DE19536148A1 - Leistungssteuerung für elektrisch betriebene Heizungspumpen - Google Patents

Leistungssteuerung für elektrisch betriebene Heizungspumpen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung eines Antriebsdrehmomentes oder einer Drehzahl eines Elektromotors insbesondere eines Asynchron- oder Universalmotors mit mindestens einer Wicklung, die mittels eines Schalters mit einer einen periodischen Spannungsverlauf erzeugenden Spannungsquelle für bestimmte Zeitabschnitte während einer Halbwelle verbindbar ist.
Bei Elektromotoren mit relativ großer Leistung (<200 W) ist es üblich, ein Frequenzumrichterverfahren zur stufenlosen Leistungssteuerung einzusetzen. Umrichterverfahren haben sich aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit durchgesetzt, werden jedoch für kleinere Motoren kaum verwendet, da sie sehr aufwendig sind und die kostengünstige Fertigung kleiner Motoren verhindern. Für Motoren mit kleinerer Leistung werden elektronische Steuerungen eingesetzt, die einfacher und somit preiswerter sind.
Ein solches Verfahren ist die Halbwellensteuerung. Sie wird beispielsweise in PS 36 07 162 und in EP 0 311 031 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Schalter, meist in Form von TRIACS, so betätigt, daß die Haupt- bzw. Hilfswicklungen eines Asynchronmotors jeweils beim Nulldurchgang ganzzahliger Perioden der Wechselspannung mit der Spannungsquelle verbunden werden. Es wird dabei immer eine diskrete Zahl von Halbwellen aus der Wechselspannung der Versorgungsspannung herausgeschnitten.
Halbwellensteuerungen zeichnen sich insofern durch ihren einfachen Aufbau aus, als sie nur einen Leistungssteller insbesondere einen TRIAC benötigen. Bei hohen und mittleren Drehzahlen, d. h. wenn nur wenige Halbwellen aus der Versorgungsspannung herausgeschnitten werden, laufen derart geregelte Motoren vergleichsweise geräuscharm. Nachteilig ist, daß durch das Herausschneiden ganzer Halbwellen keine kontinuierliche Leistungsansteuerung, sondern nur eine Leistungsansteuerung in diskreten Schritten möglich ist. Die Halbwellensteuerung ist besonders für den Einsatz bei hohen Drehzahlen geeignet, da bei niedrigen Drehzahlen klopfende Geräusche oder starke Vibrationen des Motors auftreten können.
Neben der beschriebenen Halbwellensteuerung ist es bekannt, die Drehzahl kleiner Asynchronmotoren und Universalmotoren mit einer Phasenanschnittsteuerung zu regeln. Eine solche Steuerung ist beispielsweise aus DE 35 32 195 bekannt. Bei dieser Art der Steuerung wird jede Halbwelle der sinusförmigen Versorgungsspannung nach einem bestimmten Zündwinkel eingeschaltet. Die Spannung schaltet sich bei Erreichen des Nulldurchgangs des Stromes durch den TRIAC ab.
Eine solche Anschnittsteuerung gleicht bezuglich des einfachen Aufbaus der Halbwellensteuerung. Vorteilhaft ist, daß mit einer Anschnittsteuerung beliebig kleine Drehzahlen kontinuierlich einstellbar sind. Bei kleinen und großen Zündwinkeln ist ein geräuscharmer Lauf des Motors gewährleistet. Wenn der Phasenanschnitt in der Nähe des Maximums einer Halbwelle geschieht, kann ein Brummen des Motors nicht ausgeschlossen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache und damit kostengünstige und zuverlässige Leistungsansteuerung für Elektromotoren in der Form von Asynchron- oder Universalmotoren insbesondere zum Antrieb von Umwälzpumpen zu schaffen, die in einem großen Drehzahlbereich eine kontinuierliche Drehzahleinstellung erlaubt und die dabei eine große Laufruhe des Motors gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Besondere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Dadurch daß die Motorwicklungen mit einem individuell zu betätigendem Schalter mit der Versorgungsspannung in Verbindung gebracht werden können und so beliebig zwischen der Halbwellensteuerung, der Phasenanschnittsteuerung oder einer Addition beider Steuerungen gewechselt werden kann, sind die Vorteile der Halbwellensteuerung mit denen der Phasenanschnittsteuerung vereint und die jeweiligen Nachteile ausgeschlossen.
