CH663700A5

CH663700A5 - Circuit arrangement for changing the rotation speed of at least one single-phase AC motor for driving at least one ventilator or fan

Info

Publication number: CH663700A5
Application number: CH716481A
Authority: CH
Inventors: Eckhard Kucharczyk
Original assignee: Siegenia Frank Kg
Priority date: 1980-11-17
Filing date: 1981-11-09
Publication date: 1987-12-31
Also published as: DE3043368A1; ATA459381A; FR2494523B1; DE3043368C2; FR2494523A1; AT378288B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahländerung von mindestens einem Einphasen-Wechselstrommotor zum Antrieb mindestens eines Ventilators oder Gebläses, mit mindestens einer Hilfswicklung und mindestens einem Betriebskondensator.

Einphasen-Wechselstrommotoren der gattungsgemässen Art zum Antrieb von Ventilatoren und Gebläsen, die der Be- und Entlüftung von Räumen dienen, sind für eine verhältnismässig geringe elektrische Leistung und eine festliegende Nenndrehzahl ausgelegt. Aus der Nenndrehzahl der Einphasen-Wechselstrom-motoren bestimmt sich dabei die jeweilige Luftleistung der Ventilatoren und Gebläse.

In vielen Anwendungsfällen ist es aber erwünscht oder sogar Bedingung, dass die Luftleistung der Ventilatoren oder Gebläse variiert werden kann. Um das zu erreichen ist dann eine Drehzahländerung und/oder Drehzahlregelung der Einphasen-Wechselstrommotoren notwendig.

Es ist bekannt, zur Drehzahländerung und/oder Drehzahlregelung solcher Einphasen-Wechselstrommotoren Drehzahlregler zu benutzen, die zwischen das Stromnetz und den Motor geschaltet werden und dabei entweder auf elektronischer Basis oder aber mit Festwertwiderständen arbeiten.

Nachteilig bei diesen Drehzahlreglern ist nicht nur, dass sie einen beträchtlichen technischen Aufwand erfordern und damit auf einer Kostenbasis liegen, die derjenigen für die Einphasen-Wechselstrommotoren nahekommt, sondern sie arbeiten auch mit einem hohen Energieverlust und erhöhen damit die Betriebskosten der Ventilatoren und Gebläse.

Ein beträchtlicher Nachteil der bekannten elektronischen Drehzahlregler liegt auch noch darin, dass sich das Eigengeräusch der Einphasen-Wechselstrommotoren um so mehr erhöht, je weiter die Arbeitsdrehzahl gegenüber der Nenndrehzahl heruntergeregelt wird. Die Ursache für diese unerwünschten Erscheinungen liegt darin, dass durch die elektronischen Drehzahlregler eine Zusatzfrequenz in den Motor eingespeist wird, die beträchtlich über der Netzfrequenz liegt und auf den Läufer eine axiale Kraftkomponente ausübt, die ein Läuferschütteln verursacht und damit erhöhte Brummgeräusche herbeiführt.

Bei den Drehzahlreglern mit Festwertwiderständen ergibt sich eine hohe Erwärmung, die nur dadurch kompensiert werden kann, dass der Regler in den vom Ventilator oder Gebläse erzeugten Luftstrom gelegt wird, wo er aber in den meisten Fällen äusserst hinderlich wirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrund, mit geringem technischem Aufwand eine Schaltungsanordnung der gattungsgemässen Art zu schaffen, die bei der Einstellung einer von der Nenndrehzahl abweichenden Arbeitsdrehzahl für den Einpha-sen-Wechselstrommotor verlustarm arbeitet, die Laufgeräusche verringert und eine übermässige Erwärmung vermeidet. Die er-findungsgemässe Schaltungsanordnung entspricht den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Durch die Kurzschliessung der Hilfswicklung über die Reihenschaltung des ohmschen Widerstandes mit der Diode wird in diese eine pulsierende Gleichspannung induziert, die über die Hilfswicklung eine magnetische Feldstörung im elliptischen Drehfeld des Motors hervorruft, woraus eine Drehzahlminderung gegenüber der Nenndrehzahl resultiert.

