DE4300228A1 - Elektronisch kommutierter Asynchronmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Asynchronmotoren, welche mit einem Käfigläufer (Kurzschlußläufer) versehen sind.

Elektronisch kommutierte Motoren zeigen eine große Typen­ vielfalt, und sie besitzen überwiegend einen permanent­ magnetisch erregten Läufer.

Nachteilig bei einem permanentmagnetisch erregten Läufer ist es, daß der Aufwand und somit der Kostenfaktor für einen derartigen Läufer sehr hoch ist, und im besonderen bei Motoren mit hoher Drehzahl und einer hohen Leistungs­ aufnahme.

Aufgabe der Erfindung ist es, Kurzschlußläufer-Motoren eine derartige Steuerelektronik zuzuordnen mit der bei Asyn­ chronmotoren Reihenschlußcharakteristik als auch Neben­ schlußcharakteristik zu erzielen ist, und Asynchronmotoren die Steuerbarkeit eines Gleichstrommotors aufweisen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäßen Lösungen haben im besonderen die Vorteile, daß durch die Zuordnung einer speziellen Steuer­ elektronik Asynchronmotoren entsprechend der Eigenschaften eines Gleichstrommotors als auch eines Universalmotors gesteuert werden können, wobei Asynchronmotoren in ihrer Eigenschaft besonders robust und dauerhaft sind. Durch entsprechende Auslegung des Asynchronmotors und der Steuerelektronik werden Drehzahlen von aber 100 000 min^-1 erreicht, und hierdurch ein Motorleistungsgewicht erzielt, das dem eines Universalmotors entspricht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung der Elektronik zur Kommutierung der Wicklungsstränge des Motors,

Fig. 2 eine alternative Schaltungsanordnung nach Fig. 1.

Die Ausführbarkeit der Ständerwicklung bei Asynchronmotoren ist sehr vielseitig und zeigt eine große Typenvielfalt, wo­ bei auch der Läufer, welcher als Käfig- bzw. Kurzschluß­ läufer ausgelegt ist, eine große Typenvielfalt aufweist. Die Drehzahl eines Asynchronmotors ist abhängig von der sinusförmigen Netzfrequenz und der Polzahl der Ständer­ wicklung.

Wie Asynchronmotoren mit der Eigenschaft eines Reihenschluß­ motors sowie eines Nebenschlußmotors betrieben werden können, zeigen die Ausführungsbeispiele der Fig. 1 und 2.

Die Feldwicklung des Ständers ist bei den Ausführungsbei­ spielen dreisträngig ausgelegt und besteht aus den Wick­ lungssträngen a, b und c. Jedem Wicklungsstrang ist ein Leistungshalbleiter zugeordnet. Die Leistungshalbleiter d, e und f werden über einen Zähler, IC1, geschaltet. Dem Zähler ist ein Teiler, IC2, und dem Teiler sind Nand-Glieder IC3 zugeordnet, und es sind nachtrigger­ bare monostabile Kippstufen IC4 und 8, ein Schmitt- Trigger-Inverter mit R-C-Glied IC5, Exklusiv-Oder- Glieder IC6 und weitere Nand-Glieder IC7, angeordnet und zueinander verschaltet.

Der Leistungsteil mit den Versorgungsanschlüssen 1, 1′ wird aus einem Gleichstromnetz versorgt, oder aus einem Wechselstromnetz, indem dem Wechselstromnetz eine Gleichrichterbrückenschaltung nachgeschaltet ist.

Zur Stromglättung ist dem Gleichrichter ein Kondensator zugeordnet.

