DE4130532C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regulierung von einem an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Wechselstrommotor - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Regulierung von einem an ein Wechselstromnetz angeschlossenen WechselstrommotorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Regulierung von einem an ein Wechselstromnetz angeschlossenen
Wechselstrom-Motor mit Kurzschlußläufer, wobei die
Versorgungs-Wechselspannung Lücken mit einer oder mehreren
Vollwellen und abwechselnd gegenphasige Spannungshalbwellen
aufweist.
Es ist bereits bekannt, zur Drehzahlveränderung solcher Elek
tromotoren Frequenzumrichter vorzusehen, um die Frequenz des
den Motor versorgenden Netzes entsprechend der gewünschten
Drehzahl zu variieren. Solche Frequenzumrichter ergeben jedoch
einen vergleichsweise hohen Aufwand, was gerade bei kleineren
Motoren entsprechend ins Gewicht fällt. Dabei können die Ko
sten für den Frequenzumrichter die Kosten des Motors deutlich
überschreiten.
Weiterhin ist nachteilig, daß bei Einphasenwechselstrom-Moto
ren mit Kondensatorhilfsphase Frequenzumrichter nur in einem
kleinen Frequenzbereich einsetzbar sind, da der für den Motor
benötigte Phasenschieberkondensator nur für eine bestimmte Be
triebsfrequenz dimensioniert ist.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, bei solchen Motoren eine
Polumschaltung vorzusehen, um die Drehzahl zu variieren. Dies
erfordert jedoch beim Motor eine entsprechend höhere Anzahl
von Polwicklungen und damit einen erhöhten Aufwand.
Insgesamt ist bei den eingangs erwähnten Wechselstrom-Elektro
motoren auch nachteilig, daß diese bereits im Leerlauf etwa
die halbe Nennleistungsaufnahme aufweisen und somit einen re
lativ schlechten Wirkungsgrad haben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zu schaffen, wodurch eine Leistungsaufnahme-
Regulierung eines Elektromotors im Teillast- und Leer
laufbetrieb mit vergleichsweise geringem Aufwand möglich ist
und somit eine Verbesserung des Wirkungsgrades.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß die Spannungs-Zeit-Flächen der Halbwellen zur Reduzierung
der Aufnahmeleistung im Teillast- bzw. Leerlaufbetrieb in
Relation zum Lastdrehmoment des Motors reduziert werden.
Durch den lückenden Betrieb des Motors kann dieser mit redu
zierter Aufnahmeleistung und dabei gegebenenfalls gleicher
Drehzahl wie bei Vollbetrieb bei entsprechend reduzierter Last
arbeiten oder aber mit reduzierter Drehzahl.
Die Drehzahlreduzierung kann durch die Größe der jeweiligen
Lücke zwischen den Wechselspannungs-Abschnitten gewählt wer
den, oder durch Variation der Spannungs-Zeitflächen.
Durch die Anpaßbarkeit an das Lastdrehmoment im Teillast- bzw.
Leerlaufbetrieb kann die Aufnahmeleistung des Motors im
Teillast- und Leerlaufbetrieb ganz erheblich reduziert werden.
Aus der dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5 zugrundeliegenden DE 38 30 196 A1 ist zwar ein Verfahren bekannt, bei
dem eine Phasenanschnittsteuerung als Frequenzumrichter
eingesetzt wird, in dem durch rhythmischen Wechsel zwischen
freigegebenen und gesperrten Halbwellen ein Spannungsverlauf
geschaffen wird, der als Grundfrequenz die gewünschte
Netzfrequenz enthält. Der Anschnittwinkel ist aber dort stationär.
Die Spannungs-Zeit-Flächen der Halbwellen werden
nicht in Relation zum Lastdrehmoment reduziert.
Auch aus der Druckschrift Stamberger: "Drehzahlveränderbare
Antriebe" in Elektroniker, 1980, Heft 9, S. EL 29-EL 32 ist
es bereits bekannt, eine Frequenzreduzierung durch Auslassung
einer oder mehrerer Spannungsvollwellen zu erreichen.
Damit wird zwar eine Reduzierung der Motordrehzahl erreicht,
eine Reduzierung der Aufnahmeleistung im Teillast- bzw.
