DE4307096C2 - Verfahren zum Ansteuern eines wechselstromgespeisten Einphaseninduktionsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines wechsel­ stromgespeisten Einphaseninduktionsmotors mit einer Hauptwicklung und einer Hilfswicklung gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Einphaseninduktionsmotoren werden für Wechselstrombetrieb kleine­ rer Leistungen bis etwa 1,5 kW gebaut. Sie sind mit einem Käfigläu­ fer versehen und werden einphasig an das Netz angeschlossen. Solche Motoren werden heutzutage in großen Stückzahlen gebaut. Sie weisen eine Hauptwicklung (auch Arbeitswicklung genannt) sowie eine Hilfs­ wicklung (auch Anlaufwicklung genannt) auf. Diese Hilfswicklung ist erforderlich, um den Motor anfahren zu können. Die Hilfswicklung wird üblicherweise parallel zur Hauptwicklung in Reihe mit einem Kondensator geschaltet, um so eine Phasenverschiebung zwischen Haupt- und Hilfswicklung zu erzeugen. Wenn die Hilfswicklung als reine Anlaufwicklung gedacht ist, wird diese nach Erreichen der Betriebsdrehzahl abgeschaltet. Es wird jedoch auch häufig eine Be­ triebsart gewählt, bei der die Hilfswicklung über einen Kondensator im Betrieb zugeschaltet bleibt, dann wird jedoch die Kondensatorka­ pazität bei Erreichen der Betriebsdrehzahl verringert, was in der Regel durch Abschalten eines zweiten parallelen Kondensators er­ folgt.

Allen Betriebsarten gemeinsam ist jedoch mindestens ein in Reihe zu einer Wicklung schaltbarer Kondensator. Hierbei handelt es sich um ein großvolumiges Bauelement, das nur im Ausnahmefall im Klem­ menkasten des Motors untergebracht werden kann. Der Kondensator erhöht nicht nur die Baugröße des Aggregats, er verteuert auch die Herstellungskosten und kann den Motor hinsichtlich seiner Tempera­ turfestigkeit und seiner Zuverlässigkeit negativ beeinflussen.

Aus der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegenden DE-OS 21 10 796 ist es bekannt, diesen Kondensator durch eine Schaltungsanordnung zu ersetzen, bei der mittels Schaltern aus der Netzwechselspannung zueinander phasenverschobene Wechselspannun­ gen erzeugt werden, die den beiden Wicklungen des Motors zugeführt werden. Dies erfolgt insbesondere während des Betriebs zur Dreh­ zahlsteuerung des Motors.

Mit der vorbeschriebenen bekannten Schaltungsanordnung ist es zwar möglich, die Drehzahl des Motors ausgehend von der durch die Netzfrequenz vorgegebenen Drehzahl nach unten hin zu variieren sowie den sonst üblichen Anfahr- oder auch Betriebskondensator durch Halbleiterbauelemente zu ersetzen, doch sind darüber hinausge­ hende Anwendungen mit dieser Schaltungsanordnung nicht vorgesehen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren so weiterzubilden, daß ein einfaches Anfahrverhalten für den Betrieb mit Netzfrequenz erreicht wird, insbesondere das Anfahrverhalten des Motors gezielt steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnen­ den Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Während beim Stand der Technik nach DE-OS 21 10 796 die zyklische Ansteue­ rung von Haupt- und Hilfswicklung ausschließlich zur Drehzahlredu­ zierung eingesetzt wird, wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch Wahl der Anzahl von Zyklen ein gewünschtes Anlaufverhalten festgelegt. Während des Betriebes hingegen wird die Hilfswicklung ausgeschaltet und die Hauptwicklung an die Netzwechselspannung angelegt.

Schaltungstechnisch besonders günstig ist es, wenn die Netzwechsel­ spannung halbwellenweise aufgespalten wird, das heißt, daß die pha­ senverschobenen Wechselspannungen aus Halbwellen der Netzwech­ selspannung zusammengesetzt werden. Schaltungstechnisch hat dies den Vorteil, daß die Schaltvorgänge ohne großen elektronischen Schaltaufwand durchgeführt werden können. Die Schalter schalten dann immer im Nulldurchgang der Netzwechselspannung, das heißt praktisch ohne Last.

