DE19709596A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Identifizieren eines Induktionsmotors und Ansteuerelektronik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Identifizieren eines elektrischen Motors für Wechselstrom, der als Induktionsmotor ausgebildet ist, aus einer Gruppe von bekannten Induktionsmotoren.

Einzelne Induktionsmotortypen einer Baureihe unterscheiden sich in der Größe und in der Leistung. Beispielsweise für Heizungspumpen stehen meh­ rere elektrische Motoren unterschiedlicher Leistung je nach Größe der Hei­ zungsanlagen zur Verfügung. Regelt man die Leistung nicht, sondern stellt sie nur z. B. durch eine Kennfeld, so benötigt man für jeden einzelnen Typ spezielle Parameter bzw. Kennfelder zur Ansteuerung. Diese können in Hard­ ware (z. B. Widerstände) oder Software gespeichert sein.

Beim Stand der Technik wird beispielsweise mit Hilfe einer mechanischen Steckerkodierung verhindert, daß unterschiedliche Motoren mit Elektroni­ ken betrieben werden können, welche nicht zu dem entsprechenden Motor passende Kennlinienparameter benutzen.

Hierin werden folgende Nachteile gesehen:
Die mechanische Steckerkodierung erfordert Bauraum, Geld, Montagezeit und schränkt die eigentliche Universalität von Ansteuerelektroniken für ei­ ne Motortypenreihe ein. Eine weitere Konsequenz daraus ist eine getrennte Lagerhaltung kodierter Elektroniken, wodurch wegen der kleineren Stück­ zahl die Herstellungskosten pro Elektronik steigen und zusätzlich Kosten we­ gen der Lagerung verschiedener Elektroniken hinzukommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Unterscheidung von be­ kannten Motoren, insbesondere aus einer Baureihe ohne Steckerkodierung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß mindestens eine elektrische Größe des Motors gemessen wird, die mit entsprechenden bekannten elektrischen Größen der Motoren der Gruppe verglichen wird, wobei bei einer als hinreichend angesehenen Übereinstim­ mung mit der entsprechenden Größe bzw. mit den entsprechenden Größen eines bestimmten der bekannten Motoren der erstgenannte Motor als der bestimmte Motor identifiziert wird.

Will man mit einer einzigen Elektronik unterschiedliche Motortypen einer Baureihe betreiben, so wird eine Motoridentifikation benötigt, die durch die Erfindung ermöglicht wird.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar für Induktionsmotoren mit An­ zapfungen der Hilfs- und/oder Hauptwicklung.

Ein Vorteil der Erfindung besteht in der einfachen und kostengünstigen Er­ kennung unterschiedlicher Motoren, insbesondere Heizungspumpenmoto­ ren.

Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß sie eine kostengünstige, einfa­ che Zuordnung verschiedener Motortypen einer Reihe von bekannten Mo­ toren zu einer für alle unterschiedlichen Motoren baugleichen Elektronik er­ möglicht. Hierdurch können Anpaßarbeiten entbehrlich werden, wenn die Elektronik (die die Einstellung und ggf. Regelung der Motordrehzahl durch­ führt) so ausgebildet ist, daß bei jedem Einschaltvorgang die Motoridentifi­ zierung durchgeführt wird.

Eine Alternative ist es, daß der Monteur beim Anschließen eines Motors ei­ ner Heizungspumpe an die Elektronik z. B. durch Betätigen eines hierfür vor­ gesehenen Schalters eine einmalige Motoridentifizierung veranlaßt, mittels der sich die Elektronik auf den Motor einstellt. Dies erfolgt zweckmäßig so, daß die Elektronik auf genau diesem Motor zugeordnete Stell- und Regelpa­ rameter, die zweckmäßig in einer elektronisch lesbaren Tabelle stehen, ein­ gestellt wird.

