwinkel-Sollwert 22 vorgegeben. Jeweils bei Errei
chen des Phasenwinkels 24 wird der Schalter 18 geschlossen,
so dass jeweils die positive und die negative Halbwelle 13,
14 der Eingangsspannung Ue an dem Elektromotor 11 anliegen.
Jeweils bei Nulldurchgängen 25 der Eingangsspannung Ue oder
bei davon abhängigen, nicht dargestellten Nulldurchgängen des
Stromes Ia wird der Schalter 18 wieder geöffnet. Das Ein
schalten des Schalters 18 wird z. B. durch einen Zündimpulses
der Steuermittel 16 bewirkt, das Ausschalten erfolgt bei ent
sprechender Bauart des Schalters 18 als eine sogenannte
Selbstlöschung automatisch z. B. bei Abreißen des Stromes Ia.
Bei der in Fig. 3b gezeigten Funktionsweise ergeben sich je
doch die eingangs dargestellten störenden Einflüsse auf die
Eingangsspannung Ue. Daher stellt die Versorgungsvorrichtung
10 den Phasenwinkel 24 nicht auf einen festen Wert ein, son
dern variiert ihn um Werte 26, 27 zu Phasenwinkeln 28, 29,
die wie der Phasenwinkel 24 zur Vereinfachung jeweils mit ei
ner Halbwelle 13, 14 der Eingangsspannung Ue beginnend einge
zeichnet sind, bei einer üblichen Betrachtungsweise jedoch
mit einer Vollwelle der Eingangsspannung Ue beginnen.
Die Werte 26, 27 sind vorliegend gleich groß, könnten aber
auch unterschiedlich groß sein. Der Phasenwinkel 28 ist um
den Wert 26 größer als der Phasenwinkel 24, der Phasenwinkel
29 um den Wert 27 kleiner als der Phasenwinkel 24. Die Pha
senanschnittsmittel 15 stellen in zyklischer Folge jeweils
für eine Vollwelle der Eingangsspannung Ue die modifizierten
Phasenwinkel 28, 29 sowie den unmodifizierten Phasenwinkel 24
ein, wobei von den Phasenwinkeln 28, 29, 24 abhängige Anteile
31, 32, 30 der Eingangsspannung Ue als Ausgangsspannung Ua am
Elektromotor 11 anliegen, so dass letztlich im zeitlichen
Mittel die Ausgangsspannungen Ua aus den Fig. 3b und 3c im
Wesentlichen gleich groß sind.
Es versteht sich, dass beispielsweise der Phasenwinkel 24
auch mehrfach unmittelbar hintereinander angewendet werden
kann, wobei beispielsweise zyklische Folgen von Phasenwinkeln
28-29-24-24-24-24-28-29-24-24-24-24 usw. oder 28-24-24-29-24-
24-28-24-24-29-24-24 usw. von den Phasenanschnittsmitteln 15
abgearbeitet werden.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Programm-Moduls 21
anhand der Fig. 2 und 3c erläutert:
In einem Prüfschritt 40 erfasst das Programm-Modul 21, ob die Ausgangsspannung Ua und/oder der Strom Ia einen Nulldurchgang aufweisen. Wenn dies der Fall ist, geht das Programm-Modul 21 in einem Übergang 41 zu einem Prüfschritt 42 über, in dem es überprüft, ob ein einzustellender Soll-Phasenwinkel, im bei spielsweise der Phasenwinkel 24 erreicht ist. Solange dies nicht zutrifft, verzweigt das Programm-Modul 21 in einer Rückwärtsschleife 43 wieder zum Prüfschritt 42, ansonsten geht es in einem Übergang 44 zu einem Aktionsschritt 45 über, in welchem es den Schalter 18 schließt. Sofern dieser ein Triac enthält, wird dieses beispielsweise gezündet.
