DE2215323C3

DE2215323C3 - Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung

Info

Publication number: DE2215323C3
Application number: DE19722215323
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: FA PAUL ANDRAE 7073 LORCH
Current assignee: FA PAUL ANDRAE 7073 LORCH
Priority date: 1972-03-29
Filing date: 1972-03-29
Publication date: 1979-08-16
Also published as: DE2215323A1; DE2215323B2

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung für Einphasen-Asynchronmotoren, insbesondere hoher Leistung, mit einer Anlaufhilfsphase, die durch eine drehzahlabhängige, als Wechselspannung abgegriffene Steuergröße geschaltet wird (DE-OS 15 88 106).

Einphasen-Asynchronmotoren, wie sie u. a. in Haushaltmaschinen Verwendung finden, laufen ohne zusätzliche Maßnahmen nicht aus dem Stand an, da ihr Drehmoment im Stillstand Null ist. Um ein Anlaufen derartiger Einphasenmotore aus dem Stillstand zu erreichen, ist es erforderlich, während des Hochlaufs eine Anlaufhilfsphase vorzusehen, die nach einer bestimmten Anlaufzeit und bei Erreichung einer vorgesehenen Motordrehzahl abgeschaltet werden muß, da die Verluste in der Hilfsphase so groß sind, daß der Motor andernfalls nach kurzer Zeit durch Überhitzung zerstört würde.

Die Abschaltung der Kondensatorhilfsphase bei Einphasenmotoren erfolgt bislang entweder durch einen Fliehkraftschalter, der mit gegen Spannfedern arbeitenden Fliehkraftgewichten ausgerüstet ist und bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl die Hilfsphase abschaltet (US-PS 27 52 548), oder aber durch ein Relais, das auf das Absinken des Hauptphasenstromes anspricht und bei Erreichen eines bestimmten Wertes desselben öffnet und so die Hilfsphase abschaltet (DE-PS 8 33 524; DE-AS 10 71219). Anstelle eines Relais kann durch den Hauptphasenstrom auch ein elektronischer Schalter zur Zu- oder Abschaltung der Hilfsphase gesteuert werden (US-PS 33 07 093).

Weiterhin ist zur Steuerung der Anlaufhilfsphase bei Einphasenmotoren die Kombination zweier Widerstände mit entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten, die in den Stromkreis der Anlaßwicklung geschaltet sind, bekannt geworden.

Schließlich gibt es auch schon eine automatisch arbeitende elektronische Steuervorrichtung für die Geschwindigkeitsregulierung eines Asynchronmotors mit Widerstandsrotor, der von einer Phase mit konstanter Spannung und von einer Phase mit variabler Spannung gespeist wird, die proportional der Drehgeschwindigkeit des Motors ist (DE-OS 15 88 106).
In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß bei Einphassnmotoren hoher Leistung und bei ungünstigen Anlaufbedingungen Fliehkraftschalter zu ungenau arbeiten und außerdem ihre Mechanik und insbesondere die mechanischen Kontakte störanfällig sind. Außerdem dürfen die mit den Fliehkraftgewichten zusammenwirkenden Rückholfedern nur sehr geringe Toleranzen in der Federcharakteristik aufweisen, um ein genaues Schalten des Fliehkraftreglers zu gewährleisten, was bei einer Serienfertigung entsprechende Schwierigkeiten mit sich bringt

Eine von dem Hauptphasenstrom gesteuerte Abschaltung der Hilfsphase mittels eines Relais ist dagegen besonders bei Unterspannung des Versorgungsnetzes kritisch, da dann der Hauptphasenstrom des Einphasenmotors nicht genügend weit absinkt, um das Relais auszulösen, wodurch dann die Hilfsphase ständig zugeschaltet bleibt, was in der Regel zu einer Zerstörung des Motors durch Oberhitzen führt Der gleiche Nachteil zeigt sich, wenn anstelle eines Relais ein elektronischer Schalter durch den Hauptphasenstrom geschaltet wird, oder wenn von der Hauptphase eine Phase mit von der Drehgeschwindigkeit des Motors abhängiger Spannung zur Steuerung des Asynchronmotors abgenommen wird.

