DE4307096A1 - Verfahren zum Ansteuern eines wechselstromgespeisten Einphaseninduktionsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines wechsel­ stromgespeisten Einphaseninduktionsmotors mit einer Hauptwicklung und wenigstens einer Hilfswicklung sowie einen Einphaseninduktions­ motor gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 5 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 in 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.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ansteuern eines wechselstromgespeisten Einphasenin­ duktionsmotors zu schaffen, das einen solchen Kondensator entbehr­ lich macht. Des weiteren soll ein Einphaseninduktionsmotor geschaf­ fen werden, der die vorerwähnten Nachteile vermeidet und bei klei­ ner Baugröße vielseitig einsetzbar ist.

Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das für die Speisung des Motors zur Verfügung stehende Wechsel­ stromsignal mittels Schalter in zueinander phasenverschobene Wech­ selstromsignale aufgespalten wird und die Wicklungen zumindest zeitweise mit diesen sich zumindest in der Phase unterscheidenden Wechselstromsignalen gespeist werden. Es werden also in vorteilhaf­ ter Weise durch einfache Schaltvorgänge aus dem Wechselstromnetz­ signal phasenverschobene Wechselstromsignale erzeugt, die den Motorwicklungen unmittelbar zugeführt werden können, d. h., unter Umgehung des sonst üblichen Kondensators. Dieses Verfahren schafft nicht nur die Voraussetzung für den Entfall des bisher stets erforder­ lichen Anlauf- und/oder Betriebskondensators, sondern schafft die Voraussetzung für eine vielseitige, den individuellen Anforderungen, sei es in der Anfahrphase oder der Betriebsphase, angepaßte An­ steuerung.

Der vorrichtungsmäßige Teil dieser Aufgabe wird bei einem Ein­ phaseninduktionsmotor mit Haupt- und Hilfswicklung dadurch gelöst, daß jeder Wicklung ein Schalter vorgeschaltet ist und diese Schalter durch eine gemeinsame Steuerung derart ansteuerbar sind, daß die Wicklungen mit phasenverschobenen Strömungen durchflutbar sind.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Anfahren des Motors eingesetzt, indem die beiden Motorwicklungen mit phasenver­ schobenen Wechselstromsignalen beaufschlagt werden, die durch Aufspaltung des Wechselstromnetzsignals in zwei phasenverschobene Wechselstromsignale niederer Frequenz erzeugt werden.

Schaltungstechnisch besonders günstig ist es, wenn die Aufspaltung des Wechselstromnetzsignals halbwellenweise erfolgt, d. h., daß die phasenverschobenen Wechselstromsignale aus Halbwellen des Wech­ selstromnetzsignals zusammengesetzt werden. Schaltungstechnisch hat dies den Vorteil, daß die Schaltvorgänge ohne großen elektronischen Schaltaufwand durchgeführt werden können. Die Schalter schalten dann immer nur im Nulldurchgang des Wechselstromnetzsignals, d. h., praktisch ohne Last.

Zum Anfahren des Motors hat es sich besonders günstig erwiesen, die Haupt- und die Hilfswicklung mit einem oder mehreren Zyklen anzusteuern, die aus einer ersten Halbwelle des Wechselstromsignals bestehen, mit der eine Wicklung, beispielsweise die Hauptwicklung, beaufschlagt wird und die weiterhin aus der darauf folgenden weite­ ren Halbwelle des Wechselstromnetzsignals bestehen, die der anderen Wicklung, also beispielsweise der Hilfswicklung, zugeführt wird. Da­ nach werden dann beide Wicklungen für mindestens die Zeitdauer einer Halbwelle unbeaufschlagt gelassen, wonach der Zyklus ein- oder mehrmals, je nach gewünschten 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 mit wachsender Zyklenzahl ein gewisser Rütteleffekt sich einstellt, der unterstützend zum Losbrechen eines festgefahrenen Motors eingesetzt werden kann. Durch Bestimmung der Anzahl dieser Zyklen kann auch die Drehrichtung bestimmt werden. So hat es sich beispielsweise herausgestellt, daß dann, wenn man den Motor mit vier Zyklen ansteuert, er in umgekehrter Rich­ tung anläuft verglichen mit einer Ansteuerung mit 1, 2, 3 oder 5 Zyklen. Nachdem ein oder mehrere Zyklen durchfahren sind, wird die Hilfswicklung abgeschaltet und die Hauptwicklung mit dem Wech­ selstromnetzsignal beaufschlagt, so daß der Motor in der üblichen Betriebsart läuft, bei der sonst der Anfahrkondensator mit Hilfswick­ lung abgeschaltet 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 des Wechselstromsignals die Drehrichtung des Motors gesteuert werden, was natürlich 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 oder ständig gezielt mit einem Wechselstromsignal angesteuert werden, um be­ stimmte Betriebseigenschaften des Motors zu erreichen.

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 das Wechselstromnetzsignal 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.

