Schaltungsanordnung zur Veränderung der Drehmoment-Drehzahlkennlinie eines Asynchronmotors Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Veränderung der Drehmoment-Drehzahlkennlinie eines Asynchronmotors.
Für Regelungs- und Steuerungsanlagen, Haushal- tungsmaschinen und viele weitere Anwendungsgebiete werden kleine Motoren mit veränderlicher Drehzahl benötigt. Bisher werden für solche Aufgaben vorwiegend Kollektormotoren verwendet. Ein Kollektormotor ist aber verhältnismässig teuer in der Herstellung, erfordert eine Wartung (Kohlen, Kollektor) und verursacht Fun ken, deren Auswirkungen nur mit einem zusätzlichen Aufwand an Schaltelementen reduziert werden kön nen.
Asynchronmotoren mit Kurzschlussankern sind billi ger als Kollektormotoren, annähernd wartungsfrei und verursachen keine Funken. Es ist bekannt, dass sich die Drehzahl eines Asynchronmotors durch verschiedene Frequenzen der Speisespannung, durch Polumschaltung oder in kleinen Grenzen auch durch Herabsetzen der Speisespannung verändern lässt. Verschiedene Frequen zen können durch rotierende oder durch elektronische Frequenzumformer erzeugt werden. Diese Verfahren sind jedoch für kleine Anlagen und Apparate wegen des hohen Aufwandes an Schaltmitteln nicht geeignet.
Ein polumschaltbarer Asynchronmotor benötigt einen Um schalter mit zahlreichen Kontakten oder für jede Dreh zahl eine eigene Statorwicklung. Die dadurch entstehende Verteuerung schliesst seine Anwendung für kleine Anla gen und Apparate ebenfalls aus. Durch Herabsetzen der Speisespannung ist nur eine geringe Drehzahlverände rung möglich, welche für die meisten Anwendungen nicht ausreicht.
Es ist auch bekannt, einen Asynchronmotor mit einem Bremsmagneten auszurüsten, der im Rotor Wir belströme erzeugt und dadurch den Motor auf eine geringere Geschwindigkeit abbremst. Der Bremsmagnet kann ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein, dessen Wicklung von einem Gleichstrom durchflossen wird. Ein Permanentmagnet muss zur Drehzahlverände rung mechanisch verstellt werden können. Beide Ausfüh rungen erfordern eine Sonderanfertigung der Motoren.
Es wurde nun nach einer Lösung gesucht, wie die Drehzahl eines handelsüblichen Asynchronmotors mit dem geringsten Aufwand an Schaltmitteln innerhalb eines grossen Bereiches verändert werden kann.
Die vorliegende Erfindung zeigt eine Lösung mit einer Schaltungsanordnung zur Veränderung der Dreh moment-Drehzahlkennlinie eines Asynchronmotors, bei der die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnungen dadurch vermieden sind, dass die Statorwicklung des Asynchronmotors mit einem Steuerglied mit nichtlinearer Strom-Spannungskennlinie in Reihe geschaltet ist.
Anhand der Figuren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung und Fig. 2 ein Diagramm.
In der Fig. 1 sind 1 und 2 Anschlussklemmen, welche zum Anschluss eines Einphasen-Asynchronmotors 3 mit einem in Reihe dazu liegenden Steuerglied 4 an eine Wechselspannungsquelle bestimmt sind. Der Einphasen- Asynchronmotor 3 besitzt zwei Statorwicklungen 5 und 6 und einen Kondensator 7 als Phasenschieber. Das Steuer glied 4 besteht hier aus einer Parallelschaltung einer Diode 8 mit einem Widerstand 9. Der Widerstand 9 kann ein stetig oder stufenweise veränderbarer Widerstand sein. Ein Verbindungspunkt 10 verbindet den Einphasen- Asynchronmotor 3 mit dem Steuerglied 4.
Die Fig. 2 zeigt Drehmomentkurven 11, 12, 13, 14 und 15 in Abhängigkeit von der Drehzahl mit dem Widerstandswert des Widerstandes 9 als Parameter. Eine gestrichelte Linie 16 deutet ein konstantes Drehmoment an.
<I>Wirkungsweise der Schaltung nach der</I> Fig. <I>1</I> Wird an den Anschlussklemmen 1 und 2 eine Wech selspannung angelegt und ist der Wert des Widerstandes 9 auf Null eingestellt, dann erhält der Einphasen- Asynchronmotor 3 die volle Wechselspannung. Seine Drehmoment-Drehzahlkennlinie verläuft für diese Wider standseinstellung nach der Kurve 11 (Fig. 2).
Wird der Widerstand 9 verstellt, so dass sein Wert grösser als derjenige der Diode 8 in Durchlassrichtung ist, dann fliessen jeweils die einen Halbwellen im wesent lichen über die Diode 8 und die anderen über den Widerstand 9. Die Diode 8 lässt die einen Halbwellen annähernd vollständig durch, während der Widerstand 9 die anderen Halbwellen begrenzt; dadurch wird dem Wechselstrom eine Gleichstromkomponente überlagert, so dass im Stator des Motors 3 ein umlaufendes und gleichzeitig ein stehendes Magnetfeld entstehen. Auf den Rotor des Motors wirken daher ein Drehmoment und gleichzeitig ein Bremsmoment. Das Bremsmoment ent steht durch Wirbelstrombildung in dem sich drehenden Rotor, wodurch dessen Drehzahl abnimmt.
