DE19632759A1 - Leistungsregler, insbesondere für Einphasen-Wechselstrommotoren, wie Lüftermotoren, für OHMsche Heizwiderstände oder dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Leistungsregler, insbesondere für Einphasen-Wech­ selstrommotoren, wie Lüftermotoren, für OHMsche Heizwiderstände oder der­ gleichen, mit den im Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 2 angegebenen Merkmalen.

Derartige Leistungsregler sind üblicherweise als Stufenregler ausgebildet, die als wesentliches Bauteil einen Stufentransformator aufweisen. Der Stu­ fentransformator weist mehrere einzeln über Schaltelemente in Form von Relais auf den Reglerausgang durchschaltbare Abgriffe auf, die abgestuft steigende Windungszahlen des Stufentransformators zur Bildung von Span­ nungsstufen am Reglerausgang abgreifen. Dadurch können Spannungen in abgestufter Weise an die in ihrer Leistung zu regelnde Last angelegt werden. Bei letzterer handelt es sich beispielsweise um Lüftermotoren, de­ ren Drehzahl durch den beschriebenen Leistungsregler in Stufen geregelt werden kann.

Der bekannte Stufenregler weist zwar signifikante Vorteile, wie schal­ tungs- und steuerungstechnisch einfacher Aufbau, kontinuierliche Span­ nungsabgabe für einen schonenden Betrieb z. B. eines Lüftermotors, ge­ ringe Verlust- und Störleistungen usw. auf. Der gravierende Nachteil be­ steht jedoch darin, daß seine Leistung nicht kontinuierlich stufenlos re­ gelbar ist.

Für eine solche stufenlose Leistungsregelung sind sogenannte Triacregler bekannt, bei denen mit einer Phasenanschnittsteuerung oder eine Impuls­ gruppensteuerung gearbeitet wird. Bei der Phasenanschnittsteuerung wird je nach gewünschter Ausgangsspannung nur ein gewisser Phasenanteil je­ der Vollwelle der sinusförmigen Wechselspannung durchgelassen. Über den Zündwinkel des Triacs ist damit eine stufenlose Leistungsregelung mög­ lich.

Phasenanschnittsteuerungen weisen bekanntermaßen gravierende Nachteile auf. So erzeugen sie durch den starken Spannungsanstieg im Zündzeit­ punkt hochfrequente Störspannungen im Netz, die aufwendige Entstörmaß­ nahmen erfordern. Weiterhin wird insbesondere bei einer Leistungsregelung von Motoren deren Lebensdauer durch die bei der Phasenanschnittsteue­ rung auftretenden kurzen Impulsdauern verkürzt.

Bei der erwähnten Impulsgruppensteuerung findet kein Phasenanschnitt statt, sondern es werden komplette Vollwellen einer Wechselspannung mit einem bestimmten Puls-Pause-Verhältnis an eine Last gelegt. Gerade bei einer niedrigen Ausgangsleistung bezogen auf die erreichbare Maximallei­ stung weist ein solcher Leistungsregler ein kleines Puls-Pause-Verhältnis auf, so daß ein stark diskontinuierlicher Stromverlauf festzustellen ist. Dies wirkt sich wiederum nachteilig auf die Lebensdauer derart geregelter Motoren aus.

Weiterhin ist die Eignung von Leistungsreglern auf der Basis einer Pha­ senanschnitt- bzw. Impulsgruppensteuerung stark abhängig vom Motortyp. Auch zeigen solche Leistungsregler aufgrund des Einsatzes eines Triacs eine relativ hohe Verlustleistung.

Ausgehend von den geschilderten Problemen beim Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Leistungsregler anzugeben, der auf der Basis eines Stufentransformators arbeitet, dabei jedoch eine quasi-stufenlose Leistungsregelung erlaubt.

Zwei alternative Lösungen dieser Aufgabe sind durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 2 gegeben. Beide Lösungsalternativen ge­ hen dabei von dem gemeinsamen Prinzip aus, dem Regelvorgang eine Stu­ fenregelung mit Hilfe eines Stufentransformators unterzulegen und diese mit einer Vollwellensteuerung zu überlagern.

In Ausgestaltung dieses Grundprinzips ist gemäß Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 vorgesehen, daß die Schaltelemente im Stufentransformator jeweils als dem einzelnen Abgriff zugeordnete schnelle Halbleiter-Schalt­ elemente ausgebildet sind, die von einem Microcontroller als Steuerein­ richtung derart angesteuert werden, daß zur quasi-stufenlosen Leistungs­ regelung mit Hilfe des Stufentransformators eine variable Anzahl von Voll­ wellen einer Spannungsstufe durch Vollwellen der nächsthöheren Span­ nungsstufe ersetzt wird.

