DE4413802C2 - 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 und die Zündung durch einen Mikroprozessor, ins­ besondere von Motoren, die bei niedrigen Drehzahlen durch ein stark erniedrigtes Bremsmoment abgebremst sind, wie beispiels­ weise 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 Paketsteuerung ergibt jedoch einen sehr unruhigen, rüttelnden Lauf, da die Strombeaufschlagung in so großen zeitlichen Ab­ ständen im Hinblick auf den Drehwinkel des Rotors nicht mehr ausreichend durch die Massenträgheit gemittelt werden kann.

Eine Steuerung von Wechsel- und Drehstromstellen derart, daß sich eine verminderte Frequenz und eine verminderte synchrone Drehzahl ergibt, ist in Verbindung mit einer Phasenanschnittsteuerung aus der DE-A-41 30 532, der AT-372556 und der DE-A-34 27 479 bekannt.

Die DE-A-41 30 532 beschreibt hauptsächlich nur einen Ein-Phasen- Wechselstrommotor und erwähnt nur kurz, daß das Verfahren in entsprechender Weise auch bei einem Dreiphasenmotor anwendbar ist. Wie dies dort gehandhabt werden soll, ist nicht näher beschrieben, jedoch kann davon ausgegangen werden, daß es dich bei der Dreiphasensteuerung um eine mit drei Triacs handeln soll.

Die AT-372556 und die DE-A-34 27 479 beschreiben Steuerungen, bei denen über eine gewisse Zeitspanne alle positiven und in einer nachfolgenden Zeitspanne alle negativen Halbwellen an­ geschnitten werden, also innerhalb dieser Zeitspannen jeweils jede zweite Halbwelle angeschnitten wird. Dies wird in jeder der drei Phasen so gehandhabt, so daß drei Hüllkurven verminderter Frequenz entstehen, die gegeneinander um 120° versetzt sind. Ersichtlich ist dies nur mit Triacs in den drei Speiseleitungen möglich.

Auch aus der DE-A-41 30 532 ist die Drehzahlsteuerung durch lückende Stromdurchschaltung und durch Phasenanschnittsteuerung 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 Phasen eines Dreiphasen-Asyn­ chronmotors oder Drehstrommotors durch passenden Phasenanschnitt so zu steuern, daß bei unveränderter Frequenz und damit unver­ änderter 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 Drehzah­ len ist, mit unstabiler, wandernder Drehzahl. Durch das Ansteuern nur z. B. jeder zweiten Halbwelle wird eine Hüllkurve verminder­ ter Frequenz erzeugt (AT 372556, DE-A-34 27 479), mit entspre­ chend verminderter synchroner Drehzahl des Motors.

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-A-30 09 445, 31 07 867, 32 26 150), und zwar sowohl für Sternschaltung als auch für Dreieckschaltung unter Ansteuerung jeder Halbwelle der gesteuerten Phasen. Hierbei muß - im Fall der Sternschaltung bei nicht selbständig ange­ schlossenem Sternpunkt - 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 Phasenströme 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, wenn die Zündwinkel nicht exakt einge­ halten werden, hohe Gleichstromkomponenten in der ungesteuerten Wicklung, die hierdurch intervallweise eine erhebliche Bremsung auf den Rotor ausübt, so daß insbesondere bei großen Asynchron­ motoren hoher Nennleistung ein sehr unruhiger, vibrierender Lauf auftritt. Die an sich bekannte Hüllkurvenbildung, bei der um 120° gegeneinander phasenverschobene resultierende Spannungen ver­ minderter Frequenz entstehen, ist mit nur zwei gesteuerten Phasen nicht ohne weiteres durchführbar.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einigermaßen definierte Steuerung von Dreiphasen-Asynchronmotoren auch im unteren Drehzahlbereich bei weitgehend ruhigem Motorlauf mit möglichst geringer Gleichstromkomponente auch bei einer Phasenanschnittsteuerung in zwei der drei Phasen zu ermöglichen. Dies wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung erreicht. Durch die Lehre von Anspruch 1 können auch bei Verwen­ dung einer Steuerung mit nur zwei Triacs die Phasenspannungen zugleich durch die resultierende Frequenz und durch eine an sich frequenzunabhängige Steuerung der resultierenden Spannung beein­ flußt 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 passender Einstellung noch nicht zum Auftreten von Vibrationen führen. Durch die Ansteuerung beispielsweise jeder dritten Halbwelle wird zunächst die Synchrondrehzahl des Asyn­ chronmotors erniedrigt auf 1/3 der Synchrondrehzahl bei Vollaus­ steuerung, 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, so daß auch der Schlupf höher wird. Bei einer Erhöhung der Drehzahl kann schließ­ lich, wenn sich die Leitungsintervalle der beiden gesteuerten Phasen überlappen, auch jede zweite oder schließlich jede Halb­ welle angesteuert werden. Durch dieses Steuerungsverfahren ergibt sich ein sehr ruhiger Lauf von den niedrigsten bis zu den höch­ sten Drehzahlen. Die Feinheit und zeitliche Genauigkeit der Ansteuerung, die sich in der Praxis als schwierig erweist, wird durch den Mikroprozessor ermöglicht. Mit einer solchen Ansteue­ rung bereiten die Zeitvorgaben des Zündzeitpunkts relativ zu einer Bezugsphase des Dreiphasenstroms keine Schwierigkeiten.

