DE1488396B2 - Asynchron motor mit widerstnadslaeufer und drehzahlregelung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Asynchron- Halbleitergleichrichter überbrückt ist, der periodisch motor mit Widerstandsläufer und Drehzahlregelung, in den leitenden Zustand umschaltbar ist.
bei dem der Läufer so ausgebildet ist, daß das Dreh- Es ist zwar zur Steuerung von Wechselströmen und moment im motorischen Bereich mit wachsender auch zur Motorsteuerung bekannt, Gleichrichter-Drehzahl ständig abfällt. 5 brückenschaltungen zu verwenden, in deren Gleich-

Auf vielen technischen Gebieten werden Motore stromdiagonale ein steuerbarer Halbleitergleichrich-

benötigt, die mit verschiedener Drehzahl laufen sol- ter angeordnet ist (Electrie 1963, Heft 1, S. 30).

len, insbesondere mit verschiedenen konstanten Dreh- Diese Literaturstelle enthält jedoch keinen Hinweis

zahlen. So wird beispielsweise bei Waschmaschinen darauf, daß es möglich ist, Asynchronmotoren auf

ein Motor benötigt, der bei dem Waschvorgang mit io diese Weise mit einer Drehzahlregelung zu versehen,

einer konstanten niedrigen Drehzahl läuft, gegebe- wenn der Motor in ganz bestimmter Weise ausgebil-

nenfalls dabei umgesteuert wird, und der andererseits det ist.

beim Schleudervorgang mit einer hohen Drehzahl Auch in der britischen Patentschrift 953 045 ist

läuft. die Steuerung eines Wechselstrommotors mit steuer-

Ihrer Vorteile wegen haben sich für viele Zwecke 15 baren Halbleitergleichrichtern beschrieben, jedoch Asynchron-Motoren eingeführt. Die Drehzahlrege- handelt es sich in diesem Falle nicht um einen spelung bereitet bei solchen Motoren jedoch Schwierig- ziell ausgebildeten Asynchronmotor, und der steuerkeiten. Die Drehmomentenkennlinie von Asynchron- bare Halbleitergleichrichter ist auch nicht in der Motoren hat im allgemeinen ein ausgesprochenes Diagonalen einer Gleichrichterbrückenschaltung anKippmoment und/oder ein Sattelmoment, so daß 20 geordnet. Bei dieser bekannten Anordnung wird auch innerhalb des motorischen Drehzahlbereiches keine der Strom im Rotor beeinflußt,
stabilen Betriebsverhältnisse vorliegen. Eine Rege- Nach der deutschen Auslegeschrift 1 092 553 soll lung von solchen Motoren durch Änderung der ein Ferrarismotor mit einer Hauptwicklung und einer Speisespannung ist aber nur möglich, wenn hierfür Steuerwicklung in der Weise beeinflußt werden, daß der Motor so ausgebildet ist, daß er kein Kipp- 25 die Hauptwicklung direkt am Netz liegt und die moment aufweist. Dies ist insbesondere dadurch mög- Steuerwicklung über einen zweiteiligen Verstärker in lieh, daß die am Umfang des Läufers angeordneten Abhängigkeit von der Eingangsspannung mit Gleich-Leiterstäbe gegenüber den Läuferblechen isoliert und Wechselstrom über einen Kondensator gespeist werden, aber andererseits untereinander elektrisch wird. Hierdurch soll ein Stillstand des Motors bei verbunden sind, beispielsweise über Kurzschlußringe. 30 einem vorbestimmten Sollwert erzielt werden.
Dadurch wird vermieden, daß ein Querstrom durch Abweichend von den zuvor genannten Veröffentdie Bleche des Läufers fließt. lichungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,

Es sind zwar bereits Asynchronmotoren bekannt, einen Asynchronmotor bezüglich seiner Drehzahl

die so ausgebildet sind, daß.sie ein stetig steigendes über den ganzen Drehbereich zu regeln, indem die

Drehmoment aufweisen, also in der Drehmoment- 35 angelegte Speisespannung verändert wird,

kennlinie kein ausgesprochenes Kippmoment be- Die Erfindung geht hierbei aus von einem Asyn-

sitzen. So ist z. B. in der deutschen Auslegeschrift chronmotor mit Widerstandsläufer, bei dem der Läu-