Auch die Steuerung der Anlaufhilfsphase durch zwei Widerstände mit entgegengesetztem Temperaturkoeffizienten gibt keine Gewähr für das einwandfreie Arbeiten von Einphasenmotoren bei ungünstigen Anlauf- und Betriebsbedingungen.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, sicherzustellen, daß bei wechselnden Anlaufschwierigkeiten unterworfenen Einphasenmotoren hoher Leistung ein genaues Abschalten der Kondensator-Anlaufhilfsphase auch bei Unter- oder Überspannung des Versorgungsnetzes unter allen Einsatzbedingungen gewährleistet ist und eine Beschädigung des Motors mit Sicherheit vermieden wird.

Die Aufgabe wird bei der eingangs genannten elektronisch gesteuerten Hilfsphasenschaltung für Einphasen-Asynchronmotoren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Formung der Steuergröße ein Reihenschwingkreis mit Resonanz etwas oberhalb der gewünschten Abschaltdrehzahl vorgesehen ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann dem Reihenschwingkreis zur Ausgestaltung von Fertigungs- und Einbautoleranzen einzelner Schwingkreisglieder sowohl ein Integrier- als auch ein Differenzierglied zugeordnet werden, um vor allem bei Schweranläufen Fehlschaltungen der Anlaufhilfsphase mit Sicherheit auszuschalten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 das Drehzahl-Drehmoment-Diagramm eines

w) Einphasenmotors mit und ohne Kondensator-Hilfsphase,

Fig.2 motorspezifische, elektrische Größen in Abhängigkeit von der jeweiligen Motordrehzahl des Einphasenmotors,

i'-> Fi g. 3 u. 4 das Prinzipschaltbild eines Einphasenmotors mit Anlaufhilfsphase,

F i g. 5 zwei Ausführungsbeispiele eines zur Steuerung der Hilfsphase geeigneten Impulsgebers,

F i g. 6 einen Querschnitt des induktiven Gebers von Fig. 5,

Fig.7 den an einem Widerstand auftretenden Spannungsverlauf eines aus einer Induktivst, einer Kapazität und einem Widerstand bestehenden Reihenschwingkreises in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, und

Fig.8 und 8' eine entsprechende Schaltungsanordnung eines mit einem Reihenschwingkreis kombinierten Impulsgebers mit nachgeschalteter Verstärkerstufe, sowie eines zusätzlichen Differenzier- oder Integriergliedes.

Um die Schwierigkeit des Anlaufs von Einphasen-Asynchronmotoren zu erläutern, ist in F i g. 1 das Drehzahl-Drehmoment-Diagramm eines derartigen Motors mit und ohne Kondensatorhilfsphase ausgezeichnet In der Zeichnung gibt die mit a bezeichnete Kurv2 den Drehmomentverlauf eines Einphasenmotors ohne Anlaufhilfsphase wieder. Wie aus dem Diagramm zu entnehmen, ist das Drehmoment eines derartigen Motors im Stillstand Null, was besagt, daß ein derartiger Motor nicht von selbst anläuft

Die Kurve b in F i g. 1 zeigt das Drehmomentverhalten desselben Motors mit einer stark wirksamen Anlaufhilfsphase. Mit dem durch die Anlaufhilfsphase gegebenen Anfahrdrehmoment ergibt sich ein sauberer Anlauf des Motors auch unter erschwerten Anlaufbedingungen Die Verluste in der Hilfsphase sind jedoch, wie bekannt so groß, daß der Motor nach kurzer Zeit verbrennen würde, wenn die Hilfsphase nicht abgeschaltet würde.

Beträgt nun der für einen Hochlauf des Motors erforderliche Drehmomentwert wie in F i g. 1 dargestellt, Mn und schaltet nun der normal übliche Zentrifugalschalter bei einer Drehzahl /j/ zum Zeitpunkt I ab, so ist aus dem Verlauf der Drehmomentkurve a ersichtlich, daß dann das Drehmoment des Motors ohne Hilfsphase nicht ausreicht, um den Hochlauf des Motors bei schwierigen Anlaufbedingungen mit einem Drehmomentbedarf von Mnzu gewährleisten.