Wenn also der Leistungsregler auf einen Leistungswert regeln soll, der beispielsweise in der Mitte zwischen den Leistungswerten zweier benach­ barter Stufen des Stufentransformators liegt, so werden die schnellen Halbleiter-Schaltelemente so angesteuert, daß wechselweise eine oder meh­ rere Vollwellen der unteren Schaltstufe und eine oder mehrere Vollwellen der darüber liegenden Schaltstufe an den Reglerausgang angelegt werden.

Bei der Alternative gemäß Anspruch 2 sind die Schaltelemente in den ein­ zelnen Abgriffen in an sich bekannter Weise von Schaltrelais gebildet, wobei zusätzlich im Ausgangsschaltkreis des Reglers ein seriell zur Last liegendes schnelles Halbleiter-Schaltelement vorgesehen ist. Die Schalt­ relais und das Halbleiter-Schaltelement werden von einem Microcontroller derart angesteuert, daß zur quasi-stufenlosen Leistungsregelung mit Hilfe des Stufentransformators eine variable Anzahl von Vollwellen einer Span­ nungsstufe vom Triac unterdrückt wird. Insofern wird vom Prinzip her also mit einer Vollwellensteuerung gearbeitet.

Allerdings wird durch das Unterlegen eines Stufentransformators das Puls- Pausen-Verhältnis insbesondere bei gegenüber der Maximalleistung niedri­ geren Ausgangsleistungen erheblich vergrößert, was zu einem gleichmäßi­ geren Verlauf der Ausgangsspannung des Leistungsreglers führt. Wenn z. B. der Leistungsregler die Hälfte seiner Maximalleistung ausgeben soll, so würde bei einer üblichen Vollwellensteuerung das Puls-Pause-Verhältnis 1 : 1 betragen. Bei einem unterlegten Stufentransformator mit fünf Abgriffen zur Bereitstellung der fünf Leistungsstufen 20%, 40%, 60%, 80% und 100% der Maximalleistung wird zur Einstellung einer Ausgangsleistung von 50% der Maximalleistung die dritte Leistungsstufe mit 60% der Maximalleistung angesteuert und nur jede sechste Vollwelle unterdrückt. Dadurch sinkt die Ausgangsleistung dieser Stufe auf die geforderten 50% der Maximalleistung bei einem Puls-Pause-Verhältnis von 5 : 1.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der beiden Alternativen werden gemäß Anspruch 3 die schnellen Halbleiter-Schaltelemente durch Triacs ge­ bildet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Schaltele­ mente in den Abgriffen des Stufentransformators - also die schnellen Halbleiter-Schalter vorzugsweise in Form von Triacs und die Schaltrelais - über einen Multiplexer vom Microcontroller angesteuert. Damit werden die Ausgänge des Microcontrollers nochmals decodiert, was u. a. verhin­ dert, daß durch eine äußere Störung mehrere Schaltelemente gleichzeitig durchgeschaltet werden.

Nach Anspruch 5 weist der Stufentransformator fünf Abgriffe zur Bereit­ stellung von fünf Spannungsstufen auf, wobei jeweils zwischen zwei be­ nachbarten Stufen eine quasi-stufenlose Leistungsregelung stattfinden kann.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nach­ folgenden Beschreibung entnehmbar, in der Ausführungsbeispiele des Er­ findungsgegenstandes näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Leistungsreglers in einer ersten Ausführungs­ form,

Fig. 2 ein Diagramm, das einen typischen Spannungsverlauf am Ausgang des Reglers gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit der Zeit zeigt,

Fig. 3 ein Schaltbild eines Leistungsreglers in einer zweiten Ausführungs­ form, und

Fig. 4 ein Diagramm, das einen typischen Spannungsverlauf am Ausgang des Reglers gemäß Fig. 3 in Abhängigkeit der Zeit zeigt.

Der in Fig. 1 gezeigte Leistungsregler weist einen Stufentransformator 1 mit zwei Eingangsanschlüssen 2, 3 auf, an die eine übliche Netzspannung angelegt werden kann. Der Stufentransformator 1 weist ausgangsseitig fünf Abgriffe 4, 5, 6, 7, 8 auf, die abgestuft steigende Windungszahlen des Stufentransformators zur Bildung von Spannungsstufen am Reglerausgang abgreifen. Die Abgriffe 4 bis 8 stehen gemeinsam mit einem Ausgangsan­ schluß 9 des Stufentransformators 1 in Verbindung. Zwischen diesem Aus­ gangsanschluß 9 und dem Ausgangsanschluß 10 des Stufentransformators 1 wird eine Last 11 - beispielsweise ein Lüftermotor - geschaltet, die mit einer quasi-stufenlos regelbaren Leistung beaufschlagt werden soll.