Leerlaufbetrieb ist damit jedoch nicht möglich.
Es sind andererseits auch schon aus den Druckschriften "Wie
man Blindleistung reduziert", in ETZ-B, 1979, Heft 24, Seiten
1397-1398, "Integrierter Regler spart Energie bei Motoren", in
Elektronik Industrie, 1984, Heft 3, Seiten 39, 40 sowie der
US 48 00 326 Maßnahmen vorgeschlagen worden, um die
Leistungsaufnahme eines Motors im Teillastbereich zu senken,
indem die Spannung am Motor auf einen der augenblicklichen
Belastung entsprechenden Wert reduziert wird.
Dort werden aber keine Vollwellen ausgetastet. Auf eine
Wechselwirkung zwischen Vollwellenaustastung und lastabhängiger
Spannungsreduzierung gibt es somit auch keinen Hinweis.
Aus der DE 34 27 479 A1 ist bereits ein Verfahren zum
Betreiben eines Elektromotors bekannt, bei dem eine
Anschnittsteuerung vorgesehen ist, mit der eine Spannung mit
herabgesetzter Frequenz erzeugt wird, in dem Gruppen von aufeinanderfolgenden
Halbwellen gleiche Polarität aufweisen. Dies kann insbesondere
bei großen Anschnittwinkeln dazu führen, daß sich die
Magnetisierungs- oder Hysteresekurve aus ihrer Symmetrielage
verschiebt und dadurch einseitig in den Sättigungsbereich
gelangt, wodurch die Stromaufnahme erhöht wird.
Beim Erfindungsgegenstand wird dies vermieden, weil durch die
ausgetasteten Vollwellen und die in ihrer Polarität sich
abwechselnden Halbwellen zu einer laufenden Symmetrierung
führen. Ein einseitiges Auswandern der Magnetisierung in den
Sättigungsbereich wird dadurch auch bei großen
Anschnittwinkeln vermieden.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor,
daß in den Spannungsversorgungslücken über die EMK
(elektromotorische Kraft) die Istdrehzahl des Elektromotors
gemessen und der Meßwert zur Regelung der Motordrehzahl oder
zur Steuerung der Motorstromaufnahme verwendet wird. Damit ist
ein geregelter Betrieb des Motors mit selbsttätiger Anpassung
an unterschiedliche Betriebssituationen möglich.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Regulierung
der Drehzahl und/oder der Leistungsaufnahme eines an ein
Wechselstromnetz angeschlossenen Wechselstromelektromotors mit
Kurzschlußläufer, wobei die Vorrichtung einen mit dem Motor in
Reihe geschalteten und mit einer Ansteuerschaltung verbundenen
elektronischen Wechselstromschalter aufweist, wobei die
Ansteuerschaltung eine Austaststeuerung zum lückenden
Ausblenden einer oder mehrerer Spannungsvollwellen und
Ansteuern von abwechselnd gegenphasigen Spannungshalbwellen
entsprechenden Periodenfolge aufweist.
Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine
Steuerung zur Reduzierung der Aufnahmeleistung im Teillast-
bzw. Leerlaufbetrieb in Relation zum Lastdrehmoment des Motors
durch Reduzierung der Spannungs-Zeit-Flächen der Halbwellen
vorgesehen ist.
Wie bereits in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erwähnt, läßt sich eine solche Austastschaltung einfach
realisieren, so daß der Aufwand insgesamt, auch unter
Einbeziehung der vorgesehenen Steuerung zum Verändern des
Effektivwertes der Wechselspannung gering ist. Dieser
vergleichsweise geringe Aufwand ist durch die Einsparung beim
Betrieb des Motors über kurze Zeit amortisiert.
Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit
ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch
näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrich
tung in einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 detailliertere Darstellungen der in Fig. 1 als Block
gezeigten Austaststeuerung sowie der Steuereinrich
tung zur Anlaufhilfe,
Fig. 3 ein gegenüber Fig. 1 um eine Drehzahl-Istwert-Bildung
sowie einen Drehzahlregler erweitertes Blockschalt
bild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 4 den prinzipiellen inneren Aufbau der Drehzahl-Ist
wert-Bildung sowie des Drehzahlreglers,
Fig. 5 ein gegenüber Fig. 1 erweitertes und mit einer Um
schalteinrichtung für die Austaststeuerung versehenen
Einrichtung und
Fig. 6 mehrere Diagramme mit Darstellung des Motorstromes
und der Motorspannung bei lückendem Betrieb sowie der
Motorspannung bei angeschnittenen Halbwellen.
