DE4101341A1 - Frequenzumrichter fuer einen asynchron-drehstrommotor - Google Patents
Frequenzumrichter fuer einen asynchron-drehstrommotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter zum
Betrieb eines Asynchron-Drehstrommotors, wobei eine
Steuerelektronik die Betriebsfrequenz und die
Betriebsspannung des Motors je nach der Solldrehzahl
einstellt.
Ein derartiger Frequenzumrichter ist in der
Literaturstelle "Elektronik", Sonderheft Nr. 55, 1983,
Elektronische Motorsteuerung, Seite 93 ff. beschrieben.
Dabei werden aus einem einphasigen Netz jeweils um 120°
gegeneinander verschobene Sinusspannungen abgeleitet. Ein
Mikrocomputer steuert die zugehörigen Schaltelemente. Der
Mikrocomputer erzeugt die Sinusform über eine
Impulsbreitensteuerung. Zur Drehzahleinstellung des
Motors läßt sich die Frequenz der Sinusspannungen
entsprechend ändern. Bei dem bekannten Frequenzumrichter
ist nicht sichergestellt, daß der Motor mit optimalem
Wirkungsgrad arbeitet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Frequenzumrichter der
eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem bei einer
eingestellten Drehzahl der Motor im Bereich seines
optimalen Wirkungsgrades arbeitet.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einem
Frequenzumrichter der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, daß an die Steuerelektronik ein der jeweiligen
Istdrehzahl des Motors entsprechendes Signal gelegt ist,
daß die Steuerelektronik die Betriebsspannung und die
Betriebsfrequenz in Abhängigkeit von der Istdrehzahl und
Speicherwerten (Arbeitspunkte) einstellt, die für
verschiedene Istdrehzahlen diejenigen Betriebsspannungen
und Betriebsfrequenzen verkörpern, bei welchen der Motor
mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet, und daß die
Steuerelektronik die Betriebsfrequenz entsprechend der
Solldrehzahl und die Istdrehzahl regelt.
Erfahrungsgemäß arbeitet ein Asynchron-Drehstrommotor mit
dem besten Wirkungsgrad, wenn seine Drehzahl etwa in der
Mitte zwischen der Kippdrehzahl und der Synchrondrehzahl
liegt. Für eine jeweilige Istdrehzahl wird dies durch die
Steuerelektronik dadurch eingestellt, daß die
Betriebsspannung entsprechend eingestellt wird. Außerdem
regelt die Steuerelektronik die Istdrehzahl entsprechend
der Solldrehzahl durch Einstellen der zugehörigen
Betriebsfrequenz. Dadurch ist auf einfache Weise
erreicht, daß bei den möglichen unterschiedlichen
Drehzahlen der Motor immer mit hohem Wirkungsgrad
arbeitet. Andererseits ist erreicht, daß die Solldrehzahl
erreicht wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung steuert die
Steuerelektronik zum Hochlaufen der Drehzahl des Motors
die Betriebsfrequenz so, daß die Drehzahl des Motors
zwischen der Leerlaufdrehzahl und der Kippdrehzahl
bleibt. Dadurch ist gewährleistet, daß auch beim
Hochlaufen der Drehzahl des Motors dieser mit einem guten
Wirkungsgrad arbeitet. Ein solches Hochlaufen ist
beispielsweise bei einer Waschmaschine vorgesehen, wenn
von der Betriebsart "Waschen" auf die Betriebsart
"Schleudern" übergegangen wird. Ohne diese Maßnahme würde
man davon ausgehen müssen, daß sich die Frequenz des
Umrichters schneller ändert als der Motor seiner -
unbekannten - Last folgen kann. Er könnte also die
Kippdrehzahl unterschreiten. Um dies zu vermeiden, müßte
eine hohe Spannung an den Motor gelegt werden. Dadurch
würde der Motor und der Umrichter stark belastet, so daß
sie entsprechend stark ausgelegt sein müßten, um nicht
zerstört zu werden. Bei der Erfindung ist dies vermieden.