In jedem Abgriff 4 bis 8 liegt jeweils ein schneller Halbleiter-Schalter in Form eines Triacs 12, 13, 14, 15, 16, deren Steueranschlüsse über Steuer­ leitungen 17, 18, 19, 20, 21 mit den Ausgängen eines Demultiplexers 22 verbunden sind. Letzterer wird über einen Microcontroller 23 angesteuert, womit jeweils einer der Triacs 12 bis 16 im Nulldurchgang gezündet und der entsprechende Abgriff (z. B. Abgriff 5) auf den Ausgangsanschluß 9 durchgeschaltet werden kann.

Aufgrund des erläuterten Aufbaus des Leistungsreglers gemäß Fig. 1 läßt sich eine quasi-stufenlose Leistungsregelung erreichen. Dies ist anhand von Fig. 2 zu erläutern:

Soll der Leistungsregler eine Leistung von z. B. 53,3% der Maximalleistung abgeben - dies entspricht der in Stufe 2 (= 40%) erreichbaren Leistung zuzüglich 2/3 des Leistungsabstandes von 20% zwischen Stufe 2 und Stufe 3 (= 60%) - so wird der Triac 13 im Abgriff 5 zeitlich gesteuert so ge­ zündet, daß jeweils ein Paket von vier Vollwellen zum Ausgangsanschluß 9 durchgeführt wird (siehe Zeitbereich 24 in Fig. 2). Anschließend werden im Nulldurchgang der Triac 13 gesperrt und der Triac 14 im Abgriff 6 gezündet, wodurch über zwei Vollwellen die entsprechend höhere Aus­ gangsspannung am Abgriff 6 zum Ausgangsanschluß 9 durchgeführt wird (siehe Zeitbereich 25 in Fig. 2). Anschließend wird Triac 14 im Null­ durchgang wieder gesperrt und Triac 12 im Abgriff 5 wieder gezündet und der vorstehend erläuterte Ablauf zyklisch wiederholt.

Durch das Verhältnis der durchgeschalteten Vollwellen in Stufe 2 (= 40% der Maximalleistung) zu Stufe 3 (= 60% Maximalleistung) von 4 : 2 wird die Last 11 mit einer effektiven Leistung beaufschlagt, die ca. 53,3% der Ma­ ximalleistung entspricht.

Durch entsprechende Abänderung des Verhältnisses der Anzahlen von Voll­ wellen aus benachbarten Stufen, die zum Ausgang des Leistungsreglers durchgeführt werden, ist praktisch jeder Leistungswert zwischen zwei Stu­ fen erreichbar, so daß eine quasi-stufenlose Leistungsregelung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Leistungsreglers erzielbar ist.

Der in Fig. 3 gezeigte Leistungsregler weist wiederum einen Stufentrans­ formator 1 mit Eingangsanschlüssen 2 und 3 sowie Abgriffen 4 bis 8 auf. Letztere sind über kaskadenartig verschaltete Relais 26, 27, 28, 29, 30 mit dem Ausgangsanschluß 9 des Leistungsreglers verbunden. Die Steuer­ spulen 31, 32, 33, 34, 35 der Relais 26 bis 30 sind über einen Demulti­ plexer 22 mit dem Microcontroller 23 verbunden. Letzterer steuert die Relais 26 bis 30 so an, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt immer maximal einer der Abgriffe 4 bis 8 auf den Ausgangsanschluß 9 durchgeschaltet ist (z. B. Abgriff 6 über die Relais 28, 27, 26 in Fig. 3).