Vergrössern des Widerstandes 9 erhöht die Gleichstromkomponente und damit auch das Bremsmoment.
Die Kurven 11 bis 15 in der Fig. 2 zeigen Drehmo- ment-Drehzahlkennlinien in Abhängigkeit von der Grös- se des Widerstandes 9. Es ist daraus ersichtlich, dass bei gleichbleibendem Drehmoment, wie es z.B. durch die gestrichelte Linie 16 angedeutet ist, die Drehzahl in weiten Grenzen verändert werden kann, was bei einem Asynchronmotor in Normalausführung und mit einem gleich geringen Aufwand an zusätzlichen Schaltelementen sonst nicht möglich ist.
<I>A</I> usf ichrungsvarianten Im Beispiel nach der Fig. 1 ist das Steuerglied 4 aus der Diode 8 und dem Widerstand 9 gebildet. Der Widerstand 9 kann stetig veränderbar - z.B. als Drehwi derstand - oder stufenweise veränderbar, z.B. durch Verwendung von umschaltbaren Widerständen, ausge führt werden. Das Steuerglied 4 kann aber auch aus anderen Steuerelementen mit nichtlinearer Strom-Span- nungskennlinie gebildet sein.
Der Diode 8 kann ein steuerbares Halbleiterbauelement, z.B. ein Transistor, ein Thyristor oder ein lichtabhängiger Widerstand parallelge schaltet werden.
Ein Transistor oder ein Thyristor werden als Verstär- kerelemente bevorzugt, wenn der Motor durch weitere vorgeschaltete Steuerelemente gesteuert werden soll. Ein lichtabhängiger Widerstand kann sehr vorteilhaft sein, wenn eine galvanische Trennung zwischen dem Motor stromkreis und dem Steuerstromkreis notwendig ist. Der lichtabhängige Widerstand kann durch eine in ihrer Helligkeit veränderbare Lichtquelle gesteuert werden.
Das Steuerglied 4 kann auch aus einem einzigen Halbleiter-Bauelement, wie z.B. einem Fünfschicht- Schaltelement oder einer Zenerdiode gebildet sein. Ein Fünfschicht-Schaltelement, z.B. ein Fünfschicht-Thyris- tor, muss entsprechend gesteuert werden, damit es wahl weise zwei gleich grosse oder zwei verschieden grosse Halbwellen durchlässt. Eine Zenerdiode lässt zwei ver schieden grosse Halbwellen durch. Sie kann zur Erzie lung der vollen Motordrehzahl überbrückt werden.
Welches der erwähnten Steuerelemente verwendet wird, hängt von der Motorleistung, der zur Verfügung stehenden Steuerleistung, der Spannung, der .Schaltungs anordnung und von weiteren, je nach Anwendung ver schiedenen Faktoren ab.
Das Steuerglied 4 ist in der Fig. 1 über den Verbin dungspunkt 10 mit dem Motor 3 verbunden. Zur Dreh richtungsumkehr kann dasselbe oder ein zweites Steuer glied an den Verbindungspunkt zwischen der Statorwick- lung 6 und dem Kondensator 7 angeschlossen werden.
Das Schaltungsbeispiel nach der Fig. 1 zeigt einen Einphasen-Asynchronmotor. Es ist aber ebenfalls denk bar, das gleiche Prinzip auch für einen Dreiphasen- Asynchronmotor anzuwenden.
Anwendungsbeispiele Die Anwendungsgebiete für einen. Asynchronmotor mit veränderlicher Drehzahl sind so vielseitig, dass hier nur wenige Beispiele erwähnt werden können. Die Eigenschaften eines Reglers, z.B. eines Tempera tur-, Luftfeuchte-, Druck- oder Helligkeitsreglers lassen sich wesentlich verbessern, wenn der Stellantrieb mit veränderlicher Stellgeschwindigkeit laufen kann. Bekannt ist diese Tatsache durch pneumatische Regler, deren Stellantriebe mit veränderlicher Stellgeschwindigkeit lau fen.
Bei einer grossen Regelabweichung ist die Stellge- schwindigkeit gross und nimmt mit kleiner werdender Regelabweichung ab. Auch beim Ein- und Ausschalten einer Anlage können lange Laufzeiten, die wegen der Regelstabilität erforderlich waren, nun verkürzt werden. Nahezu alle bekannten Stellantriebe mit Einphasen- Asynchronmotor können mit der beschriebenen Dreh zahlregelung versehen werden. Vorteilhaft wird das zur Veränderung der Stellgeschwindigkeit dienende Steuer glied 4 unmittelbar in einen Regler eingebaut.
Zur Steuerung von Fensterstoren ist es zweckmässig, wenn der Stellantrieb für die Auf- und Abwärtsbewegung schnell und für die Lamellenverstellung langsam laufen kann. Hier genügt z.B. eine Umschaltung auf zwei verschiedene Stellgeschwindigkeiten, die ebenfalls nach der in der Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung ausführ bar ist.
Steuerungseinrichtungen an Werkzeugmaschinen er fordern oft eine Grob- und eine Feineinstellung, die sich ebenfalls nach der vorliegenden Erfindung ausführen lassen. Weitere Anwendungsbeispiele sind Aufzüge, Krä ne, Waschmaschinen, Ventilatoren und Versteileinrich tungen verschiedener Art.