Aus F i g. 1 ist weiter zu entnehmen, daß der optimale Abschaltpunkt für die Hilfsphase bei II liegt weil in diesem Punkt das Drehmomentangebot mit und ohne Hilfsphase gleich groß ist und eine weitere Zuschaltung der Hilfsphase keine Drehrnornenterhöhung bewirkt

Erfolgt die Umschaltung zu einem späteren Zeitpunkt als II, so wird der Anlauf nicht erschwert, denn trotz abfallender Drehzahikennlinie des Motors mit Hilfsphase bis zum Drehmoment-Drehzahl-Gleichgewicht steigt nach Abschaltung der Hilfsphase das Drehmoment des Motors weiter an, so daß der Hochlauf nicht gestört wird. Andererseits wird der Motor durch eine nach dem Zeitpunkt II liegende Abschaltung der Hilfsphase unnötig thermisch belastet, da die Verluste in der Hilfsphase sehr erheblich sind. Die thermische Belastung durch zu spätes Abschalten der Hilfsphase bei Einphasenmotoren hoher Leistung kann so hoch werden, daß der Motor zerstört wird.

In Fig.2 sind in einem Strom-Drehzahl- bzw. Spannungs-Drehzahl-Diagramm die Größen ausgezeichnet, die in ihrer gegenseitigen Abhängigkeit voneinander zur Steuerung des Abschaltvorganges der Hilfsphase herangezogen werden können. Die Kurve c gibt den Verlauf des Hauptphasenstromes in Funktion der Drehzahl wieder. Die Kurve d zeigt den Verlauf der Kondensatorspannung, die gleichzeitig auch dem Hilfsphasenstrom entspricht.

Analog zur F i g. 1 sind in F i g. 2 die Abschaltzeitpunkte I und II eingezeichnet Die Werte Δ U, i
und Δη zeigen die einer bestimmten Abschalttoleranz von Δ Ja bzw. Δ Uc zugeordnete Toleranz der Drehzahlabschaltung an.

Aus dem flachen Verlauf der Kurven U und Uc ergibt sich für den Abschaltpunkt bezogen auf die Drehzahl, eine relativ große Ungenauigkeit

Weiterhin sind in F i g. 2 mit den gestrichelten Kurven d' und c' der Stromverlauf der Haupt- und Hilfsphase

ίο bzw. der Kondensatorspannung bei Unterspannung des Stromnetzes eingezeichnet Wird nun die Abschaltung der Hilfsphase über den Strom der Hauptphase gesteuert, so werden die Abschaltpunkte jeweils bei niedrigeren Drehzahlen erreicht Steuert man dagegen über die Kondensatorspannung die Abschaltung der Hilfsphase, so sind die Abschaltpunkte nach höheren Drehzahlen verschoben.

Die Darstellung in den F i g. 2 und 3 zeigen also sehr deutlich, daß bei Verwendung des Hauptphasenstromes oder der Kondensatorspannung als Steuergröße für die Abschaltung der Hilfsphase durch äußere Einflüsse, beispielsweise unterschiedlicher Netzspannungen, die Abschaltgenauigkeit sehr gering ist wodurch bei schwierigen Anlaufbedingungen ein sicheres Hochfahren des Einphasenmotors sehr oft in Frage gestellt ist so daß es zu einer Zerstörung des Motors oder einer Überlastung des Hilfsphasenkondensators kommt

Bei der Erfindung wird zur Steuerung einer Anlaufhilfsphasenschaltung bei Einphasen-Asynchronmotoren eine von einer berührungslos arbeitenden Abtastvorrichtung der Motordrehzahl abgeleitete Steuergröße herangezogen. Hierzu bieten »ich beispielsweise Drehzahlgeber an, die auf dem Prinzip der photoelektrischen, induktiven oder kapazitiven Abtastung beruhen, auf dem Prinzip des Tachogenerators oder auf dem Prinzip des magnetisch gesteuerten Readrelais.