Dem zweiten Ausgangsanschluß 10 des Leistungsreglers ist ein schneller Halbleiterschalter in Form eines Triacs 36 im Ausgangsschaltkreis des Stufentransformators vorgeschaltet. Die Steuerleitung 37 des Triacs ist mit dem Microcontroller 23 verbunden. Letzterer steuert damit auch den Triac 36, um in Verbindung mit den Relais 26 bis 30 eine quasi-stufenlose Lei­ stungsregelung zu erzielen, wie sie anhand von Fig. 4 zu erläutern ist:
Soll die Last 11 mit einer Leistung beaufschlagt werden, die beispiels­ weise 25,7% der Maximalleistung des Leistungsreglers entspricht, so wird der Abgriff 5 (Stufe 2 = 40%) über die Relais 27, 26 auf den Ausgangsan­ schluß 9 durchgeschaltet. Gleichzeitig wird der Triac 36 vom Microcontrol­ ler 23 so angesteuert, daß er über vier Vollwellen (Zeitbereich 38 in Fig. 4) gezündet, anschließend über zwei Vollwellen (Zeitbereich 39 in Fig. 4) jedoch gesperrt ist. Es handelt sich hier also um eine Vollwellensteuerung mit einem Puls-Pause-Verhältnis von 2 : 1, die einer Stufenregelung überla­ gert ist. Im anhand von Fig. 4 konkret beschriebenen Beispiel wird auf­ grund des Puls-Pause-Verhältnisses von 2 : 1 die an sich über den Abgriff 5 anstehende Leistung von 40% der Maximalleistung des Leistungsreglers um 1/3, also auf etwa 26,7% reduziert. Bei einer reinen Vollwellensteue­ rung müßte das Puls-Pause-Verhältnis etwa bei 1 : 3 liegen, um eine ent­ sprechend reduzierte Ausgangsleistung von grob 25% zu erreichen.

Claims (7)

1. Leistungsregler, insbesondere für Einphasen-Wechselstrommotoren, wie Lüftermotoren, für OHMsche Heizwiderstände oder dergleichen mit

• - einem Stufentransformator (1), der mehrere, einzeln über Schaltelemente auf den Reglerausgang (9, 10) durchschaltbare Abgriffe (4, 5, 6, 7, 8) aufweist, die abgestuft steigende Windungszahlen des Stufentransforma­ tors (1) zur Bildung von Spannungsstufen am Reglerausgang abgreifen, und
• - einer Steuereinrichtung (22, 23) zur Ansteuerung der Schaltelemente,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente jeweils als dem einzelnen Abgriff (4 bis 8) zuge­ ordnete schnelle Halbleiter-Schaltelemente (12, 13, 13, 15, 16) ausgebildet sind, die von einem Microcontroller (23) als Steuereinrichtung derart an­ gesteuert werden, daß zur quasi-stufenlosen Leistungsregelung mit Hilfe des Stufentransformators (1) eine variable Anzahl von Vollwellen einer Spannungsstufe durch Vollwellen der nächst höheren Spannungsstufe er­ setzt wird.

2. Leistungsregler, insbesondere für Einphasen-Wechselstrommotoren, wie Lüftermotoren, für OHMsche Heizwiderstände oder dergleichen, mit

• - einem Stufentransformator (1), der mehrere, einzeln über Schaltelemente auf den Reglerausgang (9, 10) durchschaltbare Abgriffe (4, 5, 6, 7, 8) aufweist, die abgestuft steigende Windungszahlen des Stufentransforma­ tors (1) zur Bildung von Spannungsstufen am Reglerausgang abgreifen, und
• - einer Steuereinrichtung (22, 23) zur Ansteuerung der Schaltelemente,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente in an sich bekannter Weise jeweils als dem einzel­ nen Abgriff (4 bis 8) zugeordnete Relais (26, 27, 28, 29, 30) ausgebildet sind und zusätzlich im Ausgangsschaltkreis des Stufentransformators (1) ein seriell zur Last (11) liegendes schnelles Halbleiter-Schaltelement vor­ gesehen ist, wobei die Relais (26 bis 30) und das Halbleiter-Schaltelement (36) von einem Microcontroller (23) derart angesteuert werden, daß zur quasi-stufenlosen Leistungsregelung mit Hilfe des Stufentransformators (1) eine variable Anzahl von Vollwellen einer Spannungsstufe vom Halbleiter- Schaltelement nach Art einer Vollwellensteuerung unterdrückt wird.

3. Leistungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schnellen Halbleiter-Schaltelemente als Triacs (12 bis 16, 36) aus­ gebildet sind.

4. Leistungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltelemente (12 bis 16, 26 bis 30) in den Abgriffen (4 bis 8) des Stufentransformators (1) über einen Demultiplexer (22) vom Microcontroller (23) ansteuerbar sind.

5. Leistungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stufentransformator eine bestimmte Anzahl von Abgrif­ fen, vorzugsweise fünf Abgriffe (4 bis 8) zur Bereitstellung einer ent­ sprechenden Anzahl von Spannungsstufen, vorzugsweise von fünf Span­ nungsstufen aufweist, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Span­ nungsstufen eine quasi-stufenlose Leistungsregelung erreichbar ist.