DE4413802A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Drehzahl eines elektrischen Dreiphasen-Asynchronmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Steuern der Drehzahl eines elektrischen Asyn­ chronmotors, insbesondere von Motoren, die bei niedrigen Drehzahlen durch ein stark erniedrigtes Bremsmoment abgebremst sind, wie beispielsweise Lüftermotoren, Kreiselpumpenmotoren usw., und die sowohl zum Anfahren als auch für längere Zeiten des Dauerbetriebs mit stark verminderter Drehzahl betrieben werden sollen.

Hierfür ist die sogenannte "Paketsteuerung" bekannt, bei der nur jede beispielsweise zehnte, neunte, achte, usw. Halbwelle durch­ gelassen und die übrigen Halbwellen gesperrt werden, mit der Folge einer entsprechend verminderten Frequenz des mittleren Stroms und einer entsprechend erniedrigten synchronen Drehzahl. Die Paket­ steuerung ergibt jedoch einen sehr unruhigen, rüttelnden Lauf, da die Strombeaufschlagung in so großen zeitlichen Abständen im Hinblick auf den Drehwinkel des Rotors nicht mehr ausreichend durch die Massenträgheit gemittelt werden kann.

Es ist auch die Drehzahlsteuerung durch Phasenanschnittsteuerungen bekannt. Phasenanschnittsteuerungen durch Triacs, die einteilige Bauelemente oder antiparallel geschaltete Thyristoren sein können, werden vielfach angewandt, beispielsweise als Licht-Dimmer. Es ist auch möglich, die drei Phasen eines Dreiphasen-Asynchronmotors oder Drehstrommotors durch passenden Phasenanschnitt so zu steuern, daß bei unveränderter Frequenz und damit unveränderter Synchrondrehzahl, also Drehfeld-Drehzahl, aufgrund eines höheren oder niedrigeren magnetischen Flusses lastabhängig ein unterschiedlicher Schlupf auftritt und dadurch die Drehzahl gesteuert wird. Dies wird jedoch immer undefinierbarer, je höher der Schlupf und je niedriger das Bremsmoment bei kleinen Drehzahlen ist, mit unstabiler, wandernder Drehzahl.

