DE4215551A1

DE4215551A1 - Antriebsvorrichtung, insbesondere waschautomatenantrieb, mit aus einem einphasen-wechselstromnetz umrichtergespeistem asynchronmotor

Info

Publication number: DE4215551A1
Application number: DE4215551A
Authority: DE
Inventors: Hans-Wilhelm Dipl Ing Klein
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1991-05-23
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 1992-11-26

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung, ins besondere Waschautomatenantrieb, mit aus einem Einphasen- Wechselstromnnetz umrichtergespeistem Asynchronmotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1; eine derartige Antriebsvorrich tung ist aus der EP-A1-04 02 267 bekannt.

Bei der bekannten, auch zum Antrieb einer Trommelwaschmaschine vorgesehenen Antriebsvorrichtung wird ein Asynchronmotor mit einer Statorwicklung aus zumindest zwei Statorphasen mit bifilarem Aufbau und Mittelanzapfung zur Einspeisung eines aus einem Einphasen-Wechselstromnetz über einen Gleichstrom- Zwischenkreis mit Pulsbreitenmodulation steuerbaren Stromes gleicher Richtung (Unipolar-Betrieb) vorgesehen. Die Drehzahl änderung des Asynchronmotors und damit die Festlegung der maximalen Drehzahlspreizung erfolgt ausschließlich durch Veränderung der Statorfrequenz des Asynchronmotors durch den Wechselrichter, wobei vorzugsweise solche Takt-Frequenzen für die Pulsbreitenmodulation ausgewählt werden, die über dem hörbaren Frequenzbereich liegen. Besondere Hinweise zum Wick lungsaufbau in einer Statornut werden nicht vermittelt.

Gemäß Aufgabe vorliegender Erfindung soll eine Antriebsvor richtung, insbesondere ein Waschautomatenantrieb, mit einem antreibenden umrichtergespeisten Asynchronmotor geschaffen werden, der bei verringertem regeltechnischem Aufwand trotz dem eine höhere Drehzahlspreizung und somit bei einem Wasch automatenantrieb bei einerseits festgelegter Waschdrehzahl eine möglichst hohe Schleuderdrehzahl erlaubt.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einer Antriebsvorrich tung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung erlaubt trotz reduzierten regeltechnischen Aufwandes aufgrund nur jeweils einer umrichtergespeisten Statorphase mit bifilarem Wick lungsaufbau eine für einen Waschautomatenantrieb optimale Drehzahlspreizung mit voll gewährleisteter Drehzahlregelbar keit sowohl im Wasch- als auch im Schleuderbetrieb.

Eine besonders hohe Schleuderenddrehzahl bei festliegender unterer Drehzahl für den Waschbetrieb läßt sich dadurch errei chen, daß nach einer Ausgestaltung der Erfindung in einem an den Hochdrehzahlbereich, d. h. an den Schleuderhochlauf bzw. einen Schleuderlauf mit geringerer Drehzahl anschließenden Höchst drehzahlbereich von der ersten drehzahlregelbaren Statorphase bestimmter Polzahl auf eine weitere umrichtergespeiste dreh zahlregelbare Statorphase geringerer Polzahl umschaltbar ist, wobei in vorteilhafter Weise die gleiche Steuerelektronik einsetzbar ist. Zweckmäßigerweise ist eine jeweils 4-polige (2p=4) erste Statorphase und zweite Statorphase für den Niedrigdrehzahlbereich sowie eine 2-polige (2p=2) weitere Statorphase nach dem Umschalten auf den Höchstdrehzahlbereich vorgesehen. Die Abschaltung der zweiten direkt aus dem Ein phasen-Wechselstromnetz gespeisten Statorphase ohne bifilaren Wicklungsaufbau bzw. die Umschaltung von der ersten Stator phase auf die weitere Statorphase erfolgt in besonders auf wandsarmer Weise jeweils durch ein Abschalt- bzw. Umschaltrelais.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß der Aufwand für den elektronischen Steuer- bzw. Regelbetrieb und die Baugröße des Asynchronmotors dadurch in vorteilhafter Weise vermindert werden kann, daß die beiden bifilaren Wicklungsteile in der ersten bzw. weiteren Statorphase in einer Statornut jeweils schicht weise radial übereinander gewickelt werden; aufgrund der dadurch erreichbaren kapazitiven Entkopplung lassen sich uner wünschte überhöhte Einschaltstromspitzen beim Choppern der ersten bzw. weiteren Statorphase vermindern.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungs beispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 das Gesamtschaltbild einer Waschautomaten-Antriebs vorrichtung,

