DE19701856A1 - Elektronische Anlauf und Betriebssteuerung für einen Einphasen-Synchronmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Steuerung des Anlaufs und des Betriebs eines Einphasensynchronmotors mit permanentmagnetischem Rotor unter Berücksichtigung von Störfällen und des zulässigen Entmagnetisierungsstromes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für den Antrieb der Umwälzpumpe von Spülmaschinen und des Kompressors von Kühlschränken.

Stand der Technik

Weit verbreitet sind rein passiv, ohne Regelung betriebene, einphasige Synchronmotoren, die beispielsweise für den Antrieb kleiner Pumpen eingesetzt werden. Diese Synchronmotoren haben einen äußerst einfachen Aufbau und damit einen niedrigen Kostenaufwand. Wegen des schwierigen Anlaufs aufgrund der Massenträgheit der zu bewegenden Bauteile sind diese Motoren in ihrer Leistung auf ca. 30 W begrenzt. Daher kommen sie beispielsweise für Umwälzpumpen in Geschirrspülern ohne den Einsatz von zusätzlichen Maßnahme nicht in Frage.

Bei diesen einphasigen, permanentmagnetisch erregten Synchronmotoren ist ein sicherer Anlauf prinzipiell nur möglich, wenn durch besondere Maßnahmen wie Luftspaltformung oder Zusatzmagnet o. ä. dafür gesorgt wird, daß der Flußvektor des Rotormagneten in den Raststellungen nicht parallel zu dem Flußvektor des Stators steht.

Die Raststellung des Rotors ist dabei die Stellung des Rotors, bei der dessen Magnetfeld, ohne zusätzliche Bestromung, den geringsten Energieinhalt besitzt und in der er bei einem Fehlen von Reibungseinflüssen stehen bleibt.

Eine Maßnahme, um die Leistung eines solchen Motors über 30 W zu bringen, kann beispielsweise eine spezielle Kupplung zwischen Motor und Pumpe sein, wobei auch dann die Pumpe einen speziellen Aufbau aufweist, der Anlauf jedoch ohne zusätzliche elektronische Hilfsmittel rein passiv erfolgt.

Auch derartige Anordnungen von Synchronmotoren sind in ihrem Leistungsbereich eingeschränkt, insbesondere durch den unregelmäßigen Momentenverlauf im Anlaufbereich. Außerdem ist ihr Wirkungsgrad stark von der angelegten Spannung abhängig, wodurch der Synchronmotor bei einer bekannten Belastung auch für den ungünstigsten Betriebsspannungsbereich dimensioniert sein muß.

Ebenfalls bekannt geworden ist eine Vorrichtung zur Steuerung eines einphasigen Synchronmotors (Anmeldung Aktenzeichen 195 34 423.5 bzw. 195 33 344.6), bei welcher der einphasige Synchronmotor wenigstens eine in Reihe zur Wechselspannungsquelle geschalteten Statorwicklung, einen Sensor zur Messung des Magnetfeldes des Stators, vorzugsweise einem Hallsensor, einen Sensor zur Messung des Stromes, einen Sensor zur Messung der Versorgungsspannung, einen elektronischen Schalter, vorzugsweise einer der beim Stromnulldurchgang in den Sperrzustand (z. B. Triac) übergeht und eine elektronische Schaltung, die die Signale der Sensoren verknüpft und den Schalter entsprechend steuert.

Im Startvorgang werden bei dieser Vorrichtung, die Mittel zur Phasenanschnittsteuerung (elektronischer Schalter und elektronische Schaltung) entsprechend der Polarität des Magnetfeldsensors und der Solldrehrichtung freigegeben und der elektronische Schalter nach Ablauf einer Verzögerungszeit geschaltet, so daß sich dann ein antreibendes Moment in die Solldrehrichtung ergibt.

Im Hochlauf werden aus dem Betrag und der Steigung des Signals des Magnetfeldsensors Zeitausschnitte für die Freigabe der Mittel zur Phasenanschnittsteuerung festgelegt und die Wechselspannung nach Ablauf einer Verzögerungszeit zugeschaltet.

Im Synchronlauf werden entsprechend, ebenfalls periodisch auftretende Zeitabschnitte festgelegt in denen die Mittel zur Phasenanschnittsteuerung freigegeben sind und die Wechselspannung nach Ablauf einer Verzögerungszeit zugeschaltet wird.