Zum einen ist von sehr kleinen Drehzahlen beginnend eine kontinuierliche Leistungs- bzw. Drehzahleinstellung über einen großen Drehzahlbereich möglich. Rum anderen werden störende Betriebsgeräusche fast vollständig vermieden.
Es ist besonders vorteilhaft, die erfindungsgemäße Leistungssteuerung bei Motoren für den betrieb von Heizungspumpen einzusetzen, da die Pumpen kontinuierlich laufen und sich Geräusche besonders störend bemerkbar machen.
Es ist vorteilhaft, den Schalter durch einen TRIAC oder eine TRIAC-Schaltung zu realisieren. Der TRIAC benötigt einen Zündpuls um die Spannung an die Spulen des Motors zu schalten. Die Spannung wird automatisch von den Spulen genommen, wenn der Strom am TRIAC auf Null abgefallen ist.
Es ist von Vorteil, statt der üblichen TRIAC′s andere Halbleiterelemente wie MOSFET′s zu verwenden. Diese als Schalter dienenden Elemente werden durch Pulse geschlossen und geöffnet. Somit kann das Schalten der Motorspannung individuell erfolgen und ist nicht mehr abhängig von dem automatischen Abschalten eines TRIAC, das von der Induktivität des Motors insofern beeinflußt wird, als der Stromnulldurchgang etwas später als der Spannungsnulldurchgang erfolgt.
Um die Schaltvorgänge korrekt und schnell vornehmen zu können, ist es vorteilhaft, wenn statt gewöhnlicher Halbleiterbauelemente, die zu einer logischen Schaltung zusammengeschlossen werden, ein Mikroprozessor mit Arbeitsspeicher zur Steuerung verwendet wird. Durch einen Mikroprozessor ist ein intelligentes Ansteuerverfahren geschaffen. Der Einsatz eines Mikroprozessors in Verbindung mit einem Arbeitsspeicher garantiert eine große Flexibilität des Systems, insbesondere da durch das baden verschiedener Programme das System beliebig an äußere Bedingungen angepaßt werden kann. Die Art der Überlagerung beider Steuerverfahren wird in Abhängigkeit vom Betriebsverhalten des Motors und der Pumpe eingestellt. Auf diese Weise kann die Geräuschbildung bei einer kontinuierlichen Änderung der Drehzahl besonders effizient ermindert werden.
Das Verfahren und ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird anhand der Zeichnungen im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 das Schaltschema eines einphasigen Wechselstrommotors mit einer Haupt- und drei Hilfswicklungen,
Fig. 2 ein Schalt-Zeit-Diagramm mit Phasenanschnitt.
Fig. 3 ein Schalt-Zeit-Diagramm mit Halbwellenmuster.
Fig. 4 ein Schalt-Zeit-Diagramm mit Phasenanschnitt und Halbwellenmuster.
Ein Elektromotor hat eine Hauptwicklung 1 und drei mit einem Kondensator 3 in Reihe geschaltete Hilfswicklungen 2 (Fig. 1). Haupt- und Hilfswicklungen sind an die Wechselspannung 4 des Netzes angeschlossen. Zwischen der Hauptwicklung 1 und der Netzspannung befindet sich ein elektronischer Schalter 5.
Das Verfahren ist im Prinzip eine Kombination aus einer Phasenanschnittsteuerung und einer Halbwellensteuerung, wobei innerhalb eines sich periodisch wiederholenden Schaltzyklus der Länge von n Halbwellen zwischen beiden Steuerungsarten hin und her geschaltet werden kann.
