DE2306368C3

DE2306368C3 - Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung

Info

Publication number: DE2306368C3
Application number: DE19722306368
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: FA PAUL ANDRAE 7073 LORCH
Current assignee: FA PAUL ANDRAE 7073 LORCH
Priority date: 1972-03-29
Filing date: 1972-03-29
Publication date: 1980-03-13
Also published as: DE2306368A1; DE2306368B2

Description

stufenweise Zu- und Abschaltung der Hilfsphase gilt

Aufgabe der Erfindung ist es, bei wechselnden Anlaufschwierigkeiten unterworfenen Einphasenmotoren ein genaues Abschalten der Kondensatoranlaufshilfsphase unter allen Einsatzbedingungen zu gewährleisten.

Die Aufgabe wird bei einer Hüfsphasenschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in einer Schlupispuie induzierte SpannuDg zur Abschaltung der Hilfsphase verwendet iu wird.

In Weiterbildung der Erfindung wird die in der Schlupfspule induzierte Spannung unter Zwischenschaltung eines Tiefpasses über eine Kippschaltung zur Steuerung des Schalters für die Hilfsphase herangezogen.

Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgender, anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert Von den Zeichnungen zeigt

Fig. ä das Drehzahl-Drehmoment-Diagramm eines Einphasenmotors mit und ohne Kondensator-Hilfsphase,

Fig.2 motorspezifische, elektrische Größen in 2^r> Abhängigkeit von der jeweiligen Motordrehzahl eines Einphasenmotors,

Fi g. 3 u. 4 Prinzipschaltbilder eines Einphasenmotors mit Anlaufshilfsphase, und

Fi g. 5 u. 6 eine erfindungsgemäße Schaltanordnung, jo welche die Schlupffrequenz als Steuergröße zur Schaltung der Hilfsphase ausnützt

Um die Schwierigkeiten beim Anlauf von Einphasen-Asynchronmotoren zu erläutern, ist in F i g. 1 das Drehzahl-Drehmoment-Diagramm eines derartigen y-> Motors mit und ohne Kondensatorhilfsphase aufgezeichnet In der Zeichnung gibt die mit a bezeichnete Kurve den Drehmomentverlauf eines Einphasenmotors ohne Anlaufsliilfsphase wieder. Wie aus dem Diagramm zu entnehmen ist, ist das Drehmoment eines derartigen w Motors im Stillstand Null, was besagt, daß ein derartiger Motor nicht von selbst anläuft

Die Kurve b in F i g. 1 zeigt das Drehmomentverhalten desselben Motors mit einer stark wirksamen Anlaufshilfsphase. Mit dem durch die Anlaufshilfsphase gegebenen Anfahrdrehmoment ergibt sich ein sauberer Anlauf des Motors auch unter erschwerten Anlaufbedingungen. Die Verluste in der Hilfsphase sind jedoch, wie bekannt, so groß, daß der Motor nach kurzer Zeit verbrennt, wenn die Hilfsphase nicht abgeschaltet wird.

Beträgt der für den Hochlauf des Motors erforderliche Drehmomentwert, wie in F i g. 1 dargestellt ist, Mn und schaltet nun der normal übliche Zentrifugalschalter bei einer Drehzahl n\ zum Zeitpunkt I ab, so ist aus dem Verlauf der Drehmomentkurve a ersichtlich, daß dann das Drehmoment des Motors ohne Hilfsphase nicht ausreicht, um den Hochlauf des Motors bei schwierigen Anlaufbedingungen mit dem Drehmomentbedarf Af* zu gewährleisten.

Aus F i g. 1 ist weiter zu entnehmen, daß bei einer eo Drehzahl /Ju zum Zeitpunk* IF der optimale Abschaltzeitpunkt für di£ Hilfsphase liegt, weil in diesem Punkt das Drehmomentangebot mit und ohne Hilfsphase gleich groß ist und eine weitere Zuschaltung der Hilfsphase keine Drehmomenterhöhung gibt.