Es kann zweckmäßig sein, nur diejenigen unterschiedlichen Motoren, die zum Betrieb mit einer bestimmten Elektronik vorgesehen sind, mit einem zu dieser Elektronik passenden Stecker zu versehen. Dadurch kann der An­ schluß von der Elektronik unbekannten Motoren verhindert werden.

Bei der Erfindung wird eine meßtechnische Motoridentifikation durchge­ führt. Dabei werden die interessierenden Parameter der bekannten Moto­ ren in geeigneter Weise zugänglich gemacht, um den Vergleich zu ermögli­ chen. Zweckmäßig sind diese Parameter in einer Tabelle gespeichert, z. B. in einem Halbleiterspeicher, z. B. einem ROM oder EPROM.

Die Motoridentifikation kann über eine Impedanzmessung aus Strom, Span­ nung und/oder der zugehörigen Phase geschehen. Zwar sind diese auch ab­ hängig von der Belastung, Temperatur, Betriebsspannung und der Ferti­ gungsstreuung des Motors. Im Falle eines Induktionsmotors mit Anzapfun­ gen der Hilfswicklung oder Hauptwicklung lassen sich jedoch beim Hochlauf des Motors (Erhöhung der Drehzahl aus dem Stillstand heraus) die einzelnen Schaltzustände der Wicklungen ansteuern und dadurch ein Vielfaches der sonst nur eindimensionalen Meßgrößen Strom, Spannung, Phase ermitteln. Weiter läßt sich die Dimension bzw. Entscheidungssicherheit dadurch erhö­ hen, daß die Einschwingzeiten dieser Größen ermittelt werden.

Je nach der geforderten Unterscheidungsfeinheit kann durch beide Maß­ nahmen die Anzahl der Meßparameter eingeschränkt werden. Weiter läßt sich die Dimension der Entscheidungsmatrix durch Zusammenfassung ein­ zelner Parameter zu einem Gesamtwert und Vergleich mit einem Referenz­ wert verkleinern.

Ein Verfahren, das besonders speicherplatzsparend und zeitsparend ist, bil­ det aus den erforderlichen Meßwerten der jeweiligen Schaltzustände mit Hilfe einer Gewichtung einen Gesamtwert. Diese Werte werden für die fol­ genden Schaltzustände addiert und mit Kennwerten aus Mittelwerten ein­ zelner Motortypen verglichen. Dadurch kann der Einfluß zufälliger Abwei­ chungen von einem Sollwert verringert werden. Auch die Methoden der so­ genannten Fuzzy-Logik sind hier anwendbar.

Bei Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die Messung bzw. erfolgen die Messungen beim Einschalten der Stromversorgung noch bei Stillstand oder fast bei Stillstand des Motors. Weil der Motor hierbei nicht oder kaum mechanische Leistung abgibt, ist der Einfluß der Belastung des Motors prak­ tisch eliminiert, so daß die Identifizierung nicht durch unterschiedliche Bela­ stungen erschwert wird.

Zur Erfindung gehören auch eine Vorrichtung zum Identifizieren eines Mo­ tors und eine Elektronik zum Steuern eines Motors, die das erfindungsgemä­ ße Verfahren verwendet oder die erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist.

Bei Elektroniken, die einen Mikroprozessor enthalten, kann die Phasenver­ schiebung zwischen Spannung und Strom sehr einfach und kostensparend ermittelt werden. Eine genaue Erfassung der Amplitude von Strom und Spannung, die bei hohen Genauigkeitsforderungen aufwendig ist, kann sich dabei möglicherweise erübrigen.

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 von Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Prinzipschaltbild eines Motors, bei dem es sich um einen Einphasen-Induktionsmotor mit angezapfter Hilfswicklung handelt, mit Steuerung.

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 bei Betrieb an Phase, die Leitung 11 am Null-Leiter, somit an Masse.