1114 903 ein Asynchronmotor zum Antrieb für fer so ausgebildet ist, daß das Drehmoment im moto-

Pressen mit bis zum Stillstand stetig steigendem rischen Bereich mit wachsender Drehzahl ständig

Drehmoment beschrieben. Zu diesem Zweck muß 40 abfällt.

jedoch entweder ein Mehrkäfiganker vorgesehen sein Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß am oder ein Schleifringläufer mit zusätzlichen Wider- Umfang des Läufers angeordnete Leiterstäbe gegenständen entsprechender Bemessung. Ziel der Ausbil- über Läuferblechen isoliert, aber untereinander elekdung einer Drehmomentenkennlinie ohne Kipp- trisch verbunden sind, und daß der durch eine erste moment ist jedoch dort die Erzielung eines konstan- 45 Statorwicklung fließende Strom dadurch gesteuert ten Preßdruckes beim Stillstand des Motors. wird, daß in Reihe mit dieser Statorwicklung die

Nach der deutschen Patentschrift 712 845 wird Wechselstromanschlüsse einer Gleichrichterbrückeneine abfallende Drehmomentenkennlinie dadurch er- schaltung liegen, deren Gleichstromanschlüsse durch zielt, daß der aus nicht magnetischem Metall in Form einen steuerbaren Halbleitergleichrichter überbrückt eines Hohlzylinders ausgebildete Läufer durch ge- 50 sind, der periodisch in den leitenden Zustand umeignete Bemessung des Widerstandes des Metall- schaltbar ist.

Zylinders und die Wahl einer hohen Polpaarzahl des Auf diese Weise können Asynchronmotoren für Stators erzielt wird. viele Zwecke eingesetzt werden, bei denen eine Dreh-Gemäß der Erfindung wird aber abweichend von zahlregelung erforderlich ist, so daß die vorteilhafden bekannten Anordnungen das Kippmoment da- 55 ten Eigenschaften dieser Motoren auch auf Gebiedurch vermieden, daß die am Umfang des Läufers ten zur Geltung gebracht werden können, wo sie vorangeordneten Leiterstäbe gegenüber den Läufer- her nicht eingesetzt v/erden konnten. Die Regelung blechen isoliert sind und andererseits untereinander mit steuerbaren Halbleitergleichrichtern ist verlustelektrisch verbunden sind. So wird in viel einfacherer los und damit besonders vorteilhaft,
und wirksamerer Weise eine Drehmomentenkenn- 60 Weitere Einzelheiten und Ausbildungen der Erlinie ohne Kippmoment erzielt, die sich besonders findung sollen an Hand der Figuren näher erläutert für die Drehzahlregelung mit steuerbaren Halbleiter- werden,
gleichrichtern eignet. F i g. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Ein-

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung phasen-Asynchronmotors mit einer Schaltungsanord-

wird diese Regelung in der Weise vorgenommen, daß 65 nung zur Steuerung der Drehzahl mit Hilfe eines

in Reihe mit der Statorwicklung die Wechselstrom- steuerbaren Halbleitergleichrichters; in

diagonale einer Gleichrichterbrückenschaltung liegt, F i g. 2 ist eine Abwandlung der Steuerung darge-

deren Gleichstromdiagonale durch einen steuerbaren stellt, während

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Fig. 2a die Schaltung des zugehörigen Steuer- größtmöglichen Aussteuerung nie die gesamte Netzgerätes darstellt; in den spannung am Verbraucher auftreten kann.

