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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Motorsteuergeräte und insbesondere einen Motor-Sanftanlaufanlasser,
der automatisch abtastet, ob der Anlasser überbrückt wird, und am Ende eines
Lauf-Betriebs des
Motors eine Zeitverzögerung
anfügt,
um eine Lichtbogenbildung zu verhindern.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Anwendung von Halbleiteranlassern/Steuergeräten zur Steuerung des Anlegens
von Strom an einen Wechselstrom-Induktionsmotor
ist weit verbreitet. Ein Typ eines Anlassers/Steuergerätes ist
der Halbleiter-Ständeranlasser
(reduced voltage solid state starter, RVSS). Der Anlasser/das Steuergerät, im weiteren
einfach als Steuergerät
bezeichnet, steuert mit Hilfe von Siliziumthyristoren (silicon-controlled
rectifiers, SCRs) oder Triacs das Anlegen einer Wechselstrom-Leitungsspannung
an den Motor. Das Steuergerät
enthält
normalerweise mit den Siliziumthyristoren gekoppelte, mit Aluminiumrippen
versehene Wärmesenken
zum Abführen
der Wärme.
Wenn das Steuergerät
längere
Zeit in Betrieb war, erwärmen
sich die Wärmesenken
und die Siliziumthyristoren. Normalerweise führen die Wärmesenken diese Wärme an die
das Steuergerät
umgebende Luft ab. Ein das Steuergerät umschließendes Gehäuse weist Belüftungsöffnungen
auf, damit die das Steuergerät
umgebende Luft, die sich erwärmt
hat, gegen kühlere
Luft von außen
ausgetauscht wird. Falls die Luft nicht ausgetauscht wird, kommt
es zu einer zunehmenden Wärmeentwicklung im
Inneren des Gehäuses,
welche die Siliziumthyristoren beschädigt oder zerstört.
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In
einigen Anwendungsfällen
kann das Gehäuse
aufgrund der vorhandenen Umgebung nicht belüftet werden. Zum Beispiel muss
in einer Molkerei die Anlage mit einem Hochdruckschlauch gewaschen
werden. Dabei würden
Reinigungslösungen durch
die Belüftungsöffnungen
dringen und die Siliziumthyristoren beschädigen oder zerstören. Bei
dieser Art von Anwendung muss das Gehäuse vollständig abgedichtet sein. Die
Wärmeentwicklung
muss in Grenzen gehalten werden, da die Wärme nicht durch Belüftung nach
außen
abgeführt
werden kann. Eine bekannte Methode zur Eindämmung dieser Wärme besteht
darin, das Steuergerät
während
der Dauer seines Betriebs zu überbrücken.
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Um
das Steuergerät
zu überbrücken, wird
für jedes
Paar von Siliziumthyristoren ein mit ihm parallelgeschalteter elektromechanischer
Kontakt verwendet. Die Kontakte schließen sich, nachdem der Anlaufvorgang
der Motorlast des Steuergerätes
beendet ist und der Motor mit maximaler Drehzahl läuft. Wenn
sich die Kontakte schließen,
fließt
der Strom nicht mehr durch die Siliziumthyristoren und beginnt, über die
Kontakte zu fließen.
Das liegt daran, dass die Kontakte eine niedrigere Impedanz als
die Siliziumthyristoren aufweisen. Wenn der Strom über die Kontakte
mit niedrigerer Impedanz fließt,
ist die Wärmeentwicklung
im Vergleich zu der Wärme,
die von den Siliziumthyristoren abgeführt wurde, so gut wie beseitigt.
Deshalb ist keine Belüftung
erforderlich.
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In
den beiden Europa-Patenten EP-A-0.446.936 und EP-A-1.037.372 (Stand
der Technik nach Art. 54(3) EPÜ)
werden Motorsteuergeräte
beschrieben, die einen Halbleiterschalter zwischen einer Wechselstromleitung
und einer Motoranschlussklemme sowie mit dem Halbleiterschalter
parallelgeschaltete Überbrückungsmittel
aufweisen.
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Am
Ende des Lauf-Betriebs des Motors wird der Motor durch Unterbrechen
des zur Motorlast führenden
Stromkreises ausgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt führen die
Kontakte den Strom. Ein Kontakt bildet einen Lichtbogen, wenn er
sich öffnet,
während
er von Strom durchflossen wird. Diese Lichtbogenbildung übersteigt
die Sperrfähigkeit
der parallelgeschalteten Siliziumthyristoren und kann die Siliziumthyristoren
beschädigen
oder zerstören.
Um diese Beschädigung
zu verhindern, müssen
die Siliziumthyristoren bereit bleiben, Strom zu leiten, sobald sich
die Kontakte öffnen.
Dies verhindert, dass es zu einer Lichtbogenbildung kommt, da der
Motorlaststrom noch immer fließt.