Häufig ist es erwünscht, insbesondere aus Gründen des Raumbedarfs der Steuerungseinrichtung, der erheblich von der Zahl der relativ großbauenden Leistungs-Triacs und ihrer Kühlkörper abhängt, sich in Anlehnung an Steuerungen von Wechselstrommotoren auf die Steuerung zweier Phasen zu beschränken. Solche Schaltungen sind an sich bekannt (z. B. DE-OS 30 09 445, 32 26 150), und zwar sowohl für Sternschaltung als auch für Dreieckschaltung. Hierbei muß - im Fall der Sternschaltung bei nicht selbständig angeschlossenem Stern­ punkt - bei großen Anschnittwinkeln, also niedrigen resultierenden Spannungen, die ungesteuerte dritte Phase mal die Rückleitung des Stroms der einen gesteuerten Phase und mal die Rückleitung des Stroms der anderen gesteuerten Phase übernehmen. Nur bei höheren Drehzahlen, bei denen die beiden gesteuerten Phasen zeitweise gleichzeitig leiten, erfolgt auch eine Rückleitung zwischen diesen beiden Phasen, bis hin zur Voll-Aussteuerung, bei der die Phasen­ ströme fließen, als ob der Motor ungesteuert wäre. Soll jedoch der Motor mit hohem Schlupf und somit mit großem Anschnittwinkel (kleinem Leitwinkel) gefahren werden, so ergeben sich hohe Gleich­ stromkomponenten in der ungesteuerten Wicklung, die hierdurch intervallweise eine erhebliche Bremsung auf den Rotor ausübt, so daß insbesondere bei großen Asynchronmotoren hoher Nennleistung ein sehr unruhiger, vibrierender Lauf auftritt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einiger­ maßen definierte Steuerung von Dreiphasen-Asynchronmotoren auch im unteren Drehzahlbereich bei weitgehend ruhigem Motorlauf zu er­ möglichen, und gemäß einer spezielleren Aufgabenstellung eine Phasenanschnittsteuerung in zwei der drei Phasen so durchzuführen, daß ein ruhiger Lauf auch bei niedrigen Drehzahlen möglich ist. Dies wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung erreicht. Durch die Lehre von Anspruch 1 können die Phasenspannungen zugleich durch die resultierende Frequenz und durch eine an sich frequenz­ unabhängige Steuerung der resultierenden Spannung beeinflußt werden, so daß also sowohl die Synchrondrehzahl gewählt als auch der bei dieser Synchrondrehzahl auftretende Schlupf bestimmt werden kann, wobei also in den Stromleitintervallen der einzelnen Wicklungen Antriebsmomente gesteuerter mäßiger Höhe auftreten, die bei passen­ der Einstellung noch nicht zum Auftreten von Vibrationen führen. Zusätzliche Vorteile bringt die Maßnahme nach Anspruch 3, die die Verwendung einer Steuerung mit nur zwei Triacs erlaubt. Durch die Ansteuerung beispielsweise jeder dritten Halbwelle wird zunächst die Synchrondrehzahl des Asynchronmotors erniedrigt auf 1/3 der Syn­ chrondrehzahl bei Vollaussteuerung, da die effektive Frequenz niedriger ist; außerdem kann durch relativ kleine Leitwinkel die elektrische Leistung so gedrosselt werden, daß ein höherer Schlupf auftritt, wobei jedoch die Phasenunsymmetrie vernachlässigbar niedrig bleibt. Soll eine noch niedrigere Drehzahl eingesteuert werden, so kann jeder der Triacs in nur jeder fünften Halbwelle angesteuert werden, wodurch die resultierende Frequenz und damit die Synchrondrehzahl noch weiter erniedrigt wird, nämlich auf 1/5 der Vollwerte, und außerdem das Drehfeld weiter geschwächt wird, 50 daß auch der Schlupf höher wird. Bei einer Erhöhung der Drehzahl kann schließlich, wenn sich die Leitungsintervalle der beiden gesteuerten Phasen überlappen, auch jede zweite oder schließlich jede Halbwelle angesteuert werden. Durch dieses Steuerungsverfahren ergibt sich ein sehr ruhiger Lauf von den niedrigsten bis zu den höchsten Drehzah­ len.

Das erfindungsgemäße Verfahren findet eine vorzugsweise Anwendung zur Steuerung eines Lüftermotors, der je nach gewünschter Klimati­ sierung mit sehr unterschiedlichen Drehzahlen fahren soll und außerdem zur Vermeidung von Anlaufstromstößen nur allmählich hochlaufen soll, bei niedrigen Drehzahlen jedoch nur ein relativ niedriges Bremsmoment zu überwinden hat.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 6 gekennzeichnet, nämlich mit einem Mikroprozessor in der Ansteuerschaltung. Mit einer solchen Ansteuerung bereiten die Zeitvorgaben des Zündzeitpunkts relativ zu einer Bezugsphase des Dreiphasenstroms keine Schwierigkeiten.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungs- und Durchführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Motorsteuerungsschema für eine dreiphasige Triac- Steuerung bei Sternschaltung;

Fig. 2 ein Motorsteuerungsschema für eine zweiphasige Triac- Steuerung bei Sternschaltung;

Fig. 3 ein Motorsteuerungsschema für eine zweiphasige Triac- Steuerung bei Dreieckschaltung;

Fig. 4 ein Motorsteuerungsschema für eine Dreiwicklungs-Triac­ steuerung bei Dreieckschaltung;

Fig. 5 Schemen von Ansteuerschaltungen mit zwei Triacs im Ver­ gleich einer Wechselstromschaltung und einer Drehstrom­ schaltung;

Fig. 6 ein Beispiel für Spannungsverläufe nach den Fig. 1 und 4;

Fig. 7 bis 10 Beispiele für Spannungsverläufe bei Schaltungen nach den Fig. 2 und 3.