Ein Nachteil ergibt sich in der Startphase daraus, daß ein solcher einphasiger Synchronmotor in den Raststellungen eine gut und eine schlecht anlaufende Richtung besitzt.

Die gut anlaufende Richtung ist dabei die, in welcher der Flußvektor des Rotormagneten (siehe Fig. 1) zum Flußvektor des Stators entgegengesetzt gerichtet ist. Er kann dann fast über 180° Geschwindigkeit aufnehmen und den Totpunkt überwinden, in welchem die Flußvektoren von Rotor und Stator parallel sind. In der anderen Richtung ist der Winkel bis zum Totpunkt nur einige Grad, entsprechend schlecht die Möglichkeit zur Überwindung des Totpunktes.

Bei dieser Vorrichtung wird nun darauf vertraut, daß der Rotor, insbesondere in der schlecht anlaufenden Richtung, in eine Pendelbewegung fällt, die sich durch Resonanzeffekte vergrößert und bei einer bestimmten Amplitude dann doch anläuft. Diese Methode kann einen Strom erfordern, der den Permanentmagneten wenigstens teilweise zur Entmagnetisierung bringt.

Dies ist besonders dann der Fall, wenn Reibungseinflüsse vorhanden sind, die den gewünschten Resonanzeffekt wegen zu großer Dämpfung verhindern, oder wenn schlecht angepaßte Drehmassen von Rotor und Last diesen mindern.

Ein Hochlauf wird insbesondere auch dann unterbunden, wenn der Rotor in den Lagern etwas verklebt, was nach längerer Stillstandszeit nicht auszuschließen ist.

Ein zusätzlicher Nachteil ergibt sich durch die Eigenschaften von Hallsensoren.

Diese besitzen eine große Offset-Spannung und Temperaturdrift, die es nur unter großem Aufwand, der hier aus Preisgründen nicht zur Anwendung kommen kann, erlaubt, die Lage der Raststellung eindeutig zu detektieren.

Der Hochlauf eines solchen Motors bis zum Synchronlauf ist dadurch geprägt, daß durch die Abweichung zwischen Netzfrequenz und Rotordrehzahl, über relativ lange Zeitintervalle keine antreibenden Strompulse zu Verfügung stehen. Um das notwendige mittlere Antriebsmoment breitzustellen, müssen daher die vorhandenen, antreibenden Strompulse größer ausfallen. Liegt nun einer dieser Strompulse so, daß die Flußvektoren von Rotor und Stator im groben antiparallel liegen, kann der Rotormagnet zumindesten teilweise entmagnetisiert werden, wenn der Strompuls eine genügende Höhe aufweist.

Ein Nachteil der genannten Vorrichtung ist es, daß sie keine Einrichtung aufweist, die den Strom in diesen gefährdeten Bereichen einschränkt.

Ein weiterer Nachteil beim Hochlauf und Synchronbetrieb ergibt sich daraus, daß zuerst die Freigabe der Mittel zur Phasenanschnittsteuerung erfolgt und dann die Verzögerungszeit des Phasenanschnitts eingeschaltet wird.

Während dieser Verzögerungszeit dreht sich der Rotor weiter und es ist möglich, daß der sich aufbauende Strom eine bremsende Wirkung entfaltet oder der Rotor sich in einen Bereich dreht, in dem er entmagnetisier-gefährdet ist.

Dies kann sowohl bei Drehzahlen größer als der Synchrondrehzahl, als auch bei ungünstiger Winkellage bei Freigabe der Mittel zur Phasenanschnittsteuerung der Fall sein.

Ein Nachteil bei der genannten Vorrichtung ergibt sich auch daraus, daß periodisch auftretende Zeitausschnitte für eine Freigabe der Mittel zur Phasenanschnittsteuerung festgelegt werden.

Zeitausschnitte implizieren die Verwendung von zeitgliedern, z. B. Timern, die aber bei einer Beschleunigung oder Verzögerung des Motors nicht mehr synchron zur Rotordrehung verlaufen und dadurch zu Zündfehlern führen, die eine Bremsung des Motors verursachen können, oder, was noch schlimmer ist, die Entmagnetisierungsgefahr erhöhen.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch die Verwendung eines Triacs insbesondere dann, wenn das Trägheitsmoment von Rotor und angeschlossener Pumpe klein ist und die Dynamik des Motors damit groß wird.