Fig. 2 eine Spezialausführung des elektronischen Kommutators gemäß Fig. 1,

Fig. 3 in einem Statorausschnitt die Nutbelegung durch die drei, teilweise alternativ schaltbaren Statorphasen der Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt das Prinzip-Schaltbild eines Waschautomaten antriebs mit einem aus einem Einphasen-Wechselstromnetz R, M_p gespeisten Einphasen-Asynchronmotor 4 mit einer ersten Statorphase 4.1 mit bifilarem Wicklungsaufbau, einer zweiten Statorphase 4.2 mit normaler Wechselstromwicklung und einer weiteren, alternativ zur ersten Statorphase 4.1 anschaltbaren weiteren Statorphase 4.3 mit bifilarem Wicklungsaufbau sowie einem Käfigläufer 4.4. Die mit einer normalen Wechselstrom wicklung belegte zweite Statorphase 4.2 wird als einphasiger Wicklungsstrang direkt aus dem Einphasen-Wechselstromnetz R, M_p gespeist. Die erste Statorphase 4.1 und die zweite Statorphase 4.2 weisen die gleiche Polzahl, vorzugsweise eine 4-polige Wicklung für den Waschbetrieb auf. Der zur Speisung der ersten Statorphase 4.1 bzw. weiteren Statorphase 4.3 mit jeweils bifilarem Wicklungsaufbau vorgesehene Umrichter wird aus dem Einphasen-Wechselstromnetz R, M_p über eine Gleichrichterbrücke 2 mit eingangsseitigem Entstörfilter und einer auf der Gleich spannungsseite parallel geschalteten Glättungsvorrichtung 3 sowie einem elektronischen Kommutator 5 gebildet.

Von dem elektronischen Kommutator 5 werden in unipolarer Be triebsweise die beiden bifilaren Wicklungsteile 4.11 bzw. 4.12 der Statorphase 4.1 oder alternativ die bifilaren Wicklungs teile 4.31 bzw. 4.32 der Statorphase 4.3 über die jeweilige Mittelanzapfung 4.13 bzw. 4.33 einerseits und die beiden end seitigen Anschlüsse der bifilaren Wicklungsteile andererseits derart eingespeist, daß trotz gleichbleibender Stromrichtung der vom elektronischen Kommutator gelieferten Speisestromes in der jeweiligen Statorphase durch wechselweise Bestromung des einen oder anderen bifilaren Wicklungsteiles ein Wechselfeld entsteht. Die erste Statorphase 4.1 bzw. die weitere Stator phase 4.3 ist gegenüber der zweiten Statorphase 4.2 um 90° elektrisch am Umfang versetzt und wird durch entsprechende Ansteuerung um einen gegenüber dem Wechselfeld der zweiten Statorphase 4.2 mit einer um 90° el phasenverschobenen Spannung gespeist.

Die Vorgabe der Motordrehzahl erfolgt über das Statordrehfeld durch Weiterschaltung der Wicklungsbestromung und durch Puls breitenmodulation des elektronischen Kommutators 5 zur Vorgabe der Motorspannung. Im Waschbetrieb arbeitet der Umrichter netzsynchronisiert. Zur Gewährleistung einer Phasenverschie bung in der speisenden Spannung zwischen der ersten Stator phase 4.1 und der zweiten Statorphase 4.2 mit entsprechender Ansteuerung der ersten Statorphase 4.1 durch den elektronischen Kommutator 5 dient eine Drehzahlregeleinrichtung 6, der über einen Nullspannungsdetektor 8 die jeweilige Phasenlage der an die zweite Statorphase 4.2 direkt versorgenden Netzspannung des Einphasen-Wechselstromnetzes R, M_p als Istwert zugeliefert wird. Durch ein Stromüberwachungsglied 7 wird der jeweilige Schlupfwert des Asynchronmotors 4 und damit ein Drehzahl-Istwert erfaßt und an die Drehzahlregeleinrichtung 6 gegeben. Der elektronische Kommutator 5, die Drehzahlregeleinrichtung 6, das Stromüberwachungsglied 7 sowie der Nullspannungsdetektor 8 werden von einem Netzteil 1 versorgt.