Denn die Betriebsfrequenz wird in Abhängigkeit vom
Istwert der Drehzahl fortlaufend nur so weit erhöht, daß
der Motor immer zwischen der jeweiligen Kippdrehzahl und
der jeweiligen Synchrondrehzahl betrieben wird. Der Motor
und der Umrichter kommen somit nicht in einen kritischen
Betriebsbereich. Sie können dementsprechend einfach, d. h.
kostengünstig ausgelegt werden. Günstig bei diesem so
gesteuertem Hochlauf ist auch, daß er in kurzer Zeit
erfolgt, da der Motor immer nahe des größten, abgebbaren
Drehmoments betrieben wird.
In Ausgestaltung der Erfindung setzt die Steuerelektronik
zum Auslauf des Motors die Betriebsspannung herab und
hält die Betriebsfrequenz so hoch, daß die
Synchrondrehzahl größer als die Istdrehzahl ist. Damit
ist vermieden, daß der Motor in den Betriebszustand
"Generatorbetrieb" kommt, was den Umrichter gefährden
könnte. Das Auslaufen des Motors erfolgt dadurch, daß die
Betriebsspannung auf einen sehr kleinen Wert geregelt
wird. Die Betriebsfrequenz wird dabei gegenüber dem
Istwert der Motordrehzahl langsam zurückgesteuert.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung verkleinert
die Steuerelektronik zum gebremsten Auslauf des Motors
die Betriebsfrequenz und damit die Synchrondrehzahl
gegenüber der Istdrehzahl. Dadurch ist ein gezielter
Generatorbetrieb möglich, was zum Abbremsen des Motors
führt. Voraussetzung ist dabei, daß die beim
Generatorbetrieb erzeugte elektrische Energie so
umgesetzt wird, daß sie den Umrichter nicht schädigt.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wertet die
Steuerelektronik zum Erkennen von Belastungsschwankungen
(Unwucht) des Motors Schwankungen der Istdrehzahl aus.
Dadurch ist es möglich, bei einer von dem Motor
angetriebenen Wäschetrommel einer Waschmaschine eine
Unwucht beim Schleudern zu erkennen. Durch Neuverteilung
der Wäsche, beispielsweise durch Stillsetzen und/oder
Reversieren und erneuten Hochlauf auf die
Schleuderdrehzahl kann die Unwucht behoben werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung
zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Frequenzumrichters
eines Asynchron-Drehstrommotors,
Fig. 2 Drehzahl-Drehmomentkennlinien des Motors für zwei
Betriebsspannungen und gleicher Betriebsfrequenz und
Fig. 3 Drehzahl-Drehmomentkennlinien des Motors bei
verschiedenen Betriebsfrequenzen und Betriebsspannungen.
Am Einphasen-Wechselstromnetz (L, N) liegt ein
Gleichrichter (1), der über ein Siebglied (2) an einem
Stromkreis (3) eine Gleichspannung erzeugt.
In dem Stromkreis (3) sind sechs Leistungstransistoren (T1
bis T6) paarweise parallelgeschaltet. Zwischen den
Transistoren (T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6) sind nicht
näher dargestellte Ständerwicklungen eines Asynchron-
Drehstrommotors (4) angeschlossen, der beispielsweise zum
Antrieb der Wäschetrommel einer Waschmaschine vorgesehen
ist.
Die Leistungstransistoren (T1, T3 und T5) sind von einer
Treiberstufe (5) und die Leistungstransistoren (T2, T4 und
T6) sind von einer Treiberstufe (6) gesteuert. Diese
Treiberstufen sind von einer Impulsbreitensteuerung (7)
gesteuert, welche in an sich bekannter Weise
sinusförmige, jeweils um 120° versetzte Spannungen
erzeugt. Die Impulsbreitensteuerung (7) ihrerseits ist von
einer Steuerelektronik gesteuert, die von einem
Mikrocomputer (8) gebildet ist. Durch die
Impulsbreitensteuerung wird sowohl die Sinusform der
Spannung erzeugt als auch die Spannungshöhe bestimmt.
An die Welle (9) des Motors (4) ist ein Tachogenerator (10)
mechanisch angekoppelt, dessen Ausgangssignal (11) an den
Mikrocomputer (8) als Maß für die Istdrehzahl des
Motors (4) gelegt ist.