Zum Anfahren des Motors hat es sich als besonders günstig erwiesen, die Haupt- und die Hilfswicklung mit einem oder mehreren Zyklen anzusteuern, die aus einer ersten Halbwelle der Netzwechselspannung bestehen, mit der eine Wicklung, beispielsweise die Hauptwicklung beaufschlagt wird und die weiterhin aus der darauf folgenden weite­ ren Halbwelle der Netzwechselspannung bestehen, die der anderen Wicklung, also beispielsweise der Hilfswicklung, zugeführt wird. Danach werden dann beide Wicklungen für mindestens die Zeitdauer einer Halbwelle unbeaufschlagt gelassen, wonach der Zyklus ein- oder mehrmals, je nach gewünschtem Anfahrverhalten wiederholt wird. Für ein zügiges Anfahren des Motors hat es sich als besonders günstig erwiesen, mit einem, drei oder fünf solcher Zyklen den Motor hochzufahren, wobei sich mit wachsender Zyklenzahl ein gewisser Rütteleffekt einstellt, der unterstützend zum Losbrechen eines festgefahrenen Motors eingesetzt werden kann. Durch Bestim­ mung der Anzahl dieser Zyklen kann auch die Drehrichtung bestimmt werden. So hat es sich beispielsweise herausgestellt, daß dann, wenn man den Motor mit 4 Zyklen an steuert, er in umgekehrter Richtung anläuft verglichen mit einer Ansteuerung mit 1, 2, 3 oder 5 Zyklen. Nachdem ein oder mehrere Zyklen durchfahren sind, wird die Hilfs­ wicklung abgeschaltet und die Hauptwicklung an die Netzwechsel­ spannung angelegt, so daß der Motor in der üblichen Betriebsart läuft, bei der sonst der Anfahrkondensator mit Hilfswicklung abge­ schaltet wäre.

Die Drehrichtung kann jedoch nicht nur durch die Wahl der Anzahl der Zyklen bestimmt werden, sondern durch die Art der Zyklen selbst. Je nachdem, welche Halbwelle welcher Wicklung zuerst zu­ geführt wird, läuft der Motor in die eine oder aber in die andere Drehrichtung an. Es kann also letztlich durch Wahl der Aufspaltung der Netzwechselspannung die Drehrichtung des Motors gesteuert werden, was von großem Vorteil ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht jedoch nicht nur ein gezieltes Anfahren des Motors, sondern es kann, wenn gewünscht, auch in der Betriebsphase die Hilfswicklung zeitweise gezielt mit einer Wechselspannung angesteuert werden, um bestimmte Betriebseigenschaften des Motors zu erreichen, wie dies beispielhaft aus DE-OS 21 10 796 bekannt ist.

Als Schalter werden zweckmäßigerweise Halbleiterbauelemente einge­ setzt, die heutzutage nicht nur von der Baugröße, sondern auch von den Herstellungskosten günstig sind. Da die Schalter den Strom in beiden Richtungen durchlassen bzw. sperren müssen, werden hier vorteilhaft jeder Wicklung ein Triac vorgeschaltet, das durch eine entsprechende Steuerung geschaltet wird. Statt eines Triacs können auch MOS-controlled-Thyristoren eingesetzt werden.

Die Steuerung kann schaltungstechnisch einfach aufgebaut werden, indem ein Nulldurchgangsdetektor für die Netzwechselspannung Verwendung findet, der so geschaltet ist, daß die Triacs in einer zuvor festgelegten oder festlegbaren Schaltfolge in Abhängigkeit der Anzahl der erfolgten Nulldurchgänge schalten. Die Steuerung kann also mittels des Nulldurchgangsdetektors auch getaktet werden.

Der Steuerung kann ein im Motor angeordneter Temperatur­ fühler zugeordnet sein, derart, daß beim Überschreiten einer bestimmten Motortemperatur die Schalter öffnend angesteuert werden. Auf diese Weise kann die sonst übliche Thermosicherung des Motors kosten­ günstig und zuverlässig ersetzt werden. Es ist dabei lediglich ein Thermofühler in oder auch am Motor vorzusehen, der aufgrund seiner Baugröße sogar innerhalb der Wicklung angeordnet werden kann, wodurch eine sehr exakte Temperaturüberwachung möglich ist. Es werden keine zusätzlichen Schaltelemente benötigt, da die ohnehin vorhandenen, den Wicklungen vorgeschalteten Schalter benutzt wer­ den.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Einphaseninduktionsmotors mit der erfindungsgemäßen Ansteuerung,

Fig. 2 die Aufspaltung der Netzwechselspannung in zwei pha­ senverschobene Wechselspannungen,

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung des Stromverlaufs in den Motorwicklungen während der Anfahr- und der Be­ triebsphase,

Fig. 4 das zeitliche Anfahrverhalten des Motors bei Ansteue­ rung mit unterschiedlicher Zyklenzahl.