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 in ei­ ner Steuerung 25 elektrisch betätigbar sind, was durch gepunktete Linien angedeutet ist. Die Hauptwicklung 2 ist einerseits mit der Leitung 11 verbun­ den, andererseits über einen ohmschen Widerstand 15 mit dem gemeinsa­ men Anschluß der Schalter 21 bis 24. Wenn nur der Schalter 24 leitend ge­ schaltet ist, dann läuft der Motor 1 mit minimaler Leistung.

Der Strom durch die Hauptwicklung 2 durchfließt dann alle Hilfswicklungen. Wenn nur der Schalter 21 leitend ist, läuft der Motor 1 mit maximaler Lei­ stung. Die Schalter 22 und 23 bewirken dazwischen liegende Leistungswerte.

Die am Widerstand 25 abfallende Spannung ist dem Strom durch die Haupt­ wicklung 2 proportional und wird von einer Anordnung 28 verstärkt, die als Verstärker und als Komparator arbeitet. Das dem Strom proportionale Aus­ gangssignal wird über eine Leitung 29 an einen Meßeingang der Steuerung 25 geliefert. Eine Leitung 30 liefert an die Steuerung ein Signal, das immer beim Nulldurchgang des Stroms auftritt und daher die Ermittlung der Pha­ senverschiebung erlaubt. Die Spannung an der Netzzuleitung 10 wird über eine Leitung 31 einem Spannungsmeßeingang der Steuerung 25 zugeführt. Anhand dieses Signals wird nur der Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Netz­ spannung ermittelt.

Die Steuerung 25, die einen Mikroprozessor 26 enthält, ist so ausgebildet, daß sie die folgenden Vorgänge bewirkt:
Der Meßvorgang startet bei Leistungsstufe Minimum (nur Schalter 24 lei­ tend) beim Spannungsnulldurchgang an der Leitung 31. Es wird nun der Spitzenstrom i1 und die Zeit t1 des Stromnulldurchgangs in der ersten Halb­ welle der Netzspannung gemessen. Diese Werte werden gespeichert. Zu Be­ ginn der zweiten Halbwelle der Netzspannung wird nur der Schalter 21 lei­ tend geschaltet (Leistungsstufe Maximum). Es wird nun der Spitzenstrom i2 und die Zeit t2 des Stromnulldurchgangs in der zweiten Halbwelle gemes­ sen. Da eine Halbwelle bei 50 Hz eine Länge von 10 ms hat, ist der Wert t1 und t2 der jeweiligen Phasenverschiebung linear proportional.

Für t1 gilt: Phasenverschiebung = 360° (t1/20 ms).

Anschließend erfolgt eine Verhältnisbildung Vi = i1/i2 und Vt = t1/t2. Diese Verhältniswerte werden in einer Tabelle 35 (EPROM) in der Steuerung 25 ge­ sucht. An der entsprechenden Stelle der Tabelle steht die Kennzeichnung des Motors 1. Die Tabelle enthält die Werte Vi und Vt aller für den Betrieb mittels der Steuerung 25 (Steuerelektronik oder Ansteuerelektronik) vom Hersteller zugelassenen Motoren.

Bei einer anderen Ausführungsform enthält die Schaltung zusätzlich zu den in der Figur gezeigten Teilen noch eine Einrichtung zum Messen der an der Hauptwicklung 2 herrschenden Spannung. Unmittelbar nach dem Span­ nungsnulldurchgang an der Leitung 31 werden in der Leistungsstufe Mini­ mum in der ersten Halbwelle die Phasenverschiebung, der Maximalstrom durch die Hauptwicklung 2, und die Spannung an der Hauptwicklung 2 ge­ messen. Die Messung wird in der zweiten Halbwelle wiederholt. Dann wird auf die Leistungsstufe Maximum umgeschaltet und in der dritten Halbwelle und der darauffolgenden vierten Halbwelle werden die gleichen Messungen ausgeführt. Diese sind daher innerhalb von vier Halbwellen (= 40 ms) abge­ schlossen. In dieser kurzen Zeit hat der Motor erst eine geringe Drehzahl er­ reicht.

