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Title:
METHOD FOR CONTROLLING OF A MULTIPHASE ELECTRIC MOTOR OPERATING IN STAR-CONNECTED MODE VERFAHREN ZUM ANSTEUERN EINES MEHRPHASIGEN IN STERNSCHALTUNG BETRIEBENEN ELEKTROMOTORS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/118135
Kind Code:
A1
Abstract:
The method is used to start up a multiphase electric motor operating in star-connected mode.  The method provides for conductive bridging of at least one coil portion of one phase of the motor and electrical separation of the bridged coil portion, in order in this manner to supply a higher voltage to the electrically active, remaining coils and thereby to increase the current flux and thus the torque.

Inventors:
AARESTRUP, Jan Caroe (Stenbakken 8, Bjerringbro, DK-8850, DK)
Application Number:
EP2009/002087
Publication Date:
October 01, 2009
Filing Date:
March 20, 2009
Export Citation:
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Assignee:
GRUNDFOS MANAGEMENT A/S (Poul Due Jensens Vej 7-11, Bjerringbro, DK-8850, DK)
AARESTRUP, Jan Caroe (Stenbakken 8, Bjerringbro, DK-8850, DK)
International Classes:
H02P1/38; H02K3/28; H02K17/14; H02K19/12; H02P25/18; H02P25/20
Foreign References:
EP1496606A1
EP1775823A2
EP1443635A1
GB2375665A
Attorney, Agent or Firm:
VOLLMANN, Heiko et al. (Vollmann & Hemmer, Bei der Lohmühle 23, Lübeck, 23554, DE)
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Claims:

Ansprüche

1 . Verfahren zum Ansteuern eines mehrphasigen in Sternschaltung betriebenen Elektromotors zum Anfahren des Motors, bei dem mindestens ein Wicklungsteil einer Phase des Motors leitend über- brückt und der überbrückte Wicklungsteil elektrisch getrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem nach dem Anfahren des Motors die überbrückung und Trennung aufgehoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Wicklungsteile von mehreren jedoch nicht allen Phasen des Motors leitend überbrückt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Wicklungsteile nur einer Phase leitend überbrückt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die gesamte Wicklung nur einer Phase leitend überbrückt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mittels elektronischer Schalter, vorzugsweise Triacs durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede Wicklung und die mindestens eine elektrische überbrückung mittels eines elektronischen Schalters, insbesondere eines Triacs zu- und abschaltbar ist, und bei dem nach dem Abschalten der ü- berbrückung die den Wicklungen zugeordneten elektronischen Schalter zur Drehzahlsteuerung oder Energieoptimierung des Motors angesteuert werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das für einen bürstenlosen Dreiphasengleichstrommotor eingesetzt wird, der eine Kreiselpumpe antreibt oder für einen solchen Antrieb bestimmt und ausgelegt ist.

Description:

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines mehrphasigen in Sternschaltung betriebenen Elektromotors zum Anfahren des Motors.

Moderne Elektromotoren können heutzutage durch elektronische Steu- erungen weitgehend unabhängig von der Netzfrequenz angesteuert werden. Allerdings bedingt die Umrichterelektronik selbst unter Einsatz hoch integrierter elektronischer Schaltkreise Kosten, die häufig in der Größenordnung des Motors liegen. Man ist daher bemüht, insbesondere für Motoren kleiner und mittlerer Leistung von beispielsweise bis zu 7.500 W Ansteuerungen zu schaffen, die kostengünstig herstellbar sind und die den Motor mit hoher Effektivität, d. h. mit hohem Wirkungsgrad betreiben. Hierzu eignen sich aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades insbesondere Permanentmagnetmotoren, die mit einer aus Triacs als Leistungsschalter aufgebauten Ansteuerelektronik versehen sind. Solche Triacs, welche den einzelnen Motorwicklungen als Schalter zugeordnet sind, haben den Vorteil, dass diese zwar kostengünstig herstellbar sind, jedoch den Nachteil, dass es sich bei üblicher Ansteuerung um selbst haltende Schalter handelt, d. h. die nach dem Einschalten erst dann wieder sperren, wenn der durch den Schalter fließende Strom 0 (Null) wird bzw. seine Richtung ändert.

Es zählt weiter zum Stand der Technik, einen dreiphasigen bürstenlosen Elektromotor mittels eines Direktumrichters (Cyclokonverter) anzusteuern, der den Wechselstrom des Versorgungsnetzes so umrichtet, dass sich eine Wellenform höherer oder niedrigerer Frequenz ergibt. Mittels

einer Phαsenαnschnittssteuerung kann darüber hinaus die Drehzahl unter die Synchrondrehzahl abgesenkt werden.