In diesem Fall ist bei Drehzahlen über der Synchrondrehzahl die Gefahr sehr groß, daß der Strompuls, der bei Verwendung eines Triacs nicht mehr abgeschaltet werden kann durch die dann sehr schnelle Drehung des Rotors in einem Winkelbereich landet, der zu einer Entmagnetisierung führen kann.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich bei Verwendung von preisgünstigen Hallsensoren. Durch die große Streuung ihrer Kennwerte ist die Bestimmung des Rotormagnetfeldes bei in Großserienfertigung hergestellten Motoren einer großen Streuung unterworfen. Diese führt bei der Festlegung von Augenblicken oder Amplitudenwerten, in denen der elektronische Schalter gezündet werden soll, zu Fehlern, die den Anlauf und Betrieb erschweren und die Entmagnetisiergefahr erhöhen.

Bei einer Überlastung des Motors oder bei einem Blockieren fehlen Maßnahmen, die unzulässige und für die Funktion gefährliche Zustände vermeiden.

Für übergeordnete Steuerungen, z. B. die Steuerung der Spülmaschine wäre es außerdem von Vorteil, wenn der Motor die Höhe der Pumpenlast melden würde, da dies aus den, von außen zugänglichen Daten nur mit kostenträchtigen, zusätzlichen Aufwand möglich ist.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile bei geringsten Kosten zu vermeiden und den einphasigen Synchronmotor unempfindlich gegen Lastvariationen und Störungen wie z. B. Blockieren, Überlastung oder Überdrehzahlen zu machen.

Zusätzlich soll für übergeordnete Steuerzwecke auf einfache Art die Belastung des Motors ermittelt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß sich mit der Belastung und der Speisespannung auch der cosϕ und der Polradwinkel des Motors ändern und damit eine Bestimmung der Motorbelastung erschweren. Zusätzlich ist zu beachten, daß der Synchronlauf des Motors bei Unterschreiten einer bestimmten Last instabil wird.

Diese Eigenschaften sind auch bei Verwendung äußerst preisgünstiger Hallsensoren und elektronischen Steuereinheiten wie z. B. Microcontrollern der untersten Preisklasse bereit zu stellen.

Zu berücksichtigen ist dabei, daß Hallsensoren in der unteren Preisklasse außer großen Offset-Spannungen auch eine starke Temperaturdrift der Offsetspannung und der Empfindlichkeit haben.

Zusammen mit den Streuungen des Magnetsystems kann dies zu Signalvariationen bis zu Faktor 3 von Motor zu Motor führen. Elektronische Steuereinheiten in Form von Microcontrollern oder ASICs der unteren Preisklasse besitzen außerdem eine sehr begrenzte Rechenleistung, die den zulässigen Aufwand für Ablauf- und Steuerungsoperationen stark einschränken.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuerung angegeben.

Für die Funktionsbeschreibung des Motors und dessen Steuerung wird der Betrieb zweckmäßigerweise in 3 Betriebsphasen unterteilt.

• - Der Anlauf, in dem der Motor vom Stillstand zu einer definierten Bewegung des Rotors gebracht wird,
• - der Hochlauf, in dem der Motor von der definierten Bewegung zum Synchronlauf gebracht wird und
• - der Synchronlauf, der die normale Betriebsphase des Motors darstellt.

Als besonders vorteilhaft für den Anlauf hat es sich dabei gezeigt, wenn beim Start die Versorgungsspannung nach einer Startverzögerungszeit des Phasenanschnitts so auf die Wicklung (5, 6) des Stators geschaltet wird, daß sich ein antreibendes Moment in die Solldrehrichtung ergibt, dann die Verzögerungszeit langsam verkleinert wird, bis sich ein Spitzenstrom ergibt, der unter dem Entmagnetisierungsstrom liegt.

Wenn das Signal des Magnetfeldsensor (10), bis dahin keinen definierten Wert erreicht hat, ist der Rotor nicht angelaufen. In diesem Falle wird die Drehrichtung des Motors gedreht und mit der Startverzögerung beginnend wieder die Versorgungsspannung auf die Wicklung des Stators (5, 6) geschaltet, bis der zulässige Spitzenstrom erreicht ist, oder der Motor angelaufen ist. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis sich der Rotor soweit gedreht hat, bis der definierte Wert des Magnetfeldsensors (10) erreicht ist.