Fig. 1 zeigt eine als Blockschaltbild dargestellte Vorrichtung
1, mittels der die Drehzahl und/oder die Leistungsaufnahme ei
nes an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Elektromotors 2
reguliert werden kann.
Als Stellglied 3 ist ein in Reihe zu dem Motor 2 geschalteter,
durch einen Triac 4 gebildeter, elektronischer Wechselstrom
schalter vorgesehen. Dieser kann über ein per Optokoppler 5
zündbares Triac 6 gezündet werden.
Die Ansteuerschaltung für das Stellglied 3 weist im wesentli
chen eine Austaststeuerung 7 auf, durch die der Elektromotor 2
mit lückender Wechselspannung betrieben werden kann. Dies be
deutet, daß mit Hilfe der Austaststeuerung 7 eine oder mehrere
Vollwellen der Wechselspannung ausgeblendet werden können, so
daß der Motor dann mit abwechselnd gegenphasigen Spannungs
halbwellen betrieben wird.
Weiterhin weist die Ansteuerschaltung noch eine Steuerung 8
zum Verändern des Effektivwertes der Wechselspannung auf.
Diese Steuerung 8 kann vorzugsweise durch eine Phasenan
schnitt- oder Phasenabschnittsteuerung, gegebenenfalls auch
durch einen Sinus-Amplituden-Versteller gebildet sein. Im Aus
führungsbeispiel handelt es sich, auch in Verbindung mit Fig.
6, um eine Phasenanschnittsteuerung, bei der die Netzwechsel
spannung jeweils verzögert zum Beginn einer Halbwelle an den
Motor geschaltet wird.
Mittels der Austaststeuerung 7 kann, wie bereits vorerwähnt,
an den Elektromotor 2 eine lückende Wechselspannung angelegt
werden, wobei die Lücke eine oder mehrere Perioden, also
Vollwellen dauern kann. Bei einer Lücke von der Dauer einer
Vollwelle ergibt sich eine Frequenz von 33 Hertz (vergleiche
Fig. 6), so daß dementsprechend auch das Drehfeld des Motors
mit dieser Frequenz umläuft. Bei einer Lücke von zwei
hintereinander liegenden Vollwellen würde sich eine Frequenz
von 20 Hertz ergeben.
Theoretisch ergibt dies dann bei einem Motor, der üblicher
weise bei einer Frequenz von 50 Hertz der Wechselspannung mit
3000 Umdrehungen pro Minute läuft, eine Reduktion auf 2000 Um
drehungen pro Minute bei 33 Hertz und auf 1000 Umdrehungen pro
Minute bei 20 Hertz. Die Drehzahlreduktion bei diesen angege
benen Frequenzen ist jedoch lastabhängig und auch von dem
jeweils verwendeten Motor abhängig. Demnach ist es möglich,
trotz reduzierter Drehfeld-Frequenz die Nenndrehzahl von zum
Beispiel 3000 Umdrehungen pro Minute beizubehalten, wenn am
Motor nur ein kleines Lastdrehmoment ansteht und er zuvor mit
Vollwellenbetrieb auf 3000 Upm gebracht wurde. Wird eine be
stimmte Last überschritten, so kippt der Motor auf die redu
zierte Drehzahl. Auch besteht bei bestimmten Motoren die Mög
lichkeit, daß diese auch bei 33 Hertz Drehfeldfrequenz nicht
mit zwei Drittel der Drehzahl entsprechend der Frequenzreduk
tion laufen, sondern nur mit ein Drittel der Drehzahl des 50
Hertz-Betriebes.
Damit der Strombedarf bei lückendem Halbwellenbetrieb angepaßt
werden kann, wird mit der Phasenanschnitt-Steuerung 8 jede
Halbwelle der Netzwechselspannung angeschnitten. Dadurch ergibt
sich eine beträchtliche Stromeinsparung.