Die Funktionsweise des elektronisch kommutierten Asynchron­ motors ist folgendermaßen:

Dem Asynchronmotor ist ein digitaler Impulsgeber zugeord­ net, indem eine Scheibe mit einer entsprechenden Anzahl Lichtdurchlaßzonen fest mit der Welle des Läufers ver­ bunden ist, wobei der Scheibe eine Gabellichtschranke zugeordnet ist. Der Empfänger der Gabellichtschranke (Fototransistor) wandelt die Hell-Dunkel-Signale in elek­ trische Impulse um. Die Impulse können auch durch Magnet­ sensoren erzielt werden. Die elektrischen Impulse des Impulsgebers führen zum Anschluß 2 des Schmitt-Trigger- Inverters, IC5. Wird der Motor bei Läuferstillstand ein­ geschaltet, so wird über dem Impulsgeber kein Drehfeld am Ständer erzielt. Hierfür bedarf es einer stationären An­ lauffrequenz. Die stationäre Anlauffrequenz wird erzielt durch einen Oszillator, der aus Schmitt-Trigger-Invertern IC5 gebildet wird, indem den Schmitt-Trigger-Invertern ein R-C-Glied zugeordnet ist. Die Anlauffrequenz ist zu wählen nach dem gewünschten Anlaufmoment. Je niedriger die Anlauf­ frequenz, desto größer das Anlaufmoment, und um so höher auch der Anlaufstrom.

Die Impulse des Impulsgebers führen über die Schmitt- Trigger-Inverter zu den nachtriggerbaren monostabilen Kippstufen IC4 und zu einem Exklusiv-Oder-Glied IC6 und zu den Nand-Gliedern IC7. Dem IC4 sind R-C-Glieder zugeordnet.

Die Impulse des Schmitt-Trigger-Inverter-Oszillators (Anlauffrequenz) führen zum Exklusiv-Oder-Glied IC6 und zu den Nand-Gliedern, IC7.

Das Exklusiv-Oder-Glied IC6 gibt gemischte Impulse, be­ stehend aus den Impulsen des Impulsgebers und den Impulsen des Oszillators, zu den nachtriggerbaren monostabilen Kippstufen des IC8, welche als Impuls-Vergleicher dienen, indem jeweils einer nachtriggerbaren monostabilen Kipp­ stufe ein R-C-Glied zugeordnet ist.

Die R-C-Glieder sind derart aufeinander abgestimmt, daß die Vergleichsimpulsdauer der R-C-Glieder unter der Im­ pulsdauer des Oszillators liegt. Unterschreitet die Impuls­ dauer des Impulsgebers, welche durch die Drehzahl des Läufers bestimmt wird, die Impulsdauer des Impuls-Ver­ gleichers IC8, so geben die nachtriggerbaren monosta­ bilen Kippstufen des IC8 ein Signal zu den Nand-Gliedern des IC7. Die Nand-Glieder des IC7 sind als Umschalter verschaltet.

Erfolgt vom IC8 zum IC7 kein Signal, so werden die Im­ pulse des Oszillators IC5 über das IC7 zu dem Teiler IC2 weitergeleitet. Der Teiler dient zur Schlupfbe­ stimmung des Läufers, indem zur Schlupfbestimmung dem Teiler zur Änderung des Teilfaktors Nand-Glieder IC3, und den Nand-Gliedern nachtriggerbare monostabile Kipp­ stufen IC4 zugeordnet sind. IC4 dient zur Impulsver­ gleichung der Impulse des Impulsgebers, und bestimmt einen geringeren Schlupf des Läufers in der oberen Drehzahl. Werden die Impulse des Oszillators zu dein Teiler, IC2, über IC7 durchgeschaltet, so teilt der Teiler den vor­ gegebenen niedrigsten Teilfaktor, wodurch der größte Schlupf des Läufers erzielt wird. Der Teiler gibt die entsprechenden Impulse zum Zähler, IC1.

Bei jedem Impuls des Teilers zum Zähler wird nach der Reihenfolge und in der Wiederholung der Reihenfolge ein Leistungshalbleiter d, e, f durchgeschaltet, wodurch der Motor mit der Anlauffrequenz des Oszillators an- und hochläuft.