Nach Anspruch 2 ist die Hilfswicklung und die Hauptwicklung über einen Schalter wahlweise entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Hilfskondensators mit dem Stromnetz verhindbar. Das führt zusätzlich zu einem Leistungsverlust zwecks Minderung der Arbeitsdrehzahl gegenüber der Nennzahl.

Es hat sich gezeigt, dass eine Erwärmung der elektronischen Schaltglieder dieser Schaltungsanordnung praktisch nicht eintritt und dass das Laufgeräusch des Einphasen-Wechselstrom-motors sich bei Verminderung seiner Arbeitsdrehzahl gegenüber der Nenndrehzahl beträchtlich verringert.

Eine vielstufige Drehzahländerung des Einphasen-Wechsel-strommotors lässt sich mit geringem technischen Mehraufwand erreichen, wenn nach Anspruch 3 in Reihe mit der Diode mehrere ohmsche Festwiderstände angeordnet und über zusätzliche Kontakte additiv oder subtraktiv schaltbar sind.

Eine stufenlose Drehzahländerung kann dadurch bewirkt werden, wenn nach Anspruch 4 der ohmsche Widerstand ein Potentiometer ist.

Um einen Spannungsrückschlag aus dem Hilfskondensator zu vermeiden hat es sich als zweckmässig erwiesen, nach Anspruch 5 in der Schaltungsanordnung parallel zum Hilfskondensator einen Schutzwiderstand zu schalten.

Zweckmässig können nach Anspruch 6 der Hilfskondensator und die Reihenschaltung von ohmschen Widerstand und Diode gemeinsam über einen zweipoligen Umschaltkontakt an-und abschaltbar sein.

In vielen Fällen hat es sich als zweckmässig oder gar notwendig erwiesen, Be- und/oder Entlüftungsgeräte für Räume mit zwei oder mehr Ventilatoren oder Gebläsen auszustatten. Für diese Fälle ist es daher sinnvoll, nach Anspruch 7 die Schal5

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tungsanordnung zur gleichzeitigen Dreiizahländerung von zwei Einphasen-Wechselstrommotoren mit Hilfswicklung und Betriebskondensator auszulegen. Erreicht wird dies dadurch, dass die Hauptwicklungen beider Einphasen-Wechselstrommotoren in Reihe und deren Hilfswicklungen parallel zueinander mit dem Stromnetz verbindbar sind und dass eine parallel zu den Hilfswicklungen liegende Reihenschaltung aus mindestens einem Widerstand und einer Diode über einen Schalter wahlweise zu- und abschaltbar ist.

Diese Schaltungsanordnung hat den weiteren Vorteil, dass ein Hilfskondensator nicht benötigt wird und dass für alle Einphasen-Wechselstrommotoren gemeinsam nur eine einzige aus mindestens einem Widerstand und einer Diode bestehende Reihenschaltung erforderlich ist.

Die Wirkungsweise einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung ist um so günstiger, je grösser die Differenz zwischen dem inneren Widerstand der Hilfswicklung und dem inneren Widerstand der Hauptwicklung gewählt wird, beispielsweise wenn der innere Widerstand der Hilfswicklung eines einzelnen Einphasen-Wechselstrommotors etwa einem Drittel des inneren Widerstandes der Hauptwicklung entspricht.

Werden zwei Einphasen-Wechselstrommotoren mit entsprechend ausgelegter Hilfs- und Hauptwicklung mit der Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 betrieben, dann wird die Wirkungsweise noch günstiger, weil nämlich die inneren Widerstände der Hilfswicklungen einem subtraktiven und die inneren Widerstände der Hauptwicklungen einem additiven Einfluss unterliegen.

Nachfolgend werden anhand der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen einzelnen Einphasen-Wechselstrommotor,

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung für zwei gleichzeitig arbeitende Einphasen-Wechselstrommotoren mit Hilfswicklung und Betriebskondensator.

