DE1488396A1

DE1488396A1 - Geregelter Asynchron-Motor

Info

Publication number: DE1488396A1
Application number: DE19641488396
Authority: DE
Inventors: Hasse Hans Karl Hermann; Balkow Max Joachim; Rauter Guenther Josef; Aye Gerhard Ulrich
Original assignee: Loher & Soehne GmbH; Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Loher & Soehne GmbH; Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1964-07-17
Filing date: 1964-07-17
Publication date: 1969-04-10
Also published as: DE1488396B2; GB1044425A; NL6509003A; US3375424A; AT278981B

Description

STANDARD EIEKIRIK LORENZ 1 Λ 8 8 ^ 9 6 LOHER ft

AKTIENGESELLSCHAFT ι τ ν vow ν . _G#M#B#H#

Stuttgart-Zuffenhaüsen . RUHSTORF/ROTT Hellmuth-Hirth-Str.42

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Dr. Expl.

Geregelter Asynchron-Motor

Die Erfindung bezieht sich auf die Regelung von Asynchron-Motoren mit Widerstandsläufern, insbesondere auf Schaltungsanordnungen zur Drehzahlregelung von solchen Motoren.

Auf vielen technischen Gebieten werden Motore benötigt, die mit verschiedener Drehzahl laufen sollen, insbesondere mit verschiedenen konstanten Drehzahlen. So wird beispielsweise bei Waschmaschinen ein Motor benötigt, der bei dem Waschvorgang mit einer konstanten niedrigen Drehzahl läuft, gegebenenfalls dabei umgesteuert wird, und der andererseits beim Schleudervorgang mit einer hohen Drehzahl läuft.

Ihrer Vorteile wegen haben sich für viele Zwecke Asynchron-Motoren eingeführt. Die Drehzahlregelung bereitet bei solchen Motoren jedoch Schwierigkeiten. Die Drehmomentenkennlinie von Asynchron-Motoren hat im allgemeinen ein ausgesprochenes Kippmoment und / oder ein Sattelmoment, so daß innerhalb des motorischen Drehzahlbereiches keine stabilen Betriebsverhältnisse vorliegen. Eine Regelung von solchen Motoren durch Änderung der Speisespannung ist aber nur möglich, wenn hierfür der Motor so ausgebildet ist, dass er kein Kippmoment aufweist. Dies ist insbesondere dadurch möglich, daß die am Umfang des Läufers angeordneten Leiterstäbe gegenüber den Läuferblechen isoliert werden, aber anderseits untereinander elektrisch verbunden sind, beispielsweise über Kurzschlußringe. Dadurch wird vermieden, daß- ein Querstrom durch die Bleche des Läufers fließt.

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£in solcher Asynchron-Motor kann bezüglich seiner Drehzahl über den ganzen Drehbereich geregelt werden» in dem die angelegte Speisespannung verändert wird. G-eniäß der Erfindung wird diese Regelung mit steuerbaren Halbleitervorrichtungen vorgenommen.

Auf dieae Weise können Asynchron-!totoxen für viele Zwecke eingesetzt werden, bei denen eine Drehzahlregelung erforderlich ist, so daß die vorteilhaften EigerschafSen dieser Motoren auch auf Gebieten zur Geltung gebracht werden können, wo sie vorher nicht eingesetzt werden konnten. Die Regelung tilt steuerbaren Halbleitergleichrichtern ist H besonders vorteilhaft, da '3ie verlustlos vor sich geht.

Gemäß :1er weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Asynchron-Motor mit seiner Hilfsphase über «: üien Kondensator an die Speisewechselspannung angeschlossen und 65e Spannung an der Arbeitsphase wird mittels steuerbaren Halbleitergleichrichter verändert. Dies geschieht in der Weise, daß die Arbeitsp^ie" ^ an die Wechselstromseite einer Gleichrichterbrückenschaltung: i-^geseiO^esen ist, in deren Γ7 '!-.jh-' stromkreis ein steuerbarer Halbleitergleichrichter liegt» Das Verhältnis der Leitzeit snxr Sperrzeit dieses steuerbaren Halbleitergleichrichters wird durch geeignete Schaltungsmaßnahmen verändert.