In einem Prüfschritt 40 erfasst das Programm-Modul 21, ob die Ausgangsspannung Ua und/oder der Strom Ia einen Nulldurchgang aufweisen. Wenn dies der Fall ist, geht das Programm-Modul 21 in einem Übergang 41 zu einem Prüfschritt 42 über, in dem es überprüft, ob ein einzustellender Soll-Phasenwinkel, im bei spielsweise der Phasenwinkel 24 erreicht ist. Solange dies nicht zutrifft, verzweigt das Programm-Modul 21 in einer Rückwärtsschleife 43 wieder zum Prüfschritt 42, ansonsten geht es in einem Übergang 44 zu einem Aktionsschritt 45 über, in welchem es den Schalter 18 schließt. Sofern dieser ein Triac enthält, wird dieses beispielsweise gezündet.
In einem sich zweckmäßigerweise anschließenden Prüfschritt 46
prüft das Programm-Modul 21, ob der Schalter 18 tatsächlich
geschlossen ist und verzweigt im negativen Fall wieder in ei
nem Übergang 47 zum Aktionsschritt 45, in dem beispielsweise
ein weiterer Zündimpuls an den ein Triac enthaltenden Schal
ter 18 gesendet wird. Man könnte die Schritte 45, 46 daher
auch als "Nachzündautomatik" bezeichnen.
Bei erfolgreichem Schalten des Schalters 18 geht das Pro
gramm-Modul 21 in einem mit 48 bezeichneten Übergang zu einem
Prüfschritt 49 über, in dem es überprüft, ob der anschließend
einzustellende Phasenwinkel dem Soll-Phasenwinkel 24 ent
spricht, oder gegebenenfalls manipuliert werden muss. Wenn
dies nicht der Fall ist, geht das Programm-Modul 21 in einem
Übergang 50 wieder zum Prüfschritt 40 über.
Ansonsten geht das Programm-Modul 21 in einem Übergang 51 zu
einem Prüfschritt 52 über, in welchem es überprüft, ob der
anschließend einzustellende Phasenwinkel größer sein soll als
der Soll-Phasenwinkel 24, wobei beispielsweise in einem Akti
onsschritt 53 der Phasenwinkel 24 um den Wert 26 zum Phasen
winkel 28 vergrößert wird. Ermittelt das Programm-Modul 21 im
Prüfschritt 52, dass der anschließend einzustellende Phasen
winkel kleiner sein soll als der Soll-Phasenwinkel 24, ver
kleinert es in einem Aktionsschritt 54 den Phasenwinkel 24 um
den Wert 27 und bildet so den Phasenwinkel 29. Von den Akti
onsschritten 53, 54 geht das Programm-Modul 21 jeweils wieder
zum Nulldurchgangs-Prüfschritt 40 über und stellt anschlie
ßend den nunmehr ermittelten Phasenwinkel 28 oder 29 ein.
In den Aktionsschritten 53, 54 kann das Programm-Modul 21 je
weils die festen, vorbestimmten Werte 26, 27 zum Phasenwinkel
24 addieren bzw. von diesem subtrahieren. Es ist auch mög
lich, dass das Programm-Modul 21 die Werte zur Modifikation
des Phasenwinkels 24 nach einer Rechenregel ermittelt oder
aus einer Tabelle ausliest, in der Zuordnungen von Soll-
Phasenwinkeln und jeweils von zu diesen abzuziehenden oder zu
diesen hinzuzurechnenden Werten abgelegt sind.
Nachfolgend werden weitere Varianten des oben erfindungsgemä
ßen Verfahrens erläutert:
Bei dem in Fig. 4a dargestellten Verlauf der Ausgangsspan nung Ua ist der Phasenwinkel 24 gegenüber dem Verlauf in Fig. 3b kürzer. Die Eingangsspannung Ue wird nur geringfügig angeschnitten und nahezu vollständig als Ausgangsspannung Ua bereitgestellt. Der Elektromotor 11 läuft dabei nahezu unter Volllast. Der Phasenwinkel 24 wird beispielsweise als Soll wert 22 vorgegeben.
