DE3843013A1 - Elektronische starterschaltung fuer einen wechselstrommotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Starterschaltungen für Induktionsmotoren und insbesondere auf elektronische Steuerschaltungen zum Verbinden und Trennen der Starterwick­ lung derartiger Wechselstrommotoren mit bzw. von einer Netz­ spannungsquelle.

Wechselstrom-Induktionsmotoren hängen von der Wechselwirkung zwischen rotierenden Magnetfeldern in einem Stator und Magnet­ feldern in einem Rotor ab, die durch Transformationswirkung zwischen Wicklungen des Stators und Wicklungen des Rotors er­ zeugt werden. Mehrphasige Motoren haben ein natürliches umlau­ fendes Magnetfeld infolge der Phasenverschiebung zwischen je­ der Phase des Erregungsstroms. Einphasige Induktionsmotoren haben keine natürliche Feldrotation und sind deshalb im allge­ meinen mit einer Hauptwicklung und einer Hilfs- oder Start­ bzw. Anlaufwicklung versehen. Die Achsen der zwei Wicklungen sind um 90 Grad elektrisch verschoben. Die Start- bzw. Anlauf­ wicklung hat im allgemeinen ein größeres Widerstands-Reaktanz- Verhältnis als die Hauptwicklung, so daß die zwei Ströme pha­ senverschoben sind. Das Ergebnis ist ein umlaufendes magneti­ sches Statorfeld, wodurch der Motor anläuft. Nach dem Anlauf unterbricht ein Schalter die Anlaufwicklung. Eine zusätzliche Phasenverschiebung kann in sogenannten Spaltphasenmotoren durch Verwendung eines Kondensators in der Hilfswicklung erhalten werden.

Es sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, um die Anlaufwick­ lung von der Netzspannungsquelle zu trennen, wenn der Induk­ tionsmotor einen vorbestimmten Prozentsatz der synchronen Dreh­ zahl erreicht hat. Beispielsweise sind verschiedene mechani­ sche Vorrichtungen entwickelt worden, die die Zentrifugalkraft ausnutzen, damit zwei elektrische Kontaktstücke getrennt wer­ den und somit die Anlaufwicklung von der Spannungsquelle abge­ schaltet wird, wenn eine gewählte Rotordrehzahl erreicht worden ist. Derartige mechanische Vorrichtungen sind üblicherweise so eingestellt, daß die Verbindung mit der Netzspannungsquelle unterbrochen wird, wenn der Induktionsmotor 75 bis 80% der synchronen Drehzahl eines derartigen Motors erreicht. Leider haben jedoch die relativ hohen Ströme, die üblicherweise in der Anlaufwicklung auftreten, gelegentlich die Folge, daß die Kontaktstücke der durch Zentrifugalkraft betätigten Vorrich­ tung miteinander verschweißt werden. Der mechanische Aufbau derartiger Vorrichtungen muß für eine ausreichende Kraft sor­ gen, um die verschweißten Kontaktstücke auch tatsächlich aufzu­ brechen, bevor eine verläßliche Leistungsfähigkeit der Star­ terschaltung erreicht werden kann. Somit ist Betriebssicher­ heit ein wesentliches Merkmal, wenn eine mechanische, durch Zentrifugalkraft betätigte Vorrichtung verwendet wird, um die Abschaltung der Starterwicklung zu steuern.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Starter- bzw. Anlaufschaltung für einen Induktionsmotor zu schaffen, der die Anlaufwicklung sicher von der Spannungsquelle trennt, wenn ein vorbestimmter Prozentsatz der synchronen Drehzahl erreicht worden ist. Eine derartige elektronische Starter­ schaltung soll keine mechanische Schalter verwenden, um die Anlaufwicklung von der Netzspannungsquelle zu trennen. Über­ dies soll die elektronische Starterschaltung billig zu ferti­ gen sein.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Startersteuerschaltung für einen Wechselstrom-Induktions­ motor mit einer Spaltphasen-Statorwicklung geschaffen, die eine Hauptwicklung und eine Anlaufwicklung aufweist. Der Motor enthält ferner einen Rotor, der auf einer drehbaren Welle an­ gebracht ist. Der Motor kann mit einer Netzspannungsquelle verbunden werden. Die Starterschaltung enthält eine Wellen­ impulse erzeugende Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines ersten Wellenimpulses jedesmal dann, wenn die Welle sich um 360 Grad, geteilt durch die Anzahl der Statorpole, dreht. Die Starterschaltung enthält ferner eine Netz- bzw. Leitungs­ impulse erzeugende Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines ersten Netz- bzw. Leitungsimpulses mit einer festen proportio­ nalen Geschwindigkeit relativ zur Netzspannungsfrequenz, wie beispielsweise jedesmal dann, wenn die Netzspannung eine halbe Periode der Netzspannung vollendet (d.h. zweifache Netzspan­ nungsfrequenz). Eine erste Multiplizierschaltung ist mit der Wellenimpulse erzeugenden Schaltungsanordnung verbunden, um jeden ersten Wellenimpuls mit einer ersten Konstanten M zu multiplizieren, um M zweite Wellenimpulse für jeden ersten zu­ geführten Wellenimpuls zu erzeugen. Eine zweite Multiplizier­ schaltung ist mit der Leitungsimpulse erzeugenden Schaltungs­ anordnung verbunden zum Multiplizieren jedes Leitungsimpulses mit einer zweiten Konstanten N, um N zweite Leitungsimpulse für jeden ersten zugeführten Leitungsimpuls zu erzeugen. Ein Auf/Ab-Zähler, der vorzugsweise durch ein Schieberegister im­ plementiert ist, ist mit den ersten und zweiten Multiplizier­ schaltungen verbunden, um die zweiten Leitungsimpulse aufwärts zu zählen und die zweiten Wellenimpulse abwärts bzw. rückwärts zu zählen. Der Zähler weist einen Überfluß auf, wenn mehr zwei­ te Leitungsimpulse als zweite Wellenimpulse gezählt werden. Der Zähler weist einen Unterfluß auf, wenn mehr zweite Wellen­ impulse als zweite Leitungsimpulse gezählt werden. Die Starter­ schaltung enthält auch eine Verbindungs/Trennschaltung, die auf den Zähler anspricht, um die Anlaufwicklung mit der Netz­ spannungsquelle zu verbinden, wenn ein Überfluß des Zählers auftritt, und um die Anlaufwicklung von der Netzspannungsquel­ le zu trennen, wenn ein Unterfluß des Zählers auftritt.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispie­ len näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der elektronischen Starter­ schaltung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung des Endes einer Rotorwelle, die magnetisierte Abschnitte gemäß der Erfindung aufweist.