In diesem Augenblick wird wieder die Solldrehrichtung eingeschaltet und der Hochlauf begonnen.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß der Anlaufvorgang mit großer Sicherheit und in sehr kurzer Zeit, auch bei Vorliegen von Reibung, in die Richtung erfolgt, in der der Rotor gut anläuft und außerdem bei einem Verkleben der Rotorwelle in den Lagern, wie es eventuell bei längerem Stillstand erfolgen könnte, durch das pulsierende und in kurzen Zeitabständen wechselnde Antriebsmoment losgehämmert wird.

Im Hoch- und Synchronlauf hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Aufschalten der Versorgungsspannung auf die Statorwicklung (5, 6) nach Ablauf der Verzögerungszeit zum Phasenanschnitt in Abhängigkeit von sogenannten Zündgrenzen erfolgt.

Im Grunde sind dies zwei Winkel, die so gelegt sind, daß das Maximums des Strompulses unter Berücksichtigung der Drehzahl und der Stromaufbauzeit, in den Quadranten (I, II oder III, VI) liegt, in denen der Strom antreibend ist.

Da in dem vorliegenden Falle nur ein Magnetfeldsignal und kein Winkelwert vorliegt, muß zur eindeutigen Beschreibung der Amplitudenwert des Signals und dessen Steigung herangezogen werden.

Vorteilhaft werden diese Zündgrenzen mit dem Scheitelwert des Magnetfeldsignals normiert, um den Signalschwankungen infolge Streuungen und Temperaturdriften des Magnetfeldsensors und im Magnetfeldsystem des Rotors auszuschalten.

Außerdem hat es sich im Hoch- und Synchronlauf als vorteilhaft erwiesen, wenn auch der Strom über dem Rotorwinkel bzw. in Abhängigkeit des Magnetfeldsignals gesteuert wird. Damit läßt sich in dem Winkelbereich der Strom reduzieren, in dem Stator- und Rotorfeld einander entgegen gesetzt sind, der Rotor also entmagnetisiergefährdet ist.

Durch Verlängerung der Verzögerungszeit wird dann der Strom auf unkritische Werte verkleinert.

Für Drehzahlen deutlich größer als die Synchrondrehzahl hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Aufschalten der Versorgungsspannung auf die Statorwicklung (5, 6) generell verhindert wird. Dort ist das Verhältnis von Stromaufbauzeit zur Zeit einer Umdrehung so ungünstig, daß das Maximum des sich aufbauenden Stromes in den entmagnetisierungsgefährdeten Winkelbereich drehen kann.

Bei zeitweiser Überlastung des Motors muß dieser in sicheren Betriebszuständen verbleiben.

Eine Gefährdung ist auch in diesem Falle durch eine Entmagnetisierung des Rotors gegeben.

Im Synchronlauf kann eine solche Überlastung des Motors ein Außertrittfallen und ein Absinken der Motordrehzahl bewirken. Dieses Außertrittfallen bedeutet, daß der Rotor des Motors nicht mehr synchron zur Netzfrequenz läuft.

Im Hochlauf bewirkt eine solche Überlastung, daß die Motordrehzahl absinkt.

Als sehr günstig hat es sich bei einer Überlastung im Synchronlauf erwiesen, wenn die Überlast dadurch festgestellt wird, daß der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung gemessen und das Überschreiten eines vordefinierten Grenzwertes als Überlast gewertet wird.

In diesem Falle werden die Steuergesetze des Synchronlaufes ab- und die des Hochlaufes eingeschaltet.

Für den Hochlauf hat es sich als günstig erwiesen, wenn diese Überlast dann angenommen wird, wenn die Motordrehzahl einen vordefinierten Wert gefallen ist.

In diesem Falle werden die Steuergesetze des Hochlaufes ab- und die Steuergesetze des Anlaufes eingeschaltet.

Einen besonderen Fall der Überlast stellt eine Blockade des Motors, z. B. durch Eindringen von Fremdkörpern in die Pumpe dar.