Bei dem in Fig. 4a dargestellten Verlauf der Ausgangsspan nung Ua ist der Phasenwinkel 24 gegenüber dem Verlauf in Fig. 3b kürzer. Die Eingangsspannung Ue wird nur geringfügig angeschnitten und nahezu vollständig als Ausgangsspannung Ua bereitgestellt. Der Elektromotor 11 läuft dabei nahezu unter Volllast. Der Phasenwinkel 24 wird beispielsweise als Soll wert 22 vorgegeben.
In Fig. 4b wird der Soll-Phasenwinkel 24 aus Fig. 4a erfin
dungsgemäß variiert. Bei einem Abschnitt 60 der Ausgangsspan
nung Ua wird der Phasenwinkel 24 unmodifiziert angewendet.
Bei einem sich an den Abschnitt 60 anschließenden Abschnitt
61 ist der Phasenwinkel 24 derart zu einem Phasenwinkel 29
verkleinert, dass die Eingangsspannung Ue nicht mehr ange
schnitten und vollständig als Ausgangsspannung Ua bereitge
stellt wird. In einem anschließenden Abschnitt 62 der Aus
gangsspannung Ua hingegen ist ein gegenüber dem Phasenwinkel
24 vergrößerter Phasenwinkel 28 angewendet, der sich auf den
Verlauf der Ausgangsspannung Ua deutlich auswirkt.
In Fig. 4c ist ein Verlauf der Ausgangsspannung Ua gezeigt,
der in Bezug auf die Einschaltzeitpunkte mit dem Verlauf von
Fig. 4b übereinstimmt. Dementsprechend sind Einschalt-
Phasenwinkel 24a, 28a, 29a eingezeichnet, die den Phasenwin
keln 24, 28, 29 entsprechen und bei denen jeweils der Schal
ter 18 geschlossen wird. Im Unterschied zu Fig. 4b öffnen
die Steuermittel 16 den Schalter 18 bei Erreichen von Aus
schalt-Phasenwinkeln 24b, 28b, 29b. Die Einschalt-
Phasenwinkel 24a, 28a, 29a und die Ausschalt-Phasenwinkel
24b, 28b, 29b sind zueinander symmetrisch, so dass jede Halb
welle der Eingangsspannung Ue symmetrisch angeschnitten wird.
Beispielsweise betragen die Phasenwinkel 24a, 24b für eine
positive Halbwelle 64 10 Grad bzw. 170 Grad und für eine ne
gative Halbwelle 65 190 Grad und 350 Grad.
Weitere Varianten der Erfindung sind ohne Weiteres möglich:
Es ist auch möglich, dass der Schalter 18 jeweils bei den Nulldurchgängen 25 der Eingangsspannung Ue geschlossen wird, wobei die Einschalt-Phasenwinkel 24a, 28a, 29a jeweils 0 Grad betragen. Die Steuermittel 16 öffnen dann den Schalter 18 je weils bei Erreichen der Ausschalt-Phasenwinkel 24b, 28b, 29b.
Es ist auch möglich, dass der Schalter 18 jeweils bei den Nulldurchgängen 25 der Eingangsspannung Ue geschlossen wird, wobei die Einschalt-Phasenwinkel 24a, 28a, 29a jeweils 0 Grad betragen. Die Steuermittel 16 öffnen dann den Schalter 18 je weils bei Erreichen der Ausschalt-Phasenwinkel 24b, 28b, 29b.
Die Phasenanschnittsmittel 15 könnten auch vollständig als
Hardware realisiert sein, z. B. als sogenannte Field Program
mable Gate Arrays (FPGA) und/oder als Application Specific
Integrated Circuits (ASIC).
Statt des Schalters 18 kann auch eine sonstige, Schalteran
ordnung zum Ein- und Ausschalten einer Spannung vorgesehen
sein, die an dem als elektrischen Verbraucher dienenden E
lektromotor 11 anliegt.