Fig. 3A ist eine graphische Darstellung der Spannungs­ amplitude über der Zeit von der Leitungs- bzw. Netzspannung, die der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung zugeführt ist.

Fig. 3B ist eine Darstellung der Kurve, die durch den Leitungsnulldetektor gemäß der Erfindung bei dem Spannungsverlauf gemäß Fig. 3A erzeugt wird.

Fig. 4 ist eine Darstellung der Kurve des Taktsignals, das durch die Taktschaltung gemäß der Erfindung erzeugt wird.

Fig. 5A ist eine Darstellung des Leitungsspannungssignals, das eine signifikante Spannungsnadel enthält.

Fig. 5B ist eine Darstellung der Kurve, die durch die Überspannungsschutzschaltung bei der Leitungs­ spannungskurve gemäß Fig. 5A erzeugt wird.

Fig. 6 ist eine Darstellung des Rücksetzimpulses und der nachfolgenden Taktimpulse, die durch die Rück­ setzschaltung bzw. die Taktschaltungen erzeugt werden.

In Fig. 1 ist eine elektronische Starterschaltung 100 als be­ vorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Star­ terschaltung 100 ist mit einer Hauptstarterwicklung 110 und einer Hilfs- oder Anlaufwicklung 120 des Induktionsmotors 130 verbunden. Der Rotor und die Welle des Induktionsmotors 130 sind schematisch als Rotor 140 dargestellt, der auf einer Welle 150 koaxial angebracht ist.

Beispielsweise sei angenommen, daß der Motor 130 ein zehnpoli­ ger Induktionsmotor sei. Dies bedeutet, daß der Stator 110 zehn Pole aufweist, die in im wesentlichen gleichen radialen Abständen um den Rotor 140 herum angeordnet sind. Es sei je­ doch darauf hingewiesen, daß die Erfindung auf Induktionsmo­ toren mit irgendeiner Polzahl anwendbar ist.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht von dem einen Ende 150 A der Welle 150. Die Welle 150 weist P magnetisierte Abstände auf, die im gleichen Winkelabstand um den Umfang der Welle 150 herum ange­ ordnet sind. Somit enthält in diesem Ausführungsbeispiel die Welle 150 zehn magnetisierte Abschnitte 151, 152, 153, 154, . . . 160, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Alternativ können die mag­ netisierten Abschnitte 151, 152, . .. 160 um den Umfang einer Scheibe (nicht gezeigt) herum angeordnet sein, die koaxial auf der Welle 150 angebracht ist. Ein Pfeil 162 in Fig. 2 gibt die Drehrichtung der Welle 150 an. Ein Halleffekt-Sensor 170 ist ausreichend nahe an der Welle 150 angeordnet, um die magnetisierten Abschnitte 151-160 abzutasten, wenn sie bei einer Rotation der Welle 150 an dem Sensor 170 vorbeilaufen. Der Sensor 170 erzeugt Gleichspannungs-Ausgangssignale einer Größe bzw. Amplitude, die der Intensität des abgetasteten Magnetfeldes proportional ist. Insbesondere erzeugt der Sensor 170 ein identifizierbares Signal immer dann, wenn einer der magnetisierten Abschnitte 151-160 an dem Sensor 170 vorbei­ dreht.

Gemäß Fig. 1 ist der Ausgang des Sensors 170 mit dem Eingang eines Fensterkomparators 180 verbunden. Halleffekt-Sensoren, wie beispielsweise der Sensor 170, erzeugen im allgemeinen kein reines Ausgangssignal. Das bedeutet, wenn die magnetischen Abschnitte 151-160 sich auf entsprechende Weise annähern und dann an dem Sensor 170 vorbeilaufen, erzeugt der Sensor eine Reihe von Impulsen, die typisch eine Anzahl von sehr kleinen Änderungen oder Rauschen enthalten. Der Fensterkomparator 180 dient dazu, das Sensorausgangssignal auf wirksame Weise zu "reinigen". Genauer gesagt, erzeugt der Fensterkomparator 180 eine logische 1, wenn das Sensor-Ausgangssignal einen vorbe­ stimmten Schwellenwert überschreitet, und er erzeugt eine lo­ gische 0, wenn das Sensor-Ausgangssignal unter einen zweiten vorbestimmten Schwellenwert abfällt, der kleiner als der erste Schwellenwert ist. Das Ausgangssignal des Fensterkomparators 180 ist somit ein digitales Signal mit einer logischen 1, das immer dann erzeugt wird, wenn der Sensor 170 abtastet, daß einer der magnetischen Abschnitte 151-160 vorbeiläuft. Es sei darauf hingewiesen, daß das Ausgangssignal des Fensterkompara­ tors 180 eine Anzeige der Winkelgeschwindigkeit liefert, mit der die Welle 150 des Motors 130 umläuft. Das bedeutet, daß der Komparator 180 für jede Umdrehung der Welle 150 eine An­ zahl von Impulsen erzeugt, die gleich der Anzahl magnetisier­ ter Abschnitte ist, die um den Umfang der Welle 150 herum an­ geordnet sind, im vorliegenden Fall also zehn. Somit erzeugt für jede Umdrehung der Welle 150 der Komparator 180 eine An­ zahl von Impulsen, die gleich der Polzahl des Motors 130 ist.

Eine Netz- bzw. Leitungsspannungsquelle (nicht gezeigt) ist mit Leitungseingängen 190 und 192 durch einen üblichen Schal­ ter (nicht gezeigt) verbunden. In der Praxis sind die Leitungs­ eingänge 190 und 192 der gleiche Knotenpunkt. Der Leitungsein­ gang 190 ist mit einer Spannungsversorgung 200 verbunden, die eine Gleichspannung an die übrigen Schaltungsanordnungen der Starterschaltung 100 liefert. Diese übrigen Schaltungsanord­ nungen können als eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) implementiert sein.