Ausgehend vom Stillstand wird zunächst die Drehzahl des Motors mittels einer Phasenanschnittsteuerung unter Variation des Anschnitt- bzw. Zündwinkels α erhöht (Fig. 2). Geht der Zündwinkel α dabei gegen einen Grenzwinkel αfest der aufgrund von Geräuschmesungen an jedem Motor ermittelt werden kann und etwa bei 120° liegt, so schaltet die Steuerung automatisch auf die geräuschärmere Halbwellensteuerung um. Der Motor wird also mittels der Phasenanschnittsteuerung von der kleinst möglichen Drehzahl, die einer minimalen Leistung entspricht, bis zu einer ersten Grenzdrehzahl, die aufgrund des maximal zulässigen Grenzwinkels fest eingestellt ist, stufenlos gesteuert.
Bei Erreichen der Grenzdrehzahl schaltet die Halbwellensteuerung ein Halbwellenmuster an die Wicklung des Motors, das eine Anzahl ganzzahliger Züge von m Sinus- Halbwellen (im Beispiel ist m = 2) aufweist und sich nach einem n (im Beispiel ist n = 6) Halbwellen landen Schaltzyklus periodisch wiederholt. Das Halbwellenmuster erbringt dieselbe Drehzahl, wie der Phasenanschnitt. Die Phasenanschnittsteuerung wird durch die Halbwellensteuerung ersetzt (Fig. 3).
Bei weiterer Erhöhung der Drehzahl werden unter kontinuierlicher Änderung des Zündwinkels α innerhalb des Schaltzyklus eine Anzahl von k m - n Halbwellen mit der Phasenanschnittsteuerung additiv zu dem Halbwellenmuster an die Wicklung geschaltet (im Beispiel ist k = 4). Wenn der Zündwinkel α den Grenzwinkel αGrenz erreicht, wird die Zahl m der Halbwellen im Halbwellenmuster entsprechend der Drehzahl erhöht, und die Zahl k der angeschnittenen Halbwellen zurückgesetzt (Fig. 4).
Auf diese Weise werden nach und nach sämtliche n Halbwellen an die Wicklung geschaltet, bis die maximale Drehzahl bei kontinuierlich geschlossenem Schalter erreicht ist. Zwischen den diskreten Schaltstufen der Halbwellensteuerung sorgt so die Phasenanschnittsteuerung für einen kontinuierlichen Übergang der Drehzahlen.
Um die mitunter hochfrequenten Schaltvorgänge präzise kontrollieren zu können, ist der Schalter 5 in Form einer steuerbaren Halbleiterschaltung (TRIAC, MOSFET o. ä.) realisiert. Solange der Schalter 5 geschlossen ist, wird die Hauptwicklung vom Wechselstrom durchflossen. Bei andauernd geschlossenem Schalter 5 dreht der Motor mit seiner maximalen Drehzahl.
Auf bekannte Weise wird der Schalter 5 durch Anlegen einer Steuer- oder Zündspannung in Form eines Zündpulses an den Eingang 6 betätigt. Ist der Schalter ein TRIAC, so schaltet die Spannung aufgrund des Zündpulses durch. Der TRIAC-Schal­ ter wird wieder geöffnet, wenn der Stromfluß durch den TRIAC auf Null absinkt. Ein neuer Zündpuls ist notwendig, um den Schalter erneut zu schließen.
Ist der Schalter ein anderes Halbleiterbauelement, beispielsweise ein MOSFET, so wird er über einen externen Puls geschlossen und wieder geöffnet.
Die Folge externer Pulse wird in einer vorteilhaften Ausführungsform von einem Mikroprozessor 7 erzeugt und liegt an dem Ausgang 12 an. In vereinfachter Ausgestaltung kann die Aufgabe einen Puls zu generieren auch von einer Halbleiterschaltung mit zählenden Elementen ausgeführt werden. Der vom Mikroprozessor 7 erzeugte Zündpuls wird von einem Verstärker 8 aufbereitet, und in aufbereiteter Form an den Eingang 6 gelegt.