Nachdem sich die Kontakte vollständig
geöffnet
haben, so dass sie keinen Strom führen können, können die Siliziumthyristoren
abgeschaltet werden. Da das Abschalten der Siliziumthyristoren bei
Nullstrom erfolgt, ist keine Energie in der Motorlast des Steuergerätes vorhanden
und es tritt keine Lichtbogenbildung auf, welche die Triacs beschädigen oder
zerstören
könnte.
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Um
das Abschalten der Triacs unter den oben beschriebenen Bedingungen
zu steuern, wird gegenwärtig
ein Verzögerungsrelais
verwendet. Da diese Verzögerung
möglicherweise
nicht bei allen Anwendungen wünschenswert
ist, muss der Gerätebenutzer
oder Gerätehersteller
daran denken, diese Verzögerung
zu aktivieren, wenn sie benötigt
wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der
oben erörterten
Probleme auf eine neue und einfache Weise zu lösen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
wird ein Motorsteuergerät
für einen
mit einer Wechselstrom-Leitungsspannung betriebenen Motor bereitgestellt,
welches umfasst: Halbleiterschaltermittel, die zwischen einer Wechselstromleitung
und einer Motoranschlussklemme zwischengeschaltet werden können, um
das Anlegen einer Wechselstrom-Leitungsspannung
an den Motor zu steuern; Überbrückungsmittel,
die mit den Halbleiterschaltermitteln parallelgeschaltet sind, zur selektiven Überbrückung der
Halbleiterschaltermittel; und Fühlermittel,
um automatisch abzutasten, ob die Überbrückungsmittel die Halbleiterschaltermittel überbrücken; und
welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es ferner mit den Fühlermitteln
und den Halbleiterschaltermitteln verbundene Steuerungsmittel zum Ändern der
relativen Dauer der Einschaltzeit und der Ausschaltzeit der Halbleiterschaltermittel während jedes
Zyklus der Leitungsspannung zur Einregelung der Motorspannung auf
einen Referenzpegel umfasst, wobei die Steuerungsmittel nach einem Lauf-Betrieb
des Motors eine Zeitverzögerung
anfügen,
bevor sie die Halbleiterschaltermittel ausschalten, um den Motor
abzuschalten, falls die Überbrückungsmittel
die Halbleiterschaltermittel überbrücken.
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Ein
weiteres Merkmal der Erfindung ist es, dass das Schaltermittel einen
Siliziumthyristor (silicon controlled rectifier, SCR) umfasst.
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Ein
weiteres Merkmal der Erfindung ist es, dass das Schaltermittel einen
Triac umfasst.
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Ein
weiteres Merkmal der Erfindung ist es, dass das Fühlermittel
abtastet, ob das Überbrückungsmittel
das Halbleiterschaltermittel überbrückt, indem
es in jeder Halbperiode abtastet, ob während des Zeitintervalls zwischen
leitenden Zuständen
des Halbleiterschaltermittels ein Spannungsimpuls am Schaltermittel
anliegt.
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Ein
weiteres Merkmal der Erfindung ist es, dass das Fühlermittel
den Spannungsabfall an einem der Halbleiterschaltermittel und den
Motorstrom abtastet.
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Ein
zusätzliches
Merkmal der Erfindung ist es, dass das Fühlermittel die abgetastete
Spannung während
des Zeitintervalls zwischen leitenden Zuständen des Halbleiterschaltermittels
misst.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Motorsteuergerät für einen
mit einer Wechselstrom-Leitungsspannung betriebenen Motor offenbart.
Das Motorsteuergerät
umfasst Siliziumthyristoren, die zwischen einer Wechselstromleitung
und einer Motoranschlussklemme zwischengeschaltet werden können, um
das Anlegen einer Wechselstrom-Leitungsspannung an den Motor zu
steuern. Mit den Siliziumthyristoren sind Kontakte zur selektiven Überbrückung der
Siliziumthyristoren parallelgeschaltet. Eine Fühlerschaltung tastet ab, ob
die Kontakte die Siliziumthyristoren überbrücken.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum automatischen
Abtasten der Überbrückung eines
Motorsteuergerätes
für einen
mit einer Wechselstrom-Leitungsspannung betriebenen Motor offenbart.