F i g. 3 und 4 sind weitere Schaltungsanordnungen Dies wird dadurch vermieden, daß die Steuerspan-

dargestellt, welche Abwandlungen der Steuerung mit nung einem am Netz angeschlossenen Transformator steuerbaren Gleichrichtern darstellen. 5 entnommen wird und mit einem Brückengleichrich-

Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 sind ter gleichgerichtet, jedoch nicht geglättet, dem mit 1 die Statorwicklungen eines Einphasen-Asyn- Steuerkreis zugeführt wird. Diese Schaltungsanordchronmotors bezeichnet. 2 bezeichnet den Konden- nung ist in F i g. 2 dargestellt. Das Steuergerät 5 wird sator zur Erzeugung der Hilfsphase. Der Motor, der aus dem Wechselstromnetz über einen Transformaso ausgebildet ist, daß er kein Kippmoment auf- io tor 15 und einen Gleichrichter 16 gespeist und steuert weist, ist mit seiner Arbeitsphase an die Gleichrich- seinerseits den steuerbaren Gleichrichter 5.
terbrückenschaltung 4 angeschlossen, und zwar an Die Schaltungsanordnung des Steuergerätes selbst

deren Wechselstromseite. Die Gleichstromseite der ist in F i g. 2 a dargestellt, wobei die gleichen Bezugs-Gleichrichterbrückenschaltung 4 ist an den Steuer- zeichen wie bei F i g. 1 verwendet wurden,
baren Halbleitergleichrichter angeschlossen. Dieser 15 Durch diese Maßnahme ist die Steuerspannung steuerbare Halbleitergleichrichter wird periodisch in unabhängig vom Aussteuerungsgrad des steuerbaren den leitenden Zustand umgeschaltet, und durch Ver- Gleichrichters, so daß auch bei Vollaussteuerung eine änderung der Leitzeiten erfolgt eine Drehzahlrege- genügend hohe Speisespannung zur Verfügung steht, lung des Motors. Die Steuerschaltung für den Steuer- Hierdurch ist es möglich, die Verbraucherspannung baren Gleichrichter besteht aus einer Kombination 20 von Null bis zu ihrem vollen Wert zu verändern,
von Widerständen, Transistoren und Kondensatoren Bei dieser Schaltungsanordnung ist die Steuerspan-

und bewirkt eine impulsive Steuerung des Halbleiter- nung um den Leistungsfaktor cos φ des Hilfstransgleichrichters 5. Über die Gleichrichterbrückenschal- formators 15 verschoben. Um diesen Nachteil zu betung 4 erhält der Zündkreis eine pulsierende Gleich- seitigen, kann in Reihe zur Primärwicklung des Hilfsspannung. Der Kondensator 6 wird über die Wider- 25 transformators 15 eine geeignete Kapazität 18 angestände 7 und 8 und den Emitter-Kollektorkreis des ordnet werden.

Transistors 9 aufgeladen. Der Transistor 9 bildet hier Wenn die Speisespannung direkt parallel zum

einen veränderlichen Widerstand, mit dem die Auf- steuerbaren Gleichrichter abgenommen wird, kann ladung des Kondensators 6 gesteuert wird. Er kann der Zustand der Vollaussteuerung dadurch erreicht auch durch einen anderen veränderlichen Widerstand 30 werden, daß in Reihe mit dem steuerbaren Gleichersetzt werden, worauf später noch eingegangen richter einer oder mehrerer Widerstände geschaltet wird. Der Transistor 9 wird über die Zenerdiode 12 werden. Als solche Widerstände werden vorzugsweise den Gleichrichter 11 und den Drehzahlgeber 10 an- Halbleitergleichrichter, z. B. Siliziumdioden, verwengesteuert. Die Zeitkonstante des Kondensatorkreises det, die in Durchlaßrichtung geschaltet sind. So beist abhängig vom Steuergrad des Transistors. Hier- 35 trägt bei Vollaussteuerung des steuerbaren Gleichdurch wird die Zeit bestimmt, in welcher der Transi- richters die für den Steuerkreis zur Verfügung stör 13 leitend wird. Nachdem dieser Transistor ge- stehende Spannung die Summe der Durchlaßspanöffnet hat, wird der Transistor 14 ebenfalls leitend mingsabfälle der in Reihe geschalteten Widerstände und der Kondensator 6 wird über den Widerstand 3 einschließlich des steuerbaren Gleichrichters. Diese entladen. Hierbei tritt ein Impuls an der Steuerelek- 40 Spannung muß so gewählt werden, daß die zum Züntrode des steuerbaren Gleichrichters 5 auf, der nun den des steuerbaren Gleichrichters erforderliche leitend wird. Speisespannung des Steuerkreises gerade noch er-