Fig. 1 zeigt ein Schaltschema eines in Sternschaltung geschalteten Asynchronmotors mit drei Statorwicklungen für die Phasen U, V und W, wobei in jede Phase ein Triac eingeschaltet ist, der als einstücki­ ges Bauelement oder als antiparallel geschaltete Tyristoren reali­ siert sein kann. Fig. 2 zeigt eine Sternschaltung, die hinsichtlich des Orts der Triacs äquivalent der nach Fig. 1 ist, jedoch im Unterschied zu dieser nur in den Phasen V und W Triacs hat, während die Phase U ständig durchgeschaltet ist; eine hinsichtlich der Zahl und Phasenzuordnung hiermit übereinstimmende Schaltung, jedoch für Dreieckschaltung, ist in Fig. 3 dargestellt. Die Einzelheiten der Schaltungen nach den Fig. 1 bis 3 sind insoweit austauschbar, als auch bei Dreieckschaltung zwei Triacs zwischen dem Anschluß und den Wicklungen oder drei Triacs bei Sternschaltung zwischen den Wick­ lungen und dem Sternpunkt oder bei Dreieckschaltung in den drei Zuleitungen enthalten sein können. Fig. 4 zeigt eine nur für die Verwendung von drei Triacs geeignete Steueranordnung, bei der bei Dreieckschaltung die Triacs in die einzelnen Wicklungszweige eingeschaltet sind.

Zur Ansteuerung müssen bei Fig. 1 stets zwei Triacs gleichzeitig leiten, da in jedem Stromflußintervall über ein Triac die Stromzuleitung und über ein anderes die Stromableitung erfolgt. Bei den Schaltungen nach den Fig. 2 und 3 braucht gleichzeitig nur ein Triac angesteuert zu sein, der andere Stromleitpfad ist jeweils die ständig durchgeschaltete Phase U. Nach Fig. 4 kann ebenfalls, je nach Anschnittwinkel, auch zu einer Zeit ein einziger Triac durch­ geschaltet sein.

Fig. 5 zeigt die Anschlußleiste und schematisch die daran ange­ schlossenen Schaltungen einerseits für eine Ansteuerschaltung von zwei Einphasen-Wechselstrommotoren und andererseits für die Ansteuerschaltung eines Drehstrommotors. Für den Wechselstrommotor sind jedenfalls nur zwei Triacs erforderlich, die in die Ansteuer­ schaltung integriert sind. Soll nun, beispielsweise bei höherem Leistungsbedarf, statt der Wechselstromschaltung eine Drehstrom­ schaltung verwendet werden, so ist es erwünscht, unter Verwendung eines identischen Gehäuses ebenfalls mit zwei Triacs auszukommen. Dies macht für die Steuerung mit höheren Leistungen, also kleinen Anschnittwinkeln keine wesentlichen Probleme, erweist sich aber als problematisch, wenn mit großen Anschnittwinkeln niedrige Drehzahlen eingesteuert werden sollen.

In der Zeichnung ist die Ansteuerelektronik für die Triacs nicht im einzelnen dargestellt, beachtlich ist jedoch, daß eine in den Schaltplänen von Fig. 5 eingezeichnete Ansteuerelektronik EL einen Mikroprozessor enthält, mit dessen Hilfe Taktsignale in Abstimmung auf eine Bezugsphase des Dreiphasenstroms mit praktisch beliebiger Taktung und zeitlicher Positionierung erzeugt werden können.