Auch sind sogenannte Softstarter bekannt, bei denen ein bürstenloser dreiphasiger Elektromotor mittels Triacs angefahren wird. Solche Softstarter werden in Verbindung mit Dreiphasenmotoren eingesetzt, an deren Wicklungen die Netzspannung anliegt, die durch Phasenanschnittssteuerung abgesenkt werden kann.

Es zählt also zum Stand der Technik, einen wechselstromversorgten E- lektromotor mittels Triacs so anzusteuern, dass dieser nicht nur synchron, sondern auch übersynchron oder untersynchron gefahren werden kann.

Doch reicht die Phasenanschnittssteuerung als solche nicht aus, um ein Anfahren mit hohem Moment oder kurzzeitig ein erhöhtes Drehmoment des Motors zu erreichen. Aus EP 1 443 635 Al ist ein Verfahren zum Steuern des Zündwinkels eines einphasig wechselstromversorgten Elektromotors bekannt, welches ein erhöhtes Moment beim Anfahren des Motors sowie einen ruhigen Lauf bei hochgefahrenem Motor gewährleistet und mittels Triacs arbeitet, welche Haupt- und Hilfswicklung entsprechend bestromen. Dieses Verfahren arbeitet mit einer wenig aufwändigen elektronischen Steuerung und kostengünstigen Triacs und ermöglicht zudem, die Drehzahl des Motors in recht weiten Bereichen zu steu- ern, und das bei einem hohen Wirkungsgrad.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ansteuern eines mehrphasigen in Sternschaltung betriebenen Elektromotors zum Anfahren des Motors zu schaffen, mit dem ein hohes Anfahrmoment erzielt werden kann, das kostengünstig und effizient umsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ansteuern eines mehrphasigen in Sternschaltung betriebenen Elektromotors sieht vor, zum Anfahren des Motors mindestens einen Wicklungsteil einer Phase des Motors leitend zu überbrücken und den überbrückten Wicklungsteil elektrisch vom übrigen Motor zu trennen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für wechselstromversorgte, bürstenlose Permanentmagnetmotoren, also typischerweise für elektronisch kommutierte Mehrphasengleichstrommotoren aber auch für Asynchronmotoren vorteilhaft einsetzbar.

Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, durch leitende überbrückung mindestens eines Wicklungsteils oder einer Wicklung einer Phase des Motors der anderen oder den übrigen Phasen des Motors eine höhere Spannung und damit auch einen höheren Strom und somit größere elektrische Leistung zuzuführen, die der Motor dann in ein erhöhtes Drehmoment umsetzt. Dabei kann bei einem zweiphasigen in Sternschaltung betriebenen Elektromotor nur ein Wicklungsteil einer Phase des Motors leitend überbrückt und vom übrigen Motor elektrisch getrennt werden, wohingegen bei drei- und mehrphasigen in Sternschaltung betriebenen Elektromotoren auch eine komplette Wicklung einer Phase überbrückt und abgeschaltet werden kann. Das Abschalten des Wicklungsteils ist erforderlich, um sicherzustellen, dass in dem überbrückten Wicklungsteil oder in der überbrückten Wicklung durch Selbstinduktion nicht eine Bremswirkung erzeugt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Anfahren des Motors vorgesehen, da dieser dann mit einem erhöhten Moment anfährt und somit schneller seine Betriebsdrehzahl erreicht. Es versteht sich, dass beim lei-

tenden überbrücken einer Wicklung eines Dreiphαsenmotors dieser dann wie ein Zweiphasenmotor anzusteuern ist und die leitend überbrückte Wicklung durch öffnen des dieser vor- oder nachgeschalteten elektronischen Schalters, insbesondere Triacs, inaktiv zu schalten ist. Wenn der Motor als zweiphasiger Motor angesteuert wird, erfolgt vorteilhaft eine Ansteuerung, wie sie aus EP 1 443 635 Al an sich bekannt ist.