Im Stromkreis (3) liegt eine Meßschaltung (12), die den
Strom mißt und an die Treiberstufe (5, 6) sowie an den
Mikrocomputer (8) angeschlossen ist. Sie ist zur
Begrenzung des Spitzenstroms und der mittleren
Stromaufnahme verwendet.
Mittels der Leistungstransistoren (T1 bis T6) werden an
dem Motor (4) drei jeweils um 120° gegeneinander versetzte
Sinusspannungen mit einer Betriebsfrequenz und einer
Betriebsspannung erzeugt. Fig. 2 zeigt zwei
Drehzahl-Drehmomentkennlinien des Motors (4) bei einer
ersten Betriebsspannung (U1) und bei einer zweiten
Betriebsspannung (U2), wobei davon ausgegangen ist, daß
die gleiche Betriebsfrequenz (f1) vorliegt. Liegt die
Betriebsspannung (U1) vor, dann gilt folgendes:
Bei Leerlauf dreht der Motor (4) mit einer Leerlaufdrehzahl (ns1), die praktisch bei der Synchrondrehzahl liegt. Bei steigender Belastung sinkt die Drehzahl des Motors (4) und seine Stromaufnahme wächst. Kommt der Motor (4) auf seiner Kennlinie in die Nähe der Kippdrehzahl (nk1), dann steigt die Stromaufnahme überproportional, d. h. sein Wirkungsgrad sinkt. Wird die Belastung über das Kippmoment (Md1) gesteigert, dann gerät der Motor (4) in Stillstand. Dreht der Motor (4) im Leerlauf, dann ist sein Wirkungsgrad schlecht, da er keine Wirkleistung abgibt. Dreht er in der Nähe der Kippdrehzahl, dann ist sein Wirkungsgrad wegen der überproportionalen Stromaufnahme ebenfalls schlecht. Der günstigste Wirkungsgrad liegt bei einem Arbeitspunkt (A1) auf der Kennlinie, bei dem die Drehzahl (n1) etwa in der Mitte zwischen der Kippdrehzahl (nk1) und der Synchrondrehzahl bzw. Leerlaufdrehzahl (ns1) liegt. Entsprechendes gilt für die Kennlinie der Betriebsspannung (U2). Dort ist der günstigste Arbeitspunkt mit A2 bezeichnet. Die zugehörige Drehzahl ist n2. Ersichtlich ist die Drehzahl (n2) größer als die Drehzahl (n1).
Bei Leerlauf dreht der Motor (4) mit einer Leerlaufdrehzahl (ns1), die praktisch bei der Synchrondrehzahl liegt. Bei steigender Belastung sinkt die Drehzahl des Motors (4) und seine Stromaufnahme wächst. Kommt der Motor (4) auf seiner Kennlinie in die Nähe der Kippdrehzahl (nk1), dann steigt die Stromaufnahme überproportional, d. h. sein Wirkungsgrad sinkt. Wird die Belastung über das Kippmoment (Md1) gesteigert, dann gerät der Motor (4) in Stillstand. Dreht der Motor (4) im Leerlauf, dann ist sein Wirkungsgrad schlecht, da er keine Wirkleistung abgibt. Dreht er in der Nähe der Kippdrehzahl, dann ist sein Wirkungsgrad wegen der überproportionalen Stromaufnahme ebenfalls schlecht. Der günstigste Wirkungsgrad liegt bei einem Arbeitspunkt (A1) auf der Kennlinie, bei dem die Drehzahl (n1) etwa in der Mitte zwischen der Kippdrehzahl (nk1) und der Synchrondrehzahl bzw. Leerlaufdrehzahl (ns1) liegt. Entsprechendes gilt für die Kennlinie der Betriebsspannung (U2). Dort ist der günstigste Arbeitspunkt mit A2 bezeichnet. Die zugehörige Drehzahl ist n2. Ersichtlich ist die Drehzahl (n2) größer als die Drehzahl (n1).
Die optimalen Arbeitspunkte für jeden Motortyp lassen
sich durch Meßreihen ermitteln. Es ist daraus
ersichtlich, daß für Drehzahlen (n1, n2...)
Betriebsspannungen (U1, U2...) eingestellt werden müssen,
um die günstigsten Arbeitspunkte (A1, A2...) zu erreichen.
