EP2178201B1

Method and control system for transforming an AC voltage into a consumer supply voltage with adjustable rms value

Abstract

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EP2178201B1, drawing sheet 1
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9 claims: 2 independent, 7 dependent

  1. 1
    Verfahren zum Umformen einer über ihren Phasenwinkel (ϕ N ) insbesondere sinusförmigen Speisewechselspannung (U N ) in eine bezüglich ihres Effektivwertes einstellbare Betriebsspannung (U M ) für einen Elektromotor (M), insbesondere für einen Einphasen-Asynchronmotor (ASM) zwecks Drehzahlstellung, wobei die Speisewechselspannung (U N ) über den Verlauf des Phasenwinkels (ϕ N ) bezüglich ihrer jeweiligen Augenblickswerte (U N ') anhand mindestens einer vorgegebenen Funktion (f(ϕ N ))jeweils um einen in Abhängigkeit vom Phasenwinkel (ϕ N ) in einem Bereich von 0 bis 1 vorgegebenen Faktor kontinuierlich veränderbar ist, so dass die Betriebsspannung (U M ) über den Phasenwinkel (ϕ N ) hinweg mit einem durch die Funktion (f(ϕ N )) vorgebbaren Verlauf aus Augenblickswerten (U M ') von 0 % bis 100 % der zugehörigen Augenblickswerte (U N ') der Speisewechselspannung (U N ) generierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisewechselspannung (U N ) über ein bezüglich seiner Leitfähigkeit gesteuert über einen Stellbereich von 0 % bis 100 % auf unterschiedliche Werte und Zwischenwerte veränderbares Stellglied (6) aus zwei entgegengesetzt in Reihe geschalteten Leistungshalbleitern (22,24), beispielsweise MOSFET's in die Betriebsspannung (U M ) derart umgeformt wird, dass der Verlauf der Betriebsspannung (U M ) eine Kombination zwischen einer vorwiegend phasenanschnittbasierenden Steuerung und einer vorwiegenden linearen Ansteuerung darstellt und sich die Betriebsspannung (U M ) dabei kontinuierlich von dem Verlauf einer Linearsteuerung bei niedrigen Effektivwerten der Spannung zu dem einer Phasenanschnittsteuerung bei hohen Effektivwerten ändert, wobei dem Stellglied (6) über den ganzen Stellbereich der Betriebsspannung hinweg Soll-Augenblickswerte (U M ') für die Betriebsspannung (U M ) vorgegeben werden, wobei die Soll-Augenblickswerte (U M ') durch Multiplikation der jeweiligen Augenblickswerte (U N ') der Speisewechselspannung (U N ) mit zugehörigen, durch die jeweils vorgegebene Funktion (f(ϕ N )) definierten Aussteuergradwerten (A M =f(ϕ N )) bestimmtwerden, wobei die Funktion (f(ϕ N )) in Form mindestens einer gespeicherten Wertetabellen (12;12a,b,c) oder eines Algorithmus vorgegeben wird und durch Vorgabe eines Stellsignals (S) die Funktion (f(ϕ N )), insbesondere jeweils eine von mehreren gespeicherten Wertetabellen (12a, b, c), auswählbar ist, wobei die Funktion (f(ϕ N )), insbesondere jede Wertetabelle (12a, b, c), für einen bezüglich des Effektivwertes unterschiedlichen Phasenverlauf der Betriebsspannung (U M ) ausgelegt ist, und wobei eine Überwachung des Phasenverlaufs des durch den Elektromotor (M) fließende, aus der Betriebsspannung (U M ) resultierenden Verbraucherstromes (I M ) unter Berücksichtigung der jeweiligen Aussteuergradwerte (A M ) erfolgt, wobei jeweils das Stellglied (6) zu Zeitpunkten (ϕ 2 , ϕ 4 ) des Phasenwinkels (ϕ N ), in denen der Verbraucherstrom (I M ) zu Null wird, deaktiviert, und zwar in einen gänzlich sperrenden, hochohmigen Zustand geschaltet und erst dann wieder zur Variation seiner Leitfähigkeit aktiviert wird, wenn die Aussteuergradwerte (A M ) von Null auf größere Werte ansteigen.
  2. 2
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stellglied (6) Sollwerte (Us') für eine am Stellglied (6) abfallende Stellerspannung (Us) vorgegeben werden, wobei die Stellerspannungs-Sollwerte (Us') als Differenz der Augenblicks- werte (U N ') der Speisewechselspannung (U N ) abzüglich der Soll- Augenblickswerte (U M ') der Betriebsspannung (U M ) bestimmt werden.
  3. 3
    Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem jeweils zwischen zwei Wertetabellen (12a, b, c) liegenden Stellbereich eine Berechnung der Aussteuergradwerte (A M ) durch Interpolation erfolgt.