Das Auslösen des Zündpulses durch den Mikroprozessor 7 wird von dem Verlauf der Netzspannung 4 synchronisiert, die an der Quelle abgegriffen und an einen Eingang 9 des Mikroprozessors 7 gelegt wird. Neben der Synchronisation mit der Netzspannung ist gleichfalls eine Synchronisation mit dem Verlauf des Motorstromes, der in der Hauptwicklung 1 abgenommen und einem Eingang 10 des Mikroprozessors 7 zugeführt wird, möglich.
Der Mikroprozessor 7 ist mit einem Datenspeicher 11 insbesondere einem ROM verbunden der mit Regelprogrammen bestückt ist. In einer besonderen Ausführungsform ist der Speicher beschreibbar, so daß die Regelprogramme auf die individuelle Motor- bzw. Pumpenform ausgelegt und geladen werden können. Es ist vorteilhaft, in die Proaramme selbstlernende Algorithmen zu implementieren, die das Regelprogramm automatisch im Hinblick auf eine Geräuschminimierung des Motors optimieren. Um die Motorvibrationen aufnehmen zu können, ist der Mikroprozessor mit einem Vibrationsfühler gekoppelt.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Einstellung eines Antriebsdrehmomentes oder einer Drehzahl eines Elektromotors insbesondere eines Asynchron- oder Universalmotors mit mindestens einer Wicklung (1), die mittels eines Schalters (5) mit einer einen periodischen Spannungsverlaut erzeugenden Spannungsquelle (4) für bestimmte Zeitabschnitte während einer Halbwelle verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (1) mittels des Schalters (5) während der Dauer jeder Halbwelle eines periodisch wiederkehrenden Schaltzyklus wahlweise andauernd, zeitweise oder nicht mit der Spannungsquelle verbunden ist, wobei der Schaltzyklus die Länge einer Anzahl von n Halbwellen hat.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (5) die Wicklung (1) während des Schaltzyklus für eine Anzahl von k n Halbwellen im Sinne einer Phasen- Anschnittsteuerung nach einem Zündwinkel α bis zum nächsten Nulldurchgang der Spannung oder des Stromes mit der Wechselspannungsquelle (4) verbindet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (5) die Wicklung (1) während des Schaltzyklus für eine Anzahl von m n Halbwellen im Sinne einer Halbwellensteuerung für vollständige Halbwellen mit der Wechselspannungsquelle (4) verbindet.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei niedrigen Drehzahlen nur mit Phasen-Anschnitten gesteuert wird und daß bei darüberhinaus gehenden Drehzahlen mit Halbwellen oder mit Phasen-Anschnitten und Halbwellen gesteuert wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl oder das Antriebsdrehmoment des Motors von der kleinst möglichen Drehzahl an erhöht wird indem bei k = n und m = 0 der Zündwinkel α zwischen 180° und einem vorgebbaren Zündwinkel αfest < 90° variiert wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen des Zündwinkels αfest die Zahl innerhalb des Schaltzyklus m erhöht, k erniedrigt und der Zündwinkel α insbesondere auf 180° zurückgesetzt wird.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl oder das Antriebsdrehmoment des Motors nach der Erhöhung von m erhöht wird, indem der Zündwinkels α bis zu dem Zündwinkel αfest < 90° kontinuierlich verkleinert wird.
8. Vorrichtung nach einem der vorherige n Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl m bei jedem Erreichen des Zündwinkels αfest erhöht wird.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der festlegbare Zündwinkel αfest aufgrund einer Geräuschmessung festlegbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (5) ein Halbleiterschalter insbesondere ein TRIAC oder MOSFET mit einem Eingang (6) für einen Zündpuls ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor mindestens eine Hilfswicklung (2) mit einem in Reihe geschalteten Kondensator (3) aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (5) von einem Mikroprozessor (7) steuerbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (7) nach einem Programm arbeitet, das sich in einem Arbeitsspeicher (11) befindet.
14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Programm selbstlernende Algorithmen enthält.
15. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Programm nachträglich in den Arbeitsspeicher (11) ladbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor eine Umwälzpumpe insbesondere in einem Heizungssystem betreibt.
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