In Fig. 1 ist zusätzlich noch eine Steuereinrichtung 9 ge
zeigt, die als Anlaufhilfe dient und durch die beim Start des
Motors der Wechselspannungseffektivwert für eine kurze, vor
gebbare Zeit vergrößert werden kann. Dies erfolgt bei Verwen
dung einer Phasenanschnitt-Steuerung 8, indem der Stromfluß
winkel bei geschlossenem Schalter 11 vergrößert wird und/oder
indem bei geschlossenem Schalter 12 auf Vollwellenbetrieb ohne
Zwischenlücken umgeschaltet wird.
Mit 10 ist in Fig. 1 noch ein Netzteil und mit 13 eine Ein
richtung zum Setzen definierter Anfangsbedingungen bei den
einzelnen Baugruppen der Vorrichtung bezeichnet.
Fig. 2 zeigt in zwei punktiert umrandeten Blöcken die Austast
steuerung 7 sowie die Steuereinrichtung 9.
Die Eingänge 14 und 15 sind mit der Phasenanschnitt-Steuerung
8 verbunden, wobei die Steuerung 8 Zündsignale direkt beim
Nulldurchgang der Netzspannung oder eine einstellbare Zeit
nach einem solchen Nulldurchgang liefert. Die Zündsignale
14, 15 gelangen über ein ODER-Gatter 16 und anschließend über
ein UND-Gatter 17 zu einem Flip-Flop 18 und setzt dieses.
Durch das UND-Gatter 17 gelangt das Zündsignal, weil am
zweiten Eingang dieses UND-Gatters ebenfalls ein Signal
ansteht, das von einem noch in Ruhe befindlichen Monoflop 19
kommt. Der Ausgang des Flip-Flops 18 ist mit einem ODER-Gatter
20 verbunden und dieses mit einem Treiber 21 über den das
Zündsignal an den Triac 4 geführt werden kann.
Über den mit dem Flip-Flop 18 verbundenen Ausgang des UND-Gat
ters 17 ist auch der Setz-Eingang des Monoflops 19 verbunden.
Die Laufzeit des Monoflops 19 ist auf die Anzahl der auszu
blendenden Wechselspannungsperioden eingestellt. Für eine Fre
quenz von 33 Hertz beträgt somit die Laufzeit des Monoflops 19
28 Millisekunden, während für eine Frequenz von 20 Hertz die
Laufzeit 48 Millisekunden betragen muß.
Wenn nun das Monoflop 19 gestartet ist, blockiert dessen Aus
gang das UND-Gatter 17, so daß die am anderen Eingang des UND-
Gatters 17 ankommenden Zündimpulse für die Dauer der Laufzeit
des Monoflops 19 nicht weitergeleitet werden.
Die hinter dem ODER-Gatter 16 anstehenden Zündimpulse werden
auch einem Inverter 22 zugeleitet, der diese invertierten Zün
dimpulse bei geschlossenem Schalter 23 an den Rücksetzeingang
des Flip-Flops 18 führt und dieses rücksetzt, sobald im
Nulldurchgang keine Zündimpulse von der Steuerung 8 kommen.
Dieses Flip-Flop 18 dient zur Impulsverlängerung der
Zündsignale,wie sie auch von der Steuerung 8 erzeugt werden.
Da der Triac 4 erst beim nächsten Nulldurchgang der
Netzspannung sperrt, bleibt der Motor 2 bis zum Ende der
gerade gezündeten Halbwelle bestromt.
Bei einer Lücke von einer Periodenlänge (t1) wird der Triac 4
bei einer Netzfrequenz von 50 Hertz erst wieder nach 30 Milli
sekunden (t2) gezündet, woraus sich der 33 Hertz-Betrieb er
gibt (siehe Fig. 6).
Um Überschneidungen zu vermeiden, ist das Monoflop 19 für
einen 33 Hertz-Betrieb auf eine etwas kleinere Laufzeit als 30
Millisekunden eingestellt. Das Monoflop 19 könnte dadurch zwar
schon vor dem nächsten Nulldurchgang in seine Ausgangslage zu
rück kippen, ein erneutes Zünden am Ende der Halbwelle wird
jedoch dadurch vermieden, daß die Zündpulse beispielsweise 1
bis 2 Millisekunden vor dem nächsten Nulldurchgang enden. Dies
ist gut in Fig. 6 in der dritten und vierten Diagrammzeile zu
erkennen.