Das erfindungsgemäße Verfahren findet, ebenso wie manche bekann­ ten Triac-Steuerungen (Toth: "Leistungsfaktor durch Einchipcompu­ ter gesteuert" in: DE-Z: Elektronik, 1981, H. 12, S. 97-101), eine vorzugsweise Anwendung zur Steuerung eines Lüftermotors, der je nach gewünschter Klimatisierung mit sehr unterschiedlichen Drehzahlen fahren soll und außerdem zur Vermeidung von Anlaufs­ tromstößen nur allmählich hochlaufen soll, bei niedrigen Drehzah­ len jedoch nur ein relativ niedriges Bremsmoment zu überwinden hat; und zwar mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Steuerung nach Anspruch 5. Die Steuerung zur Durchführung des Verfahrens kann ihrem Aufbau nach so gestaltet sein, daß sie in gleicher Weise auch zur Drehzahlsteuerung eines Wechselstrommotors verwendbar ist, nur der Mikroprozessor muß anders programmiert werden.

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

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

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

Fig. 3 Schemen von Ansteuerschaltungen mit zwei Triacs im Vergleich einer Wechselstromschaltung und einer Dreh­ stromschaltung;

Fig. 4 bis 7 Beispiele für Spannungsverläufe bei Schaltungen nach den Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt ein Schaltschema eines in Sternschaltung geschalte­ ten Asynchronmotors mit drei Statorwicklungen für die Phasen U, V und W, wobei die Schaltung nur in den Phasen V und W Triacs hat, während die Phase U ständig durchgeschaltet ist; eine hinsichtlich der Zahl und Phasenzuordnung hiermit übereinstim­ mende Schaltung, jedoch für Dreieckschaltung, ist in Fig. 2 dargestellt. Bei der Schaltung nach Fig. 1 können die beiden Triacs auch zwischen dem Anschluß und den Wicklungen, anstatt zwischen den Wicklungen und dem Sternpunkt enthalten sein. Zur Ansteuerung braucht gleichzeitig nur einer der Triacs angesteu­ ert zu sein, der andere Stromleitpfad ist jeweils die ständig durchgeschaltete Phase U.

Fig. 3 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 Wechselstrom­ motor sind jedenfalls nur zwei Triacs erforderlich, die in die Ansteuerschaltung integriert sind. Soll nun, beispielsweise bei höherem Leistungsbedarf, statt der Wechselstromschaltung eine Drehstromschaltung verwendet werden, so ist es erwünscht, unter Verwendung eines identischen Gehäuses ebenfalls mit zwei Triacs auszukommen. Dies macht für die Steuerung mit höheren Leistun­ gen, also kleinen Anschnittwinkeln keine wesentlichen Probleme, erweist sich aber als problematisch, wenn mit großen Anschnitt­ winkeln 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. 3 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. 4 sind für Fig. 1 und 2 unter gegenseitiger zeitlicher Zuordnung untereinander folgende Größen aufgezeichnet, wobei jeweils die Zeit auf der Abszisse aufgetragen ist: Oben sind die drei Phasenspannungen U, V und W ihrem Sinusverlauf nach dargestellt; darunter sind die Ansteuerzeitpunkte der in den Phasen-Zuleitungen 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 Zweiphasen-Ansteuerung wird jeweils ein Triac angesteu­ ert, woraufhin innerhalb der betreffenden Wicklungen entspre­ chend dem Verlauf der augenblicklichen Spannung zwischen der "aktiven" Phase und der U-Phase für ein längeres oder kürzeres Intervall Strom fließt, bis die beiden Phasenspannungen gleich sind, also gegeneinander die Spannung "0" haben.