Weitere Einzelheiten der Steuerung sollen anhand der Figuren näher " erläutert werden.

Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Einphasen-Asynchron-Motors mit einer Schaltungsanordnung zur Steuerung der Drehzahl mit Hilfe eines steuerbaren HaTbIeitergleiehrichtera. In Figur 2 iat eine Abwandlung der Steuerung dargestellt, während Figur 2a die Schaltung, des zugehörigen Steuergerätes darstellt. In den Figuren 3 und 4 sind weitere Schaltungsanordnungen dargestellt, welche Abwandlungen der Steuerung mit steuerbaren Gleichrichtern darstellen.

Bei der Schaltungsanordnung nach Figur 1 sind mit 1 die Statorwicklungen eines Einphasen-Aaynchron—Motors bezeichnet. 2 bezeichnet den Kondensator zur Erzeugung der Hilfsphase, Der Motor, der so ausgebildet ist, daß er kein Kippmoment aufweist, ist mit seiner Arbeitsphase an die Gleichrichterbrückenschaltung 4 angeschlossen und zwar

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an deren Wechselstromseite. Die Gleichstromseite der Gleichricbterbrückenschaltung 4 ist an den steuerbaren Halbleitergleichrichter angeschlossen. Dieser steuerbare Halbleitergleichrichter wird periodisch in den leitenden Zustand umgeschaltet und dureh Veränderung der leitzeiten erfolgt eine Drehzahlregelung des Motors. Die S.t euer schaltung für den steuerbaren Gleichrichter, besteht aus einer Kombination von Widerständen, Transistoren und Kondensatoren und bewirkt eine impulsive Steuerung des HaIbleitergleiehricüters b* Über die Gleichrichterbrückenachaltung 4 erhält der Zündkreis eine pulsierende Gleichspannung. Der Kondensator 6 wird über die Widerstände 7 und 8 und den Emitter-Kollektorkreis des Transistors 9 aufgeladen. Der Transistor 9 bildet Jj hier einen veränderlichen Widerstandjiait dem die Aufladung des Kondensators 6 gesteuert wird. Er kann auch άμΓοΙι einen anderen veränderlichen Widerstand ersetzt werden, worauf später noch eingegangen wird. Der Transistor 9 wird über die Zenerdiode 12 den Gleichrichter 11 und den Drehzahlgeber 10 angesteuert. Die Zeitkonstante des Kond-ensatorkreises ist abhängig vom Steueigrad des Transistors. Hierdurch wird die Zeit bestimmt, in welcher der Transistor 13 leitend wird. Nachdem dieser Transistor geöffnet hat, wird der Transistor 14 ebenfalls leitend und der Kondensator 6 wird über den Widerstand 3 entladen. Hierbei tritt ein Impuls an der Steuerelektrode des steuerbaren Gleichrichters 5 auf, der nun leitend wird.

Auf diese Weise wird die Spannung an der Arbeitsphase des Einphasen-Asynchron-Motors verstellt. Die sich ergebende Drehzahl wird in diesem geschlossenen Regelkreis mit der durch die Zenerdiode 12 gebildeten Sollspannung verglichen und dem Transistor 9 zugeführt.

Bei dieser Schaltungsanordnung steht bei Tollaussteuerung des steuerbaren Gleichrichters nur noch eine Speisespannung für den Steuerkreis zur Verfügung, die dem Spannungsabfall am steuerbaren Gleichrichter und den Ventilen der Brttckenschaltung in der Durchlassrichtung entspricht. Diese Spannung, die'noch durch die aus anderen Gründen erforderlichen Spannungsteiler herabgesetzt wird, reicht dann nicht mehr aus, den steuerbaren Gleichrichter von dem ,

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sperrenden in dem leitenden Zustand umzuschalten. Deshalb kann, bei dieser Schaltungsanordnung nicht voll ausgesteuert werden. Das bedeutet, daß dafür gesorgt werden muß, daß der steuerbare Gleichrichter nicht während der gesamten Halbwelle leitend wird,

sondern zu Beginn der Halbwelle noch'eine bestimmte Zeit gesperrt bleibt. Während dieser Zeit liegt am steuerbaren Gleichrichter die Speisespannung an, die zum Speisen des Steuerkreises erforderlich ist. Während dieser Zeit liegt am Verbraucher keine Spannung, so daß bei der größtmöglichen Aussteuerung nie die gesamte Netzspannung am Verbraucher auftreten kann.