Prinzipiell könnte die Versorgungsvorrichtung 10 auch eine
sonstige wellenförmige Eingangsspannung ein- und ausschalten
und/oder durch diese versorgt werden.
Es versteht sich, dass auch beliebige Kombinationen der in
den Ansprüchen sowie in der Beschreibung angegebenen Maßnah
men und Anordnungen möglich sind.
Claims (15)
1. Verfahren zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers
(11), insbesondere eines Elektromotors (11), mit elektrischer
Energie, bei dem ein von mindestens einem ersten Phasenwinkel
(24) abhängiger erster Anteil (30) einer wellenförmigen Span
nung (Ue) für den elektrischen Verbraucher (11) bereitge
stellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd ein von
mindestens einem zweiten Phasenwinkel (28) abhängiger zweiter
Anteil (31) der Spannung (Ue) und ein von mindestens einem
dritten Phasenwinkel (29) abhängiger dritter Anteil (32) der
Spannung (Ue) bereitgestellt wird, wobei der mindestens eine
zweite Phasenwinkel (28) größer als der mindestens eine erste
Phasenwinkel (24) und der mindestens eine dritte Phasenwinkel
(29) kleiner als der mindestens eine erste Phasenwinkel (24)
ist, so dass im zeitlichen Mittel der zweite und der dritte
Anteil (31, 32) der Spannung (Ue) zusammen im Wesentlichen
dem ersten Anteil (30) der Spannung (Ue) entsprechen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Anteil (30) der Spannung (Ue) und/oder der zweite
Anteil (31) der Spannung (Ue) und/oder der dritte Anteil (32)
der Spannung (Ue) jeweils als Ausschnitte aus zumindest zwei
aufeinanderfolgenden Spannungshalbwellen (13, 14) gebildet
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine erste Phasenwinkel (24) und/oder der min
destens eine zweite Phasenwinkel (28) und/oder der mindestens
eine dritte Phasenwinkel (29) jeweils auf zumindest ein Paar
aufeinanderfolgender Spannungshalbwellen (13, 14), insbeson
dere symmetrisch, angewendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, dass der mindestens eine erste Phasenwinkel
(24) und/oder der mindestens eine zweite Phasenwinkel (28)
und/oder der mindestens eine dritte Phasenwinkel (29) einen
Einschaltzeitpunkt zum Durchschalten einer Spannungshalbwelle
(13, 14) zu dem elektrischen Verbraucher (11) bestimmen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils ein Nulldurchgang (25) einer Spannungsvollwelle (12)
oder eines von dieser abhängigen Stromflusses einen Abschalt
zeitpunkt zum Abschalten einer zu dem elektrischen Verbrau
cher (11) bereits durchgeschalteten Spannungshalbwelle (13,
14) bildet.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Phasen
winkel (24) und/oder der mindestens eine zweite Phasenwinkel
(28) und/oder der mindestens eine dritte Phasenwinkel (29)
jeweils einen Abschaltzeitpunkt zum Abschalten einer zu dem
elektrischen Verbraucher (11) bereits durchgeschalteten Span
nungshalbwelle (13, 14) bestimmen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils ein Nulldurchgang (25) einer Spannungsvollwelle (12)
einen Einschaltzeitpunkt zum Durchschalten einer Spannungs
halbwelle (13, 14) zu dem elektrischen Verbraucher (11) bil
det.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Phasen
winkel (24) in Abhängigkeit zumindest eines für den elektri
schen Verbraucher (11) ermittelten Sollwerts (22), insbeson
dere eines Drehzahlsollwerts und/oder Leistungssollwerts, er
mittelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zweite Phasen
winkel (28) und/oder der mindestens eine dritte Phasenwinkel
(29) gegenüber dem ersten Phasenwinkel (24) um einen festen
vorbestimmten Variationswert (26, 27) abweichend eingestellt
werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zweite Phasen
winkel (28) und/oder der mindestens eine dritte Phasenwinkel
(29) gegenüber dem ersten Phasenwinkel (24) um von dem jewei
ligen ersten Phasenwinkel (24) abhängige Variationswerte ab
weichend eingestellt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass als wellenförmige Spannung (Ue)
eine sinuswellenförmige Wechselspannung eingesetzt wird.