Die Spannungsdifferenz zwischen den jeweiligen beiden Phasen V-U und W-U spielt bei hohen Anschnittwinkeln jeweils nur zwischen einer der Phasen V und W gegen die ständig durchgeschaltete Phase U eine Rolle. 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. 4 veranschaulicht die Ansteuerung in jeder dritten Halbwelle, wobei also 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. Bei dieser Ansteuerung ist 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. 5 übergehen. Die Frequenz und damit die Synchrondrehzahl sind hier auf 1/5 erniedrigt. Durch den Anschnittwinkel kann hier wiederum ein höherer oder niedri­ gerer Schlupf im Vergleich zur ohnehin schon relativ niedrigen Synchrondrehzahl eingesteuert werden.

Beim Übergang von einer niedrigen Drehzahl, etwa gemäß Fig. 5, zu einer hohen Drehzahl etwa im Sinne einer Vollaussteuerung können verschiedene Vorgehensweisen angewandt werden, um die Drehzahl anzuheben. Innerhalb der einzelnen in den Fig. 4 bzw. 5 dargestellten Betriebszustände wird zunächst der Anschnitt­ winkel verkleinert, um so den Schlupf zu erniedrigen und sich der dem betreffenden Zustand entsprechenden Synchrondrehzahl zu nähern. Beim Übergang etwa vom Zustand von Fig. 5 auf den Zustand von Fig. 4 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 Anschnittwinkel 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 Dreiertakt zu fahren, anfänglich den Fünfertakt jedoch mit kleinem Anschnittwinkel und den Dreiertakt mit großem Anschnitt­ winkel, wobei es wiederum möglich ist, eine konstante Zählung zu haben, so daß sich die relativen Positionen der angesteuerten Halbwellen zueinander ändern und diese auch bei jeder fünfzehn­ ten Halbwelle zusammenfallen; 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. 4, also mit Ansteuerung jeder dritte Halbwel­ le, zum Betriebszustand gemäß der üblichen Zweiphasensteuerung, wobei also sämtliche Halbwellen angesteuert sind oder, um bei der Ausdrucksweise zu bleiben, jede erste Halbwelle wieder ausgesteuert wird, also x = 1. Dieser Zustand ist in Fig. 6 symbolisiert, während Fig. 7 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 Gleichstromkompo­ nenten 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 schließ­ lich dem ungesteuerten Zustand an. Die Erfindung hat ihre Bedeutung hauptsächlich im unteren Drehzahlbereich, also bei stark heruntergeregelten Motoren.

Claims (5)

1. Verfahren zum Steuern der Drehzahl eines elektrischen Dreiphasen-Asynchronmotors mit drei den Phasen oder den Motorwicklungen zugeordneten Stromzuleitungen und in zweien dieser Stromzuleitungen eingeschalteten Triacs, dadurch gekennzeichnet, daß man im unteren Drehzahlbereich die Triacs im Phasenanschnitt jeweils nur in jeder x-ten Halbwelle zündet, wobei x = eine ganze ungerade Zahl ≠ 1, und die Zündung durch einen Mikroprozessor steuert.

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

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Steuerung eines Motors mit strö­ mungsdynamischer Bremsung.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Steuerung eines Lüftermotors.

5. Steuerung für einen elektrischen Dreiphasen-Asynchronmotor zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit drei den Phasen oder den Motorwicklungen zugeordneten Stromzuleitungen und in zweien dieser Stromzuleitungen eingeschalteten Triacs, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ansteuerschaltung für die Triacs einen Mikroprozessor enthält, der im unteren Drehzahlbereich die Triacs im Phasenanschnitt jeweils nur in jeder x-ten Halbwelle zündet, wobei x = eine ganze ungerade Zahl ≠ 1.