In F i g. 3 ist das Prinzipschaltbild des Einphasenmotors mit Anlaufhilfsphase dargestellt. Der Hilfsphase wird über einen Kontakt abgeschaltet der von einem Relais betätigt wird, das entweder von dem Steuerglied 1, das von dem Hauptphasenstrom beeinflußt wird, oder von dem Steuerglied 2, das vom Hilfsphasenstrom oder, gleichwertig damit von der Kondensatorspannung

Aj beeinflußt wird, oder von dem Steuerglied 3, das drehzahl- oder schlupfabhängig ist

In Fig.4 ist dasselbe Blockschaltbild nochmals wiederholt, nur ist jetzt der durch eine Relais betätigte Kontakt 4 durch ein steuerbares elektronisches Ventil,

so in vorliegendem Fall durch einen Triac 6 ersetzt der seine Steuerspannung von den Steuergliedern 1,2 und 3 bezieht.

In F i g. 5 ist der spezielle Aufbau eines Impulsgebers skizziert. Eine Zahn- oder Lochscheibe 6 ist auf der Motorwelle 7 befestigt. Der Impulsaufnehmer 8, 9 der z. B. eine mit einer Lichtquelle zusammenarbeitende Fotozelle oder eine Induktionsspule sein kann, wird entweder vertikal 8 oder horizontal 9 an dem Motorgehäuse befestigt. In letztcrem Fall muß die

ι.ί Zahn- oder Lochscheibe in ihrem Umfang einen etwa um 90° abgebogenen Rand 10 aufweisen.

Der induktive Geber 8 ist in F i g. 6 näher skizziert Er weist :1s Kern einen Permanentmagneten 11 auf, um den eine Spulenwicklung 12 gelegt ist Die Hülse 13

'■ sorgt gleichzeitig für den magnetischen Rückfluß. Durch die Unterbrechungen in der magnetisch leitenden Zahnscheibe 6 wird nun in der Spule 12 eine Wechselspannung induzier,, deren Frequenz von der

Motordrehzahl und der Anzahl der Zähne der Zahnscheibe 6 abhängig ist.

Da die Anzahl der Zähne in der Lochscheibe konstant ist, ist die Frequenz der induzierten Wechselspannung der N'oijrdrehzahl direkt proportional, wie aus der Geraden 3 in F i g. 7 hervorgeht, bei der der Frequenzverlauf in Abhängigkeit von der Motordrehzahl aufgetragen ist. Wird diese Wechselspannung als Steuergröße herangezogen, so ist die Abschaltgenauigkeit An₁Jn_s der Abschaltgenauigkeit AUIU_s direkt proportional.

Gemäß der Erfindung wird nun diese Wechselspannung auf einen Reihenschwingkreis 24 (in F i g. 8) geschaltet, der aus einer Induktivität, einer Kapazität und einem Widerstand besteht, an dem die Steuergröße abgenommen wird. Im Resonanzfall, der der gewünschten Abschaltdrehzahl entspricht, ist der Widerstand der Kombination in Induktivität-Kapazität Null, und die volle induzierte Wechselspannung liegt an dem Abnahmewiderstand.

In F i g. 7 stellt die Gerade e die drehzahlabhängige Steuergröße dar, die eine gleichbleibende Steigung vom Wert A Ularic hat, während die Kurve /die Abhängigkeit der erfindungsgemäß geformten Steuergröße von der Drehzahl darstellt, die im Abschaltzeitpunkt A die wesentlich größere Steigung AUIAn/ aufweist Die Abschaltgenauigkeit der Funktion der Spannungsungenauigkeit AUIU₅ wird nun wesentlich besser, d.h. die Abschaltgenauigkeit 6n/ln_s wird wesentlich erhöht, so daß deren Abhängigkeit von Schaltgliedern weitgehend eingeengt werden kann.

Um aber zu verhindern, daß Streuungen in der Scheitelspannung zu einem Ausbleiben der Abschaltung der Hilfsphase führen, ist der Abschaltpunkt A gegenüber dem Resonanzfall in einen niedrigeren Drehzahlbereich πα mit einer entsprechenden Abschaltspannung UA verlegt, wie aus F i g. 7 hervorgeht.

In Weiterbildung der Erfindung kann der induktive Geber 8 direkt als Induktivität herangezogen werden.