12. Versorgungsvorrichtung zur Versorgung eines elektri
schen Verbrauchers (11), insbesondere eines Elektromotors
(11), mit elektrischer Energie, mit Phasenanschnittsmitteln
(15) zur Bereitstellung eines von mindestens einem ersten
Phasenwinkel (24) abhängigen ersten Anteils (30) einer wel
lenförmigen Spannung (Ue) für den elektrischen Verbraucher
(11), dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenanschnittsmittel
(15) derart ausgestaltet sind, dass sie abwechselnd einen von
mindestens einem zweiten Phasenwinkel (28) abhängigen zweiten
Anteil (31) der Spannung (Ue) und einen von mindestens einem
dritten Phasenwinkel (29) abhängigen dritten Anteil (32) der
Spannung (Ue) bereitstellen können, wobei der mindestens eine
zweite Phasenwinkel (28) größer als der mindestens eine erste
Phasenwinkel (24) und der mindestens eine dritte Phasenwinkel
(29) kleiner als der mindestens eine erste Phasenwinkel (24)
ist, so dass im zeitlichen Mittel der zweite und der dritte
Anteil (32) der Spannung (Ue) zusammen im Wesentlichen dem
ersten Anteil (30) der Spannung (Ue) entsprechen.
13. Elektrogerät, insbesondere elektrischer Staubsauger,
elektrisches Werkzeug oder dergleichen, mit einer Versor
gungsvorrichtung nach Anspruch 12.
14. Programm-Modul für eine Versorgungsvorrichtung zur Ver
sorgung eines elektrischen Verbrauchers (11), insbesondere
eines Elektromotors (11), mit elektrischer Energie, mit Mit
teln zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 11 und mit Programmcode, der durch ein Steuermittel der
Versorgungsvorrichtung ausgeführt werden kann.
15. Speichermittel, insbesondere Speicherbaustein, Disket
te, CD-ROM, Digital Versatile Disc, Festplattenlaufwerk, oder
dergleichen, mit einem darauf gespeicherten Programm-Modul
nach Anspruch 14.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001100196 DE10100196A1 (de) | 2001-01-04 | 2001-01-04 | Verfahren und Versorgungsvorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001100196 DE10100196A1 (de) | 2001-01-04 | 2001-01-04 | Verfahren und Versorgungsvorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10100196A1 true DE10100196A1 (de) | 2002-07-18 |
Family
ID=7669762
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2001100196 Ceased DE10100196A1 (de) | 2001-01-04 | 2001-01-04 | Verfahren und Versorgungsvorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10100196A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007040443A1 (en) * | 2005-10-05 | 2007-04-12 | Aktiebolaget Electrolux | Method for power control of an electric motor |
DE102007059789B3 (de) * | 2007-12-11 | 2009-06-10 | Panasonic Electronic Devices Europe Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Oberwellen und interharmonischer Wellen für Leistungssteuerungen von an einem Wechselspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern |
DE102009035964A1 (de) * | 2009-08-04 | 2011-02-10 | Miele & Cie. Kg | Verfahren und Steuervorrichtung zur Leistungssteuerung eines Staubsaugers und Staubsauger mit einer solchen Steuervorrichtung |
DE102018127452B3 (de) | 2018-11-05 | 2019-09-26 | Albrecht Jung Gmbh & Co. Kg | Verfahren zum Betrieb einer Dimmer-Leuchtmittel-Kombination sowie Dimmer für eine Dimmer-Leuchtmittel-Kombination |
-
2001
- 2001-01-04 DE DE2001100196 patent/DE10100196A1/de not_active Ceased
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