Erfolgt die Umschaltung zu einem späteren Zeitpunkt als 11, so wird der Anlauf nicht erschwert, denn trotz abfallender Drehzahlkennlinie des Motors mit Hilfsphase bis zum Drehmoment-Drehzahl-Gleichgewicht steigt nach Abschaltung der Hilfsphase das Drehmoment des Motors weiter an, so daß der Hochlauf nicht gestört wird Andererseits wird der Motor durch eine nach dem Zeitpunkt II liegende Abschaltung der Hilfsphase unnötig thermisch belastet da die Verluste in der Hilfsphase sehr erheblich sind. Die thermische Belastung durch zu spätes Abschalten dtr Hilfsphase bei Einphasenmotoren hoher Leistung kann so hoch werden, daß der Motor zerstört wird.

In Fig.2 sind in einem Strom-Drehzahl- bzw. Spannungs-Drehzahl-Diagramm die Größen aufgezeichnet, die in ihrer gegenseitigen Abhängigkeit voneinander zur Steuerung des Abschaltvorgangs der Hilfsphase herangezogen werden können. Die Kurve c gibt den Verlauf des Hauptphasenstromes in Funktion der Drehzahl wieder. Die Kurve d zeigt den Verlauf der Kondensatorspannung, die gleichzeitig auch dem Hilfsphasenstrom entspricht

Analog zu F i g. 1 sind in F i g. 2 die Abschaltpunkte I und II eingezeichnet Die Werte A Ι_Λ, Δ U_c und Δ η zeigen die einer bestimmten Abschalttoleranz von Δ Ia bzw. Δ Uu zugeordnete Toleranz der Drehzahlabschaltung an.

Aus dem flachen Verlauf der Kurven U und Uc ergibt sich für den Abschaltpunkt, bezogen auf die Drehzahl, eine relativ große Ungenauigkeit

In F i g. 2 ist darüber hinaus der Stromverlauf bei Unterspannung des Versorgungsnetzes dargestellt Aus der Verschiebung des sich nun ergebenden Abschaltbereichs I'-ir erkennt man den Nachteil der Abschaltung der Hilfsphase über den Strom der Hauptphase, der darin besteht, daß bei Unterspannung die Hilfsphase bei zu niediiger Drehzahl abgeschaltet wird und der Hochlauf des Motors nicht mehr erfolgen kann.

Die Darstellungen in den F i g. 1 und 2 zeigen sehr deutlich, daß bei Verwendung des Hauptphasenstromes oder der Kondensatorspannung als Steuergröße für die Abschaltung der Hilfsphase durch äußere Einflüsse, beispielsweise unterschiedlicher Netzspannung, die Abschaltgenauigkeit sehr gering ist, wodurch bei schwierigen Anlaufbedingungen ein sicheres Hochfahren des Einphasenmotors sehr oft in Frage gestellt ist, so daß es zu einer Zerstörung des Motors durch thermische Überlastung oder einer Überlastung des Hilfsphasenkondensators kommt

Zur Steuerung einer Anlaufshilfsphasenschaltung bei Einphasen-Asynchronmotoren eignet sich neben der Ableitung einer Steuergröße von dem Hauptphasenstrom auch die Ableitung einer Steuergröße von der Schlupfdrehzahl, d. h. eine Messung der Schlupfdrehzahl durch Vergleich der Motordrehzahl mit der asynchronen Drehzahl, also der Netzfrequenz, beispielsweise mittels einer eingebauten Schlupfspule, die beispielsweise in Form einer Ringspule aufgebaut und in axialer Nähe des Motors angeordnet sein kann (vgl. W. Nürnberger: Prüfung elektrischer Maschinen, 1959, S. 90 u. 91).

In F i g. 3 ist das Prinzipschaltbild des Einphasenmotors mit Anlaufshilfsphase dargestellt. Die Hilfsphase wird über einen Kontakt abgeschaltet, der von einem Relais betätigt wird, das entweder von dem Steuerglied 1, das von dem Hauptphasenstrom beeinflußt wird, oder von dem Steuerglied 2, das von dem Hilfsphasenstrom oder, gleichwertig damit, von der Kondensatorspannung beeinflußt wird, oder von dem Steuerglied 3, das schlupfabhängig ist, beeinflußt wird.