Dies wird dadurch vermieden, daß die Steuerspannung einem am Netz angeschlossenen Transformator entnommen wird und mit einem Brückengleichrichter gleichgerichtet, jedoch nicht geglättet, dem Steuerkreis zugeführt wird. Diese Schaltungsanordnung ist in Figur 2 dargestellt. Das Steuergerät S wird aus dem Wechselstromnetz über einen Transformator 15 und einen Gleichrichter 16 gespeist und steuert seinerseits den steuerbaren Gleichrichter 5*

Die Schaltungsanordnung des Steuergerätes selbst ist in Figur 2a dargestellt, wobei die gleichen Bezugszeichen wie bei Figur 1 verwendet wurden.

Durch diese Maßnahme ist die Steuerspannung unabhängig vom Aussteuerungsgrad des steuerbaren Gleichrichters, so daß auch bei Vollaussteuerung eine genügend hohe Speisespannung zur Verfügung steht. Hierdurch ist es möglich, die Verbraucherspannung von ITuIl bis zu ihrem vollen Wert zu verändern.

Bei dieser Schaltungsanordnung ist die Steuerspannung um den Leistungsfaktor cos ψ des Hilfstransformators 15 verschoben. Um diesen Nachteil zu beseitigen, kann in Reihe zur Primärwicklung des Hilfstransformators 15 eine geeignete Kapazität angeordnet werden.

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Wenn die Speisespannung direkt parallel zum steuerbaren Gleichrichter abgenommen wird, kann der Zustand der Vollaussteuerung dadurch erreicht werden, daß in Reihe mit dem steuerbaren Gleichrichter einer oder mehrerer Widerstände geschaltet werden. Als solche Widerstände werden vorzugsweise Halbleitergleichrichter, zum Beispiel Siliziumdioden verwendet, die in Durchlaßrichtung geschaltet sind. So beträgt bei Vollaussteuerung des steuerbaren Gleichrichters die für den Steuerkreis zur Verfugung stehende Spannung die Summe der Durchlaßspannungsabfalle der in Reihe geschalteten Widerstünde einschließlich des steuerbaren Gleichrichters, Diese Spannung muß so gewählt werden, daß die zum Zünden des steuerbaren Gleichrichters erforderliche Speisespannung des Steuerkreises gerade % noch erreicht wird.

Anstelle des Widerstandes der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 9 in Figur 1 kann auch beispielsweise ein temparaturabhängiger Widerstand verwendet werden oder ein lichtempfindlicher Widerstand, dessen Wert sich abhängig von der Beleuchtungsstärke oder der Wellenlänge des einfallenden Lichtes ändert.

Durch Hinzufügen eines Kondensators kann auch das Zeitverhalten der Steuerschaltung geändert werden, so daß zum Beispiel bei sprunghafter Änderung der Eingangsgröße der steuerbare Gleich- ä riehter allmählich ausgesteuert wird.

Die Drehzahl des Motors kann mit einer solchen Schaltung entweder von Hand verstellt werden oder in Abhängigkeit von einem Istwert geregelt werden. Dieser Wert kann auf verschiedene Weise gewonnen werden.

Beispielsweise werden im Motor mit dem läufer umlaufende Permanentmagnete angeordnet. Diese Magnete können beispielsweise in einer geeignet angeordneten Sp"ule im Motor eine Spannung induzieren, die in eine der Motordrehzahl proportionale Steuerspannung umgewandelt wird,

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Andererseits können auch mit dem Anker umlaufende Permanentmagnete dazu verwendet werden, Kontakte einzuschalten* Besonders geeignet sind hierzu hermetisch eingebaute Kontakte, wie sie für andere Zwecke bekannt sind. Durch den Kontakt wird eine Gleichstromquelle um so schneller ein- und ausgeschaltet, je höher die Drehzahl des Motors ist. Die Schaltfrequenz ist also proportional der Drehzahl des Motors, Durch einen frequenzabhängigen Widerstand wird hieraus eine sicfi/der Drehzahl ändernde Spannung gebildet.