In Fig. 1 der Zeichnung ist als Antriebsmotor für einen Ventilator oder ein Gebläse 1 ein Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motor 2 gezeigt, mit einer Hauptwicklung 3 und einer Hilfswicklung 4, vor welcher ein Betriebskondensator 5 liegt. Der Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motor 2 ist also als sogenannter Kondensatormotor ausgelegt, und zwar in der Weise, dass die Hilfswicklung 4 mit dem Kondensator 5 eingeschaltet bleibt. Hierdurch bildet sich im Luftspalt des Motors ein gleichmässigeres Drehfeld aus, als er der Fall wäre, wenn nur der Strombelag der Hauptwicklung 3 und der der Läuferwicklung das Feld erregen würden.

Derartige Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motoren 2 für Ventilatoren oder Gebläse 1 zur Be- und/oder Entlüftung von Räumen sind für geringe elektrische Leistung ausgelegt,

weil die Luftförderung nur eine minimale Nutzleistung erfordert.

Bei den für geringe elektrische Leistung ausgelegten Ein-phasen-Wechselstrom-(Induktions-)motoren hat es sich bisher als problematisch erwiesen, wünschenswerte Drehzahländerungen, beispielsweise zwecks Verminderung der Luftförderleistung, zu bewirken, weil nur technisch aufwendige und verlustreich arbeitende, somit also teure Regelgeräte zur Verfügung stehen.

Dabei haftet diesen zwischen das Netz und die Hauptwicklung des Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motors zu schaltenden Regelgeräten noch der Mangel an, dass sie entweder bei einer gegenüber der Nenndrehzahl verminderten Arbeitsdrehzahl das Laufgeräusch des Motors verstärken oder aber dass sie sich im Dauerbetrieb stark erwärmen und demzufolge eine Zusatzkühlung erfordern.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung ist hingegen so ausgelegt, dass sie sich mit geringem schaltungstechnischem

Aufwand verwirklichen lässt, verlustarm und nahezu erwärmungsfrei arbeitet sowie das Laufgeräusch des Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motors 2 bei Verringerung der Arbeitsdrehzahl erheblich vermindert.

5 Diese Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hauptwicklung 3 und die Hilfswicklung 4 über einen Schalter 6 wahlweise entweder unmittelbar an das Stromnetz 7 gelegt werden können, oder aber sich unter Zwischenschaltung eines Hilfskondensators 8 mit dem Stromnetz 7 verbinden lassen, io Ausserdem ist Vorsorge getroffen, dass bei Einschaltung des Hilfskondensators 8 gleichzeitig über einen weiteren Schalter 9 parallel zur Hilfswicklung 4 mindestens ein in Reihe mit einer Diode 10 liegender ohmscher Widerstand 11 gelegt wird.

Werden hingegen die Hauptwicklung 3 und die Hilfswick-15 lung 4 des Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motors über den Schalter 6 unmittelbar mit dem Stromnetz 7 verbunden, dann wird auch die Kurzschlussschaltung der Hilfswicklung 4 über den in Reihe mit der Diode 10 liegenden ohmschen Widerstand 11 aufgehoben, so dass der Einphasen-Wechselstrom-20 (Induktions-)motor mit Nenndrehzahl betrieben werden kann.

Die Drehzahländerung des Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motors 2 durch Einschalten des Hilfskondensators 8 in den Arbeitsstromkreis von Hauptwicklung 3 und Hilfswicklung 4 sowie die Einschaltung des in Reihe mit der Diode 25 10 liegenden ohmschen Widerstandes 11 in den Kurzschluss-Stromkreis für die Hilfswicklung 4 beruht einerseits darauf,