In Fig.4 ist dasselbe Blockschaltbild nochmals

wiederholt, nur ist jetzt der durch ein Relais betätigte Kontakt 4 durch ein steuerbares elektronisches Ventil, in vorliegendem Fall durch einen Triac 5 ersetzt, der seine Steuerspannung wahlweise von den Steuergliedern 1,2 und 3 bezieht.

Die sicherste Steuermethode zur Schaltung der Hilfsphase ist die Messung der Schlupffrequenz. Dabei werden in einer Schlupfspule Spannungen mit Netzfrequenz, mit doppelter Netzfrequenz, herrührend von dem gegenlaufenden Drehfeld, und mit der Schlupffrequenz induziert. Diese letztere beträgt höchstens 10% der Netzfrequenz, wenn die Nenndrehzahl des Motors erreicht ist.

In Fig.5 ist ein grundsätzlicher Aufbau einer derartigen Schaltung aufgezeigt. Aus den in der Schlupfspule 17 induzierten Spannungen werden die hohen Frequenzen der Netzfrequenz und der ungefähr doppelten Netzfrequenz durch den Tiefpaß 18 kurzgeschlossen und von der nachfolgenden Schaltung ferngehalten.

Die niederfrequente, zur Steuerung bestimmte Spannung, die dem Schlupf entspricht, wird über einen Gleichrichter gleichgerichtet und über eine Kippschaltung auf eine oder mehrere nachgeschaltete Verstärkerstufen gegeben, die dann wiederum ein steuerbares, elektronisches Ventil oder ein Relais schalten. Eine Kippschaltung ist erforderlich, um einen exakten Schaltzeitpunkt in Funktion der zur Steuerung herangezogenen Spannung, d. h. des Schlupfes, zu erreichen. Als Kippstufe ist in vorliegendes Schaltungsbeispiel eine Schmitt-Trigger-Schaltung 19 vorgesehen. Anstelle einer Schmitt-Trigger-Schaltung kann ebenso gut eine andere geeignete Kippstufe, beispielsweise eine U]T- oder WT-Schaltung mit Unijunction-Transistoren bzw. mit programmierbaren Unijunction-Transistoren vorgesehen werden. Weiterhin kann anstelle des steuerbaren, elektronischen Ventils, beispielsweise eines Triacs wie in F i g. 5, ebenfalls ein in F i g. 6 dargestelltes Relais als Schalter Verwendung finden.

Da der relative Schaltfehler bei Drehzahl- und Schlupfmessung gleich groß ist, wird die Schaltgenauigkeit, bei Schlupfmessung auf die Drehzahl bezogen, fast eine Größenordnung besser.

In Weiterbildung der Erfindung ist nun vorgesehen, zur Sicherung eines einwandfreien Hochlaufens eines Einphasenmotors mit Anlaufshilfsphase zu deren Abschaltung zwei oder mehrere Steuergrößen einander zu überlagern, wobei dann zusätzlich noch bei der einen oder anderen Steuergröße eine Integrier- oder Differenzierschaltung vorgesehen werden kann, um dem Schwierigkeitsgrad des Anlaufs Rechnung zu tragen und den Abschaltzeitpunkt der Hilfsphase bei schwierigen Anlaufbedingungen bei einer höheren Drehzahl, als dies ohne Differenzier- oder Integrierschaltung möglich wäre, vorzunehmen.

Andererseits muß aber sichergestellt sein, daß die Abschaltung so rechtzeitig erfolgt, daß weder die Hilfsphase noch der Kondensator dabei überlastet werden.

Der Umfang des Schaltungsaufwands richtet sich dabei einmal nach den Einsatzbedingungen des Einphasenmotors und zum anderen nach der erforderlichen Schaltgenauigkeit und dem wirtschaftlich vertretbaren Schaltungsaufwand.