Entspricht die Impulsdauer des Impulsgebers die des Impuls- Vergleichers IC8, so erhält IC7 ein Signal von IC8 zum Wegschalten der Impulse des Oszillators und zum Durch­ schalten der Impulse des Impulsgebers hin nach dem IC2. Ab nun wird die Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter durch die Drehzahl des Läufers über den Impulsgeber bestimmt. Der Läufer des Asynchronmotors erreicht nun den durch den Läufer vorgegebenen Schlupf, welcher durch den Teiler IC2 bestimmt wird, die entsprechende Leerlaufdrehzahl. Da die Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter mit der Drehzahl des Läufers ein asynchrones Verhältnis aufweist, verhält der Asynchronmotor sich wie ein Reihenschlußmotor, und besitzt somit Reihenschlußcharakteristik. Soll eine höhere Drehzahl bei gleicher Versorgungsspannung erzielt und die Stromaufnahme im Leerlauf gesenkt werden, so wird der Schlupf des Läufers verringert. Diese Maßnahme wird er­ zielt durch die nachtriggerbaren monostabilen Kippstufen des IC4. Die dem IC4 zugeordneten R-C-Glieder sind auf die gewünschte Drehzahl, bei der ein geringerer Schlupf erzielt werden soll, abgeglichen. Wird die Impulsdauer des Impulsgebers kleiner wie die Impulsdauer der R-C Glieder, so geben die nachtriggerbaren monostabilen Kippstufen ein Signal zu den Nand-Gliedern IC3, wobei das IC3 als Schalter ausgelegt ist, und den niedrigen Teilfaktor auf einen höheren Teilfaktor des IC2 umschal­ tet, wodurch ein geringerer Schlupf des Läufers erreicht wird, hierdurch erhöht sich die Leerlaufdrehzahl und gleichzeitig sinkt die Stromaufnahme.

Wird der Asynchronmotor belastet, und fällt die Drehzahl des Läufers soweit zurück, daß die Impulsdauer des Impuls­ gebers wieder großer wird, wie die Impulsdauer der R-C Glieder des IC4, so ist das Signal des IC4 nicht mehr zum IC3 durchgeschaltet, und das IC3 schaltet den höheren Teilfaktor dem IC2 wieder auf den niedrigeren Teilfaktor um, wodurch wiederum ein größerer Schlupf des Läufers erreicht wird, und somit ein höheres Drehmoment, bedingt durch eine höhere Stromaufnahme. Fällt die Dreh­ zahl des Läufers soweit zurück, daß die Impulsdauer des Impulsgebers größer wird wie die Impulsdauer der R-C- Glieder des IC8, so werden die Impulse des Oszillators wieder über das IC7 zum IC2 durchgeschaltet und die Impulse des Impulsgebers weggeschaltet. Nun ist die Schalt­ frequenz der Leistungshalbleiter gleichbleibend und somit unabhängig von der Drehzahl des Läufers, wobei der Schlupf des Läufers bis zum Läuferstillstand linear mit der Ab­ nahme der Drehzahl zunimmt.

Bei einem dreisträngigen Motor kann eine Drehrichtungs­ umkehrung problemlos durchgeführt werden, indem über einen Umschalter zwei Ansteuerleitungen der Leistungshalbleiter miteinander vertauscht werden. Bei Motoren mit einer anderen Anzahl der Wicklungsstränge wird die Zählrichtung des Zählers IC1 umgekehrt.

Wird eine Drehrichtungsumkehrung im vollen Lauf durchge­ führt, so erfolgt die Abbremsung des Läufers in der Eigen­ schaft des An- und Hochlaufs des Läufers.

Bei einer Schnellabbremsung des Läufers wird der Teilfaktor des Teilers IC2 entsprechend geändert, wodurch das Dreh­ feld am Ständer dem Läufer nacheilt. Die Änderung des Teil­ faktors kann zum Beispiel über einen Umschalter erfolgen.