Das Schaltbild nach Fig. 1 zeigt einen Einphaseninduktionsmotor mit einer Hauptwicklung 1 sowie einer Hilfswicklung 2. Die beiden Wicklungen 1, 2 liegen parallel zueinander an den Klemmen 3, 4 eines Wechselstromversorgungsnetzes. In Reihe zu den Wicklungen 1 und 2 ist jeweils ein Triac 5, 6 als Schaltelement geschaltet. Die Triacs 5, 6 werden von einer Steuerung 7 geschaltet, die ebenfalls vom Versorgungsnetz gespeist wird. Der Pfeil 8 in Fig. 1 soll verdeutli­ chen, daß die Steuerung 7 gegebenenfalls ihrerseits ansteuerbar ist, so daß beispielsweise auch die Eingliederung in eine Regelschleife denkbar ist.

Die Steuerung, deren Aufbau hier nicht im einzelnen erläutert wird, steuert die Triacs 5 und 6 unter Ausnutzung des durch die Nulldurch­ gänge 9 der Netzwechselspannung 10 vorgegebenen Taktes. Die an den Klemmen 3, 4 anliegende Netzwechselspannung 10 ist in Fig. 2a im zeitlichen Verlauf dargestellt. Die Netzwechselspannung 10 wird mittels der Steuerung 7 über die Triacs 5 und 6 in zwei Wechsel­ spannungen niederer Frequenz aufgespalten, die in Fig. 2b und 2c dargestellt sind. Die in Fig. 2b dargestellte Wechselspannung 11 wird unmittelbar der Hilfswicklung 2 des Motors zugeführt, während die in Fig. 2c dargestellte Wechselspannung 12 für die Hauptwick­ lung 1 bestimmt ist. Wie die Fig. 2 verdeutlicht, sind die Wech­ selspannungen 11 und 12 im Frequenzverlauf identisch, lediglich pha­ senverschoben, und zwar um eine Wellenlänge 13 der Netzwechsel­ spannung. Wird beim Anfahren des Motors die Hauptwicklung 1 mit der Wechselspannung 11 beaufschlagt und die Hilfswicklung 2 mit der Wechselspannung 12, so fährt der Motor in gleicher Weise an, jedoch in umgekehrter Drehrichtung. Es kann also durch entsprechen­ de Beaufschlagung der Wicklungen 1 und 2 die Drehrichtung des Motors bestimmt werden.

Der einleitend erwähnte Zyklus, dessen Art und Anzahl in ganz entscheidender Weise das Anfahrverhalten des Motors beeinflußt, ist in Fig. 2 mit 14 gekennzeichnet. Ein Zyklus 14 erstreckt sich über 1,5 Wellenlängen 13 der Netzwechselspannung 10 und beginnt je­ weils mit einer Halbwelle, mit der die Hilfswicklung 2 beaufschlagt wird. Die sich daran anschließende entgegengerichtete Halbwelle wird der Hauptwicklung 1 zugeführt, wonach über den Zeitraum einer halben Wellenlänge 13 beide Wicklungen 1 und 2 nicht beaufschlagt werden. In der übrigen Zeit bleibt jeweils die andere Wicklung unbeaufschlagt. Welche Wicklung zuerst beaufschlagt wird, ist le­ diglich für die Drehrichtung des Motors entscheidend.

Anhand von Fig. 3 ist das Hoch fahren eines Motors in fünf Zyklen 14 dargestellt, wobei die durchgezogenen Linien 15 den Stromverlauf in der Hilfswicklung 2 und die unterbrochenen Linien 16 den Strom­ verlauf in der Hauptwicklung 1 symbolisieren. Aus Fig. 3 ergibt sich auch, daß nach dem Hochfahren des Motors die Hilfswicklung 2 ausgeschaltet bleibt und die Netzwechselspannung 10 an der Haupt­ wicklung 1 anliegt.