Es bestehen also zur Erreichung des jeweils günstigsten
Wirkungsgrades Wertepaare (n1, U1; n2, U2; ..). Diese
Wertepaare sind im Mikrocomputer (8) als Speicherwerte
programmiert. Der Mikrocomputer (8) erfaßt über den
Tachogenerator (10) die jeweilige Istdrehzahl des
Motors (4) und stellt dementsprechend die Betriebsspannung
für den Motor (4) ein. Ist die Istdrehzahl beispielsweise
gleich n1, dann stellt der Mikrocomputer (8) die
Betriebsspannung (U1) über die Impulsbreitensteuerung (7),
die Treiber (5, 6) und die Leistungstransistoren (T1 bis T6)
am Motor (4) ein.
Die Impulsbreitensteuerung (7) kann Teil des
Mikrocomputers (8) sein. An dem Mikrocomputer (8) ist
weiterhin ein Sollwertgeber (13) für eine gewünschte
Solldrehzahl des Motors (4) angeschlossen. Der
Mikrocomputer (8) erzeugt zunächst die zum Sollwert
ungefähr gehörende Betriebsfrequenz. Weicht die
Istdrehzahl von der Solldrehzahl ab, dann regelt der
Mikrocomputer (8) über die Impulsbreitensteuerung (7), die
Treiber (5, 6) und die Leistungstransistoren (T1 bis T6)
die Betriebsspannung so nach, daß die Istdrehzahl gleich
der Solldrehzahl wird. Da der Mikrocomputer (8) auch die
damit verbundene Änderung der Istdrehzahl erfaßt, stellt
er wie oben beschrieben die Betriebsfrequenz und die
Betriebsspannung nach, so daß wieder der Arbeitspunkt mit
bestem Wirkungsgrad erreicht wird. Es wird also zunächst
die Betriebsfrequenz ungefähr eingestellt und danach
werden die Betriebsfrequenz und die Betriebsspannung
nachgeregelt.
Fig. 3 zeigt drei Drehzahl-Drehmomentkennlinien (a, b, c),
wobei die Kennlinie (a) für eine Betriebsspannung von 45 V
und eine Betriebsfrequenz von 50 Hz gilt. Die
Kennlinie (b) gilt für eine Betriebsspannung von 130 V und
eine Betriebsfrequenz von 250 Hz. Entsprechend gilt die
Kennlinie (c) für eine Betriebsspannung von 220 V und eine
Betriebsfrequenz von 416 Hz. In Fig. 3 sind die
Drehzahlen, bei denen sich auf den Kennlinien (a, b, c) die
günstigsten Wirkungsgrade ergeben, mit na, nb und nc
bezeichnet. Die den Kennlinien zugehörigen
Leerlaufdrehzahlen bzw. Synchrondrehzahlen sind mit nsa,
nsb, nsc bezeichnet. Ersichtlich liegt zwischen den
Kennlinien (a und c) ein stufenloses Kennlinienfeld, das
jedoch der besseren Übersichtlichkeit halber nicht
eingezeichnet ist. Fig. 3 ist zu entnehmen, daß durch
die Regelung der Betriebsspannung und der
Betriebsfrequenz ein sehr weiter Drehzahlbereich
beherrschbar ist, wobei der Motor (4) bei jeder Drehzahl
mit günstigstem Wirkungsgrad in Arbeitspunkten Aa, Ab, Ac
arbeitet.
Wird beispielsweise bei einer Waschmaschine von der
niedrigen - Wasch-Solldrehzahl auf die - hohe -
Schleuder-Solldrehzahl umgeschaltet, dann läuft die
Motordrehzahl stufenlos, beispielsweise vom Wert (na) über
Zwischenwerte zum Wert (nb bzw. nc) hoch, wobei die
Betriebsspannung und die Betriebsfrequenz sich immer nur
so weit erhöht, daß der Motor (4) im günstigsten
Arbeitspunkt betrieben wird. Es erfolgt also nicht
schlagartig eine Umschaltung zwischen den Kennlinien (a, b
und c).
Soll der Motor (4) in Richtung des Stillstands auslaufen,
dann wird die Betriebsspannung auf einen kleinen Wert
gestellt. Die Betriebsfrequenz wird gegenüber der
Istdrehzahl so langsam zurückgesteuert, daß der Motor (4)
nicht in den Generatorbetrieb kommt. Hierfür wird die
Betriebsfrequenz und damit die Synchrondrehzahl
höhergehalten als die jeweilige Istdrehzahl.