Der sich bei diesem Betrieb am Motor ergebende Strom ist in
der ersten Diagrammzeile und die am Motor anstehende Spannung
in der zweiten Diagrammzeile wiedergegeben.
Fig. 2 zeigt noch die Steuereinrichtung 9 zur Anlaufhilfe des
Elektromotors 2. Mit dieser Steuereinrichtung kann für eine
bestimmte Zeit der Stromflußwinkel vergrößert werden oder aber
von lückendem auf Vollbetrieb umgeschaltet werden. Im Ausfüh
rungsbeispiel kann über den Schalter 11 die Phasenanschnitt-
Steuerung 8 (siehe Fig. 8) über den Transistor 24 im Sinne
einer Vergrößerung des Stromflußwinkels beeinflußt werden.
Die Phasenanschnittsteuerung 8 ist vorzugsweise ein käuflicher
Steuerbaustein, über dessen Eingangssteuerleitung 57 der
Phasenanschnitt mit kleiner werdender Steuerspannung
verkleinert werden kann. Wenn das Monoflop 25 (Fig. 2) gesetzt
ist, wird der Transistor 24 leitend und legt die Leitung 57
über den geschlossenen Schalter 11 an Null Volt. Damit ist der
Phasenanschnitt gleich Null.
Bei geschlossenem Schalter 12 kann das Triac 4 permanent
gezündet werden, weil am Oder-Gatter 20 "high" ansteht,
solange das Monoflop 25 gesetzt ist. Folglich steht auch bei
der Leitung 58 "High"-Signal an, so daß über den Optokoppler
5, 6 auch das Triac 4 angesteuert wird.
Als Zeitglied weist die Steuereinrichtung 9 ein Monoflop 25
auf, das beim Einschalten des Motors von der Einrichtung 13
über einen Inverter 26 gestartet wird. Ein entsprechendes
Startsignal wird von der Einrichtung 13 auch an die
Phasenanschnitt-Steuerung 8 sowie die Austaststeuerung 7
gegeben, um definierte Anfangsbedingungen zu setzen und um
Fehlfunktionen während des Aufbaues der Versorgungsspannung zu
vermeiden (vgl. Fig. 1).
Der bei der Austaststeuerung 7 befindliche Schalter 23 ermög
licht eine Umschaltung zwischen lückendem Betrieb (Schalter
geschlossen) und Vollbetrieb (Schalter offen).
Erwähnt sei noch, daß nach dem Zeitablauf des Monoflops 25 die
jeweils gewählten Anlaufhilfen - Vergrößerung des Stromfluß
winkels oder Umschaltung auf Vollbetrieb - ausgeschaltet und
auf die jeweils gewählte Betriebsart automatisch umgeschaltet
wird.
Fig. 3 zeigt eine um eine Drehzahl-Istwertbildung 27 sowie
einen Drehzahlregler 28 erweitertes Blockschaltbild. Die hin
zugekommenen Blöcke 27 und 28 sind in Fig. 4 detaillierter
wiedergegeben.
Der Drehzahl-Istwert des Motors wird im Ausführungsbeispiel in
den Spannungsversorgungslücken über die EMK gemessen. Dazu
wird am Motor über einen Gleichrichter 29 die positive Halb
welle ausgekoppelt und über den anschließenden Kondensator 30
geglättet. Diese pulsierende Gleichspannung wird dem Eingang
31 der Drehzahl-Istwertbildung 27 zugeführt.
Die pulsierende Gleichspannung liegt an einem Analogschalter
32 an, der das Signal nur dann durchschaltet, wenn an seinem
Steuereingang 33 ein entsprechendes Freigabesignal ansteht.