Im zweisträngigen Waschbetrieb werden die erste Statorphase 4.1 und die zweite Statorphase 4.2 mit gegenseitiger Phasen verschiebung bestromt. Die zweite Statorphase 4.2 ist direkt an das Einphasen-Wechselstromnetz R, M_p angeschlossen. Die erste Statorphase 4.1 wird über den Umrichter gespeist, der von der Netzspannung synchronisiert ist. Die Ausgangsspannung des Um richters wird entsprechend der vorgewählten Drehrichtung mit + 90° el bzw. - 90° el zur Phasenlage der Netzspannung an die erste Statorphase 4.1 gelegt. Durch Pulsbreitenmodulation des Umrichters erfolgt die Konstanthaltung der Waschdrehzahl auch bei verschiedenen Lastfällen.

Eine unterhalb der Waschdrehzahl liegende Schonwaschdrehzahl kann in vorteilhafter Weise durch verkürzte Einschaltdauer der ersten Statorphase 4.1 mit entsprechender Ansteuerung über den elektronischen Kommutator 5 erreicht werden. Die Einschalt dauer beträgt im normalen Waschbetrieb etwa 70% und im Schon waschbetrieb etwa 10% der maximalen Einschaltdauer.

Um im Anschluß an den Waschbetrieb in den Bereich: Wäsche verteilen bzw. Schleuderhochlauf bzw. geringe Schleuder- Enddrehzahl zu gelangen, wird die zweite Statorphase 4.2 über ein Abschaltrelais 9 abgeschaltet, so daß die Antriebs vorrichtung anschließend in einsträngigem Betrieb nur mit der ersten Statorphase 4.1 weiter arbeitet. Der Umrichter wird von der Netzführung getrennt und arbeitet mit einer durch die Drehzahlregelvorrichtung 6, z. B. entsprechend der Drehzahlvor gabe durch ein Programmsteuergerät einstellbaren Frequenz, die höher als die Netzfrequenz ist. Kann dabei der durch das Programmsteuergerät oder ansonsten von außen vorgegebene Dreh zahl-Sollwert nicht erreicht werden, so wird von der ersten Statorphase 4.1 bestimmter Polzahl auf die weitere Stator phase 4.3 mit demgegenüber geringerer Polzahl umgeschaltet und nunmehr die weitere Statorphase 4.3 durch die gegebene Elektronik in gleichem Sinne wie zuvor die ersten Statorphase 4.1 drehzahlgesteuert bzw. drehzahlgeregelt. Die Umschaltung von der ersten Statorphase 4.1 auf die weitere Statorphase 4.3 erfolgt durch ein Umschaltrelais 10.

Der elektronische Kommutator 5 ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung mit zwei IGBT (Insulated Gate Bipolar-Transistor) 51 bzw. 52 bestückt. Durch die IGBT-Transistoren mit inte grierter Freilaufdiode können die sonst erforderlichen externen Dioden eingespart werden. Der elektronische Aufwand für die Ansteuerung der ersten Statorphase 4.1 bzw. zweiten Statorphase 4.3 kann dadurch weiter verringert werden, daß in vorteilhafter Weise IGBT-Transistoren mit integriertem Strom sensor verwendet werden, die die Aufgabe eines ansonsten gesonder ten Strommeßgliedes 7 mitübernehmen. Der über die Stromsen soren auf dem IGBT-Chip fließende Teilstrom gibt ein Abbild des Gesamtstromes und läßt sich somit zur direkten Laststromer mittlung in der Stromüberwachungsvorrichtung 7 verwenden.

Fig. 3 zeigt die Wicklungsanordnung der drei Statorphasen 4.1 bzw. 4.2 bzw. 4.3 in jeder Nut nach einer besonderen Ausgestal tung der Erfindung; neben der normalen Wechselstromwicklung der zweiten Statorphase 4.2 im radial äußeren Nutteil ist dazu insbesondere eine konzentrische und damit magnetisch eng koppelnde jedoch gleichzeitig schichtweise und damit kapazitiv endkoppelnde Anordnung der bifilaren Wicklungsteile 4.11 bzw. 4.12 der Statorphase 4.1 bzw. der bifilaren Wicklungsteile 4.31 bzw. 4.32 der Statorphase 4.3 vorgesehen. Zur Vermeidung ungleicher Wicklungslängen der konzentrisch und radial schicht weise übereinander angeordneten bifilaren Wicklungsteile jeder Statorphase ist ein nutweiser Schichtwechsel derart vorgesehen, daß - wie aus einem Vergleich der Statornuten 11 einerseits und 12 andererseits ersichtlich - die Schichtlage des bifi laren Wicklungsteils 4.11 in der Statornut 11 in äußerster radialer Randlage in der Statornut 12 in die Schichtlage des anderen bifilaren Wicklungsteiles 4.12 gemäß Statornut 11 wechselt. In äuquivalenter Weise wechseln auch im Sinne einer gleichen Wicklungslänge, über den Gesamtumfang der Stator bohrung gesehen, die bifilaren Wicklungsteile 4.31 bzw. 4.32 der weiteren Statorphase 4.3 nutweise.