Zum gezielten Abbremsen des Motors (4) kann der
Generatorbetrieb verwendet werden. Die Betriebsfrequenz
und damit die Synchrondrehzahl wird hierfür gegenüber der
der Istdrehzahl entsprechenden Frequenz verkleinert.
Eine nicht näher dargestellte Zusatzschaltung kann das
Ausgangssignal (11) auf Schwankungen in der Zeiteinheit
erfassen, wobei nur solche Schwankungen erfaßt werden,
die auf einer Unwucht in der Wäschetrommel beruhen. Bei
Unwucht kann dann über den Sollwertgeber (13) und den
Mikrocomputer (8) der Motor (4) angehalten und/oder
reversiert werden.
Claims (9)
1. Frequenzumrichter zum Betrieb eines Asynchron-
Drehstrommotors, wobei eine Steuerelektronik die
Betriebsfrequenz und die Betriebsspannung des Motors je
nach der Solldrehzahl des Motors einstellt, dadurch
gekennzeichnet, daß an die Steuerelektronik (8) ein der
jeweiligen Istdrehzahl des Motors (4) entsprechendes
Signal (11) gelegt ist, daß die Steuerelektronik (8) die
Betriebsspannung und die Betriebsfrequenz in Abhängigkeit
von der Istdrehzahl und Speicherwerten (Arbeitspunkte)
einstellt, die für verschiedene Istdrehzahlen diejenigen
Betriebsspannungen und Betriebsfrequenzen verkörpern, bei
welchen der Motor (4) mit einem hohen Wirkungsgrad
arbeitet, und daß die Steuerelektronik (8) die
Betriebsfrequenz entsprechend der Solldrehzahl und der
Istdrehzahl regelt.
2. Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Speicherwerte diejenigen
Arbeitspunkte der Drehzahl-Drehmomentkennlinien sind, die
in der Nähe der halben Differenz zwischen
Leerlaufdrehzahl und Kippdrehzahl bei der jeweiligen
Betriebsspannung liegen.
3. Frequenzumrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zum Hochlaufen der Drehzahl des
Motors (4) die Steuerelektronik (8) die Betriebsfrequenz so
steuert, daß die Drehzahl des Motors (4) zwischen der
Leerlaufdrehzahl und der Kippdrehzahl bleibt.
4. Frequenzumrichter nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auslauf des
Motors (4) die Steuerelektronik (8) die Betriebsspannung
herabsetzt und die Betriebsfrequenz und damit die
Synchrondrehzahl höher als die Istdrehzahl hält.
5. Frequenzumrichter nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum
gebremsten Auslauf des Motors (4) die Steuerelektronik (8)
die Betriebsfrequenz und damit die Synchrondrehzahl
gegenüber der Istdrehzahl verkleinert.
6. Frequenzumrichter nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen von
Belastungsschwankungen (Unwucht) des Motors (4) die
Steuerelektronik (8) Schwankungen der Istdrehzahl
auswertet.
7. Frequenzumrichter nach Anspruch 6, bei einem
Waschmaschinen-Trommelmotor, dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswertung der Unwucht in der Weise erfolgt, daß die
Steuerelektronik (8) den Motor (4) anhält und/oder
reversiert.
8. Frequenzumrichter nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuerelektronik ein Mikrocomputer (8) ist.
9. Frequenzumrichter nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Welle (9)
des Motors (4) ein Tachogenerator (10) angekoppelt ist,
dessen Ausgangssignal (11) an der Steuerelektronik (8)
liegt.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4101341A DE4101341A1 (de) | 1991-01-18 | 1991-01-18 | Frequenzumrichter fuer einen asynchron-drehstrommotor |
Publications (1)
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DE4101341A1 true DE4101341A1 (de) | 1992-07-23 |
Family
ID=6423238
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4101341A Ceased DE4101341A1 (de) | 1991-01-18 | 1991-01-18 | Frequenzumrichter fuer einen asynchron-drehstrommotor |
Country Status (2)
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IT (1) | IT1258783B (de) |
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