Besonders effektiv kann ein derartiger elektronisch kommu­ tierter Asynchronmotor gesteuert werden über eine Phasen­ anschnittsteuerung, indem eine Phasenanschnittsteuerung einer Gleichrichterbrückenschaltung der Versorgung des Leistungsteils vorgeschaltet ist. Hierdurch kann der An­ laufstrom, eine Konstantdrehzahl und die Drehzahl im all­ gemeinen reguliert werden. Um ein gleichmäßiges Drehmo­ ment des Asynchronmotors zu erzielen ist es erforderlich, daß ein glatter oder ein geglätteter Gleichstrom zur An­ wendung kommt.

Vorzugsweise können die IC′s in Subminiatur-Gehäuse zur Anwendung kommen.

Einige IC′s können auch durch programmierbare Nur-Lese- Speicher (PROM, ROM) und oder durch programmierbare Logik (PAL, GAL) ersetzt werden.

Die in der Fig. 1 dargestellte Steuerelektronik eignet sich auch sehr gut zur Kommutierung von Spaltmotoren, indem eine zweisträngige oder eine einsträngige Spule am Ständer des Spaltmotors angeordnet ist, die abwechselnd gegensinnig geschaltet wird, so daß am Ständer ein Wechselfeld vorhanden ist. Zur Grundausstattung der Steuer­ elektronik sind die IC′s 5, 6, 2 und 1 der Fig. 1 erforder­ lich.

Der elektronisch kommutierte Asynchronmotor kann noch effektiver betrieben werden, wenn die Aufgabenstellung der Steuerelektronik von einem Computer übernommen wird (Ein­ platinen-Computer, Mikrocontroller).

Fig. 2 zeigt eine derartige Schaltungsanordnung des Asyn­ chronmotors mit der symbolischen Darstellung des Computers bzw. des Mikrocontrollers durch den Kasten 3. Der Computer bzw. der Mikrocontroller ist derart programmiert, daß er die gesamten Funktionen der Steuerelektronik nach der Be­ schreibung der Fig. 1 beinhaltet, wobei der Asynchronmotor über einen Computer noch wesentlich effektiver gesteuert werden kann.

Das Programm des Computers oder des Mikrocontrollers bein­ haltet die Anlaufschaltfrequenz der Leistungshalbleiter d, e, f, sowie bei einem vorbestimmten Schlupf des Läufers, den Übergang zu der Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter, welche durch den von der Drehzahl des Läufers abhängigen Impulsgeber bestimmt wird. Für den Hochlauf des Läufers kann zwischen zwei Programmen gewählt werden, womit einer­ seits die Eigenschaften eines Reihenschlußmotors, und andererseits die Eigenschaften eines Nebenschlußmotors erzielt werden können, indem der Schlupf des Läufers über das Drehfeld des Ständers entsprechend reguliert wird. Mit weiteren Programmen kann die Drehrichtungsumkehrung durchgeführt, und eine Läuferschnellabbremsung über den Schlupf gesteuert werden.

Der Computer bzw. der Mikrocontroller kann auch ein Programm zur Phasenanschnittsteuerung beinhalten, mit welcher eine Anlaufstrombegrenzung, eine Konstantdreh­ zahlregulierung und eine Drehzahlsteuerung im allgemeinen durchgeführt werden kann.

Claims (10)

1. Elektronisch kommutierter Asynchronmotor mit einem Käfigläufer (Kurzschlußläufer), dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsstränge am Ständer zur Erzeugung eines Drehfeldes derart elektronisch kommutiert werden, daß für den An- und Hochlauf des Läufers das Drehfeld bestimmt wird durch Impulse eines Oszillators, und in der Betriebsphase des Motors das Drehfeld bestimmt wird durch einen mit der Drehzahl des Läufers in Abhängigkeit stehenden Impulsgebers, indem die Impulse des Oszillators und die Impulse des Impulsgebers einen Zähler IC steuern, welcher die Leistungshalbleiter der Wicklungsstränge schaltet, wodurch am Ständer ein Drehfeld erzeugt wird.

2. Asynchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Impulsgeber aus einem Rechteck-Oszil­ lator besteht, und der mit der Drehzahl des Läufers ab­ hängige Impulsgeber aus einer mit der Welle des Läufers fest verbundenen Scheibe mit Lichtdurchlaßzonen und zuge­ ordneter Gabellichtschranke besteht, oder aus Magnetsen­ soren, und daß die Impulse der Impulsgeber zum Anschluß (2) des Schmitt-Trigger-Inverters (IC5) führen.

3. Asynchronmotoren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Wicklungssträngen des Ständers zugeordneten Leistungshalbleitern eine digitale Steuerelektronik zuge­ ordnet ist, bestehend aus einem Zähler (IC1), einem Teiler (IC2), Nand-Gliedern (IC3 und 7), nachtrigger­ baren monostabilen Kippstufen mit zugeordneten R-C-Gliedern (IC4 und 8), Schmitt-Trigger-Invertern mit R-C-Glied (IC5) und aus Exclusiv-Oder-Gliedern (IC6).

4. Asynchronmotor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Impulse des dem Läufer zugeordneten Impulsgebers über Schmitt-Trigger-Inverter (IC5) zum Impulsver­ gleicher der nachtriggerbaren monostabilen Kippstufen (IC4) und zu einem Exclusiv-Oder-Glied (IC6) und zum Umschalter aus Nand-Gliedern (IC7) führen, daß die Impulse des stationären Impulsgebers des Schmitt- Trigger-Inverter-Oszillators (IC5) zum Exclusiv-Oder- Glied (IC6) und zum Umschalter aus Nand-Gliedern (IC7) führen,
daß die Impulse des dem Läufer zugeordneten Impulsgebers und die Impulse des Schmitt-Trigger-Inverter-Oszillators durch das Exclusiv-Oder-Glied (IC6) gemischt, und zu den nachtriggerbaren monostabilen Kippstufen mit zugeord­ neten R-C-Gliedern, welche als Impulsvergleicher dienen, weiter gegeben werden, wobei die Vergleichsimpulsdauer der R-C-Glieder unter dem Wert der Impulsdauer des Schmitt-Trigger-Inverter-Oszillators liegt,
daß ein Signal von den nachtriggerbaren monostabilen Kippstufen (IC8) zu den Nand-Gliedern (IC7) ge­ geben wird, wenn die Impulsdauer des dem Läufer zugeord­ neten Impulsgebers kleiner ist wie die Impulsdauer des Impuls-Vergleichers der R-C-Glieder (IC8), daß die Impulse des Schmitt-Trigger-Inverter-Oszillators (IC5) über die Nand-Glieder (IC7) zu dem Teiler (IC2) weitergeleitet werden, wenn kein Signal von den nachtriggerbaren monostabilen Kippstufen (IC8) erfolgt,
daß der Teiler (IC2) zur Schlupfbestimmung des Läufers dient, und hierfür dem Teiler Nand-Glieder (IC3) und den Nand-Gliedern nachtriggerbare monostabile kippstufen (10 4) mit R-C-Gliedern zugeordnet sind, welche zur Impulsvergleichung der Impulse des dem Läufer zugeord­ neten Impulsgebers dienen,
daß bei Durchschaltung der Impulse des Schmitt-Trigger- Inverter-Oszillators (IC5) zu dem Teiler (IC2) der Teiler den vorgegebenen niedrigsten Teilfaktor teilt, wo­ durch der größte Schlupf des Läufers erzielt wird, und daß der Teiler die verminderte Impulszahl zum Zähler weiter gibt,
daß bei jedem Impuls des Teilers (IC2) zum Zähler (IC1) nach der Reihenfolge und in der Wiederholung der Reihenfolge ein Leistungshalbleiter (d, e, f) vom Zähler (IC1) durchgeschaltet wird, wodurch am Ständer ein Drehfeld entsteht, welche das Anlaufdrehfeld des Asynchronmotors darstellt,
daß bei einer kürzeren Impulsdauer des dem Läufer zuge­ ordneten Impulsgebers wie die Impulsdauer des Schmitt- Trigger-Inverter-Oszillators ein Signal von den nach­ triggerbaren monostabilen Kippstufen (IC8) zu den Nand-Gliedern (IC7) zum Wegschalten der Impulse des Schmitt-Trigger-Inverter-Oszillators gegeben wird, und zum Durchschalten der Impulse des dem Läufer zugeord­ neten Impulsgebers, wobei nun die Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter, und somit das Drehfeld am Ständer, bestimmt wird durch die Drehzahl des Läufers über den dem Läufer zugeordneten Impulsgeber, und daß hierdurch ein asynchrones Drehfeld zum Läufer vorhanden ist, daß zur Verringerung des Schlupfes des Läufers, die R-C-Glieder (IC4) zur Drehzahl bei der ein geringerer Schlupf erzielt werden soll, auf die Impulsdauer des dem Läufer zugeordneten Impulsgebers abgeglichen sind, und daß bei einer kleineren Impulsdauer der Impulse des dem Läufer zugeordneten Impulsgebers zu der Impulsdauer der R-C Glieder (IC4), die nachtriggerbaren monostabilen Kippstufen (IC4) zu den Nand-Gliedern (IC3) ein Signal zum Durchschalten eines höheren Teilfaktors des Teilers (IC2) gegeben wird, wodurch ein geringerer Schlupf des Läufers zum Drehfeld des Ständers erzielt wird.

5. Asynchronmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfolge der digitalen Steuerelektronik bei Belastung und abnehmender Drehzahl bis hin zum Läufer­ stillstand in umgekehrter Reihenfolge erfolgt.

6. Asynchronmotor nach den Ansprüchen von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Drehrichtungsumkehrung des Läufers die Zählrichtung des Zählers (IC1) umgekehrt wird, wobei bei einer Drehrichtungsumkehrung im vollen Lauf des Läufers die Schalteigenschaften der Steuerelektronik des An- und Hochlaufs erfolgen.

7. Asynchronmotor nach den Ansprüchen von 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Schnellabbremsung des Läufers, der Teil­ faktor des Teilers (IC2) entsprechend erhöht wird, wodurch das Drehfeld am Ständen dem Läufer nacheilt.

8. Asynchronmotor nach den Ansprüchen von 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Schaltvorgänge der digitalen Steuer­ elektronik durch programmierbare Nur-Lese-Speicher (PROM, ROM) und oder durch programmierbare Logik (PAL, GAL) ersetzbar sind.

9. Asynchronmotor nach den Ansprüchen von 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik für den elektronisch kommu­ tierten Asynchronmotor von einem Computer (Einplatinen Computer) oder Mikrocontroller übernommen wird, indem der Computer bzw. der Mikrocontroller die gesamten Aufgaben der Steuerelektronik durchführt, derart, daß der Computer bzw. der Mikrocontroller mit einem Programm der Anlaufschaltfrequenz der Leistungshalb­ leiter (d, e, f) , sowie bei einem vorbestimmten Schlupf des Läufers, mit einem Programm für den Über­ gang zu der Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter, welche durch den von der Drehzahl des Läufers abhän­ gigen Impulsgeber bestimmt wird, und mit einem Programm zur Steuerung des lastabhängigen Schlupfs des Läufers, sowie mit Programmen zur Drehrichtungsumkehrung und zur Läuferschnellabbremsung über den Schlupf versehen ist, daß der Computer bzw. der Mikrocontroller mit einem Programm zur Phasenanschnittsteuerung versehen ist, mit welcher eine Anlaufstrombegrenzung, eine Konstant­ drehzahlregulierung und eine Drehzahlsteuerung im allge­ meinen durchgeführt werden kann.

10. Asynchronmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsprogramme des Computers bzw. des Mikro­ controllers derart ausgelegt sind, daß einerseits bei dem elektronisch kommutierten Asynchronmotor die Eigen­ schaften eines Reihenschlußmotors, und andererseits die Eigenschaften eines Nebenschlußmotors erzielt werden können, indem der Schlupf des Läufers über das Dreh­ feld des Standers entsprechend gesteuert wird.