April 2013

Kombination aus Kondensator und Drossel für bidirektionale Motoren

Effiziente Motorsteuerung

Für die wirtschaftliche Steuerung von bidirektionalen Wechselstrommotoren nutzt STMicroelectronics in seinem Referenz-Design die Vorteile des neuen Kombi-Bauelements EPCOS LCap. Es vereint einen Motorbetriebs-Kondensator mit einer Drosselspule, die beide in einem robusten Gehäuse vergossen sind. Der neue LCap bietet große Langzeitstabilität, kompakte Abmessungen und einen niedrigen Montageaufwand. Das Kombi-Bauelement eignet sich hervorragend für den Einsatz in energieeffizienten Motorsteuerungen etwa von Waschmaschinen, Trocknern, Garagentüröffnern, Toröffnern und Rollladenmotoren.

Bidirektionale, asynchrone Standard-Induktionsmotoren wie sie in Waschmaschinen eingesetzt werden, haben eine Primär- und eine Anlaufwicklung. Zum Starten des Motors in der gewünschten Laufrichtung ist ein Motorstart-Kondensator erforderlich, der die Phase auf die entsprechende Wicklung umschaltet. Traditionell werden zur Motorsteuerung (Ein/Aus, Laufrichtung) elektromechanische Schalter verwendet, die allerdings deutliche Nachteile aufweisen: Sie erzeugen Umschaltgeräusche und haben ein höheres Ausfallrisiko sowie eine kürzere mittlere Lebensdauer als elektronische Bauelemente. Daher besteht große Nachfrage nach elektronischen Steuerungen, mit denen sich die elektromechanischen Komponenten (Relais) ersetzen und so die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Schaltungen erhöhen lassen. Zudem sollen damit Stromverbrauch und Geräuschpegel der Antriebe gesenkt werden.

Premium-Haushaltsgeräte wie hochwertige Waschmaschinen und Wäsche-trockner mit anspruchsvollen Programm-abläufen nutzen Antriebe, deren Dreh-zahl über Frequenzumrichter geregelt wird. Diese Lösungen gewährleisten eine sehr gute variable Motorsteuerung und Energieeffizienz. Allerdings ist die Elektronik komplex und materialintensiv. Entsprechend hoch sind auch der Aufwand und die Kosten der Montageprozesse.

Zuverlässige, kostengünstige Lösung

Gemeinsam mit TDK hat STMicroelectronics eine kostengünstige elektronische Steuerung für bidirektionale Wechselstrommotoren entwickelt (Abbildung 1). Das Design besteht aus folgenden Bauelementen:

  • STM Microcontroller (MCU)
  • STM Wechselstromschalter (TRIAC-Baureihen ACST, BTA und High Tj) zum Umschalten des Stroms auf die benötigte Wicklung
  • EPCOS LCap zum Erzeugen der zweiten Phase für die Anlaufwicklung bzw. zum Schutz der Schalter vor Überströmen

Abbildung 1: Elektronische Motorsteuerung

Der MCU steuert zwei Wechselstromschalter für die Primär- und die Anlaufwicklung des Motors an. Der EPCOS LCap kombiniert den Motorbetriebs-Kondensator mit der in Reihe geschalteten Drosselspule.

Gegenüber Schaltungen mit elektromechanischen Schaltern bietet dieses Design mehrere Vorteile:

  • Höhere Effizienz, da die Wechselstromschalter über einen einzelnen Impuls geschaltet werden. So ist kein ständiger Stromfluss durch die Relais-Spule erforderlich und der Stromverbrauch sinkt.
  • Höhere Zuverlässigkeit, da elektronische Wechselstromschalter (TRAICS) eine längere Lebensdauer aufweisen als Relais.
  • Verringerte elektromagnetische Interferenzen (EMI) durch funkenfreies Schalten
  • Geringere Geräuschbelastung durch den Wegfall mechanischer Relais
  • Eignung für den Einsatz in drehzahlfesten bidirektionalen Antrieben für Anwendungen wie Garagen- und Toröffner oder elektrische Markisen und Rollläden.

Die neueste Generation von TRIACs ist für diese Anwendungen bestens geeignet. Sie bieten schnelle Schaltvorgänge und werden durch Gate-Ströme von nur 5 mA angesteuert. Zudem zeichnen sie sich unter anderem durch eine sehr hohe Stoßstrombelastbarkeit (ITSM) aus. Ein einzelner 16-A-TRIAC kann über einen Zeitraum von 20 ms einem Stoßstrom von 140 A sowie einer periodischen Stromänderungsgeschwindigkeit (dI/dt) von 100 A/μs standhalten. Der Phasenwinkel ist einfach zu kontrollieren, was mit mechanischen Relais kaum möglich wäre.

Effektive Überstrombegrenzung mit integrierter Drossel
In einem elektronischen Schaltkreis mit zwei TRIACs wird eine Drosselspule benötigt, um die Schalter vor Überlastung zu schützen. Beispielsweise kann eine elektromagnetische Störung (EMI) dazu führen, dass beide Schalter gleichzeitig angesteuert werden, wodurch sich der Kondensator ohne Strombegrenzung entladen würde. Die in diesem Fall eintretende stromseitige Überlastung kann die Schalter beschädigen. Um dies zu vermeiden, wird eine Induktivität in Reihe zum Kondensator geschaltet, die den vom Kondensator abgegebenen Strom begrenzt.