Die Spannungsversorgung 200 ist mit einer üblichen Rücksetz­ schaltung 210 verbunden, die einen Einzelimpuls erzeugt, wenn die Spannungsversorgung 200 eingeschaltet wird. Der Einzelim­ puls, der beim Einschalten durch die Rücksetzschaltung 210 erzeugt wird, wird dazu verwendet, andere Schaltungsanordnun­ gen in der Starterschaltung 100 in einer noch zu beschreiben­ den Weise zurückzusetzen.

Eine Taktschaltung 220 ist mit einem Ausgang der Spannungsver­ sorgung 200 verbunden, um Spannung abzugeben. Die Taktschal­ tung 220 erzeugt ein Taktsignal an einem Ausgang, der mit "Takt" bezeichnet ist. Das Taktsignal wird mit einer Frequenz erzeugt, die größer als diejenige der Netz- bzw. Leitungsspan­ nung ist, die am Eingang 190 anliegt. Wenn beispielsweise die Netzspannung am Eingang 190 eine Frequenz von 60 Hz hat, wurde eine Taktfrequenz von etwa 5 bis 10 KHz als ausreichend schnell befunden. Der Ausgang der Taktschaltung 220 ist mit später noch näher zu beschreibenden Schaltungsanordnungen innerhalb der Starterschaltung 100 verbunden, um diesen ein geeignetes Taktsignal zuzuführen.

Der Leitungseingang 190 ist auch mit dem Eingang eines Lei­ tungsnulldetektors 230 verbunden, der ein im wesentlichen rechteckiges Ausgangssignal synchron mit der zugeführten sinus­ förmigen Netzspannung erzeugt. Das bedeutet, wenn ein sinus­ förmiges Netzspannungssignal, wie es in Fig. 3A gezeigt ist, an den Eingang des Leitungsnulldetektors 230 angelegt wird, wird ein Leitungsimpulssignal, wie es in Fig. 3B gezeigt ist, am Ausgang des Detektors 230 geliefert. Es sei darauf hinge­ wiesen, daß jede vordere Flanke des Leitungsimpulssignals ge­ mäß Fig. 3B einem positiv werdenden Nulldurchgang des Lei­ tungsspannungssignals gemäß Fig. 3A entspricht.

Wenn ein Motor 130 synchron in Bezug auf das Leitungsspannungs­ signal arbeitet, ist die Anzahl der Wellenimpulssignale, die der Fensterkomparator 180 erzeugt, gleich der Anzahl der posi­ tiv werdenden Leitungsimpulse am Leitungsnulldetektor 230.

Die Starterschaltung 100 enthält auch ein Auf/Ab-Schieberegi­ ster oder einen Zähler 240 zum Empfangen der Wellenimpulse und Leitungsimpulse. Dieser Zähler oder dieses Schieberegi­ ster zählt abwärts bzw. rückwärts, wenn ein Wellenimpuls zuge­ führt wird, und er zählt aufwärts bzw. vorwärts, wenn ein Leitungsimpuls zugeführt wird, und er enthält einen Unterflußausgang 240 A und einen Überflußausgang 240 B.

Die Schaltungsanordnung 100 ist so aufgebaut, daß, wenn im Zähler 240 ein Überfluß auftritt, ein Triac 250 durchgeschal­ tet wird, um die Netz- bzw. Leitungsspannung von dem Leitungs­ spannungseingang 192 an die Anlaufwicklung 120 anzulegen. Wenn im Zähler 240 ein Unterfluß auftritt, sperrt das Triac 251, um den Leitungsspannungseingang 192 von der Anlaufwicklung 120 zu trennen. Genauer gesagt, sperrt das Triac 251, wenn ein vorbestimmter Prozentsatz, beispielsweise 80%, der synchronen Wellendrehzahl erreicht wird. Dies wird eine 80% Auslösung oder ein 8/10 Auslöseverhältnis oder Drehzahlverhältnis ge­ nannt. In diesem Ausführungsbeispiel, bei dem das Triac bei 80% der synchronen Motordrehzahl sperrt, ist die Schaltungsan­ ordnung 100 so aufgebaut, daß ein Unterfluß des Zählers 240 erreicht wird, wenn eine 80% Auslösung dem Verhältnis 8/10 oder einfach 4/5 entspricht. Das Ziel ist, daß eine gleiche Anzahl von Wellenimpulsen und Leitungsimpulsen den Eingang des Zählers 240 erreichen, wenn 80% der synchronen Drehzahl er­ reicht ist. Um sicherzustellen, daß dieser Zustand auftritt, wird die Anzahl der Wellenimpulse von dem Komparator 180 mit einer ganzen Zahl M=5 vor dem Zuführen zum Zähler 240 multi­ pliziert, und die Anzahl der Leitungsimpulse, die von dem De­ tektor 230 generiert werden, wird mit einer ganzen Zahl N=4 multipliziert, bevor sie dem Zähler 240 zugeführt werden. Wei­ terhin ist der Ausgang des Fensterkomparators 180 mit dem Ein­ gang eines programmierbaren Pulsmultiplizierers 250 verbunden. Der Multiplizierer 250 ist mit einem Faktor M gleich 5 pro­ grammiert, so daß für jeden Wellenimpuls, der am Pulseingang 250 A geliefert wird, fünf Wellenimpulse an seinem Ausgang er­ zeugt werden. Zusätzlich ist ein programmierbarer Pulsmulti­ plizierer 260 mit dem Ausgang des Leitungsnulldetektors 230 verbunden. Der Multiplizierer 260 ist mit einem Faktor N gleich 4 programmiert, so daß für jeden Leitungsimpuls, der an den Leitungseingang 260 A geliefert wird, der Multiplizierer 260 an seinem Ausgang vier Leitungsimpulse generiert. Der Multiplizierer 250 enthält einen M Wähleingang 250 B, damit zwei unterschiedliche ganzzahlige Faktoren M bei einem Signal am Eingang 250 B gewählt werden können, wie es nachfolgend er­ läutert wird. In ähnlicher Weise weist der Multiplizierer 250 einen N Faktor-Wähleingang auf, der ebenfalls nachfolgend näher erläutert wird.

