DE19709596C2 - Verfahren zum Identifizieren eines elektrischen Motors für Wechselstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Identifizieren eines elektrischen Motors für Wechselstrom, der als Induktionsmotor ausgebildet ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solches Verfahren ist aus der US 4,727,320 bekannt, bei dem der hin­ sichtlich Motorgröße und Wicklungsfehler zu identifizierende Induk­ tionsmotor neben einer Arbeitswicklung auch eine Anlaufwicklung aufweist. Gemäß diesem bekannten Verfahren werden die Wicklungswiderstände die­ ser beiden Wicklungen gemessen und hieraus ein Quotient gebildet, der mit einem Referenzwert verglichen wird.

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, ein, 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 neben dem eingangs beschriebenen Verfahren beispielsweise mit Hilfe einer mechanischen Steckerkodierung verhindert, daß unterschiedliche Motoren mit Elektroniken 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.

Des weiteren ist in der US 4,204,425 ein Testverfahren für Induktionsmoto­ ren beschrieben, bei dem nach einer kurzen Anlaufphase des Motors im Ge­ neratorbetrieb die Drehzahländerung und die induzierte Spannung zur Be­ rechnung des Drehmomentes erfaßt werden.

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 gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.

Will man mit einer einzigen Elektronik unterschiedliche Motortypen einer Baureihe betreiben, so wird eine Motoridentifikation benötigt, die durch die Erfindung ermöglicht wird. Dabei 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 me­ chanische Leistung abgibt, ist der Einfluß der Belastung des Motors praktisch eliminiert, so daß die Identifizierung nicht durch unterschiedliche Bela­ stungen erschwert wird. Zusätzlich kann mittels eines Mikroprozessors die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom sehr einfach und ko­ stensparend mittels eines Mikroprozessors ermittelt werden.

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 Phasenverschiebungen der bekannten Motoren in geeigneter Weise zugänglich gemacht, um den Vergleich zu ermöglichen. Zweckmäßig sind diese Parameter in einer Tabelle gespeichert, z. B. in einem Halbleiterspeicher, z. B. einem ROM oder EPROM.

Neben der Messung der Phasenverschiebung kann zur Motoridentifikation auch eine zusätzliche Strommessung oder eine zusätzliche Impedanzmes­ sung aus Strom und Spannung durchgeführt werden. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung lassen sich im Falle eines Induktionsmotors mit Anzapfungen der Hilfswicklung oder Hauptwicklung 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 da­ durch erhöhen, 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.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der Erfin­ dung 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 dazwischenliegende 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 12 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 (7)

1. Verfahren zum Identifizieren eines elektrischen Motors für Wechselstrom, der als Induktionsmotor ausgebildet ist, aus einer Baureihe von Motoren, deren einander entsprechende elektrischen Größen unterschiedliche Werte aufweisen, wobei mindestens eine elektrische Größe des Motors gemessen wird und deren Wert mit den bekannten Werten der entsprechenden elektrischen Größe der Motoren aus der Baureihe verglichen wird, wobei bei einer als hinreichend angesehenen Übereinstimmung zwischen dem Wert der gemessenen elektrischen Größe und einem Wert der entsprechenden elektrischen Größe eines bestimmten Motors der Baureihe der gemessene Motor als dieser bestimmte Motor identifiziert wird, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß zum Messen eine Betriebsspannung an den noch im Stillstand oder fast im Stillstand befindlichen Motor angelegt wird und unmittelbar danach bei praktisch noch stillstehendem Motor gemessen wird,
• b) daß als elektrische Größe die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere elektrische Größe der Strom gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Größe eine als Verhältnis von Wicklungsspannung zu Wicklungsstrom definierte Wicklungsimpedanz 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 aufweist, Messungen bei diesen Leistungsbereichen vorgenommen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach dem Anlegen der Betriebsspannung in einer Stellung für kleine Leistung in einer ersten Halbwelle der Betriebsspannung ein erster Wert einer elektrischen Größe gemessen wird, und daß nach einer Umschaltung auf eine höhere Leistung in einer darauf folgenden Halbwelle ein weiterer Wert der selben elektrischen Größe gemessen wird, oder umgekehrt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, 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.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die bekannten elektrischen Größen der Motoren aus der Baureihe in einer elektrisch oder elektronisch lesbaren Tabelle enthalten sind und aus dieser gelesen werden.