Bei der Steuerung der Hilfsphase über die gemessene Schlupffrequenz gemäß F i g. 5 kann dieser Steuergröße noch die aus der Kondensatorspannung gewonnene Größe unter Zwischenschaltung eines Differenziergliedes 23 überlagert und auf diese Weise die Abschaltgenauigkeit der durch die Einsatzweise der Maschine geforderten Genauigkeit angepaßt werden.
Neben der Kombination zweier Steuergrößen gegebenenfalls nach vorheriger Integration bzw. Differentiation, kann in besonderen Fällen ebenfalls eine Kombination von drei Steuergrößen vorgesehen werden (vgl. hierzu F i g. 3 und 4).

Ein weiterer besonderer Vorteil der erfindungsgemä-Ben Hilfsphasenschaltung besteht darin, daß in einfacher Weise eine stufenweise Schaltung von ein oder mehreren Anlaufs- und/oder Betriebskondensatoren verwirklicht werden kann.

Werden beispielsweise mehrere steuerbare elektronisehe Ventile, die jeweils bei unterschiedlichen Steuergrößen ansprechen, vorgesehen, so können entsprechend den augenblicklichen Drehzahl- und Lastbedingungen auch mehrere parallel geschaltete Kondensatoren der Anlaufshilfsphase mittels der bei verschiedenen Steuergrößen ansprechenden elektronischen Ventile zu- oder abgeschaltet werden.

Wird bei Einsatz zweier antiparallel geschalteter Thyristoren der Zündzeitpunkt des einen Thyristors früher oder später als der des zweiten antiparallel geschalteten Thyristors, die wiederum von einer drehzahlabhängigen, motorspezifischen Steuergröße angesteuert werden, gelegt, so kann bei Erreichen einer bestimmten Anlaufdrehzahl des Einphasenmotors zunächst die positive oder negative Halbwelle der Kondensatorhilfsphase abgeschaltet werden, während die zweite Halbwelle erst nach Erreichen einer höherliegenden Motordrehzahl durch den zweiten Thyristor erfolgt, der entweder von der gleichen Steuergröße angesteuert wird, jedoch erst bei höheren

so Weiten derselben in seinen Blockierzustand kippt oder aber von einer zweiicii, ebenfalls drchzahlabhängigen und motorspezifischen Steuergröße geschallet wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung für Hinphasen-Asynchronmotoren, die mit einer Anlaufshilfsphase arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Schlupfspule (17) induzierte Spannung zur Abschaltung der Hilfsphase verwendet wird.

2. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in ι ο der Schlupfspule (17) induzierte Spannung unter Zwischenschaltung eines Tiefpasses (IS) über eine Kippschaltung (19) den Schalter der Hilfsphase (4,5) betätigt

3. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschaltzeitpunkt durch ein Integrierglied, das aus einer Widerstand-Kondensator-Kombination besteht, einstellbar ist

4. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr drehzahl- und/oder lastabhängige, motorspezifische Steuergrößen zur Schaltung der Hilfsphase kombiniert werden. 2^r>

5. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Differenzierglied (23) die Einstellung eines stabilen Zustandes überwacht wird. jo

6. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß die Kippschaltung (19) die Summe der Steuergrößen dem steuerbaren Schalter (4, 5) zuführt )■>

7. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Schlupffrequenz abgeleiteten Steuergröße eine von der Hilfsphase abgeleitete Steuergröße überlagert ist

8. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaitung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierten Steuergrößen mit unterschiedlicher Wertigkeit zur Steuerung des Hilfsphasenschalters herangezogen werden. 4^r>

9. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere steuerbare Schalter zur stufenweisen Schaltung mehrerer Anlaufskondensatoren des Einphasenmotors vorge- to sehen sind.

10. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß die steuerbaren Schalter von der gleichen Steuergröße, jedoch bei unterschiedlicher Größe derselben, geschaltet werden.

11. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbarer Schalter die Kombination zweier antiparallel geschalteter Thyristoren vorgesehen ist, bo von denen der eine die positive Halbwelle der Anlaufshilfsphase bei einer, einer ersten Motordrehzahl entsprechenden Steuergröße schaltet, während der zweite Thyristor die negative Halbwelle der Anlaufshilfsphase bei einer, einer zweiten Motor- f ^r> drehzahl entsprechenden Steuergröße schaltet.

Die Erfindung betrifft eine elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung für Einphasen-Asynchronmotoren, die mit einer Anlaufshilfsphase arbeiten, insbesondere zum Antrieb von Bohnermaschinen (vgL z. B. US-PS33 07 093).

Einphasen-Asynchronniotoren, wie sie unter anderem in Haushaltsmaschinen Verwendung finden, laufen ohne zusätzliche Maßnahmen nicht aus dem Stand an, da ihr Drehmoment im Stillstand Null ist Um ein Anlaufen derartiger Einphasenmotore aus dem Stillstand zu erreichen, ist es erforderlich, während des Hochlaufs eine Anlaufshilfsphase vorzusehen, die nach einer bestimmten Anlaufzeit und bei Erreichung einer bestimmten Motordrehzahl abgeschaltet werden muß, da die Verluste in der Hilfsphase so groß sind, daß der Motor andernfalls nach kurzer Zeit durch Überhitzung zerstört würde.

Die Abschaltung der Kondensatorhilfsphase bei Einphasenmotoren erfolgte bislang entweder durch einen Fliehkraftschalter, der mit gegen Spannfedern arbeitenden Fliehkraftgewichten arbeitet und bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl die Hilfsphase abschaltet, oder aber durch ein Relais, das auf das Absinken des Hauptphasenstromes anspricht und bei Erreichen eines bestimmten Wertes desselben öffnet und so die Hilfsphase abschaltet Anstelle eines Relais kann durch den Hauptphasenstrom auch ein elektronischer Schalter zur Zu- oder Abschaltung der Hilfsphase gesteuert werden (US-PS 33 07 093).

Weiterhin ist zur Steue-ung der Anlaufshilfsphase bei Einphasenmotoren die Kombination zweier Widerstände mit entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten, die in den Stromkreis der Anlaßwicklung geschaltet sind, bekanntgeworden.

Der DE-PS 6 30 785 ist außerdem eine stufenweise Zu- und Abschaltung von mehreren Hilfsphasen mittels eines feststehenden Spulensystems zu entnehmen, bei dem die eine Hälfte der Windungen vom Hauptphasenstrom und die andere Hälfte von dem Hilfsphasenstrom durchflossen ist, während das bewegliche System der Spule an Netzspannung liegt.

In der Praxis hat sich nun gezeigt, daß bei qualitativ hochwertigen Einphasenmotoren und bei ungünstigen Anlaufbedingungen Fliehkraftschalter zu ungenau arbeiten und außerdem ihre Mechanik und insbesondere die mechanischen Kontakte störanfällig sind. Zudem dürfen die mit den Fliehkraftgewichten zusammenwirkenden Rückholfedern nur sehr geringe Toleranzen in der Federcharakteristik aufweisen, um ein genaues Schalten des Fliehkraftreglers zu gewährleisten, was bei einer Serienfertigung entsprechende Schwierigkeiten mit sich bringt.

Eine von dem Hauptphasenstrom gesteuerte Abschaltung der Hilfsphase mittels eines Relais ist besonders bei Unterspannung des Versorgungsnetzes kritisch, da dann der Hauptphasenstrom des Einphasenmotors nicht genügend weit absinkt, um das Relais auszulösen, wodurch dann die Hilfsphase ständig zugeschaltet bleibt, was in der Regel zu einer Zerstörung des Motors durch Überhitzung führt. Der gleiche Nachteil zeigt sich, wenn anstelle eines Relais ein elektronischer Schalter durch den Hauptphasenstrom geschaltet wird.

Auch die Steuerung der Anlaufshilfsphase durch zwei Widerstände mit entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten gibt keine Gewähr für das einwandfreie Arbeiten von Einphasenmotoren bei ungünstigen Anlauf- und Betriebsbedingungen, was auch für eine