In einem solchen Fall prallt ein Flügel des Pumpenlaufrades auf den Festkörper. Das Pumpenlaufrad wird zurück geschleudert. In der Regel prallt bei der Rückdrehung wieder ein Flügel des Laufrades gegen den Festkörper. Der mögliche Winkel, den das Laufrad dabei ausführen kann, liegt in der Regel bei einer Flügelteilung, in jedem Falle aber deutlich unter 360°. Als Folge davon ist ein Maximum des Magnetfeldsignals kleiner als die Maxima des Magnetfeldsignals im Normalbetrieb.

Diese Tatsache kann vorteilhaft für die Detektion eines solchen Blockadefalls ausgenutzt werden.

In einem solchen Falle hat es sich als günstig erwiesen, die momentanen Steuergesetze (Hochlauf oder Synchronbetrieb) ab- und die des Anlaufes einzuschalten, wenn der Spitzenwert einer Magnetfeldamplitude einen vordefinierten Wert unterschreitet.

Bei der Bestimmung der Motorleistung muß unterschieden werden, ob die, als viskose Dämpfung auffaßbare Pumpenlast für einen stabilen Synchronlauf ausreicht oder nicht.

Reicht sie aus, dann wird als Maß für die Motorleistung der Scheitelwert des Stromes, bewertet mit dem Phasenwinkel zwischen Strom und Magnetfeld des Rotors, herangezogen.

Ist dies nicht der Fall, dann hat es sich für den einfachsten Fall, daß nur das Unterschreiten dieses Grenzwertes detektiert werden soll, als günstig erwiesen, hierfür den daraus resultierenden, einigermaßen stetigen Wechsel zwischen den Steuergesetzen des Synchron- und des Hochlaufes zu benutzen.

Soll auch in diesem Falle ein Maß für die Motorleistung gewonnen werden, dann hat es sich als brauchbar erwiesen, den Mittelwert der Differenz, der dann auftretenden maximalen und minimalen Drehzahl zu benutzen.

Beschreibung des Motors anhand von Zeichnungen

Die Ausführungen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und anschließend erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 Einphasensynchronmotor mit Sensoren und Hardwareteil der Steuerung mit Angabe der Raststellungen, verursacht durch Formung des Luftspaltes

Fig. 2 Einphasensynchronmotor mit Raststellungen, verursacht durch einen Zusatzmagneten.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuerung eines Einphasensynchronmotors und ein Einphasensynchronmotor mit permanentmagnetischem Rotor dargestellt.

Der Einphasensynchronmotor (1) umfaßt einen Stator (2), auf dessen beiden Polen (3, 4) zwei Spulen (5, 6) sitzen, die in Reihe geschaltet die Statorwicklung bilden und die Anschlußleitungen (7, 8) besitzen, sowie einen permanentmagnetischen Rotor (9) mit Nord und Südpol, dessen mögliche Einrastlagen durch den ausgezogenen Doppelpfeil (15) dargestellt sind.

Dabei kann jeder Pfeil des Doppelpfeiles (15) den Nord- oder Südpol darstellen.

Vor allem durch Formung des Luftspaltes zwischen Rotor und Stator ergeben sich die zwei gegenüberliegenden Rastlagen, die wie gezeigt einige Grade von der X-Achse, der Polachse des Stators abweichen und damit ein Startmoment ermöglichen.

In Fig. 2 ist ein Einphasensynchronmotor gezeigt, dessen Rastlagen (15) sich in den Quadranten 1 und 11 befinden. Diese Art der Rast lagen ergeben sich bei Verwendung eines Zusatzmagneten.

Unterstellt wird bei den folgenden Beschreibungen, daß ein positiver Strom ein Statorfeld in positive X-Richtung erzeugt.

Für jede Rastlage ergibt sich, wie Fig. 1 und 2 zeigen, eine gut und eine schlecht anlaufende Drehrichtung. Wird z. B. in Fig. 1 bei Rastlage (15) nach rechts ein positiver Strom aufgebracht, dann wird der Rotor ein paar Grade im Uhrzeigersinn in die X-Richtung gedreht, eine weitere Drehung kann unter statischen Gesichtspunkten nicht stattfinden. Eine Überwindung des Totpunktes ist schwierig, vor allem, wenn Reibungseinflüsse hinzu kommen.