In Fig. 6 sind für Fig. 1 unter gegenseitiger zeitlicher Zuordnung untereinander folgende Größen aufgezeichnet, wobei jeweils die Zeit auf der Abszisse aufgetragen ist: Oben sind die drei Phasenspannun­ gen U, V und W ihrem Sinusverlauf nach dargestellt; darunter sind die Ansteuerzeitpunkte der in den Phasen-Zuleitungen U, V und W eingeschalteten Triacs dargestellt; und wiederum darunter sind die Spannungen jeweils relativ zu einer der Phasen, die die Nullinie bildet, dargestellt. Bei dieser Dreiphasen-Ansteuerung werden jeweils zwei Triacs angesteuert, woraufhin innerhalb der betreffen­ den Wicklungen entsprechend dem Verlauf der augenblicklichen Spannungen zwischen den beiden "aktiven" Phasen für ein längeres oder kürzeres Intervall Strom fließt, bis die beiden Phasenspannun­ gen gleich sind, also gegeneinander die Spannung "0" haben. Fig. 6 zeigt eine Ansteuerung der aufeinanderfolgenden Phasen in jeder vierten Halbwelle, mit dem Erfolg, daß die resultierende Spannung jeder Phase nicht nur einen erheblich erniedrigten Mittelwert aufweist, sondern auch eine halbierte Frequenz, wie aus den auf die einzelnen Phasen bezogenen Spannungsverläufen in den drei unteren Darstellungen der Figur erkennbar ist. Handelt es sich also um einen Asynchronmotor mit einer Synchrondrehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute bei 50 Hz, so hat er bei der dargestellten Ansteuerung eine Synchrondrehzahl von 1500 Umdrehungen pro Minute, da er nur noch mit 25 Hz angesteuert wird. Durch Verringerung des Anschnittwinkels bzw. Erhöhung des Leitwinkels werden die als Spannungsspitzen dargestell­ ten Durchlaßintervalle breiter und werden damit die gemittelten Phasenspannungen höher, wodurch der Schlupf kleiner wird und sich die Drehzahl in Abhängigkeit vom Bremsmoment allmählich der Syn­ chrondrehzahl annähert.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer Ansteuerung nach den Fig. 2 oder 3. Auch hier spielt jeweils die augenblickliche Spannungsdifferenz zwischen zwei Phasen eine Rolle, jedoch bei hohen Anschnittwinkeln jeweils nur zwischen einer der Phasen V und W gegen die ständig durchgeschaltete Phase U. Wie später noch ausführlicher erläutert wird, wird im Rahmen der erfindungsgemäßen Steuerung bei solchen Installationen zum Erzielen niedriger Drehzahlen nur in jeder x-ten, nämlich dritten, fünften, siebten usw. Halbwelle der jeweiligen Phase V bzw. W angesteuert, um Bremsphasen im Verlauf der Umdrehung des Rotors zu vermeiden und einen ruhigen Lauf zu erzielen. Fig. 7 veranschaulicht die Ansteuerung in jeder dritten Halbwelle, wobei x = eine ungerade Zahl ≠ 1. Der Strom stellt sich entsprechend der momentanen Spannung zur Phase U ein und der Triac wird sperrend, wenn diese relative Spannung und damit der Strom zu Null wird. Wie aus der Fig. 7 ersichtlich ist, ist bei dieser Ansteuerung die effektive Frequenz gedrittelt, sie beträgt also bei einer Netz­ frequenz von 50 Hz nur noch 16 2/3 Hz. Sämtliche Phasen führen reinen Wechselstrom ohne Gleichstromkomponente, allerdings führt die Phase U den doppelten Strom, so daß die Kraft, die auf den Rotor einwirkt, nicht um den gesamten Innenumfang des Stators konstant ist. Dies führt jedoch insbesondere beispielsweise bei einem Käfigläufermotor nicht zu einem Drehzahlflattern, da die örtlich ungleichen Drehmomente durch die mechanische Stabilität des Rotors aufgenommen werden.

Soll die Drehzahl noch niedriger eingestellt werden, so kann man auf die Ansteuerung nach Fig. 8 übergehen. Die Frequenz und damit die Synchrondrehzahl sind hier auf 1/5 erniedrigt. Durch den Anschnitt­ winkel kann hier wiederum ein höherer oder niedrigerer Schlupf im Vergleich zur ohnehin schon relativ niedrigen Synchrondrehzahl eingesteuert werden.

Beim Übergang von einer niedrigen Drehzahl, etwa gemäß Fig. 8, zu einer hohen Drehzahl etwa im Sinne einer Vollaussteuerung können verschiedene Vorgehensweisen angewandt werden, um die Drehzahl anzuheben. Innerhalb der einzelnen in den Fig. 7 bzw. 8 dargestell­ ten Betriebszustände wird zunächst der Anschnittwinkel verkleinert, um so den Schlupf zu erniedrigen und sich der dem betreffenden Zustand entsprechenden Synchrondrehzahl zu nähern. Beim Übergang etwa vom Zustand von Fig. 7 auf den Zustand von Fig. 8 ist es möglich, dies sprunghaft zu erledigen, indem man nach einer letzten Ansteuerung der fünften Halbwelle mit kleinem Anschnittwinkel nun, ausgehend von dieser zuletzt angesteuerten Halbwelle, auf die von da an nächste dritte Halbwelle übergeht und dort mit hohem Anschnitt­ winkel ansteuert und nun beim Ansteuertakt mit jeder dritten Halbwelle bleibt, so daß bei diesem Übergang sich gleichzeitig die Synchrondrehzahl erhöht und der Schlupf vergrößert, was - allerdings lastabhängig - als stetige Drehzahlsteuerung durchgeführt werden kann.