Die Freigabe des Analogschalters 32 erfolgt an bestimmter
Stelle innerhalb einer Spannungsversorgungslücke und auch für
eine vorgebbare Zeit. Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Frei
gabe etwa 22 Millisekunden (t3) nach dem letzten negativen
Zündimpuls für eine Zeitdauer t4 von etwa 5 Millisekunden
(vgl. zweite Diagrammzeile in Fig. 6). Durch diese zeitlichen
Verhältnisse wird bewirkt, daß tatsächlich nur die an den Mo
torklemmen anstehende EMK-Spannung gemessen wird. In der zwei
ten Diagrammzeile von Fig. 6 ist nämlich gut erkennbar, daß
nach der angeschnittenen, negativen Spannungshalbwelle noch
erhebliche Spannungsschwankungen und Überlagerungen vorhanden
sind, die die tatsächliche EMK-Spannung verfälschen würde.
Die Drehzahl-Istwertbildung 27 weist ein UND-Gatter 36 auf,
dessen Eingänge 34′ und 35′ an die Ausgänge 34 und 35 der
Austaststeuerung (vgl. Fig. 2) und den Ausgang 35 der
Steuerung 8 (vergleiche Fig. 3) angeschlossen sind. Damit wird
bewirkt, daß das UND-Gatter bei Anliegen eines Zündimpulses
für eine negative Halbwelle durchschaltet. Mit seinem Aus
gangssignal startet das UND-Gatter 36 ein Monoflop 37, dessen
Laufzeit beispielsweise auf 22 Millisekunden eingestellt ist.
Nach Ablauf dieser Zeit wird ein sich anschließendes weiteres
Monoflop 38 gestartet, das eine Laufzeit von beispielsweise 5
Millisekunden hat. Diese Laufzeit ist die Abtast-Freigabezeit,
wobei dieses Signal den Analogschalter 32 durchschaltet. Das
am Eingang 31 anstehende Meßsignal wird dann über einen Impe
danzwandler 39 und ein Filter 40 einer Sample und Hold-Schal
tung 41 zugeführt. Bei lückendem Betrieb wird der Meßwert
durchgeschaltet und über die Leitung 42 dem Drehzahlregler 28
zugeführt. Je nach dort eingestelltem Drehzahlsollwert stellt
sich dann am Ausgang des Drehzahlreglers eine Steuerspannung
ein, welche zur Phasenanschnitt-Steuerung 8 weitergeleitet
wird und entsprechend den Zündwinkel bei Drehzahlabweichungen
vom Sollwert verändert.
Die in Fig. 4 strichliniert innerhalb der Drehzahl-Istwertbil
dung 27 umgrenzte Schaltungsgruppe 43 bewirkt, daß der letzte,
vor einem Umschalten auf Vollbetrieb zur Verfügung stehende
Drehzahlist-Meßwert in der Sample und Hold-Schaltung 41 zwi
schengespeichert wird. Die Schaltungsgruppe 43 weist ein Flip-
Flop 44, zwei UND-Gatter 45 und 46 sowie einen Inverter 47
auf.
Beim Zurückschalten von Vollbetrieb auf lückenden Betrieb
steht aus der Sample und Hold-Schaltung 41 sofort der letzte
eingespeicherte Meßwert für den Drehzahlregler 28 zur Verfü
gung, bis sich über das Filter 40 am Eingang der Sample und
Hold-Schaltung 41 ein neuer Meßwert aufgebaut hat.
Über die Steuerleitungen 48 und 49 ist die Schaltungsgruppe 43
mit den Ausgängen 34 und 49′ der Austaststeuerung in Fig. 2
verbunden.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsvariante der Vorrichtung 1, die
eine Umschalteinrichtung 50 sowie eine Strommeßeinrichtung 51
zusätzlich aufweist. Mit Hilfe dieser beiden Baugruppen kann
einerseits lastabhängig, andererseits drehzahlabhängig zwi
schen lückendem und Vollbetrieb hin und hergeschaltet werden.
Ein typisches Anwendungsbeispiel wäre eine Kreissäge, wo ohne
Last im Leerlauf lückend mit Austastung gearbeitet wird und wo
andererseits beim Sägen umgeschaltet wird auf nichtlückenden
Vollbetrieb. Die Umschalteinrichtung 50 weist im wesentlichen
ein Flip-Flop 52, ein ODER-Gatter 53, einen Spannungskompara
tor 54 sowie einen Stromkomparator 55 auf. Der Spannungskompa
rator 54 ist mit einem Eingang an die Drehzahl-Istwertbildung
27 und mit seinem anderen Eingang an einen Drehzahl-Sollwert
geber angeschlossen.