Claims

1. Antriebsvorrichtung, insbesondere Waschautomatenantrieb, mit aus einem Einphasen-Wechselstromnetz (R, M_P) umrichterge speistem Asynchronmotor (4) mit über einen Gleichstromzwischen kreis (2, 3) durch Pulsbreitenmodulation drehzahlregelbarer Statorphase (4.1 bzw. 4.3) mit bifilaren Wicklungsteilen (4.11; 4.12 bzw. 4.31, 4.32) mit zwischenliegender Mittelanzapfung (4.13 bzw. 4.33), gekennzeichnet durch eine erste, über einen netzsynchronisierten Umrichter gespeiste Statorphase (4.1) mit bifilaren Wicklungsteilen (4.11, 4.12) sowie eine zweite, demgegenüber phasenversetzte und phasenver schoben direkt gespeiste Statorphase (4.2) mit einer Wechsel stromwicklung für einen Niedrigdrehzahlbereich (Waschbetrieb), die für einen anschließenden Hochdrehzahlbereich (Schleuderbe trieb) abgschaltet ist.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem an den Hochdreh zahlbereich (Schleuderhochlauf bzw. niedrige Schleuderdrehzahl) anschließenden Höchstdrehzahlbereich (hohe Schleuderdrehzahl) von der ersten drehzahlregelbaren Statorphase (4.1) bestimmter Polzahl auf eine weitere umrichtergespeiste drehzahlregelbare Statorphase (4.3) geringerer Polzahl, bei vorzugsweiser Verwendung der gleichen Steuerelektronik, umschaltbar ist.

3. Antriebsvorrichtung für einen Waschautomaten nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch eine jeweils vierpolige (2p=2) erste Statorphase (4.1) und zweite Statorphase (4.2) sowie eine zweipolige (2p=2) weitere Statorphase (4.3).

4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, ge kennzeichnet durch ein Abschaltrelais (9) zur Abschaltung der zweiten Statorphase (4.2) bzw. ein Umschalt relais (10) zur Umschaltung von der ersten Statorphase (4.1) auf die weitere Statorphase (4.3).

5. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, ge kennzeichnet durch eine phasenverschobene Spei sung der ersten Statorphase (4.1) gegenüber der zweiten Stator phase (4.2) über den Umrichter in Abhängigkeit von einer Null durchgangserfassung (Nullspannungsdetektor 8) der die zweite Statorphase (4.2) direkt speisenden Einphasen-Wechselspannung (R, M_P).

6. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, da durch gekennzeichnet, daß für einen unterhalb des Niedrigdrehzahlbereichs (Waschbetrieb) liegenden Niedrigstdrehzahlbereich (Wollwaschbereich) die erste Stator phase (4.1) mit gegenüber dem Niedrigdrehzahlbereich verrin gerter Einschaltdauer gespeist ist.

7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die beiden bifilaren Wicklungsteile (4.11, 4.12 bzw. 4.31, 4.32) der ersten bzw. weiteren Statorphase (4.1 bzw. 4.3) in einer Statornut (11, 12) schichtweise radial übereinanderliegen.

8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, gekenn zeichnet durch einen nutweisen Schichtlagenwechsel, im Sinne einer für die bifilaren Wicklungsteile gleichen Gsamtwicklungslänge.

9. Antriebsvorrichtung mit einem elektronischen Kommutator (5) zur drehzahlregelbaren Ansteuerung der ersten bzw. weiteren Statorphase nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltelemente für den elektronischen Kommutator IBGT-Transistoren (51, 52) vorgesehen sind.

10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß IGBT-Transistoren mit inte griertem Stromsensor vorgesehen sind.