Die entsprechenden Werte einer Anzahl von verschiedenen Induktionsmoto­ ren sind auch hier wieder in einer Tabelle enthalten. Durch Vergleich in der Tabelle, bei welchem Motor die beste Übereinstimmung vorliegt, wird die Identifizierung ausgeführt.

Bei einem beispielhaften 70-Watt-Motor ergeben sich folgende Meßwerte für die oben genannten vier Halbwellen:
phi1 = 90°, I1 = 200 mA, U1 = 170 V;
phi2 = 70°, I2 = 450 mA, U2 = 130 V;
phi3 = 20°, I3 = 650 mA, U3 = 330 V;
phi4 = 30°, I4 = 550 mA, U4 = 330 V.

Es mag zweckmäßig sein, die Steuerung bzw. Steuerelektronik 25 so auszu­ bilden, daß sie beim Beginn des Meßvorgangs auch das Anschalten der Lei­ tung 10 an das Wechselstromnetz steuert.

Claims (13)

1. Verfahren zum Identifizieren eines elektrischen Motors für Wechselstrom, der als Induktionsmotor ausgebildet ist, aus einer Gruppe von bekannten Motoren, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine elektrische Größe des Motors gemessen wird, die mit entsprechenden bekannten elektrischen Größen der Motoren der Gruppe verglichen wird, wobei bei einer als hinrei­ chend angesehenen Übereinstimmung mit der entsprechenden Größe bzw. mit den entsprechenden Größen eines bestimmten der bekannten Motoren der erstgenannte Motor als der bestimmte Motor identifiziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Größe eine hier als Verhältnis von Wicklungsspannung zu Wicklungsstrom definierte Wicklungsimpedanz ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ trische Größe eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Identifizieren eines Motors, der eine Umschaltvorrich­ tung zum Umschalten zwischen mindestens zwei Leistungsbereichen auf­ weist, Messungen bei mehreren Leistungsbereichen vorgenommen werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Betriebsspannung an den noch im Stillstand oder fast im Stillstand befindlichen Motor angelegt wird, und daß unmittelbar danach bei praktisch noch stillstehendem Motor gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß unmittel­ bar nach dem Anlegen der Betriebsspannung in einer Stellung für kleine Lei­ stung in einer ersten Halbwelle der Betriebsspannung ein erster Wert einer elektrischen Größe gemessen wird, und daß nach einer Umschaltung auf ei­ ne höhere Leistung in einer darauf folgenden Halbwelle ein weiterer Wert der selben elektrischen Größe gemessen wird, oder umgekehrt, und daß die Werte der gemessenen elektrischen Größe mit den entsprechenden Werten der Gruppe verglichen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einem eingestellten Leistungsbereich während verschie­ dener Halbwellen der Spannung, die vorzugsweise unmittelbar aufeinander folgen, mehrere Messungen der elektrischen Größe vorgenommen werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die bekannten elektrischen Größen der Gruppe in einer elek­ trisch oder elektronisch lesbaren Tabelle enthalten sind und aus dieser gele­ sen werden.

9. Vorrichtung für die Ausführung des Verfahrens nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum Messen der genannten mindestens einen Größe und eine Einrichtung zum Vergleich der gemessenen Größe mit den entsprechenden Werten der Mo­ toren der Gruppe aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Ein­ richtung zum Veranlassen des Umschaltens der Leistung des Motors (1) auf­ weist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum Anlegen der Betriebsspannung an den Motor auf­ weist.

12. Ansteuerelektronik für einen Induktionsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß sie derart ausgebildet ist, daß sie ein Verfahren zum Identifizieren eines angeschlossenen Motors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführen kann.

13. Ansteuerelektronik für einen Induktionsmotor mit einer Vorrichtung zum Identifizieren eines angeschlossenen Motors (1) nach einem der Ansprü­ che 9 bis 11.