Bevorzugt ist der Steuerung ein im Motor angeordneter Temperatur­ fühler zugeordnet, 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 eines Wechselstromnetzsignals in zwei­ phasenverschobene Wechselstromsignale,

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 des Wechselstromnetzsignals 10 vorgegebenen Taktes. Das an den Klemmen 3, 4 anliegende Wechselstromnetzsignal 10 ist in Fig. 2a im zeitlichen Verlauf dargestellt. Das Wechselstromnetzsi­ gnal 10 wird mittels der Steuerung 7 über die Triacs 5 und 6 in zwei Wechselstromsignale niederer Frequenz aufgespalten, die in Fig. 2b und 2c dargestellt sind. Das in Fig. 2b dargestellte Wechselstrom­ signal 11 wird unmittelbar der Hilfswicklung 2 des Motors zugeführt, während das in Fig. 2c dargestellte Wechselstromsignal 12 für die Hauptwicklung 1 bestimmt ist. Wie die Fig. 2 verdeutlicht, sind die Wechselstromsignale 11 und 12 im Signalverlauf identisch, lediglich phasenverschoben, und zwar um eine Wellenlänge 13 des Wechsel­ stromnetzsignals. Wird beim Anfahren des Motors die Hauptwicklung 1 mit dem Wechselstromsignal 11 beaufschlagt und die Hilfswicklung 2 mit dem Wechselstromsignal 12, so fährt der Motor in gleicher Weise an, jedoch in umgekehrter Drehrichtung. Es kann also durch entsprechende Beaufschlagung der Wicklungen 1 und 2 die Drehrich­ tung 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 des Wechselstromnetzsignals 10 und beginnt jeweils 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 Hochfahren 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 das Wechselstromnetzsignal 10 an der Hauptwicklung 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 des Wechselstromnetzsignals 10 an die Hauptwicklung 1 durchlaufenden Zyklen 14. Bei der Kurve nach Zif­ fern (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 - Wechselstromnetzsignal
11 - Wechselstromsignal für 2
12 - Wechselstromsignal für 1
13 - Wellenlänge
14 - Zyklus
15 - durchzogene Linie
16 - unterbrochene Linie
17 - Temperaturfühler

Claims (13)

1. Verfahren zum Ansteuern eines wechselstromgespeisten Ein­ phaseninduktionsmotors mit einer Hauptwicklung (1) und mindestens einer Hilfswicklung (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Wechsel­ stromsignal (10) des den Motor speisenden Netzes (Wechselstrom­ netzsignal) mittels Schalter (5, 6) in zueinander phasenverschobene Wechselstromsignale (11, 12) aufgespalten wird und die Wicklungen (1, 2) zumindest zeitweise mit diesen sich unterscheidenden Wech­ selstromsignalen (11, 12) gespeist werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke des Anfahrens des Motors das Wechselstromnetzsignal (10) in zueinander phasenverschobene Wechselstromsignale (11, 12) niede­ rer Frequenz aufgespalten wird, mit denen die Wicklungen (1, 2) be­ aufschlagt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspaltung des Wechselstromnetzsignals (10) halbwellenwei­ se erfolgt, so daß Schaltvorgänge nur im Nulldurchgang (9) des Wechselstromnetzsignals (10) erfolgen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hauptwicklung (1) und die Hilfswicklung (2) so angesteuert werden, daß eine erste Halbwelle des Wechselstromnetzsi­ gnals der einen und die darauffolgende Halbwelle des Wechselstrom­ netzsignals (10) der anderen Wicklung zugeführt werden, wonach beide Wicklungen (1, 2) für mindestens die Zeitdauer einer Halbwelle unbeaufschlagt bleiben und daß durch Wahl der Anzahl der Wie­ derholungen dieses Zyklus (14) das Anfahrverhalten des Motors gezielt beeinflußt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Durchfahren einer Zahl von Zyklen (14) die Hilfswicklung (2) abgeschaltet und die Hauptwicklung (1) mit dem Wechselstromnetzsi­ gnal (10) beaufschlagt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Wahl der Aufspaltung des Wechselstrom­ netzsignals die Anfahrdrehrichtung des Motors gesteuert wird.

7. Einphaseninduktionsmotor mit einer Hauptwicklung (1) und mindestens einer Hilfswicklung (2), die zum Zwecke des Anfahrens des Motors mit zueinander phasenverschobenen Strömen beaufschlag­ bar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wicklung (1, 2) ein Schalter (5, 6) vorgeschaltet ist, und daß eine gemeinsame Steuerung (7) vorgesehen ist, welche die Schalter (5, 6) so ansteuert, daß die Wicklungen (1, 2) mit phasenverschobenen Strömen (11, 12) durch­ flutbar sind.

8. Einphaseninduktionsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Schalter (5, 6) Halbleiterbauelemente eingesetzt sind.

9. Einphaseninduktionsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Schalter (5, 6) Triacs eingesetzt sind.

10. Einphaseninduktionsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Schalter (5, 6) MOS-Controlled-Thyristoren einge­ setzt sind.

11. Einphaseninduktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (7) einen Nulldurchgangsdetektor für das Wechselstromnetzsignal (10) aufweist, der so geschaltet ist, daß Schaltvorgänge in den Schaltern (5, 6) nur im Nulldurchgang (9) des Wechselstromnetzsignals (10) erfolgen können.

12. Einphaseninduktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (7) getaktet ist, und zwar im Takt der Nulldurchgänge (9) des Wechselstromnetz­ signals (10).

13. Einphaseninduktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerung (7) ein im Motor angeordneter Temperaturfühler zugeordnet ist, derart, daß beim Überschreiten einer bestimmten Motortemperatur die Schalter (5, 6) öffnend angesteuert werden.