DE19709594C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Regeln eines Induktionsmotors in Abhängigkeit von der Belastung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln eines Induktionsmotors in Abhängigkeit von der Belastung.

Bei bekannten Verfahren zum Ermitteln der Belastung werden die analogen Größen Motorstrom (aus dem Netz aufgenommener Strom) und Motorspan­ nung (= Netzspannung) gemessen, wobei eventuell eine Temperaturkom­ pensation durch Temperaturmessung der Motorwicklung stattfindet. Dies ist aufwendig, wenn eine große Genauigkeit erreicht werden soll. Bei ande­ ren bekannten Verfahren ist ein separater Sensor zur Drehzahlerkennung vorhanden, beispielsweise ein Tachogenerator.

Aus der DE 40 31 709 A1 ist eine Differenzdruckregelung für ein Pumpensy­ stem zu entnehmen, bei der das Lastmoment indirekt über Strom und Spannung erfaßt werden, wie dies im Grundprinzip auch der DE-OS 22 34 681 entnehmbar ist. Aus Schierling: "Selbstinbetriebnahme - ..." in: Automatisie­ rungstechnische Praxis (atp), 1990, Heft 7, S. 372-376 ist ein Verfahren zur Be­ stimmung der Motorparameter für große Synchronmotoren entnehm­ bar, das auch zunehmend bei Asynchronmotoren angewendet wird. Dabei wird ein Strom- oder Drehzahl-Soll- oder Stellwertsprung verursacht und der darauf folgende Einschwingvorgang ausgewertet, wie dies auch in der US 5,594,670 angewandt wird. Aus der DE 31 01 511 A1 ist darüber hinaus eine Anordnung zur Belastungsermittlung von durch einen Elektromotor ange­ triebenen Geräten aus einer von der die Betriebsspannung des Elektromo­ tors regelnden Regelelektronik gelieferten Größe bekannt, die jedoch nicht ohne weiteres für diskrete Stellgrößen anwendbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das ohne Drehzahlsensor und bei geringem Aufwand eine gute Genauigkeit er­ reicht, sowie eine geeignete Vorrichtung vorzustellen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Einschwingverhalten minde­ stens einer elektrischen Größe des Motors bei einer Änderung eines Stell­ werts für den Motor ermittelt wird und diese bei der Regelung des Motors berücksichtigt wird.

Die Erfindung schafft somit ein Sensierverfahren für die Belastung von In­ duktionsmotoren. Die Erfindung eignet sich für Induktionsmotoren jegli­ cher Art, beispielsweise auch Drehstrommotoren, insbesondere für Einpha­ senmotoren. Ein wichtiger Einsatzzweck kann die kostengünstige Sensie­ rung der Belastung von Heizungspumpenmotoren oder Lüftermotoren sein.

Bei der Erfindung ist von Vorteil, daß eine Drehzahlerfassung mittels eines separaten Sensors nicht erforderlich ist, so daß zusätzlicher Bauraum und die Kosten für einen derartigen Sensor entfallen.

Die Erfassung des Einschwingverhaltens einer elektrischen Größe des Motors führt zu genaueren Ergebnissen als die bekannte Ermittlung der aufgenom­ menen Wirkleistung mittels Messung von Strom und Spannung.

Die Erfassung der analogen Größen von Strom und Spannung ist relativ auf­ wendig und erfordert insbesondere dann, wenn eine Motorsteuerung vor­ gesehen ist, die einen Mikroprozessor aufweist, einen zusätzlichen Aufwand. Wird dagegen, wie bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, das Einschwingverhalten der Phase zwischen dem Strom und der Span­ nung ermittelt, so kann dies relativ einfach von dem Mikroprozessor erle­ digt werden, und eine Erfassung der absoluten Größe von Strom und Span­ nung ist hierbei nicht erforderlich.

Ausführungsformen der Erfindung betreffen das Zusammenwirken mit an­ deren Regelprinzipien und die Ermittlung der Phasenverschiebung und ei­ ner von deren Änderungsgeschwindigkeit abhängigen Größe.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den An­ sprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehre­ ren in beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand eines Aus­ führungsbeispiels näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Prinzipschaltbild einer Regelvorrichtung für einen elektrischen Motor, der als Einphasen-Induktionsmotor ausgebildet ist, zu­ sammen mit dem elektrischen Schaltbild für den Motor.