In Figur 3 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die zeigt, wie mittels eines durch Permanentmagnete geschalteten Kontaktes 17 aus einer Gleichstromquelle eine entsprechende Steuerspannung gewonnen werden kann.

Weiter kann auch eine zusätzliche Motorwicklung vorgesehen sein, die eine der Drehzahl des Motors proportionale Wechselspannung abgibt, die gleichgerichtet und dem Steuerkreis der Schaltung zugeführt wird.

Schließlich kann die Ankerspannung über Schleifringe herausgeführt werden, und sowohl die Amplitude der Ankerspannung als auch die Schlupffrequenz als Istwertgröße verwendet werden.

Bei einphasigen Motoren wird zum Erzeugen des Drehfeldes eine Hilfsphase benötigt, der eine durch eine Kapazität gegenüber dem Fetz phasenverschobene Spannung zugeführt wird. Es handelt sich hier um den in Figur 1 mit 2 bezeichneten Kondensator. Die Spannung an diesem Kondensator ist von der Drehzahl des Motors abhängig. Die Spannung an diesem Kondensator kann ebenfalls zur Gewinnung einer der Drehzahl des Motors proportionalen Gleichspannung herangezogen werden.

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Auch Hall-Generatoren können zu diesem Zweck verwendet werden» Der Hall-Generator kann zum Beispiel in der Bähe von mit dem Anker umlaufenden Permanentmagneten angeordnet sein. Er gibt dann eine Spannung ab, deren Amplitude von der Drehzahl der Maschine unabhängig ist, deren Frequenz jedoch proportional der Drehzahl ist.

Es kann -jedoch auch eine Drehzahl abhängige Spannung gewonnen werden, wenn der Hall-Generator an einer solchen Stelle des Eisenblechpaketes untergebracht ist, an der sieh der magnetische Fluß in Abhängigkeit von der Drehzahl ändert.

Mit Hilfe der Steuerung gemäß der Erfindung ist auch mög- ^ lieh, die Drehrichtung des Motors umzukehren und gleichzeitig in jeder Richtung die Drehzahl zu verstellen. Sine solche Schaltungsanordnung ist in Figur 4 dargestellt. Wie ersichtlich werden zwei gleichartige Steuerschaltungen mit steuerbaren Gleichrichtern verwendet. Es muß jedoch in diesem Falle sieves teilt sein, daß beide Kreise gegeneinander verriegelt sind, um einen Kurzschluß zu vermeiden»

Anstelle der beiden Transistoren 13 und 14, von denen der eine vom pnp-Iyp und der andere vom npn-Typ ist, kann auch eine Vierschichtdiode oder Unijunction - Transistor verwendet werden.

Bei den bisher geschriebenen Schaltungen wird der steuerbare Gleichrichter erst zu einem Zeitpunkt leitend gemacht, an dem die vom Fetz kommende sinusförmige Spannung bereits einen bestimmten Wert erreicht hat. Dies bedeutet,, daß der Strom erst dann zu fließen feeginnt, wenn die Spannung bereits eine gewisse Zeit anliegt, Es ist. also eine Phasenverschiebung vorhanden zwischen Strom und Spannung, die in manchen Fällen von lachteÜ ist.

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Anstelle des steuerbaren Gleichrichters der beschriebenen Art kann auch ein Bauelement verwendet werden, das beim Anlegen eines Impulses sowohl vom sperrenden in den leitenden Zustand, als auch vom leitenden in den sperrenden Zustand umgeschaltet werden kann« Mit einem solchen Bauelement ist es möglich,die Phasenverschiebung.die durch die Steuerung bedingt ist, zu vermeiden.