Wenn beide TRIACs gleichzeitig angesteuert werden (Abbildung 2) kann im ersten Peak, der 25 μs lang andauert, ein Schaltstrom von mehr als 1000 A fließen (rote Kurve). Dieser Wert ist für bidirektionale asynchrone Induktionsmotoren von 230 V und 50 Hz mit einer Nennleistung von 150 W typisch, wenn sie von einem Kreis mit zwei Wechselstromschaltern angesteuert werden, der einen Phasenschieberkondensator mit 10 μF verwendet. Diese große Stromstärke überschreitet den für die TRIACs zulässigen Höchstwert.

Abbildung 2: Spitzenstrom mit und ohne Drossel in Reihe zum Kondensator


Wenn die Schaltung nicht durch eine Drosselspule geschützt ist und beide TRIACs gleichzeitig angesteuert werden, fließt 25 µs lang ein Strom von ∗−1073 A durch die Wechselstromschalter (rote Kurve). Mit Drossel wird der Spitzenstrom 110 µs lang auf −232 A begrenzt (grüne Kurve).


Eine in Reihe geschaltete Drosselspule begrenzt den Spitzenstrom effektiv. Die dI/dt-Geschwindigkeit nimmt dann Werte an, denen TRIACs ohne Beschädigung standhalten können. Wie in Abbildung 2 gezeigt, verringert eine Induktivität von 80 μH den ersten Spitzenstrom für eine Dauer von 110 μs auf unter 250 A (grüne Kurve), so dass der sichere Betriebsbereich nicht überschritten wird.

Im Labor von STMicroelectronics ausgeführte Tests haben gezeigt, dass die besten Ergebnisse durch Verwendung des EPCOS LCap erzielt werden. Bei einer Waschmaschine dreht sich während des Waschvorgangs die Trommel in beide Richtungen. Hierfür werden die beiden TRIACs abwechselnd angesteuert. Eine der beiden Wicklungen des Induktionsmotors ist direkt an die Netzspannung angeschlossen. Die andere Wicklung wird über den Motorbetriebs-Kondensator versorgt, der über den Kondensator eine Phasenverschiebung und eine hohe Spannung liefert, die einen Spitzenwert von 650 V erreichen kann. Im Schleudergang wird dagegen nur ein TRIAC angesteuert, da sich die Trommel in diesem Fall mit maximaler Drehzahl in nur einer Richtung dreht.

Zwei Bauelemente, ein Gehäuse

Der EPCOS LCap bietet im Vergleich zu einer Lösung aus mehreren einzelnen Komponenten zahlreiche Leistungs- und Logistikvorteile:

  • Niedriger Ersatzserienwiderstand (ESR)
  • Große Langzeitstabilität mit geringen Toleranzen
  • Äußerst robust und wartungsfrei
  • Kompakte Abmessungen
  • Zwei Anschlussleitungen statt vier
  • Verringerter Montageaufwand

Die Kombination von Kondensator und Drosselspule in einem Gehäuse ermöglicht geringere Toleranzen als diskrete Lösungen. Denn die Luftspule weist für gewöhnlich vor allem bei solchen Designs, bei denen mechanische Belastungen die Wicklung verformen können, höhere Toleranzen auf. Neben den bestens aufeinander abgestimmten elektrischen Parametern bietet der LCap in dieser Kombination auch messbare Vorteile bei der Bestückung mit Produktionslinien. Darüber hinaus bedeutet die geringere Anzahl von Bauelementen, dass weniger Montageschritte erforderlich sind und infolgedessen die Ausfallrate sinkt. Dank dieser Vorteile setzen Weltmarktführer die LCap Technologie bereits erfolgreich für wirtschaftliche und einfach zu installierende Lösungen ein.

Tabelle 1: Kenndaten EPCOS LCap

Kondensator
Nennkapazität [µF]3 bis 50
Nennspannung [V AC]230 bis 450
Toleranz [%]± 5
Drosselspule
Nenninduktivität [µH]5 bis 100
Toleranz [%]± 10

Der EPCOS LCap ist eine Kombination aus Motorbetriebs-Kondensator und Drosselspule und wird mit zahlreichen Nennkapazitäten und Induktivitäten angeboten. Weitere Typen, etwa für Kleinmotoren, auf Anfrage.

Tabelle 2: Typische Kombinationen von LCap und Wechselstromschaltern

MotorleistungEPCOS LCap (B32350*)TRIAC 1)
[W bei 230 V, 50 Hz]Kapazität [µF]Induktivität [µH]Typ
12045ACST610-8
BTA06-800TWRG
BTB12-600TWRG
1901080ACST1235
ACST1035
BTA12-800CW
25050100ACST1235
ACST1035
BTA12-800CW

1) Von STMicroelectronics

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