Die in der Figur gezeigte Anordnung arbeitet im Beispiel mit einer Wechsel­ spannung von 230 V und 50 Hz. Ein als Einphasen-Induktionsmotor ausgebil­ deter Motor 1, von dem lediglich das elektrische Schaltbild gezeigt ist, weist im Ständer des Motors 1 eine Hauptwicklung 2 sowie in Reihe geschaltete Hilfswicklungen 3, 4 und 5 auf. Die Serienschaltung der Hilfswicklungen 3, 4 und 5 ist einerseits mit einer ersten Netzzuleitung 10 und andererseits über einen Kondensator 6 (Anlaufkondensator) mit einer zweiten Netzzuleitung 11 verbunden. Die Netzzuleitungen 10 und 11 sind zur Verbindung mit dem Wechselstromnetz vorgesehen. Die Leitung 10 liegt im Beispiel bei Betrieb an Phase, die Leitung 11 am Null-Leiter.

Der Verbindungspunkt der in der Figur obersten Hilfswicklung 3 mit der Netzzuleitung 10, die jeweiligen Verbindungspunkte zwischen den Hilfswick­ lungen 3 und 4 einerseits und 4 und 5 andererseits und der Verbindungs­ punkt der Hilfswicklung 5 mit dem Kondensator 6 führen zu jeweils einem Kontakt je eines Schalters 21, 22, 23, 24, die von einer Stellvorrichtung 25 elektrisch betätigbar sind, was durch gepunktete Linien angedeutet ist. Die Hauptwicklung 2 ist einerseits mit der Leitung 11 verbunden, andererseits über einen ohmschen Widerstand 15 mit dem gemeinsamen Anschluß der Schalter 21 bis 24. Wenn nur der Schalter 24 leitend geschaltet ist, dann läuft der Motor 1 mit minimaler Leistung. Der Strom durch die Hauptwicklung 2 fließt dann durch alle Hilfswicklungen. Wenn nur der Schalter 21 leitend ist, läuft der Motor 1 mit maximaler Leistung. Die Schalter 22 und 23 bewirken dazwischenliegende Leistungswerte. Durch Betätigen der Schalter ist somit ein Verändern der Leistung bzw. Drehzahl des Motors in diskreten Schritten möglich.

Die am Widerstand 15 abfallende Spannung ist dem Strom durch die Haupt­ wicklung 2 proportional und wird von einer Verstärkeranordnung 26 erfaßt. Außerdem wird die an der Hauptwicklung 2 anliegende Spannung durch ei­ nen Spannungsteiler aus der Serienschaltung zweier ohmscher Widerstände 27 und 28 erfaßt. Die am Verbindungspunkt der Widerstände 27 und 28 an­ stehende Spannung wird je einem Eingang einer Vorrichtung 31 zum Ermit­ teln der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung der Hauptwick­ lung 2 und einer Vorrichtung 33 zugeführt. Den beiden Vorrichtungen 31 und 33 wird auch das für den Strom durch die Hauptwicklung 2 charakteri­ stische Ausgangssignal der Verstärkeranordnung 26 zugeführt. Die Vorrich­ tung 31 ermittelt die Phasenverschiebung durch Messen des zeitlichen Ab­ stands zwischen den Nulldurchgängen der Spannung und denen des Stroms unter Berücksichtigung der Periodendauer der Netzfrequenz.

Die Vorrichtungen 31 und 33 sind Teile einer Regelschaltung für die Drehzahl des Motors 1. Zur Regelschaltung gehört unter anderem noch ein PID-Regler 35, dessen Ausgang die Stellvorrichtung 25 steuert. PID steht für einen Reg­ ler, der proportional, integrierend und differenzierend arbeitet. Ein Soll­ wert 5 für die Drehzahl des Motors 1 wird einer ersten Subtraktionsschal­ tung oder Subtraktionsfunktion 36 zugeführt. Diese subtrahiert hiervon das Ausgangssignal einer Differenzierschaltung 37, die das von der Einrichtung 31 gelieferte Phasenverschiebungssignal nach der Zeit differenziert. Solange sich die Phasenverschiebung ändert (also noch keinen eingeschwungenen Zustand angenommen hat), liefert die Differenzierschaltung 37 ein von Null verschiedenes Ausgangssignal. Es wird im Beispiel zwar nicht die Länge der Einschwingzeit der Phasenverschiebung ermittelt (dies wäre leicht anhand des Ausgangssignals der Differenzierschaltung 37 möglich), aber für die Re­ gelung berücksichtigt. Außerdem geht in die Regelung die Größe der Ände­ rungsgeschwindigkeit der Phasenverschiebung ein.