Fig. 4 veranschaulicht, wie durch die Wahl der Anzahl der Zyklen 14 das Anfahren des Motors gezielt beeinflußt werden kann. Die Ordnungszahlen an den fünf dargestellten Kurven symbolisieren die Anzahl der bis zum Anlegen der Netzwechselspannung 10 an die Hauptwicklung 1 durchlaufenden Zyklen 14. Bei der Kurve nach Zif­ fer (1), bei der nur ein Zyklus 14 durchlaufen worden ist, erreicht der Motor in kürzester Zeit seine Betriebsdrehzahl, während beim Durchlaufen mehrerer Zyklen die Drehzahl zwischenzeitlich wieder abfällt, sich also ein gewisser Rütteleffekt bemerkbar macht. Schließ­ lich führt das Anfahren mit vier Zyklen zu einer Drehrichtungsum­ kehr des Motors. Die anhand von Fig. 4 dargestellten Kurven ver­ anschaulichen nur andeutungsweise, welche Möglichkeiten das erfin­ dungsgemäße Verfahren im Hinblick auf die Motorsteuerung bietet.

Mittels der vorbeschriebenen Zyklen 14 kann nicht nur das Anfahr­ verhalten und ggf. die Drehrichtung des Motors gezielt beeinflußt werden, die Pause am Ende eines Zyklus 14 ermöglicht es, auf elektronischem Wege das Betriebsverhalten des Motors zu ermitteln. Wenn nämlich in dieser Pause, in der keine der beiden Wicklungen beaufschlagt ist, das in den Wicklungen durch Drehung induzierte Signal, das die Wicklungen quasi im Generatorbetrieb abgeben, entsprechend elektronisch ausgewertet wird, kann der Lastzustand des Motors, insbesondere auch die bereits erreichte Drehzahl bestimmt werden. Bei herkömmlichen, über einen Anfahrkondensator angelasse­ ne Motoren, ist dies nur über externe Sensorik bzw. durch kurzzeiti­ ges Abschalten der Versorgungsspannung möglich, was bekannterma­ ßen von Nachteil ist.

Wie sich aus Fig. 1 weiter ergibt, ist der Steuerung 7 ein Tempera­ turfühler 17 zugeordnet, der innerhalb oder nahe der Hauptwicklung 1 angeordnet ist, um die Temperatur innerhalb dieser Wicklung zu erfassen und um den Motor, insbesondere die Wicklung 1, rechtzeitig vor einer thermischen Überlastung abzuschalten. Der Temperaturfüh­ ler 17 in Verbindung mit der entsprechend ausgelegten Steuerung 7 und dem ohnehin vorhandenen Schalter 5 ersetzt also auf sehr elegan­ te Weise die sonst übliche Thermosicherung.

Bezugszeichenliste

1 Hauptwicklung
2 Hilfswicklung
3 Klemme
4 Klemme
5 Triac
6 Triac
7 Steuerung
8 Pfeil
9 Nulldurchgänge
10 Netzwechselspannung
11 Wechselspannung für 2
12 Wechselspannung für 1
13 Wellenlänge
14 Zyklus
15 durchzogene Linie
16 unterbrochene Linie
17 Temperaturfühler

Claims (2)

1. Verfahren zum Ansteuern eines wechselstromgespeisten Einphaseninduktionsmotors mit einer Hauptwicklung (1) und einer Hilfswicklung (2), bei dem die Netzwechselspannung (10) mit Schal­ tern (5, 6) in zueinander phasenverschobene Wechselspannungen (11, 12) aufgespalten wird, mit denen die Hauptwicklung (1) und die Hilfswicklung (2) in Zyklen (14) so gespeist werden, daß eine erste Halbwelle der Netzwechselspannung (10) der einen und die darauf­ folgende Halbwelle der Netzwechselspannung (10) der anderen Wick­ lung zugeführt werden, wonach beide Wicklungen (1, 2) für minde­ stens die Zeitdauer einer Halbwelle unbeaufschlagt bleiben, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer vorbestimmten Anzahl von Zyklen (14), die ein gewünschtes Anlaufverhalten festlegt, die Hilfswicklung (2) ausgeschaltet wird und die Netzwechselspannung (10) an der Hauptwicklung (1) anliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Wahl der Halbwellen-Reihenfolge die Anfahrdrehrichtung des Motors gesteuert wird.