dass durch den Hilfskondensator 8 der äussere Widerstand des Hauptstromkreises erhöht wird und damit einem Spannungsabfall unterliegt, der bereits eine gewisse Drehzahlminderung zur 30 Folge hat, und resultiert andererseits aus einer magnetischen Feldstörung, die durch die Hilfswicklung 4 induziert und deren Ausmass durch den ohmschen Widerstand 11 bestimmt wird. Über den im Kurzschlussstromkreis mit der Diode 10 in Reihe liegenden ohmschen Widerstand 11 wird nämlich ein pulsieren-35 der Gleichstrom in die Hilfswicklung 4 induziert, der die magnetische Feldstörung hervorruft und damit das Drehfeld im Luftspalt des Motors so beeinflusst, dass sich eine weitere Verminderung der Läuferdrehzahl einstellt, und zwar unter gleichzeitiger Verringerung des Motor-Laufgeräusches.

40 Da das Ausmass der Drehzahländerung im wesentlichen vom ohmschen Widerstand 11 abhängig ist, kann anstelle des in Fig. 1 gezeigten Festwert-Widerstandes 11 auch ein Potentiometer zum Einsatz gelangen, welches innerhalb gewisser Grenzen eine stufenlose Drehzahländerung ermöglicht. Denkbar ist es 45 aber auch, in Reihe mit der Diode 10 mehrere Festwertwiderstände 11', 11", 11"' anzuordnen, und zwar so, dass diese über zusätzliche Kontakte 13', 13" additiv und subtraktiv schaltbar sind, wie dies aus der Nebenskizze zu Fig. 1 erkennbar ist.

so Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, parallel zum Hilfskondensator 8 einen Schutzwiderstand 12 zu schalten, weil dieser Spannungsrückschläge aus dem Hilfskondensator 8 verhindert, die den Schalter 6 beschädigen und an steckerfertig installierten Gerätern beim Berühren der Steckkontakte durch die Bedie-55 nungsperson unangenehme Stromschläge verursachen könnten.

Empfehlenswert ist auch, die beiden Schalter 6 und 9 zu einem zweipoligen Umschalter zu vereinigen, damit der Hilfskondensator 8 und die Reihenschaltung von ohmschem Widerstand 11 und Diode 10 gemeinsam an- und abgeschaltet werden kön-6o nen.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnung ist zur gleichzeitigen Drehzahländerung von zwei Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motoren 2 und 2' ausgelegt.

Der Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motor 2 hat die 65 Hauptwicklung 3 und die Hilfswicklung 4 und der Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motor 2' ist entsprechend mit der Hauptwicklung 3' und der Hilfswicklung 4' ausgestattet.

Die Arbeitswicklungen 3 und 3' der beiden Motoren 2 und

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2' sind in Reihe miteinander an das Stromnetz 7 gelegt, während die Hilfswicklungen 4 und 4' derselben parallel zueinander mit dem Stromnetz 7 in Verbindung stehen. Beiden Hilfswicklungen 4 und 4' ist gemeinsam ein Betriebskondensator 5 zugeordnet. Parallel zu beiden Hilfswicklungen 4 und 4 ist ein Kurzschluss-Stromkreis angeordnet, der den Schalter 9 aufweist und in dem ein ohmscher Widerstand 11 und eine Diode 10 in Reihe liegen.

Durch die Reihenschaltung der Hauptwicklungen 3 und 3' beider Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motoren addiert sich deren innerer Widerstand, so dass in dieser Schaltungsanordnung der Hilfskondensator 8 und der Schutzwiderstand 12 nach Fig. 1 nicht benötigt werden. Allerdings bewirkt die Reihenschaltung der beiden Hauptwicklungen 3 und 3' an beiden Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motoren 2 und 2' einen gewissen Drehzahlabfall gegenüber der vorgegebenen Nenndrehzahl. Sie ergibt jedoch andererseits ein sehr weiches und ruhiges Laufverhalten und damit einen geräuscharmen Betrieb. Der technische Aufwand für die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 wird durch das Fehlen des Hilfskondensators 8, des Schutzwiderstandes 12 und des Schalters 6 gegenüber derjenigen nach Fig. 1 beträchtlich vermindert.