Das Verfahren umfasst das Vorsehen von Siliziumthyristoren, die
zwischen einer Wechselstromleitung und einer Motoranschlussklemme
zwischengeschaltet werden können, um
das Anlegen einer Wechselstrom-Leitungsspannung an den Motor zu
steuern; das selektive Überbrücken der
Siliziumthyristoren mit Hilfe von mit den Siliziumthyristoren parallelgeschalteten
Kontakten während
einer Lauf-Betriebsart des Motors; und das automatische Abtasten,
ob die Kontakte die Siliziumthyristoren überbrücken.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der Patentbeschreibung
und aus der Zeichnung leicht ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist ein Blockschaltbild
eines Motorsystems, welches ein erfindungsgemäßes Motorsteuergerät umfasst;
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2 zeigt eine Reihe von Kurven,
welche die Funktionsweise des Motorsystems von 1 unter den Bedingungen mit und ohne Überbrückung veranschaulicht;
und
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3 ist ein Flussdiagramm
einer Routine, die in einer Steuerung von 1 implementiert ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
wird auf 1 Bezug genommen;
ein erfindungsgemäßes Motorsteuergerät 10 steuert
den Betrieb eines Motors 12, der mit einer Wechselstrom-Leitungsspannung
versorgt wird, die von einer Wechselstromquelle 14 erzeugt
wird. Die Stromquelle 14 liefert Leitungsspannung, normalerweise
200 bis 690 V WS, die an die Anschlussklemmen L1, L2 und L3 angelegt
wird. Das Motorsteuergerät 10 umfasst
Halbleiterschalter in Form von zwei in Gegenparallelschaltung geschalteten
Siliziumthyristoren (SCRs) oder einzelnen Triacs 16, 17 und 18.
Die Triacs 16–18sind
zwischen den jeweiligen Leitungsklemmen L1, L2, L3 und den jeweiligen
Motoranschlussklemmen T1, T2 und T3 zwischengeschaltet. Die Triacs 16–18 steuern
das Anlegen der Dreiphasenwechselstrom-Leitungsspannung 14 an den
Motor 12.
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Die
hier beschriebene Erfindung betrifft den Schutz der Siliziumthyristoren
oder Triacs 16–18 vor einer
Lichtbogenbildung, indem automatisch abgetastet wird, ob die Triacs 16–18 überbrückt werden, und
indem, wenn dies der Fall ist, vor dem Abschalten eine Zeitverzögerung angefügt wird.
Das Steuergerät 10 ist
für den
Fall der Steuerung eines Dreiphasensystems dargestellt. Wie noch
ersichtlich wird, kann die Erfindung jedoch in Verbindung mit Motorsteuergeräten zur
Steuerung einer beliebigen Anzahl von Phasen verwendet werden.
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Die
Triacs
16–
18 sind
eigentlich in zwei Richtungen wirkende Siliziumthyristoren. Ein
Triac ist ein Gate-Steuerungs-Halbleitergerät, welches
einen Stromfluss durch es hindurch ermöglicht, wenn die Spannung an
seinem Gate einen Schwellwert übersteigt.
Sobald der Schwellwert überschritten
worden ist, fließt
der Strom dann weiter durch den Triac hindurch, bis der Strom auf
null absinkt; ab diesem Zeitpunkt ist die Leitfähigkeit nicht mehr vorhanden,
bis der Gate-Schwellwert erneut überschritten
wird. Die Triacs
16–
18 werden
von einer Steuereinheit
20 gesteuert. Die Steuereinheit
20 ändert die
relative Dauer der Einschaltzeit und der Ausschaltzeit während jedes
Zyklus der Leitungsspannung, um die Motorspannung auf einen Referenzpegel
einzupegeln. Die Steuereinheit
20 erzeugt die Schaltsignale
zur Ansteuerung der Triacs
16–
18. Bei der dargestellten Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Steuergerät
10 einen Halbleiteranlasser/Steuergerät, welches
eine Funktion als Ständeranlasser
(Teilspannungsanlasser; reduced voltage starting, RVSS) gewährleistet.
Die Steuereinheit
20 betreibt zunächst den Motor
12 mit
einer verminderten Spannung und erhöht anschließend die Spannung, bis ein
stationärer
Betrieb erreicht wird. Das grundlegende Schaltschema zur Steuerung
des Betriebs der Triacs
16–
18 ist im Patent
US 4.459.529 beschrieben.
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Das
Steuergerät 10 umfasst
eine Spannungsfühlerschaltung 22 für eine der
Phasen. Die Spannungsfühlerschaltung 22 kann
eine beliebige bekannte Form haben und ist zum ersten Triac 16 parallelgeschaltet,
um die Spannung zwischen L1 und T1 abzutasten. Falls gewünscht, könnten zusätzliche Spannungsfühlerschaltungen
zum Abtasten des Spannungsabfalls am zweiten und dritten Triac 17 und 18 verwendet
werden. Zwischen dem ersten Triac 16 und der Anschlussklemme
T1 ist eine Stromfühlerschaltung 24 geschaltet,
um den Motorstrom für
die erste Phase zu bestimmen. Jede der Fühlerschaltungen 22 und 24 erzeugt
ein zu der jeweiligen Spannung bzw. dem jeweiligen Strom proportionales Analogsignal,
welches zur Steuereinheit 20 übertragen wird.