Der Stromkomparator ist mit einem Eingang an die Strommeßein
richtung 51 und mit seinem anderen Eingang an einen Stromsoll
wertgeber angeschlossen.
Ausgehend von dem vorerwähnten Anwendungsbeispiel bei einer
Kreissäge ergibt sich folgender Funktionsablauf:
Der Sägen-Motor läuft zunächst im Vollbetrieb am 50-Hertz-
Netz mit einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen während eines
Sägevorganges. Nach dem Sägen geht entsprechend die Last
zurück, so daß auch der Stromistwert reduziert ist und einen
voreingestellten Stromsollwert unterschreitet. Über den
Stromkomparator 55 und das daran angeschlossene Flip-Flop 52
wird dann auf 33 Hertz-Betrieb umgeschaltet, wobei aber die
Nenndrehzahl von 3000 Umdrehungen beibehalten bleibt. Beim
nächsten Sägevorgang geht die Drehzahl wegen des lückenden 33
Hertz-Betriebes etwas zurück und der Drehzahlistwert
unterschreitet den voreingestellten Drehzahlsollwert. In
diesem Falle wird über den Spannungskomparator 54 sowie das
ODER-Gatter 53 das Flip-Flop 52 angesteuert, worauf wieder auf
Vollbetrieb umgeschaltet wird.
Im lückenden Betrieb ist auch die Anschnitt-Steuerung 8 wirk
sam, so daß auch die Leerlauf- bzw. Teillast-Stromaufnahme re
duziert wird. Mit dem in Fig. 5 am Steuereingang der Phasenan
schnitt-Steuerung 8 angeschlossenen Potentiometer 56 kann bei
lückendem Betrieb auf optimalen Phasenanschnitt, d. h. auf mi
nimale Stromaufnahme eingestellt werden.
In praktischen Versuchen hat sich gezeigt, daß ein sogenannter
Kondensatormotor mit 750 Watt Nennleistung und einer Drehzahl
von 3000 Umdrehungen pro Minute bei einer Netzfrequenz von 50
Hertz eine Verlustleistung von etwa 500 Watt im Leerlauf hat.
Bei lückendem Betrieb, im Beispiel mit 33 Hertz und der
gleichen Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute hat dieser
Motor dann nur noch eine Aufnahmeleistung von 150 Watt und bei
33 Hertz und reduzierter Drehzahl auf 1000 Umdrehungen pro
Minute ist nur noch eine Leistungsaufnahme von 25 Watt im
Leerlauf vorhanden. Insbesondere im Leerlaufbetrieb werden
somit die Verluste ganz drastisch verringert. Auch im
Teillastbereich ergibt sich bei lückendem Betrieb eine
Reduzierung der Aufnahmeleistung. Erwähnt sei noch, daß im
lückenden 33 Hertz-Betrieb mit 3000 Umdrehungen pro Minute
beim Überschreiten einer bestimmten Last der Motor auf eine
Drehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute zurückgeht und dort
stabil läuft.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eignet sich zum Einsatz in
Verbindung mit Kondensator-Einphasen-Motoren, Spaltpolmotoren
und für Dreiphasen-Kurzschlußläufer-Motoren. Durch die im vor
erwähnten, praktischen Beispiel erläuterte Verringerung der
Verlustleistung ergibt sich auch eine wesentlich reduzierte
Wärmeentwicklung beim Motor.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist der Einsatz bei einer
Pumpenanordnung, wo zwei Pumpen unterschiedlicher Leistung
installiert sind. Ist eine große Fördermenge gefordert,
arbeitet die große Pumpe, gegebenenfalls zusammen mit der
kleinen Pumpe und bei geringerem Förderbedarf wird auf die
kleine Pumpe umgeschaltet. Durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung kann nun die kleine Pumpe entfallen, weil die
große Pumpe verlustreduziert in Sparschaltung betrieben werden
kann.