Gemäß der Erfindung wird nun diese Wechselspannung auf einen Reihenschwingkreis 24 geschaltet, der aus einer Induktivität, einer Kapazität und einem Widerstand besteht, an dem die Steuergröße abgenommen wird. Im Resonanzfall, der der gewünschten Abschaltdrehzahl entspricht, ist der Widerstand der Kombination Induktivität-Kapazität Null, und die volle induzierte Wechselspannung liegt an dem Abnahmewiderstand. Als Funktion der Drehzahl hat diese Spannung den Verlauf /in F i g. 7. Die Abschaltgenauigkeit in Funktion der Spannungsgenauigkeit A Ul U_s wird nun wesentlich besser, d.h. die Abschaltgenauigkeit δη/Ins wird wesentlich erhöht, was besagt, daß sie in Abhängigkeit von den Schaltgliedern weitgehend eingeengt werden kann.

F i g. 8 stellt ein vereinfachtes Schaltbild zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist mit 6 die Zahn- oder Lochscheibe bezeichnet, die mit dem Impulsaufnahmer 8 zusammenwirkt. Die in dem Impulsaufnehmer 8 induzierte Steuerspannung wird an den Klemmen des Widerstands 13 abgegriffen, in dem Gleichrichter 14

ίο gleichgerichtet und auf die nachfolgende zweistufige Transistorverstärkerstufe 15 gegeben, die eine für die Abschaltung der Hilfsphase über ein steuerbares elektronisches Ventil erforderliche Steuergröße erzeugt. Das steuerbare, elektronische Ventil kann, wie ir Fig.8 dargestellt, ein Triac sein. Ebenso gut können jedoch andere geeignete Halbleiterelemente, wie beispielsweise zwei antiparallel geschaltete Thyristorer oder auch ein Relais, wie in Fig.8' dargestellt Verwendung finden.

Die mit 16 bezeichnete Schaltangsgruppc, bcstchcnc aus einem Kondensator Ci und einem diesen:

vorgeschalteten Widerstand RA zeigt die einfachst« Form eines Differenzier- oder Integriergliedes.

Als Integrierglied entzieht es dem Steuerkreis zui ersten Transistorstufe TX solange Energie, bis dei Kondensator C3 voll aufgeladen ist und verzöger damit die Abschaltung der Hilfsphase über den von den Impulsgeber vorgegebenen Zeitpunkt hinaus, so dai gewährleistet ist, daß der Hochlauf des Motors aucl dann mit Sicherheit abgeschlossen ist, wenn di< Schaltglieder ungünstige, fertigungstechnische Toleran zen aufweisen.

Als Differenzierglied wirkt die mit 16 bezeichnet« Schaltung, wenn die Spannung an dem Widerstand R' gemessen wird, die dem durch den Widerstam fließenden Strom und damit dem Kondensatorstron proportional ist 1st dieser Strom und damit di< Spannung an dem Widerstand RA, Null, so ist de Hochlauf mit Sicherheit abgeschlossen. Diese Spannunj kann nun als »Gleichgewichtsspannung«, die da:

Erreichen eines stationären Zustandes anzeigt, al direkte oder überlagerte Steuergröße herangezogei werden.

Eine weitere Verbesserung der Schaltgenauigkeit laß

*5 sich dadurch erreichen, daß der gewonnenen Steuergrö ße eine Kippstufe nachgeschaltet wird, die dann da steuerbare elektronische Ventil oder, nach evti Verstärkung, den elektrischen Schalter schaltet Al Kippstufe kann dabei z. B. eine Schmitt-Trigger-Schal

so tung oder eine UJT- oder PUT-Schaltung mi Unijunction-Transistoren bzw. mit programmierbarei Unijunction-Transistoren vorgesehen werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung für Einphasen-Asynchronmotoren, insbesondere hoher Leistung, mit einer Anlaufhilfsphase, die durch eine drehzahlabhängige, als Wechselspannung abgegriffene Steuergröße geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Formung der Steuergröße ein Reihenschwingkreis (24) mit Resonanz etwas oberhalb der gewünschten Abschaltdrehzahl vorgesehen ist

2. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Formung der Steuergröße dem Reihenschwingkreis (24) ein Integrierglied (16) zugeordnet ist

3. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Formung der Steuergröße dem Reihenschwingkreis (24) ein Differenzierglied (23) zugeordnet ist

4. Elektronisch gesteuerte Hilfsphasenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße dem steuerbaren Schalter (4,5) über eine Kippschaltung zugeführt wird.