Der Ausgang des programmierbaren Pulsmultiplizierers 260 ist mit dem Auf/Ab-Zähler 240 verbunden, so daß der Zähler 240 die zugeführten Leitungsimpulse aufwärts zählt. Der Ausgang des programmierbaren Pulsmultiplizierers 250 ist mit dem Auf/Ab-Zähler 240 verbunden, so daß der Zähler 240 die zuge­ führten Wellenimpulse rückwärts zählt. Der Unterflußausgang 240 A des Zählers 240 ist mit dem Rücksetz- bzw. Reset-Eingang R des RS Flip-Flop 280 verbunden. Somit wird das Flip-Flop 280 zurückgesetzt, wenn im Register 240 ein Unterfluß auftritt, wie es noch beschrieben wird. Der Überflußausgang 240 B des Zählers 240 ist mit dem einen Eingang eines zwei Eingänge auf­ weisenden OR-Gatters 290 verbunden. Der andere Eingang des OR Gatters 290 ist mit dem R Ausgang der Reset-Schaltung 210 ver­ bunden. Der Ausgang des OR Gatters 290 ist mit dem Setz- bzw. Set-Eingang S des RS Flip-Flop 280 verbunden. Wenn also ein Überfluß im Register 240 auftritt, wodurch eine Wellengeschwin­ digkeit von weniger als 80% der synchronen Motordrehzahl ange­ zeigt wird, wird das Flip Flop 280 auf H (hoch) gesetzt.

Der Ausgang des Flip Flop 280 ist mit dem einen Eingang eines drei Eingänge aufweisenden AND Gatters 300 verbunden. Der Ausgang des AND Gatters 300 ist mit einem ersten Eingang eines zwei Eingänge aufweisenden OR Gatters 305 verbunden. Der Aus­ gang des OR Gatters 305 ist durch einen Pufferverstärker 310 mit der Steuerelektrode (Gate) des Triac 251 verbunden. Wenn also im Zähler 240 ein Überfluß auftritt, wodurch eine Wellen­ drehzahl von weniger als 80% Auslösung angegeben wird, geht der Ausgang des AND Gatters 300 auf H (hoch), wobei angenommen ist, daß die zwei anderen Eingänge des AND Gatters 300 eben­ falls H sind. Somit geht der Ausgang des OR Gatters 305 auf H, so daß das Triac 251 durchgeschaltet wird, um Netzspannung an die Anlaufwicklung 120 anzulegen. Wenn umgekehrt ein Unter­ fluß im Zähler 240 auftritt, wodurch angezeigt ist, daß die 80% Auslösedrehzahl überschritten worden ist, wird das Flip Flop 280 zurückgesetzt, so daß sein Ausgang eine logische 0 bzw. einen L-Zustand einnimmt. Wenn also der Ausgang des AND Gatters 300 auf L geht, geht der Ausgang des OR-Gatters 305 auf L und dadurch wird das Triac 251 gesperrt. Wenn das Triac 251 sperrt, ist die Anlaufwicklung 120 von der Netzspannungs­ quelle getrennt.

Bevor die Arbeitsweise der Starterschaltung 100 von der Ein­ schaltung bis zum Erreichen der synchronen Wellendrehzahl er­ läutert wird, werden der Leitfähigkeitsdetektor 320 und die Überspannungsschutzschaltung 330 kurz beschrieben. Wenn einer der drei Eingänge 300 A-300 C des AND-Gatters auf L ist, dann sind die Ausgänge des AND-Gatters 300 und des OR-Gatters 305 auf L, so daß das Triac 251 gesperrt ist, wodurch die Netz­ spannung von der Anlaufwicklung 120 getrennt ist. Der Leit­ fähigkeitsdetektor 320 soll sicherstellen, daß das Triac 251 immer dann durchgeschaltet ist, wenn die Halbwelle der Netz­ spannung positiv wird und wenn die Halbwelle der Netzspannung negativ wird. Der Leitfähigkeitsdetektor 320 stellt somit sicher, daß das Triac 251 während positiver oder negativer Spitzen in der Netzspannungsperiode nicht durchgesteuert ist. Die sinusförmige Netzspannung, die in diesem Beispiel eine Frequenz F=60 Hz aufweist, wird an den Eingang des Leitfähig­ keitsdetektors 320 angelegt. Kurz nachdem die Netzspannung, wie es in Fig. 3A gezeigt ist, einen positiv werdenden oder negativ werdenden Nulldurchgang besitzt, generiert der Leit­ fähigkeitsdetektor 320 einen Impuls, wie er in Fig. 4 gra­ phisch gezeigt ist. Der Ausgang des Leitfähigkeitsdetektors 320 ist mit dem Eingang 300 C des AND Gatters 300 verbunden. Somit stellt der Leitfähigkeitsdetektor 320 sicher, daß das Triac 250 nur nach einem positiv werdenden oder negativ wer­ denden Nulldurchgang der Leitungsspannungsperiode durchge­ schaltet wird, wobei angenommen ist, daß die entsprechenden Bedingungen an den übrigen Eingängen 300 A und 300 B des AND Gatters bestehen.