Wird dagegen ein negativer Strom aufgebracht, dann wird der Rotor gegen den Uhrzeigersinn gedreht und er kann über fast 180 Grad Bewegungsenergie aufnehmen und den Totpunkt überwinden. In diese Richtung läuft er wesentlich besser an.

Bei Benutzung des Rotormagneten als Sensormagnet können die Magnetfeldsensoren nur an Orten angebracht werden, an denen der Statorstrom nicht zu zusätzlichen Signalen im Sensor führt, da ein Rückschluß auf die Position des Rotors sonst nicht möglich ist. Die Lage des in Fig. 1 und 2 gezeigten Hallsensors (10) ist ein solch neutraler Ort.

Diese Anordnung führt in den Raststellungen zu einem recht kleinen Sensorsignal. In Verbindung mit dem, nur mit größerem Aufwand vermeidbaren Offset und dessen Temperatur- und Langzeitdrift, ist es fast unmöglich, die genaue Lage der Raststellung zu detektieren.

Liegen die tatsächlichen Raststellungen (15) entsprechend Fig. 1 in den Quadranten I und III, dann kann der Sensor auch Stellungen (16) in Quadrant II und VI ausweisen.

Ähnliches gilt für Fig. 2, in der sich die tatsächlichen Raststellungen in den Quadranten I und II befinden, der Magnetfeldsensor aber, durch seinen Offsetfehler, auch die Quadranten III und VI angeben kann.

Die Steuereinheit kann also über den Magnetfeldsensor nicht ermitteln, in welche Richtung der Rotor gut anlaufen kann. Der Startvorgang wird daher so durchgeführt, daß der elektronische Schalter (11) nach einer Verzögerungszeit, der Phasenanschnittzeit, die Versorgungsspannung so auf die Spulenanschlüsse 7, 8 schaltet, daß sich ein Drehmoment in die Solldrehrichtung ergibt und nach Abfall des Stromes auf Null wieder davon trennt. Die Verzögerungszeit ist beim ersten Einschalten so, daß sich unter allen Startbetriebszuständen kein Strom ergibt, der den Rotormagneten zum Entmagnetisieren bringt. Danach wird die Verzögerungszeit so lange zurückgenommen, bis sich ein vorgegebener Maximalstrom einstellt, der ebenfalls noch unter dem Entmagnetisierungsstrom liegt.

Hat sich der Rotor in dieser Zeit nicht um einen bestimmten Wert gedreht, d. h. der Betrag des Magnetfeldsensorsignals ist noch nicht auf einen vordefinierten Wert angestiegen, wird die Drehrichtung gedreht und der Vorgang wiederholt. Dieser Vorgang wird wiederholt bis sich der Rotor um diesen vordefinierten Wert gedreht hat.

Dann wird die ursprüngliche Solldrehrichtung eingeschaltet und der weitere Hochlauf durchgeführt.

Diese Art des Startvorganges besitzt den Vorteil, daß der Startvorgang mit größter Sicherheit und in kürzester Zeit auch bei Vorliegen von Reibung und bei einem Fehlen von Resonanzeffekten durchgeführt wird.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Rotor, nach längerem Stillstand, in seinen Lagern verklebt ist. In diesem Fall wird er wechelseitig durch die Momentenpulse losgehämmert.

In der Hochlaufphase und im Synchronbetrieb werden nach jeder Halbdrehung des Rotors sogenannte Zündgrenzen bestimmt. Diese bestehen aus einem ersten und einem zweiten Amplitudenwert des Magnetfeldsensorsignals.

Diese werden so bestimmt, daß eine Zündung zwischen den beiden Werten zu einem Strompuls führt, der antreibendes Moment ergibt.

Bei der Bestimmung wird die momentane Drehzahl und der Maximalwert der Amplitude des Magnetfeldsensors (10) in entsprechender Weise berücksichtigt.

Die Verzögerungszeit für den Phasenanschnitt wird bei jedem Nulldurchgang der Versorgungsspannung gestartet. Nach ihrem Ablauf verbindet der elektronische Schalter (11) die Speisespannung dann mit den Statorspulen (5, 6) wenn die entsprechende Polarität der Versorgungsspannungshalbwelle vorliegt, die Amplitude des Magnetfeldsensors innerhalb der Zündgrenzen liegt und die zeitliche Ableitung des Magnetfeld-Sensor­ signals die richtige Polarität besitzt, d. h. ein antreibendes Moment zu erwarten ist.