Claims (16)
1. Verfahren zur Regulierung von einem an ein
Wechselstromnetz angeschlossenen Wechselstrom-Motor mit
Kurzschlußläufer, wobei die Versorgungs-Wechselspannung
Lücken mit einer oder mehreren Vollwellen und abwechselnd
gegenphasige Spannungshalbwellen aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spannungs-Zeit-Flächen der
Halbwellen zur Reduzierung der Aufnahmeleistung im
Teillast- bzw. Leerlaufbetrieb in Relation zum
Lastdrehmoment des Motors reduziert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in
den Spannungsversorgungslücken über die EMK die
Istdrehzahl des Elektromotors gemessen und der Meßwert zur
Regelung der Motordrehzahl oder zur Steuerung der
Motorstromaufnahme verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Anlaufen des Motors für eine kurze, Motor
abhängig wählbare Zeit die Spannungs-Zeit-Flächen der Halbwellen
vergrößert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Motorstrom gemessen und der Meßwert zum
Umschalten zwischen lückendem und Vollbetrieb beziehungs
weise umgekehrt verwendet wird.
5. Vorrichtung zur Regulierung der Drehzahl und/oder der Lei
stungsaufnahme eines an ein Wechselstromnetz angeschlosse
nen Wechselstrommotors mit Kurzschlußläufer, wobei die
Vorrichtung einen mit dem Motor in Reihe geschalteten und
mit einer Ansteuerschaltung verbundenen, elektronischen
Wechselstromschalter aufweist, wobei die Ansteuerschaltung
eine Austaststeuerung zum lückenden Ausblenden einer oder
mehrerer Spannungsvollwellen und Ansteuern von abwechselnd
gegenphasigen Spannungshalbwellen
aufweist, zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Steuerung (8) zur Reduzierung der Aufnahmeleistung im
Teillast- bzw. Leerlaufbetrieb in Relation zum
Lastdrehmoment des Motors durch Reduzieren der Spannungs-
Zeit-Flächen der Halbwellen vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuerung (8) zum Verändern der Spannungs-Zeit-Flächen der Halbwellen
durch eine Phasenanschnitt- oder Phasenab
schnittsteuerung oder einen Sinus-Amplituden-Versteller
gebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich
net, daß die Austaststeuerung (7) ein entsprechend der
vorgesehenen Austastzeit einstellbares Zeitglied sowie
eine von dem Zeitglied angesteuerte Torschaltung (17)
aufweist, zur zeitweisen Ausblendung eines Steuersignales
für ein im Motorstromkreis befindliches Stellglied (3).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Zeitglied der Austaststeuerung (7) im wesentlichen
durch ein Monoflop (19) und die Torschaltung im wesentli
chen durch ein UND-Gatter (17) gebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (9) zur Anlauf
hilfe vorgesehen ist, die für kurze, motorabhängig wähl
bare Zeit ein Ausgangssignal zur Vergrößerung des an den
Motor geschalteten Wechselspannungs-Effektivwertes lie
fert.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie eine Drehzahlregelung (27, 28) auf
weist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Drehzahlregelung eine Einrichtung (27) zur Bildung des
Drehzahl-Istwertes sowie einen damit verbundenen Drehzahl
regler (28) aufweist, der mit der Steuerung (8) zum Verän
dern der Spannungs-Zeit-Flächen der Halbwellen
verbunden ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung (27) zur Bildung des Drehzahl-Istwertes
bei lückendem Betrieb Zeitglieder zur Messung der am Motor
anstehenden EMK für eine vorgebbare Zeit innerhalb der
Spannungsversorgungslücken aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zeitglieder durch Monoflops (37, 38) gebildet sind,
die nach einer einstellbaren Pause ab Beginn eines Zündsi
gnales für eine vorgebbare Zeit ein Freigabesignal an eine
Torschaltung (32) liefern.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß nach der Einrichtung (27) zur Bildung
des Drehzahl-Istwertes ein Zwischenspeicher (41) für den
jeweils letzten Meßwert vor dem Umschalten auf Vollbetrieb
vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Strommeßeinrichtung (51) zur Mes
sung des Motorstromes vorgesehen ist, die mit einer Um
schalteinrichtung zum Umschalten von Vollbetrieb auf
lückenden Betrieb verbunden ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die Umschalteinrichtung mit der Drehzahl-Istwertbildung
(27) verbunden ist zum Umschalten von lückendem auf Voll
betrieb.
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