Die Starterschaltung 100 weist eine Überspannungsschutzschal­ tung 330 auf, die zwischen den Leitungsspannungseingang 190 und den zweiten Eingang des OR Gatters 305 geschaltet ist. Eine graphische Darstellung des Netzspannungssignals 301, das an den Eingang der Überspannungsschutzschaltung 330 geliefert wird, ist in Fig. 5A gezeigt. Fig. 5B zeigt die Ausgangs­ kurve der Überspannungsschutzschaltung 330 über der Zeit in Bezug auf die Netzspannungskurve gemäß Fig. 5A. Im allgemei­ nen generiert die Überspannungsschutzschaltung 330 eine logi­ sche 0 für alle Zeiten, zu denen die angelegte Netzspannung innerhalb des normalen Amplitudenbereiches bleibt, der diesen Signalen zugeordnet ist, beispielsweise innerhalb plus oder minus 120 Volt für einen 120-Volt-Motor 130. Wenn jedoch ein Spannungsstoß oder ein anderer Zustand besteht, der eine transiente Hochspannung auf der Leitung bewirkt, wie beispiels­ weise die in Fig. 5A gezeigte Nadel 302, dann generiert die Schutzschaltung 330 ein Ausgangssignal 303 mit einer logischen 1 für die Dauer dieser Nadel 302, wie es in Fig. 5B gezeigt ist. Wenn der Nadelzustand endet, erzeugt die Schutzschaltung 330 wieder ein Ausgangssignal mit einer logischen 0. Da der Ausgang der Schutzschaltung 330 mit dem zweiten Eingang des OR Gatters 305 verbunden ist, werden das Triac 251 und die Anlaufwicklung 120 für die Dauer der Nadel 302 durchgeschaltet. Auf diese Weise wird die gesamte Schaltungsanordnung 100 ein­ schließlich des Triac 251 vor zerstörerischen transienten Netzüberspannungen geschützt. Für alle anderen Zeiten, in denen die Netzspannung eine Amplitude innerhalb des normalen Berei­ ches aufweist, liefert die Schutzschaltung 330 eine logische 0 an den zweiten Eingang des OR Gatters 305, so daß der Zustand des Triac 251 durch den Zustand der Eingänge 300 A, 300 B und 300 C des AND Gatters gesteuert wird.

Es folgt eine allgemeine Beschreibung der Arbeitsweise der Starterschaltung 100 von dem Einschalt-Rücksetzen durch Aus­ lösen und das endgültige Erreichen der synchronen Wellendreh­ zahl. Bevor die Starterschaltung 100 gespeist wird, indem die Netzspannung an die Leitungseingänge 190 und 192 geschaltet wird, ist der Motor 130 in einem nicht erregten Zustand, so daß sich die Welle 150 und der Rotor 140 nicht drehen. Wenn an die Leitungseingänge 190 und 192 Netzspannung angelegt wird, beginnt die Spannungsversorgung 200 Ausgangsspannungen zu er­ zeugen, die an die Rücksetzschaltung 210 und die Taktschaltung 220 angelegt werden. Die Rücksetzschaltung 210 erzeugt dann unmittelbar einen Rücksetzimpuls an seinem Ausgang R, bevor die Taktschaltung 220 Taktimpulse zu erzeugen beginnt. Der Rücksetzimpuls, der durch die Rücksetzschaltung 210 erzeugt ist, ist in Fig. 6 graphisch als ein Rechteckimpuls 340 ge­ zeigt. Da der R Ausgang der Rücksetzschaltung 210 mit einem Eingang des OR Gatters 290 verbunden ist, geht der Ausgang des OR Gatters 290 sofort auf H. Das Flip Flop 280 reagiert auf das eine logische 1 darstellende Signal, das nun an seinem S Eingang erscheint, indem es so gesetzt wird, daß sein Aus­ gang auf H geht. Da der Ausgang des Flip Flop 280 auf eine logische 1 gesetzt ist, ist der Eingang 300 B des AND Gatters 300 ebenfalls auf eine logische 1 gesetzt. Wenn dann die Netz­ spannung eingeschaltet wird, wird die Starterschaltung 100 zurückgesetzt, so daß der Eingang 300 B des AND Gatters auf H geht, bevor irgendwelche Taktimpulse erzeugt werden, die an dem AND Gatter 300 am Eingang 300 A auftreten würden. Bei die­ ser Verbindung, wo das Rücksetzen der Starterschaltung 100 gerade aufgetreten ist, bleibt der Ausgang des AND Gatters 300 auf L und der Ausgang des OR Gatters 305 bleibt auf L, so daß das Triac 251 und die Anlaufwicklung 120 gesperrt sind.