Bevor der elektronische Schalter (11) die Statorspulen mit der Versorgungsspannung verbindet, wird zusätzlich geprüft, ob das Maximum des folgenden Strompulses bei einer Rotorlage auftritt, in dem der Feldvektor des Statorfeldes gegen den Feldvektor des Rotormagneten gerichtet ist und damit entmagnetisierend wirkt. Ist dieses der Fall, wird die Verzögerungszeit verlängert und damit der Strom auf einen ungefährlichen Wert verkleinert.

Die Verzögerungszeit für den Phasenanschnitt wird beim Hochlauf in Schritten vergrößert, wenn die Synchrondrehzahl noch nicht erreicht ist und verkleinert, wenn diese überschritten ist.

Auf diese Art wird in einfacher Weise ein lastabhängige Steuerung des Beschleunigungsstromes erreicht.

Im Synchronlauf wird die Phasendifferenz zwischen dem Signal des Magnetfeldsensors und dem des Stromes über die Verzögerungszeit für den Phasenanschnitt so geregelt, daß sich ein maximaler Wirkungsgrad ergibt. Dies ist bei der hier beschriebenen Anordnung dann der Fall, wenn die Phasendifferenz zu Null geregelt wird.

Damit ist eine Last- und Spannungsanpassung vorhanden, welche die Verlustleistung und damit die Motorbaugröße und die Fertigungskosten klein hält.

Bei Über- oder Unterlast besteht die Gefahr, daß der Motor aus dem Synchronismus fällt und die für den Synchronlauf gültigen Steuergesetze nicht mehr gelten.

Diese Situation wird dadurch festgestellt, daß der Betrag des Phasenwinkels zwischen Motorstrom und Magnetfeldsignal mit einem vordefinierten Wert verglichen und bei Überschreitung die Steuergesetze des Hochlaufes eingeschaltet werden.

Bei einem eventuellen Blockieren des Rotors, z. B. wenn ein entsprechender Fremdkörper in das Pumpenrad gerät, wird sich der Rotor nicht mehr weiterdrehen und zurückprallen.

In diesem Falle ist das Amplitudenmaximum des Magnetfeldsignals deutlich kleiner als das bei normalem Betrieb.

Über dieses Kriterium werden die momentan geltenden Steuergesetze des Hochlaufes oder Synchronlaufes gegen die des Anlaufs ausgetauscht und so eine Beschädigung des Motors durch falsch wirkende Ströme verhindert.

Ein Maß für die Betriebsleistung des Motors wird durch die gewählte Regelungsart im Synchronbetrieb in einfacher Weise dergestalt erhalten, daß der Spitzenwert der Strompulse ermittelt und mit dem Cosinus des Phasenwinkels zwischen Strom und Magnetfeldsignal oder einer Näherung desselben multipliziert wird.

Die Auswirkungen des cosϕ und die verschiedenen Speisespannungen sind dadurch weitgehend ausgeschaltet.

Für den Fall, daß die Last des Motors zu gering ist, um einen stabilen Synchronlauf zu ermöglichen, wird entweder der einigermaßen stetige Wechsel zwischen Synchronlauf und Hochlauf detektiert und daraus ein Signal gebildet, welches das Unterschreiten dieser Grenzlast meldet, oder, wenn auch in diesem Falle ein Maß für die Motorleistung erforderlich ist, wird aus der dann auftretenden Drehzahlschwankung, der zeitliche Mittelwert der Differenz von maximaler und minimaler Drehzahl herangezogen.

Claims (13)

1. Anlauf und Betriebssteuerung eines Einphasensynchronmotors mit permanentmagnetischem Rotor (9), wobei der Einphasensynchronmotor (1) wenigstens eine, in Reihe zu einer Wechselspannungsquelle geschaltete Statorwicklung (5, 6), einen Sensor (10) zur Messung des Magnetfeldes des Rotors, einen Sensor (12) zur Messung des Statorstromes, einen Sensor (14) zur Messung der Versorgungsspannung, Mittel (11) zur Strom und Phasenanschnittsteuerung, sowie eine Elektronikeinheit (13), welche die Sensorsignale verarbeitet und die Mittel zur Strom- und Phasenanschnittsteuerung schaltet, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ablauf einer Verzögerungszeit die mit dem Nulldurchgang der Versorgungswechselspannung beginnt und die Höhe des Stromes festlegt, die Mittel (11) zur Zündung dies Statorstromes dann freigibt, wenn sich die Amplitude des Sensorsignals (10) innerhalb vorher festgelegter Zündgrenzen in Form von Amplitudenwerten befindet und die Polarität der Wechselspannungshalbwelle einen Strom erzeugt, der ein antreibendes Moment ergibt.