  4. 4
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung (U M ) durch Vorgabe und Auswahl der Wertetabellen (12a, b, c) derart generiert wird, dass über den Stellbereich der Betriebsspannung (U M ) hinweg eine Minimierung einer Steller-Verlustleistung sowie eine Minimierung eines Oberschwingungsgehaltes der Betriebsspannung (U M ) erreicht werden.
  5. 5
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung (U M ) mittelbar über eine Verbraucherstrom-Vorgabe generiert wird.
  6. 6
    Steuersystem zum Umformen einer über ihren Phasenwinkel (ϕ N ) insbesondere sinusförmigen Speisewechselspannung (U N ) über eine Stellereinrichtung (2) in eine bezüglich ihres Effektivwertes einstellbare Betriebsspannung (U M ) für einen Elektromotor (M), insbesondere für einen Einphasen-Asynchronmotor (M/ASM) zwecks Drehzahlstellung, wobei die Stellereinrichtung (2) aus einem über den Phasenwinkel (ϕ N ) hinweg bezüglich seiner Leitfähigkeit gesteuert über einen Stellbereich von 0 % bis 100 % kontinuierlich auf unterschiedliche Werte und Zwischenwerte veränderbaren Stellglied (6) aus zwei entgegengesetzt in Reihe geschalteten Leistungshalbleitern (22,24), beispielsweise MOSFET's besteht und dieses Stellglied (6) von einer Steuereinheit (8) inAbhängigkeit vom Phasenwinkel (ϕ N ) der Speisewechselspannung (U N ) anhand mindestens einer in einem Speicher (10) abgelegten Funktion (f(ϕ N )) mitAussteuergradwerten (A M =f(ϕ N )) derart angesteuert wird, dass die Betriebsspannung (UM) über den Phasenwinkel (ϕ N ) über den ganzen Stellbereich der Betriebsspannung hinweg mit einem durch die Funktion vorgegebenen Phasenverlauf aus Augenblickswerten (U M ') von 0 % bis 100 % von zugehörigen Augenblickswerten (U N ') der Speisewechselspannung (U N ) generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Betriebsspannung (U M ) eine Kombination zwischen einer vorwiegend phasenanschnittbasierenden Steuerung und einer vorwiegenden linearen Ansteuerung darstellt und sich die Betriebsspannung (U M ) dabei kontinuierlich von dem Verlauf einer Linearsteuerung bei niedrigen Effektivwerten der Spannung zu dem einer Phasenanschnittsteuerung bei hohen Effektivwerten ändert, eine Schalteinrichtung (32), mit der das Stellglied (6) in Abhängigkeit vom Phasenverlauf des aus der. Betriebsspannung (UM) resultierenden Verbraucherstromes (I M ) jeweils zu Zeitpunkten (ϕ 2 , ϕ 4 ) des Phasenwinkels (ϕ N ), in denen der Verbraucherstrom (I M ) zu Null wird über einen bestimmten Phasenwinkelbereich (ϕ 1 - ϕ 3 ) hinweg deaktivierbar, d. h. in einen gänzlich sperrenden, hochohmigen Zustand schaltbar ist und erst dann wieder zur Variation seiner Leitfähigkeit aktiviert wird, wenn die Aussteuergradwerte (A M ) von Null auf größere Werte ansteigen, wobei der Speicher (10) Mittel zur Ablage von mehreren, jeweils für einen bezüglich des Effektivwertes unterschiedlichen Phasenverlauf der Betriebsspannung (U M ) ausgelegten Funktionen, insbesondere in Form von Wertetabellen (12a, b, c), aufweist, von denen jeweils eine über Einstellmittel (30) durch Vorgabe eines Stellsignals (S) auswählbar ist.
  7. 7
    Steuersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die/jede in dem Speicher (10) abgelegte Funktion (f(ϕ N )) Aussteuergradwerte (A M ) als Faktoren im Bereich von 0 bis 1 als Funktion (f (ϕ N )) vom Phasenwinkel (ϕ N ) der Speisewechselspannung (U N ) definiert, wobei die Augenblickswerte (U N ') der Speisewechselspannung (U N ) über einen Multiplikator (14) mittels der Aussteuergradwerte (AM) veränderbar sind.
  8. 8
    Steuersystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (6) eine in Reihe mit dem Elektromotor (M) zu schaltende Leistungshalbleiter-Anordnung (20) aufweist, die aus den zwei entgegengesetzt in Reihe geschalteten Leistungshalbleitern (22, 24) besteht.
  9. 9
    Steuersystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ist, wobei die Betriebsspannung (U M ) mittelbar über eine Verbraucherstrom-Vorgabe generiert wird.