Nachdem ein Rücksetzimpuls 340 generiert worden ist, beginnt die Taktschaltung 220 Taktimpulse 350 zu erzeugen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Da der Eingang 300 B des AND Gatters be­ reits auf H ist aufgrund des früheren Reset und der Eingang 300 C ebenfalls auf H ist aufgrund der vorstehenden Beschrei­ bung, gehen, sobald der erste Taktimpuls 350 durch den Eingang 300 A des AND Gatters empfangen wird, alle drei Eingänge des AND Gatters 300 gleichzeitig auf H, wodurch der Ausgang des AND Gatters 300 auf H geht. Wenn dies auftritt, geht der Aus­ gang des OR Gatters 305 auf H und das Triac 251 wird durchge­ schaltet, so daß die Anlaufwicklung 120 mit der Netzspannung am Leitungseingang 192 verbunden wird. Wenn auf diese Weise der erste Taktimpuls dem Eingang 300 A des AND Gatters zuge­ führt wird, ist die Anlaufwicklung 120 mit der Netzspannungs­ versorgung verbunden und der Rotor 140 und die Welle 150 be­ ginnen sich zu drehen aufgrund der magnetischen Wechselwir­ kung der Anlaufwicklung 120 und der Statorwicklungen 110. Wenn der Motor 130 somit gestartet ist, vergrößert sich die Winkelgeschwindigkeit der Welle 150 mit jeder aufeinanderfol­ genden Halbwelle der Netzspannung bis zu dem vorgewählten Prozentsatz der synchronen Drehzahl während die Anlaufwick­ lung 120 gespeist ist.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, wo eine Auslösung bei 80% der synchronen Motordrehzahl auftreten soll, da die Multiplizierer 250 und 260 mit M=5 bzw. N=4 programmiert sind, beginnt, wenn 4/5 oder 80% der synchronen Motordrehzahl er­ reicht und dann überschritten sind, der Auf/Ab-Zähler 240 ge­ rade seinen Unterflußzustand. Von der Zeit jedoch, zu der die Welle 150 zu rotieren beginnt, bis unmittelbar bevor der Aus­ lösepunkt erreicht ist, werden mehr Leitungsimpulse als Wellen­ impulse an den Auf/Ab-Zähler 240 geliefert. Während der Zeit­ periode vom Start bis unmittelbar vor dem Auslösen erzeugt deshalb der Auf/Ab-Zähler 240 einen Überfluß (Übertrag) oder eine logische 1 an dem Überflußausgang 240 B. Dadurch geht der Ausgang des OR Gatters 290 auf H und das Flip Flop 280 wird gesetzt, so daß eine logische 1 am Eingang 300 B des AND Gatters ansteht. Wenn angenommen wird, daß der Eingang 300 C auf H ist, dann geht, weil der Eingang 300 B ebenfalls auf H ist, der Aus­ gang des AND Gatters 300 bei dem nächsten Taktimpuls auf H. Das Triac 251 schaltet somit durch und verbindet die Anlauf­ wicklung 120 mit der Netzspannungsquelle. Während des Motor­ drehzahlintervalls zwischen Start und unmittelbar vor der 80% Auslösung werden demzufolge mehr Leitungsimpulse als Wellen­ impulse an den Auf/Ab-Zähler 240 geliefert, so daß das Triac 251 durchgeschaltet wird, um die Anlaufwicklung 120 zu verbin­ den und zu speisen. Wenn jedoch die Winkeldrehzahl der Welle 120 über den 80% Auslösepunkt hinaus ansteigt, beginnt der Multiplizierer 250 dem Auf/Ab-Zähler 240 mehr Wellenimpulse pro Zeiteinheit als die Anzahl der Leitungsimpulse zuzuführen, die in dem gleichen Intervall durch den Multiplizierer 260 zu­ geführt werden. Unter diesen Umständen leert sich der Zähler 240 und beginnt einen Unterfluß, so daß der Unterflußausgang 240 A auf H geht. Dies bewirkt, daß der Flip-Flop 280 zurück­ gesetzt wird, so daß der Eingang 300 B des AND-Gatters auf L geht, wodurch das Triac 251 und die Anlaufwicklung 120 ge­ sperrt bzw. abgeschaltet werden. Wenn also der 80% Auslöse­ punkt überschritten ist, so daß mehr Wellenimpulse als Lei­ tungsimpulse den Auf/Ab-Zähler 240 erreichen, kommt der Zäh­ ler 240 in den Unterflußzustand und bewirkt, daß das Triac 251 und die Anlaufwicklung 120 abgeschaltet werden. Wenn die An­ laufwicklung 120 so abgeschaltet ist, steigt die Wellendreh­ zahl weiterhin von dem 80% Auslösepunkt an, bis sie sich der vollen synchronen Drehzahl nähert. Der Auf/Ab-Zähler 240 wird vorzugsweise unter Verwendung eines Auf/Ab-Schieberegisters implementiert, obwohl er alternativ auch durch einen Auf/Ab- Binärzähler implementiert werden kann.

Andere Auslösepunkte oder Drehzahlverhältnisse als 80% werden auf einfache Weise in die Starterschaltung 100 einprogrammiert. Wenn beispielsweise ein Auslösepunkt von 70% oder 7/10 ge­ wünscht ist, dann wird der Multiplizierer 250 so programmiert, daß er jeden Impuls mit 10 (M=10) multipliziert. In diesem Fall generiert die Multiplizierschaltung 250 10 Wellenimpulse an ihrem Ausgang für jeden Wellenimpuls, der ihrem Eingang zu­ geführt wird. Der Multiplizierer 260 ist so programiert, daß er jeden Impuls mit 7 (N=7) multipliziert. Somit generiert der Multiplizierer 260 sieben Leitungsimpulse an seinem Aus­ gang für jeden Leitungsimpuls, der an seinem Eingang zuge­ führt wird. Wenn der gewählte 70% Auslösepunkt erreicht ist, ist die Anzahl von Wellenimpulsen und Leitungsimpulsen, die den Auf/Ab-Zähler 240 erreichen, etwa gleich aufgrund der Arbeit der Multiplizierer 250 und 260. Bei Rotorwellendreh­ zahlen, die weniger als dem 70% Auslösepunkt entsprechen, erreichen den Auf/Ab-Zähler 240 mehr Leitungsimpulse als Wel­ lenimpulse. Der Zähler 240 kommt infolgedessen in seinen Über­ flußzustand, um das Triac 251 leitend zu machen und daraufhin die Anlaufwicklung 120 zu speisen, während die Rotorwellen­ drehzahl kleiner als 70% Auslösung ist. Wenn die Rotorwelle jedoch eine größere Drehzahl als den 70% Auslösepunkt er­ reicht, dann erreichen mehr Wellenimpulse als Leitungsimpulse den Auf/Ab-Zähler 240. Der Zähler 240 kommt dann in den Über­ flußzustand, um das Triac 251 nicht-leitend zu machen und die Anlaufwicklung 120 abzuschalten für Rotorwellendrehzahlen, die größer als die 70% Auslösung oder das Drehzahlverhältnis sind.