Die Einrichtung 33 enthält ein Kennfeld für Stellwerte in Abhängigkeit von Strom und Spannung der Hauptwicklung 2. Das Ausgangssignal der Einrich­ tung 33 wird in einer zweiten Subtraktionsschaltung oder Subtraktionsfunk­ tion 40 von dem Ausgangssignal der ersten Subtraktionsschaltung 36 subtra­ hiert. Das Ausgangssignal der Schaltung 40 ist das Eingangssignal für den PID- Regler 35. Wenn ein nahezu stabiler Zustand erreicht ist, erfolgen allenfalls noch Umschaltungen zwischen benachbarten Leistungsstufen.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zusätzlich zu der Kenn­ feld-Regelung noch das zeitliche Verhalten der Phasenverschiebung zwi­ schen Strom und Spannung für die Regelung herangezogen. Dies geschieht durch die Einrichtungen 31 und 37. Die Einrichtung 33 mit dem Kennfeld be­ wirkt eine schnelle Grob-Regelung. Daher müssen Strom und Spannung hin­ sichtlich ihrer Amplitude nicht hochgenau erfaßt werden. Zusätzlich ermög­ licht die Sensierung der Einschwingzeit eine Fein-Regelung mit größerer Ge­ nauigkeit.

Der PID-Regler 35 ermöglicht aufgrund seines I-Verhaltens, kombiniert mit dem diskreten Steller (25; 21-24), eine ständige Regelbewegung, welche der Einstellzeitmessung kontinuierlich Meßwerte liefert. Z. B. können bei einem Heizungspumpenmotor im Abstand von einigen Minuten Schaltvorgänge der Schalter 21 bis 24 stattfinden, die dann zu Einschwingvorgängen führen.

Die Erfindung macht von der Erkenntnis Gebrauch, daß diskret angesteuerte Elektromotoren bei jedem diskreten Schritt der Erhöhung oder Erniedri­ gung des Stellwerts ein Einschwingverhalten der elektrischen Größen Strom und Spannung zeigen. Die Zeit, bis diese Größen einen stabilen Wert erreicht haben, ist einerseits abhängig von den Motoreigenschaften, andererseits von der Belastung des Motors. Je kleiner die Belastung ist, umso kürzer ist die Einschwingzeit. Neben der zeitlichen Beobachtung des Einschwingver­ haltens dieser analogen Größen im Verhältnis zur Versorgungsspannung des Motors besteht eine kostengünstige und genaue Möglichkeit bei einigen Motortypen, das zeitliche Verhalten der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung zur Sensierung der Motorbelastung heranzuziehen. Insbesondere Induktionsmotoren weisen eine deutliche Phasenverschie­ bung auf, die insbesondere durch den in der Regeleinrichtung oft schon vorhandenen Mikroprozessor leicht und recht genau erfaßt werden kann. Anhand eines einfachen Modells der vom Motor angetriebenen Last (z. B. Schaufelrad einer Pumpe, Lüfterrad, Kolben einer Wärmepumpe) läßt sich abzüglich des bekannten, weil vorher ermittelten Motorverhaltens über die Einschwingzeit der Phasenverschiebung das Lastmoment bzw. die Drehzahl errechnen.

Es kann zweckmäßig sein, das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 37 nicht unmittelbar der Subtraktionsfunktion 36 zuzuführen, sondern zu­ nächst die Dauer und Amplitude dieses Ausgangssignals festzustellen und in Abhängigkeit davon ein Signal der Subtraktionsfunktion 6 zuzuführen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Regeln eines elektrischen Motors in Abhängigkeit von der Belastung, wobei der Motor als Induktionsmotor ausgebildet ist und dessen Stellgröße diskret in Stufen verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Einschwingverhalten mindestens einer elektrischen Größe des Motors bei einer Änderung der Stellgröße für den Motor erfaßt wird,
• b) aus dem Einschwingverhalten die Belastung des Motors ermittelt und die­ se bei der Regelung des Motors berücksichtigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschwing­ verhalten des Stroms und der Spannung des Motors ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein­ schwingverhalten der Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung ermittelt wird.

4. Vorrichtung zum Regeln eines elektrischen Motors in Abhängigkeit von der Belastung, wobei der Motor als Induktionsmotor ausgebildet ist und dessen Stellgröße diskret in Stufen verstellbar ist, zur Durchführung des Ver­ fahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Einrichtung zum Ermitteln des Einschwingverhaltens mindestens einer elektrischen Größe des Motors (1) bei einer Änderung ei­ nes Stellwerts für den Motor vorgesehen ist, um daraus die Belastung des Motors zu ermitteln.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Aus­ führen einer Kennlinienregelung ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Ausführen einer PID-Regelung ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenziereinrichtung (Differenzierschaltung 37) vorgesehen ist, der ein der augenblicklichen Phasenverschiebung proportionales Signal zu­ geführt wird.