2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündgrenzen über die Maxima bzw. Minima des Sensorsignals (10) normiert und über dem Hochlauf, entsprechend der Drehzahl, kontinuierlich eingestellt werden.

3. Synchronmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ablauf der Verzögerungszeit zwischen dem Nulldurchgang der Versorgungswechselspannung und der potentiellen Freigabe der Mittel (11) eine zusätzliche Verzögerungszeit eingeschaltet wird, die den Statorstrom weiter reduziert, wenn das Maximum des Statorstroms voraussichtlich in einen Drehwinkelbereich des Rotors fällt, in dem der Rotor entmagnetisiert werden kann.

4. Synchronmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich diese zusätzliche Verzögerungszeit an der orientiert, die während des Startvorganges bei dem maximal zulässigen Strom ermittelt wird.

5. Synchronmotor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Festlegung ob das Maximum des Stromes in den Winkelbereich fällt, in dem der Rotor entmagnetisiert werden kann ein Amplitudenwert herangezogen wird, der laufend z. B. in jeder Halbdrehung des Rotors bestimmt wird, der die Aufbauzeit des Stromes berücksichtigt und mit dem Maximum des Signals von Magnetfeldsensor (10) normiert wird.

6. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabe der Mittel zur Phasenanschnittsteuerung dann verhindert wird, wenn die Drehzahl einen vorbestimmten Wert übersteigt.

7. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikeinheit (13) den Strom in der Startphase entsprechend der Startdrehrichtung und den Signalen der Sensoren (10) und (14) mit einer voreingestellten Verzögerungszeit so steuert, daß sich ein antreibendes Moment ergibt, die Verzögerungszeit dann so lange verringert, bis ein ebenfalls voreingestellter Maximalstrom erreicht ist, die Solldrehrichtung und damit die Momentenrichtung umkehrt, wenn die Amplitude des Sensors (10) einen vorgegebenen Wert nicht erreicht hat und die Verzögerungszeit, beginnend mit der Startverzögerungszeit, verringert bis der Maximalstrom erreicht ist und diese Prozedur so lange wiederholt bis die vorgegebene Amplitude erreicht ist und dann auf die Start-Solldrehrichtung umschaltet und der Motor damit hochläuft.

8. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aussprung aus dem Steuerungsteil "Synchronlauf" dann erzwungen wird, wenn der Betrag des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung größer als ein vordefinierter Wert wird.

9. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aussprung aus dem Steuerungsteil "Hochlauf" dann erzwungen wird, wenn die Drehzahl unter einen definierten Bereich gefallen ist.

10. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aussprung aus den Steuerungsteilen "Hochlauf" oder "Synchronlauf" und ein Einsprung in den Steuerungsteil "Anlauf" dann erzeugt wird, wenn der Spitzenwert des Signals vom Magnetfeldsensor (10) deutlich unter dem Spitzenwert des Signals von Magnetfeldsensor (10) liegt, der im normalen Betrieb auftritt.

11. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschreibung der Motorleistung im stabilen Synchronlauf der Scheitelwert des Signals von Stromsensor (12), bewertet mit dem Phasenwinkel zwischen Strom und Magnetfeldsignal des Rotors, herangezogen wird.

12. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meldung "Grenzlast für stabilen Synchronlaut nicht erreicht" dann erzeugt wird, wenn ein mehrmaliger Wechsel zwischen den Steuerungsteilen "Synchronlauf" und "Hochlauf" innerhalb einer definierten Zeit auftritt.

13. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für die Motorleistung außerhalb des stabilen Synchronlaufes, aus der dann auftretenden Drehzahlschwankung die tiefpaßgefilterte Differenz von maximaler und minimaler Drehzahl herangezogen wird.