Es wurde gefunden, daß, wenn eine Lasterhöhung oder irgendein anderer Zustand auftritt, der den Motor verlangsamt, ein Aus­ lösepunkt oder ein Drehzahlverhältnis von etwa 50% bevorzugt ist, an dem wieder Spannung an die Anlaufwicklung gelegt wird. Demzufolge wird der Ausgangsstatus des Flip-Flop 280 dazu ver­ wendet, das Drehzahlverhältnis, das den programmierbaren Puls­ multiplizierer 250 und 260 zugeordnet ist, so zu modifizieren, daß M=2 und N=1 (oder ein äquivalentes Verhältnis von 4/2) ist, nachdem der Motor die "Anlaufdrehzahl" oder "Startzustand" erreicht (d. h. wenn der Zähler 240 unterzulaufen beginnt). Um dies zu erreichen, ist der Ausgang des Flip-Flop 280 mit einem M-Wähleingang 250 B des programmierbaren Pulsmultipli­ zierers 250 und mit einem N-Wähleingang 260 B des programmier­ baren Pulsmultiplizierers 260 verbunden. Wenn der Ausgang des Flip-Flop 280 noch auf H ist, wodurch angezeigt wird, daß der Zähler 240 überläuft und daß eine "Anlaufdrehzahl" noch nicht erreicht worden ist, und dann eine logische 1 an die Multi­ plizierereingänge 250 B und 260 B angelegt wird, wird dadurch ein erstes Drehzahlverhältnis (beispielsweise 70%, M=10 und N=7) in die Multiplizierer 250 und 260 programmiert. Wenn je­ doch der Ausgang des Flip-Flop 280 auf L geht, wodurch ange­ zeigt wird, daß der Zähler 240 im Unterlaufzustand ist und daß die "Anlaufdrehzahl" des Motors erreicht worden ist, dann wird bei einer logischen 0 an den Multiplizierereingängen 250 B und 260 B ein zweites Drehzahlverhältnis (beispielsweise 50%, M=10 und N=5) in die Multiplizierer 250 und 260 programmiert. Auf diese Weise wird ein variables Drehzahlverhältnis für den Start und Wiederstart des Motors ausgebildet.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß erfin­ dungsgemäß ein Verfahren zum Steuern der Anlaufwicklung eines Wechselstrommotors geschaffen wird, Der bei dem Verfahren ver­ wendete Motor weist einen Stator mit mehreren Statorpolen auf. Der verwendete Motor enthält ferner einen Rotor, der auf einer drehbaren Welle angebracht ist, wobei der Motor mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist. Das Verfahren zum Steuern der Anlaufwicklung eines derartigen Motors enthält die Schritte, daß ein erster Wellenimpuls jedesmal dann generiert wird, wenn sich die Welle um einen Betrag von 360° dividiert durch die polzahl dreht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird fer­ ner ein erster Leitungsimpuls immer dann generiert, wenn die Leitungsspannung einen halben Zyklus beendet, und es wird je­ der erste Wellenimpuls mit einer ersten Konstanten M multi­ pliziert, um M zweite Wellenimpulse für jeden ersten Wellen­ impuls zu generieren. Jeder Leitungsimpuls wird mit einer zweiten Konstanten N multipliziert, um N zweite Leitungsim­ pulse für jeden ersten Leitungsimpuls zu generieren. Das Ver­ fahren enthält weiterhin den Schritt, daß die zweiten Leitungs­ impulse an einen Auf/Ab-Zähler geliefert werden, damit der Zäh­ ler aufwärts bzw. vorwärts zählt, und die zweiten Wellenimpulse an den Auf/Ab-Zähler geliefert werden, damit der Zähler ab­ wärts bzw. rückwärts zählt. Wenn der Zähler überfließt, wird die Startwicklung mit der Leitungsspannungsquelle verbunden, und wenn der Zähler unterfließt, wird die Startwicklung von der Netzspannungsquelle getrennt.

In der vorstehenden Beschreibung sind eine Einrichtung und ein Verfahren angegeben zum Steuern der Speisung bzw. Versorgung der Anlaufwicklung eines Wechselstrommotors, wie beispiels­ weise eines Induktionsmotors, wobei die Anlaufwicklung ohne Verwendung mechanischer Schalter in zuverlässiger Weise mit der Anlaufwicklung verbunden und von dieser getrennt wird. Die erfindungsgemäße elektronische Anlaufsteuerschaltung hat den zusätzlichen Vorteil, daß sie billig zu fertigen ist.

Claims (11)

1. Anlaufsteuerschaltung für einen Wechselstrommotor, der einen Stator mit wenigstens einem Pol und einen Rotor aufweist, der auf einer drehbaren Welle angebracht ist, wobei der Mo­ tor eine Anlauf- bzw. Startwicklung aufweist und mit einer Netzspannungsquelle verbindbar ist, gekennzeichnet durch :
eine Wellenimpulse erzeugende Einrichtung (170) zum Gene­ rieren eines ersten Wellenimpulses jedesmal dann, wenn die Welle (150) sich um einen Betrag 360° dividiert durch die Polzahl dreht,
eine Leitungsimpulse erzeugende Einrichtung (230) zum Gene­ rieren eines ersten Leitungsimpulses bei einer festen proportio­ nalen Geschwindigkeit relativ zu der Netzspannungsfrequenz
eine erste Multipliziereinrichtung (250), die mit der die Wellenimpulse erzeugenden Einrichtung (170) verbunden ist, zum Multiplizieren jedes ersten Wellenimpulses mit einer ersten Konstanten M, um M zweite Wellenimpulse für jeden zugeführten ersten Wellenimpuls zu erzeugen,
eine zweite Multipliziereinrichtung (260), die mit der Lei­ tungsimpulse erzeugenden Einrichtung verbunden ist, zum Multiplizieren jedes Leitungsimpulses mit einer zweiten Konstanten N, um N zweite Leitungsimpulse für jeden zuge­ führten ersten Leitungsimpuls zu generieren,
einen Auf/Ab-Zähler (240), der mit den ersten und zweiten Multipliziereinrichtungen verbunden ist, zum Aufwärtszählen der zweiten Leitungsimpulse und zum Abwärtszählen der zwei­ ten Wellenimpulse, wobei der Zähler einen Überfluß, wenn mehr zweite Leitungsimpulse als zweite Wellenimpulse ge­ zählt sind, und einen Unterfluß aufweist, wenn mehr zweite Wellenimpulse als zweite Leitungsimpulse gezählt sind, und
Verbindungsmittel (251), die auf den Zähler ansprechen, zum Ver­ binden der Anlauf- bzw. Startwicklung (120) mit der Netz­ spannungsquelle, wenn der Zähler überläuft, und zum Trennen der Anlauf- bzw. Startwicklung von der Netzspannungsquelle, wenn der Zähler in den Unterfluß kommt.

2. Anlaufsteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wel­ lenimpulse erzeugende Einrichtung (170) aufweist:
eine Anzahl von P magnetisierten Abschnitten (151-160), die im wesentlichen im gleichen Winkelabstand um den Wellen­ umfang herum angeordnet sind, wobei P eine ganze Zahl gleich der Pulszahl des Motors ist, und
einen Hall-Effekt-Sensor (170), der neben der Welle derart angeordnet ist, daß er immer dann einen Impuls generiert, wenn einer der magnetisierten Abschnitte an dem Sensor vor­ beiläuft.