Als Alternative ist es auch möglich, in nicht eingezeichneter Weise für eine Übergangsphase gleichzeitig den Fünfertakt und den Dreier­ takt zu fahren, anfänglich den Fünfertakt jedoch mit kleinem An­ schnittwinkel und den Dreiertakt mit großem Anschnittwinkel, wobei es wiederum möglich ist, eine konstante Zählung zu haben, so daß sich die relativen Positionen der angesteuerten Halbwellen zuein­ ander ändern und diese auch bei jeder fünfzehnten Halbwelle zu­ sammenfallen; oder indem man nach jeder fünften Halbwelle eine dritte und eine fünfte Halbwelle abzählt und diese entsprechend ansteuert.

In vergleichbarer Weise erfolgt dann der Übergang vom Betriebs­ zustand nach Fig. 7, also mit Ansteuerung jeder dritte Halbwelle, zum Betriebszustand gemäß der üblichen Zweiphasensteuerung, wobei also sämtliche Halbwellen angesteuert sind oder, um bei der Aus­ drucksweise zu bleiben, jede erste Halbwelle wieder ausgesteuert wird, also x = 1. Dieser Zustand ist in Fig. 9 symbolisiert, während Fig. 10 zeigt, wie es sich auswirkt, wenn jede zweite - oder eine sonstige geradzahlige Folge - der Halbwellen angesteuert wird. Bei dieser letzteren Situation zeigt sich, daß in den Wicklungen erhebliche Gleichstromkomponenten fließen, wobei das Drehfeld periodenweise hinter der idealen Felddrehung zurückbleibt und auf den Rotor kurzzeitige Bremsmomente ausübt, die zu einem Rütteln und unruhigem Lauf und zu sehr starker Erwärmung führen.

Die Problematik der Ansteuerung über zwei Triacs wird dann leichter, wenn aufgrund sehr niedriger Ansteuerungen, also großer Leitwinkel, nennenswerte Intervalle vorhanden sind, in denen die gesteuerten Triacs gleichzeitig leiten und zwischen den Phasen V und W Strom fließt. Man nähert sich dann schließlich dem ungesteuerten Zustand an. Die Erfindung hat ihre Bedeutung hauptsächlich im unteren Drehzahlbereich, also bei stark heruntergeregelten Motoren.

Claims (6)

1. Verfahren zum Steuern der Drehzahl eines elektrischen Drei­ phasen-Asynchronmotors mit drei den Phasen oder den Motor­ wicklungen zugeordneten Strompfaden und in die Strompfade eingeschalteten Triacs, dadurch gekennzeichnet, daß man zumindest im unteren Drehzahlbereich die Triacs im Phasen­ anschnitt jeweils nur in jeder x-ten Halbwelle zündet, wobei x = eine ganze Zahl ≠ 1.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im Verlauf des Durchfahrens eines Drehzahlbereichs den Phasen­ anschnittwinkel und x verändert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man nur in zwei jeweils einer Phase zugeordneten Stromzulei­ tungen Triacs verwendet, wobei x = eine ungerade Zahl.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Steuerung eines Motors mit strö­ mungsdynamischer Bremsung.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwen­ dung zur Steuerung eines Lüftermotors.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 3, mit zwei in jeweils eine von zweien (V, W) der drei Phasen (U, V, W) zugeordneten Stromleitungen eines Dreiphasen- Asynchronmotors eingesetzten Triacs und einer Ansteuerschal­ tung für die Triacs, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteu­ erschaltung einen Mikroprozessor enthält.