Auch in der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 kann anstelle des Festwert-Widerstandes 11 ein Potentiometer zum Einsatz gelangen, wenn eine stufénlose Drehzahländerung gewünscht wird. Ist eine feinstufige Drehzahländerung angestrebt, dann besteht andererseits auch hier die Möglichkeit, in Reihe mit der Diode 10 mehrere Festwiderstände anzuordnen und über zu-s sätzliche Kontakte additiv oder subtraktiv zu schalten, wie das die Nebenskizze zu Fig. 1 erkennen lässt.

Abschliessend sei noch erwähnt, dass sich die Wirkungsweise der Schaltungsanordnungen nach den Fig. 1 und 2 um so günstiger gestaltet, je grösser die Differenz zwischen dem inne-lo ren Widerstand der Hauptwicklung und der Hilfswicklung bemessen wird. Hierbei kann der innere Widerstand der Hilfswicklung 4 bzw. 4, 4' jeweils einem Drittel des inneren Widerstandes der Hauptwicklung 3 bzw. 3, 3' entsprechen.

Die in der Zeichnung dargestellten und vorstehend beschrie-i5 benen Schaltungsanordnungen wurden in Verbindung mit Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motoren erprobt, deren Arbeitswicklung einen inneren Widerstand von 672 £2 und deren Hilfswicklung einen inneren Widerstand von 250 ß aufwies und deren Betriebskondensator eine Kapazität von 1,5 |iF auf-20 wies. In der Schaltungsanordnung wurde dabei ein Hilfskondensator verwendet, der ebenfalls eine Kapazität von 1,5 nF hatte, während Widerstände 11 zwischen 20 und 150 £2 zum Einsatz gelangten. Ferner wurde eine Diode 10 vom Typ IN 4007 eingesetzt und als Schutzwiderstand ein solcher von 100 25 k£2 benutzt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Schaltungsanordnung zur Drehzahländerung von mindestens einem Einphasen-Wechselstrommotor zum Antrieb mindestens eines Ventilators oder Gebläses (1; 1') mit mindestens einer Hilfswicklung (4; 4' ) und mindestens einem Betriebskondensator (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfswicklung (4; 4') und die Hauptwicklung (3; 3') mit dem Stromnetz (7) verbindbar sind und dass parallel zur Hilfswicklung (4; 4' ) mindestens ein in Reihe mit einer Diode (10) liegender ohmscher Widerstand (11) über einen Schalter (9) einschaltbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfswicklung (4) und die Hauptwicklung (3) über einen Schalter (6) wahlweise entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Hilfskondensators (8) mit dem Stromnetz (7) verbindbar sind und dass bei Einschaltung des Hilfskondensators (8) gleichzeitig parallel zur Hilfswicklung (4) die genannte Reihenschaltung aus Diode (10) und mindestens einem Widerstand (11) über den Schalter (9) eingeschaltet ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe mit der Diode (10) mehrere ohmsche. Festwiderstände (11', 11", 11'") angeordnet und über zusätzliche Kontakte (13', 13") additiv oder subtraktiv schaltbar sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand (11) ein Potentiometer ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Hilfskondensator (8) ein Schutzwiderstand (12) parallelgeschaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfskondensator (8) und die Reihenschaltung von ohmschem Widerstand (11) und Diode (10) gemeinsam über einen zweipoligen Umschaltkontakt (6, 9) an- und abschaltbar sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, zur gleichzeitigen Drehzahländerung von zwei Einphasen-Wechselstrom-motoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptwicklungen (3, 3') beider Einphasen-Wechselstrommotoren (2 und 2') in Reihe und deren Hilfswicklungen (4 und 4' ) parallel zueinander mit dem Stromnetz (7) verbindbar sind und dass eine parallel zu den Hilfswicklungen (4 und 4' ) liegende Reihenschaltung aus mindestens einem ohmschen Widerstand (11) und einer Diode (10) über einen Schalter (9) wahlweise zu- und abschaltbar ist.