Auf diese Weise wird die Spannung an der Ar- reicht wird.

beitsphase des Einphasen-Asynchronmotors verstellt. An Stelle des Widerstandes der Emitter-Kollektor-

Die sich ergebende Drehzahl wird in diesem geschlos- 45 Strecke des Transistors 9 in F i g. 1 kann auch beisenen Regelkreis mit der durch die Zenerdiode 12 spielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand gebildeten Sollspannung verglichen und dem Transi- verwendet werden oder ein lichtempfindlicher Widerstor 9 zugeführt. stand, dessen Wert sich abhängig von der Beleuch-

Bei dieser Schaltungsanordnung steht bei Voll- tungsstärke oder der Wellenlänge des einfallenden aussteuerung des steuerbaren Gleichrichters nur noch 5° Lichtes ändert.

eine Speisespannung für den Steuerkreis zur Verfü- Durch Hinzufügen eines Kondensators kann auch

gung, die dem Spannungsabfall am steuerbaren das Zeitverhalten der Steuerschaltung geändert wer-Gleichrichter und den Ventilen der Brückenschal- den, so daß z. B. bei sprunghafter Änderung der Eintung in der Durchlaßrichtung entspricht. Diese Span- gangsgröße der steuerbare Gleichrichter allmählich nung, die noch durch die aus anderen Gründen er- 55 ausgesteuert wird.

forderlichen Spannungsteiler herabgesetzt wird, Die Drehzahl des Motors kann mit einer solchen

reicht dann nicht mehr aus, den steuerbaren Gleich- Schaltung entweder von Hand verstellt werden oder richter von dem sperrenden in dem leitenden Zustand in Abhängigkeit von einem Istwert geregelt werden, umzuschalten. Deshalb kann bei dieser Schaltungs- Dieser Wert kann auf verschiedeene Weise gewonnen anordnung nicht voll ausgesteuert werden. Das be- 60 werden.

deutet, daß dafür gesorgt werden muß, daß der Beispielsweise werden im Motor mit dem Läufer

steuerbare Gleichrichter nicht während der gesam- umlaufende Permanentmagnete angeordnet. Diese ten Halbwelle leitend wird, sondern zu Beginn der Magnete können beispielsweise in einer geeignet an-Halbwelle noch eine bestimmte Zeit gesperrt bleibt. geordneten Spule im Motor eine Spannung induzie-Während dieser Zeit liegt am steuerbaren Gleichrich- 65 ren, die in eine der Motordrehzahl proportionale ter die Speisespannung an, die zum Speisen des Steuerspannung umgewandelt wird.
Steuerkreises erforderlich ist. Während dieser Zeit Andererseits können auch mit dem Anker umlau-

liegt am Verbraucher keine Spannung, so daß bei der fende 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 sich mit der Drehzahl ändernde Spannung gebildet.

In F i g. 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 Schlupf frequenz als Istwertgröße verwendet werden.

Bei einphasigen Motoren wird zum Erzeugen des Drehfeldes eine Hilfsphase benötigt, der eine durch eine Kapazität gegenüber dem Netz phasenverschobene Spannung zugeführt wird. Es handelt sich hier um den in F i g. 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.

Auch Hall-Generatoren können zu diesem Zweck verwendet werden. Der Hall-Generator kann z. B. in der Nähe 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 sich der magnetische Fluß in Abhängigkeit von der Drehzahl ändert.

Mit Hilfe der Steuerung gemäß der Erfindung ist auch möglich, die Drehrichtung des Motors umzukehren und gleichzeitig in jeder Richtung die Drehzahl zu verstellen. Eine solche Schaltungsanordnung ist in F i g. 4 dargestellt. Wie ersichtlich werden zwei gleichartige Steuerschaltungen mit steuerbaren Gleichrichtern verwendet. Es muß jedoch in diesem Falle sichergestellt sein, daß beide Kreise gegeneinander verriegelt sind, um einen Kurzschluß zu vermeiden.