Schließlich sind auch steuerbare Halbleitervorrichtungen bekannt, die in beiden Richtungen hohe Ströme führen können. Derartige Bauelemente besitzen in der Regel zwei Steuerelektroden, mit deren Hilfe durch Anlegen geeigneter Impulse entweder die eine oder die andere Stromrichtung freigegeben werden kann. Bei Verwendung eines derartigen Bauelementes anstelle des steuerbaren Gleichrichters 5 kann die Gleichrichterbrückenschaltung 4 (Figur 1) entfallen.

Es soll noch betont werden, daß die Erfindung nicht nur bei Einphasen-Motoren anwendbar ist, sondern sinngemäß auch für mehrphasige Motore verwendet werden kann.

Anlage:

21 Patentansprüche
3 Blatt Zeichnungen

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Claims

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Patentansprüche,

ί 1.) Asynchron-Motor mit Widerstandsläufer und Drehzahl-'^ . regelung, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer des Motors so ausgebildet ist, daß das Drehmoment im motorischen Drehzahlbereich ständig abfällt und daß die Speisespannung des Motors mittels steuerbarer Halbleitervorrichtungen geregelt wird.
2.) Schaltungsanordnung zur Regelung von Asynchron-Motoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mit seiner Hilfsphase über einen Kondensator an die Speise-Wechselspannung angeschlossen ist und die Spannung an der Arbeitsphase mittels steuerbaren Halbleitergleichrichter verändert wird.
3#) Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsphase an die Wechselstromseite einer G-leichrichterbrückenschaltung angeschlossen ist, in deren Gleichstromkreis ein steuerbarer Halbleitergleichrichter liegt.
4.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der IeItzeit zur Sperrzeit des steuerbaren Halbleitergleichrichters geregelt wird.
5.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Halbleitergleichrichter mit Impulsen gesteuert wird, die abhängig von der Aufladung eines Stromspeichers- über einen veränderlichen Widerstand sind.

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6,) Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromspeicher ein Kondensator verwendet wird,
7.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß als veränderlicher Widerstand der Emitter-Kollektorkreis eines Transistors verwendet wird,
8,) Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Emitter-Basiskreis des Transistors ein Kondensator angeordnet ist,
9«) Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß als veränderlicher Widerstand ein temperaturabhängiger Widerstand verwendet wird,
10.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß als veränderlicher Widerstand ein lichtempfindlicher Widerstand verwendet wird,
11.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung für den steuerbaren Halbleitergleichrichter dem Wechselstromnetz über einen Transformator und einem Gleichrichter entnommen wird,
12.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem steuerbaren Halbleitergleichrichter einer oder mehrere Widerstände geschaltet sind,
13«) Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Viderstände Halbleitergleichrichter verwendet werden.

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14.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Halbleitergleichrichter in Abhängigkeit von der Motordrehzahl geregelt wird.
15.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß durch mit dem Läufer des Motors umlaufende Permanentmagnete Spannungen induziert werden, aus denen eine der Motordrehzahl proportionale Steuerspannung gewonnen wird.
16.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß durch mit dem Läufer des Motors umlaufende ^ Permanentmagnete Kontakte, insbesondere hermetisch ein- ™ gebaute Kontakte, periodisch geschlossen werden und dadurch eine Gleichstromquelle periodisch eingeschaltet wird und aus diesen Stromstößen eine der Drehzahl des Motors proportionale Steuerspannung gewonnen wird.
17.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Wicklung im Motor so angeordnet ist, daß sie eine der Drehzahl proportionale Spannung als Steuerspannung abgibt.
18.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerspannung des Motors über Schleif- | ringe abgenommen und diese oaar die Schlupffrequenz zur Steuerung verwendet wird,
19.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Kondensator, der zum Erzeugen der Hilfsphase vorgesehen ist, zum Steuern verwendet wird,

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20*) Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß,die Steuerspannung mittels eines im Motor angeordneten Hall-Generators gewonnen wird,
21.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in der Arbeitsphase zwei Regelschaltungen mit entgegengesetzter Polung angeordnet sind, die gegeneinander verriegelt sind.

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