Dabei kann das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare er- höhte Drehmoment zum Anfahren unter Last oder auch in anderen Betriebssituationen eingesetzt werden, in denen dieses benötigt wird. Insbesondere bei Verwendung in Verbindung mit einem elektronisch kommutierten Mehrphasengleichstrommotor kann das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zum Anfahren sondern auch zum Hochfahren vorteilhaft in dem Drehzahlbereich eingesetzt werden, der zwischen 80 und 100 % der Synchrondrehzahl liegt. Solche Motoren insbesondere beim Einsatz zum Antrieb von Kreiselpumpen benötigen ein erhöhtes Moment um beispielsweise während des Anfahrens von einer Drehzahl, die 80 % der Synchrondrehzahl entspricht, auf die Synchrondrehzahl zu gelangen. Um in diesem Bereich ein ausreichendes Drehmoment sicherzustellen, werden üblicherweise die Motorwicklungen entsprechend groß dimensioniert, was jedoch häufig dazu führt, das beim Betrieb mit Synchrondrehzahl der Motor überdimensioniert ist und mittels einer Phasenanschnittsteuerung gedrosselt wird, was grundsätzlich nicht anzustreben ist. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens hingegen kann der Motor in der Regel so dimensioniert werden, dass er einerseits seine Synchrondrehzahl vergleichsweise schnell erreicht, anderseits im Betrieb mit Synchrondrehzahl nicht oder nur minimal gedrosselt werden muss.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die überbrückung und Trennung nach dem Anfahren des

Motors aufgehoben, bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor, also typischerweise bei Erreichen der Synchrondrehzahl oder ggf. auch einer unter- oder übersynchronen Drehzahl, wenn dies steuerungstechnisch so vorgesehen ist.

Gemäß der Erfindung ist ebenfalls vorgesehen, nur einen Teil einer Wicklung leitend zu überbrücken und elektrisch vom übrigen Wicklungsteil zu trennen, wie dies beispielsweise beim zweiphasigen Motor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen muss, da eine ganze Wicklung nicht abgeschaltet werden darf.

Es können gemäß der Erfindung Wicklungsteile einer, mehrerer, aber nicht aller Phasen leitend überbrückt werden. Bei mehr als zweiphasigen in Sternschaltung betriebenen Elektromotoren wird vorteilhaft eine gesamte Wicklung leitend überbrückt. Es versteht sich, dass jeweils der überbrückte oder die überbrückten Wicklungsteile elektrisch getrennt werden. Besonders vorteilhaft ist es gemäß der Erfindung, wenn Wicklungsteile nur einer Phase überbrückt und elektrisch getrennt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft mit elektronischen Schaltern in Form von Triacs durchgeführt, da diese kostengünstig verfügbar und für kleine und mittlere Leistungen bestimmt sind.

Vorteilhaft ist gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens jede Wicklung und die mindestens eine elektrisch leitende ü- berbrückung mittels eines elektronischen Schalters, insbesondere eines Triacs zu- und abschaltbar, wobei nach dem Abschalten der überbrückung die den Wicklungen zugeordneten elektronischen Schalter zur Drehzahlsteuerung oder Energieoptimierung des Motors angesteuert werden. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, wie oben erläutert, zumindest ein elektronischer Schalter zur Aktivierung der elektrisch leitenden überbrückung erforderlich. Da der überbrückte

Wicklungsteil oder die überbrückte Wicklung abzuschalten ist, ist darüber hinaus ein weiterer elektronischer Schalter mit dieser Wicklung in Reihe zu schalten. Diese Schalter sind also zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ohnehin zwingend erforderlich.

Wenn Wicklungsteile aller Phasen leitend überbrückt werden sollen, dann sind notwendiger Weise auch allen Wicklungen elektronische Schalter vorzuschalten, die dann im Betrieb, d. h. nach dem Hochfahren des Motors vorteilhaft eingesetzt werden, um den Motor energieop- timiert ansteuern zu können oder die Drehzahl des Motors gezielt ansteuern zu können, wie dies an sich bekannt ist. Eine solche Drehzahlsteuerung ist beispielsweise bei Asynchronmotoren möglich, eine Energieoptimierung insbesondere bei Synchronmotoren. Darüber hinaus ist bei bürstenlosen wechselstromnetzgespeisten Gleichstrommotoren oh- nehin jeder Wicklung ein elektronischer Schalter vorzuschalten, um den Motor anfahren zu können. Auch bei Asynchronmotoren werden solche Schalter vorzugsweise jeder Wicklung vorgeschaltet, um eine Phasenanschnittssteuerung oder Energieoptimierung durchzuführen.

Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren für einen bürstenlosen Dreiphasengleichstrommotor eingesetzt, der eine Kreiselpumpe antreibt oder für einen solchen Antrieb bestimmt und ausgelegt ist. Das damit verbundene erhöhte Anfahrmoment hat nicht nur Vorteile im Hinblick auf das frühere Erreichen der Synchron- oder Solldrehzahl, sondern darüber hinaus auch den Vorteil, dass, was bei Pumpen nicht völlig auszuschließen ist, ein fest sitzendes Laufrad, wie dies zum Beispiel durch Verschmutzungen auftreten kann, besser wieder frei gefahren werden kann, da ein erhöhtes Drehmoment zur Verfügung steht.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines dreiphasigen in Sternschaltung betriebenen Elektromotors einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 das vereinfachte Schaltbild des Motors gemäß Fig. 1 einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 das vereinfachte Schaltbild des Motors gemäß Fig. 1 einer dritten Ausführungsform,

Fig. 4 das vereinfachte Schaltbild des Motors gemäß Fig. 1 einer vierten Ausführungsform,

Fig. 5 ein vereinfachtes Schaltbild entsprechend Fig. 1 einer ers- ten Ausführungsform eines Zweiphasenmotors und

Fig. 6 das Schaltbild gemäß Fig. 5 eines Zweiphasenmotors einer zweiten Ausführungsform.

Der anhand von Fig. 1 vereinfacht dargestellte Elektromotor weist drei Wicklungen Wi, W 2 und W3 auf, die in Sternschaltung geschaltet sind, also an einem Ende miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Die Wicklungen sind über elektronische Schalter in Form von Triacs Ti, T2 und T3 mit den entsprechenden Anschlüssen Li, L 2 und L3 eines Drehstrom- Versorgungsnetzes verbunden.

Die Wicklung W3 ist geteilt ausgebildet und weist einen an den Schalter T3 anschließenden Wicklungsteil W3a und einen an den Sternpunkt S anschließenden Wicklungsteil W3b auf. Zwischen diesen Wicklungsteilen W3a und W3b ist die Wicklung über einen Leiter L kontaktiert, der über ein Triac T4 mit dem Anschluss L3 des Versorgungsnetzes verbunden ist.

Zum Ansteuern des Motors mit erhöhtem Drehmoment wird der Schalter T4 geschlossen, so dass der Wicklungsteil W3a der Wicklung W3 leitend überbrückt wird, also in Bezug auf die Stromversorgung des Motors wirkungslos wird. Um zu verhindern, dass beim Laufen des Motors in den Wicklungsteil Wßa ein Strom induziert wird und eine den Lauf nachteilig beeinträchtigende elektromagnetische Wirkung auftritt, wird der Schalter T3 gleichzeitig geöffnet, wenn der Schalter T4 schließt. Die am An- schluss L3 anliegende Spannung liegt somit an der Teilwicklung W3b an, wodurch sich der Widerstand der wirksamen Wicklung W3 auf W3b ver- kleinert und somit auch ein höherer Strom durch die Wicklungen Wi und W 2 fließen kann, der ein erhöhtes Moment gegenüber dem Betrieb mit den Wicklungen Wi, W2 und W3 ermöglicht.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist nicht nur die Wicklung W3, sondern auch die Wicklung W2 geteilt. Dort kann mittels des Schalters T4 der Wicklungsteil W3a und mittels des Schalters T5 der Wicklungsteil W 2a ü- berbrückt werden. Gleichzeitig kann mittels der Schalter T2 und T3 der jeweils überbrückte Wicklungsteil W2a bzw. W3a elektrisch von der Netzversorgung L2 bzw. L3 getrennt werden. Auch bei dieser Schaltung wird aufgrund des geringeren Widerstandes der verbleibenden elektrisch wirksamen Wicklungsteile W2b und W3b ein größerer Strom fließen und somit ein höheres Drehmoment erzeugt.

Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 3 ist jede der Wicklungen Wi, W2 und W3 des dreiphasigen Motors geteilt ausgebildet, wobei die Wicklungsteile Wi a , W 2a und W3a mittels der Schalter TO, TS und T4 jeweils überbrückbar sind und mittels der den Wicklungen vorgeschalteten Schaltern Ti, T2 und T3 elektrisch von den überbrückten Wicklungsteilen Wia, W2a und W3a getrennt werden. Zum Anfahren des Motors werden ein oder zwei, aber nicht alle Wicklungsteile Wi σ , W∑a und W3a überbrückt. Die überbrückung aller Wicklungsteile Wia, W 2 a und W3a kann zur Drehzahlsteuerung während des Betriebs eingesetzt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4, das ebenfalls einen dreiphasigen bürstenlosen Elektromotor in Sternschaltung zeigt, sind die drei Wicklungen Wi, W2 und W3 nicht geteilt ausgebildet, es ist jedoch die Wicklung W3 mittels des Leiters L vollständig überbrückbar. Hierzu ist ein Triac T4 im Leiter L vorgesehen, der diesen bei geschlossenem Schalter parallel zur Wicklung W3 schaltet. Ein Schalter T3, welcher der Wicklung W3 vorgeschaltet ist, dient dann zum Trennen der Wicklung W3 vom Netzanschluss L3, wenn diese durch den Leiter L überbrückt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 muss der Motor dann, wenn der Leiter L bei geschlossenem Schalter T4 die Wicklung W3 überbrückt wie ein zweiphasiger Motor angesteuert werden, da die Wicklung W3 wirkungslos geschaltet ist. Auch bei dieser Schaltung fährt der Motor mit einem erhöhten Moment gegenüber dem Normalbetrieb, bei welchem der Schalter T4 geöffnet und die Wicklungen Wi, W2 und W3 je nach kon- struktivem Aufbau und Betriebsart des Motors mit den Netzanschlüssen Li, L2 und L3 verbunden sind.

Anhand von Fig. 5 ist dargestellt, wie das Verfahren bei einem zweipha- sigen Motor anwendbar ist. Der Motor weist die Wicklungen Wi und W2 auf, die an einer Seite im Punkt S verbunden sind und mit ihrer anderen Seite am Versorgungsnetz mit den Phasen Li und L2 über Schalter Ti und T2 getrennt anliegen. Die Wicklung W2 ist in zwei Wicklungsteile W2a und W 2 b aufgeteilt, wobei im Bereich der Teilung ein Leiter L herausgeführt ist, der über einen Schalter T4 den Wicklungsteil W 2a leitend überbrückt, so dass die Versorgungsspannung des Anschlusses L2 direkt am Wicklungsteil W2b ansteht. Der der Wicklung W2 vorgeschaltete Schalter T2 wird wie vorbeschrieben geöffnet, um sicherzustellen, dass beim Anfahren des Motors in dem verbleibenden wirkungslos geschalteten Wicklungsteil W2a kein Strom induziert wird.

Anhand von Fig. 6 ist eine alternative Beschaltung eines zweiphasigen Motors dargestellt, bei dem beide Wicklungen Wi und W 2 geteilt ausge-

führt sind und jeder dieser Teilwicklungen Wi α und W∑α mittels eines Leiters L durch Schließen eines Schalters Ts bzw. T4 leitend überbrückt werden kann. Der der Wicklung Wi bzw. W2 vorgeschaltete Schalter Ti bzw. T2 wird dann geöffnet. Diese Beschaltung kann neben der insoweit zum Anfahren des Motors übereinstimmenden Beschaltung gemäß Fig. 5 insbesondere zum Betrieb des Motors nach dem Hochfahren verwendet werden, ähnlich der Beschaltung gemäß Fig. 3.

Die vorbeschriebenen Schaltungsvarianten können für einen bürstenlo- sen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor oder auch einen A- synchronmotor eingesetzt werden. Bei einem bürstenlosen Motor werden die Schalter Ti, T2 und T3 zum Anfahren sowie vorteilhaft zur Energieoptimierung eingesetzt, sie können jedoch auch zur Drehzahlsteuerung genutzt werden. Beim Asynchronmotor werden die Schalter Ti bis T3 vorteilhaft zur Drehzahlsteuerung und/oder Energieoptimierung eingesetzt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind jeweils nur die beiden Schalter erforderlich, welche einen Wicklungsteil leitend überbrücken und diesen überbrückten Wicklungsteil elektrisch vom Versorgungsnetz trennen, also bei der Ausführung gemäß Fig. 1 beispielsweise die Schalter T3 und T4, bei der Ausführung gemäß Fig. 2 die Schalter T2 bis Ts, bei der Ausführung gemäß Fig. 3 vier Schalter Ti bis TO und bei der Ausführung gemäß Fig. 4 die Schalter T3 und T4.

Bezugszeic henliste

Li, L 2 , L3 - Phasen des Versorgungsnetzes

Ti, T 2 , T3, T4, T5, TO - elektronische Schalter in Form von Triacs

W), W 2 , W3 - Wicklungen des Motors

Wia, W 2a , W3a - leitend überbrückbare Teilwicklungen

Wi b, W2b, W3b - Teilwicklungen

S - Sternpunkt

L - Leiter