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Die
Steuereinheit 20 umfasst eine Analogschaltung oder einen
Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor, der auf herkömmliche
Weise so programmiert ist, dass er unter Verwendung des abgetasteten
Spannungs- und Stromsignals die Triacs 16–18 ansteuert.
Die Abbildung zeigt einen programmierten Mikroprozessor.
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..
durch die Triacs 16–18 und
beginnt, durch die Kontakte C zu fließen. Dies liegt daran, dass
die Kontakte C eine niedrigere Impedanz als die Triacs aufweisen.
Obwohl die Spule 26 gemäß der Abbildung
von der Steuereinheit 20 angesteuert wird, könnte die
Spule 26 auch von einer anderen Quelle angesteuert werden.
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Entsprechend
der Erfindung kann der Zustand der das Steuergerät 10 überbrückenden
Kontakte C automatisch abgetastet werden. Dadurch entfällt die
Notwendigkeit, dass der Gerätebenutzer oder
Gerätehersteller
daran denken muss, die oben beschriebene Verzögerung zu aktivieren, wenn
sie benötigt
wird.
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Wenn
die Triacs 16–18 ohne
eine Überbrückung betrieben
werden, tritt während
des kurzen Zeitintervalls zwischen dem stromleitenden Zustand der
einzelnen Siliziumthyristoren in den Paaren, welche die Triacs 16–18 bilden,
ein kurzer Spannungsimpuls auf. Dies ist in den Kurven 30 in 2 dargestellt. Insbesondere
wird die Spannung Vm von der Spannungsfühlerschaltung 22,
siehe 1, abgetastet,
um nach Impulsen 32 an den Nulldurchgängen 34 des Stroms
Im von der Stromfühlerschaltung 24 zu
suchen. Wenn die Triacs 16–18 überbrückt sind, tritt
kein kurzer Spannungsimpuls auf, da die Kontakte C Strom in beiden
Richtungen führen.
Dies ist mittels der Kurven 36 von 2 dargestellt.
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Indem
das Steuergerät 10 das
Vorhandensein bzw. Fehlen der Spannungsimpulse 32 prüft, kann
es automatisch bestimmen, ob die Triacs 16–18 überbrückt sind.
Falls die Triacs 16–18 überbrückt sind,
fügt die
Steuereinheit 20 automatisch am Ende jedes Lauf-Betriebs
des Motors die erforderliche Verzögerung ein, um zu verhindern,
dass die Triacs 16–18 durch
eine Lichtbogenbildung beschädigt
werden.
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Was 3 anbelangt, so zeigt sie
ein Flussdiagramm, welches die Funktionsweise der Steuereinheit 20 während einer
Lauf-Betriebsart
veranschaulicht. Wie oben erörtert,
ist die Steuereinheit 20 auch so programmiert, dass ein
Anlassen mit verminderter Spannung implementiert ist. Die Funktionen des
Anlassens mit verminderter Spannung und der Ansteuerung des Schaltens
der Triacs sind hier nicht im Einzelnen dargestellt, da sie von
herkömmlicher Art
sind. Die Lauf-Betriebsart beginnt mit einem Block 40,
durch den bestimmt wird, ob die Triacs 16–18 überbrückt sind,
wie oben erörtert
wurde. Ist dies der Fall, wird im Block 42 ein Überbrückungs-Merker
gesetzt. Andernfalls wird der Überbrückungs-Merker
in einem Block 44 zurückgesetzt.
Sowohl nach dem Block 42 als auch nach dem Block 44 bestimmt
ein Entscheidungs-Block 46,
ob der Motor 12 aus irgendeinem Grund abgeschaltet werden
muss. Wenn nicht, wird die Lauf-Betriebsart fortgesetzt, indem ein Rücksprung
zum Block 40 erfolgt. Falls der Motor 12 abgeschaltet
werden muss, gelangt die Steuerung in eine Abschalt-Betriebsart.
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Die
Abschalt-Betriebsart beginnt mit einem Entscheidungs-Block 48,
welcher bestimmt, ob der Überbrückungs-Merker
gesetzt ist. Ist dies der Fall, wird in einem Block 50 eine
Verzögerung
angefügt. Am
Ende der Verzögerung
werden in einem Block 52 die Triacs 16–18 ausgeschaltet.
Damit ist die Routine beendet. Wird im Entscheidungs-Block 48 festgestellt,
dass der Überbrückungs-Merker
nicht gesetzt ist, so werden die Triacs ohne eine Verzögerung im Block 52 ausgeschaltet.
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Auf
diese Weise wird gemäß der Erfindung eine
Steuerung bereitgestellt, welche automatisch die Überbrückung der
Halbleiter-Anlassersteuerschalter
abtastet und vor dem Ausschalten der Schalter selektiv eine Verzögerung anfügt, um eine
Beschädigung
der Schalter zu verhindern.