3. Verfahren zum Steuern der Anlauf- bzw. Startwicklung eines Wechselstrommotors, der einen Stator mit mehreren Stator­ wicklungen und einen Rotor aufweist, der auf einer drehba­ ren Welle angebracht ist, wobei der Motor mit einer Wechsel­ spannungsquelle verbunden werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß:
ein erster Wellenimpuls immer dann erzeugt wird, wenn sich die Welle um einen Betrag von 360° dividiert durch die Pol­ zahl des Motors dreht,
ein erster Leitungsimpuls mit einer festen proportionalen Geschwindigkeit relativ zur Netzspannungsfrequenz erzeugt wird,
jeder erste Wellenimpuls mit einer ersten Konstanten M mul­ tipliziert wird, um M zweite Wellenimpulse für jeden ersten Wellenimpuls zu erzeugen,
jeder erste Leitungsimpuls mit einer zweiten Konstanten N multipliziert wird, um N zweite Leitungsimpulse für jeden ersten Leitungsimpuls zu erzeugen,
die zweiten Leitungsimpulse an einen Auf/Ab-Zähler geliefert werden, damit der Zähler vorwärts bzw. aufwärts zählt, und die zweiten Wellenimpulse an den Auf/Ab-Zähler geliefert werden, damit der Zähler rückwärts- bzw. abwärts zählt, und
die Start- bzw. Anlaufwicklung mit der Netzspannungsquelle verbunden wird, wenn der Zähler überläuft, und die Anlauf­ bzw. Startwicklung von der Netzspannungsquelle getrennt wird, wenn der Zähler unterläuft.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ lauf- bzw. die Startwicklung von der Netzspannungsquelle getrennt wird, wenn ein vorbestimmtes Auslöseverhältnis von N/M erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die feste proportionale Geschwindigkeit die doppelte Netzspannungs­ frequenz ist.

6. Verfahren zum Steuern der Start- bzw. Anlaufwicklung eines Wechselstrom-Spaltphasenmotors, der einen Stator mit P Polen und einen Rotor aufweist, der auf einer drehbaren Welle an­ gebracht ist, wobei der Motor mit einer Wechselspannungs­ quelle verbunden werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Rotorwelle mit P magnetisierten Abschnitten ausgebil­ det wird, die im gleichen Winkelabstand um den Wellenumfang herum angeordnet sind,
der Motor mit einer Netzspannung erregt wird, um die Welle bei Erregung der Start- bzw. Anlaufwicklung in Rotation zu versetzen,
ein erster Wellenimpuls immer dann erzeugt wird, wenn einer der magnetisierten Abschnitte an einem vorbestimmten Punkt vorbeiläuft,
ein erster Leitungsimpuls immer dann erzeugt wird, wenn die Leitungsspannungserregung eine Leitungsspannungsperiode ver­ vollständigt,
jeder erste Wellenimpuls mit einer ersten Konstanten M mul­ tipliziert wird, um M zweite Wellenimpulse für jeden ersten Wellenimpuls zu generieren,
jeder Leitungsimpuls mit einer zweiten Konstanten N multi­ pliziert wird, um N zweite Leitungsimpulse für jeden ersten Leitungsimpuls zu generieren,
die zweiten Leitungsimpulse an einen Auf/Ab-Zähler geliefert werden, damit der Zähler aufwärts bzw. vorwärts zählt, und die zweiten Wellenimpulse an den Auf/Ab-Zähler geliefert werden, damit der Zähler abwärts bzw. rückwärts zählt, und
die Anlauf- bzw. Startwicklung mit der Leitungsspannungs­ quelle verbunden wird, wenn der Zähler überfließt, und die Anlauf- bzw. Startwicklung von der Netzspannungsquelle ge­ trennt wird, wenn der Zähler unterfließt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ lauf- bzw. Startwicklung von der Leitungsspannungsquelle ge­ trennt wird, wenn ein Auslöseverhältnis von N/M erreicht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die feste proportionale Geschwindigkeit die doppelte Netz- bzw. Lei­ tungsfrequenz ist.

9. Verfahren zum Steuern der Start- bzw. Anlaufwicklung eines Wechselstrommotors, der einen Stator mit P Polen und einen Rotor aufweist, der auf einer drehbaren Welle angebracht ist, wobei der Motor mit einer Wechselspannungsquelle ver­ bunden werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß:
die Welle mit P magnetisierten Abschnitten versehen wird, die im Winkel um den Wellenumfang herum im Abstand ange­ ordnet sind,
der Stator mit einer Leitungs- bzw. Netzspannung erregt wird, um eine Rotation der Welle herbeizuführen, wenn die Start- bzw. die Anlaufspannung gespeist ist,
ein erster Wellenimpuls immer dann erzeugt wird, wenn einer der P magnetisierten Abschnitte an einem vorbestimmten Punkt vorbeiläuft,
ein erster Leitungsimpuls immer dann erzeugt wird, wenn die Leitungsspannung eine Leitungsspannungsperiode vervollstän­ digt,
jeder erste Wellenimpuls mit einer ersten Konstanten M mul­ tipliziert wird, um M zweite Wellenimpulse für jeden ersten Wellenimpuls zu generieren,
jeder Leitungsimpuls mit einer zweiten Konstanten N multi­ pliziert wird, um N zweite Leitungsimpulse für jeden ersten Leitungsimpuls zu generieren,
die zweiten Leitungsimpulse an einen Auf/Ab-Zähler geliefert werden, damit der Zähler aufwärts bzw. vorwärts zählt, und die zweiten Wellenimpulse an den Auf/Ab-Zähler geliefert werden, damit der Zähler abwärts bzw. rückwärts zählt, und
die Start- bzw. Anlaufwicklung mit der Leitungsspannungs­ quelle verbunden wird, wenn der Zähler überfließt, und die Start- bzw. Anlaufwicklung von der Leitungsspannungsquelle getrennt wird, wenn der Zähler unterfließt.

10. verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Start- bzw. Anlaufwicklung von der Leitungsspannungsquelle getrennt wird, wenn ein Auslöseverhältnis von N/M erreicht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die feste proportionale Geschwindigkeit die doppelte Leitung- bzw. Netzfrequenz ist.