An Stelle der beiden Transistoren 13 und 14, von denen der eine vom pnp-Typ 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 Netz kommende sinusförmige Spannung bereits einen bestimmten Wert erreicht hat. Dies bedeutet, daß der Strom erst dann zu fließen beginnt, wenn die Spannung bereits eine gewisse Zeit anliegt. Es ist also eine Phasenverschiebung vorhanden zwischen Strom und Spannung, die in manchen Fällen von Nachteil ist.

An Stelle 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 an Stelle des steuerbaren Gleichrichters 5 kann die Gleichrichterbrückenschaltung4 (Fig. 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.

Claims (18)

Patentansprüche

1. Asynchronmotor mit Widerstandsläufer und Drehzahlregelung, bei dem der Läufer so ausgebildet ist, daß das Drehmoment im motorischen Bereich mit wachsender Drehzahl ständig abfällt, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des Läufers angeordnete Leiterstäbe gegenüber Läuferblechen isoliert, aber untereinander elektrisch verbunden sind und daß der durch eine erste Statorwicklung fließende Strom dadurch gesteuert wird, daß in Reihe mit dieser Statorwicklung die Wechselstromanschlüsse einer Gleichrichterbrückenschaltung (4) liegen, deren Gleichstromanschlüsse durch einen steuerbaren Halbleitergleichrichter (5) überbrückt sind, der periodisch in den leitenden Zustand umschaltbar ist.

2. Asynchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Statorwicklung direkt und eine weitere Statorwicklung über einen Kondensator (2) an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist und daß die Spannung an der direkt angeschlossenen Wicklung durch Änderung des Verhältnisses der Leitzeit zur Sperrzeit des steuerbaren Halbleitergleichrichters (4) beeinflußbar ist.

3. Asynchronmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Halbleitergleichrichter (4) mit Impulsen steuerbar ist, deren Phasenlage abhängig von der Aufladung eines Stromspeichers über einen veränderlichen Widerstand ist.

4. Asynchronmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromspeicher ein Kondensator verwendet ist.

5. Asynchronmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als veränderlicher Widerstand der Emitter-Kollektor-Kreis eines Transistors verwendet ist.

6. Asynchronmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Emitter-Basis-Kreis des Transistors ein Kondensator angeordnet ist.

7. Asynchronmotor nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß als veränderlicher Widerstand ein temperaturabhängiger Widerstand verwendet ist.

8. Asynchronmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als veränderlicher Widerstand ein lichtempfindlicher Widerstand verwendet ist.

9. Asynchronmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerspannung für den steuerbaren Halbleitergleichrichter dem Wechselstromnetz über einen Transformator und einen Gleichrichter entnehmbar ist.

10. Asynchronmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem steuerbaren Halbleitergleichrichter ein oder mehrere Widerstände geschaltet sind.

11. Asynchronmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstände Halbleitergleichrichter verwendet sind.

12. Asynchronmotor nach Anspruch 2, 3, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Halbleitergleichrichter in Abhängigkeit von der Motordrehzahl regelbar ist.

13. Asynchronmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Motordrehzahl proportionale Steuerspannung aus durch mit dem Läufer des Motors umlaufende Permanentmagnete induzierten Spannung gewonnen wird.

14. Asynchronmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß aus Stromstößen eine der Drehzahl des Motors proportionale Steuerspannung derart gewinnbar ist, daß durch mit dem Läufer des Motors umlaufende Permanentmagnete Kontakte periodisch schließbar sind und dadurch eine Gleichstromquelle periodisch einschaltbar ist.

15. Asynchronmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die der Drehzahl proportionale Spannung als Steuerspannung durch eine zusätzliche im Motor entsprechend so angeordnete Wicklung erzeugbar ist.

16. Asynchronmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des steuerbaren Halbleitergleichrichters die Ankerspannung des Motors über Schleifringe abnehmbar und diese oder ihre Frequenz (Schlupffrequenz) verwendbar ist.

17. Asynchronmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Steuern des steuerbaren Halbleitergleichrichters die Spannung am Kondensator, der zum Erzeugen der Hilfsphase vorgesehen ist, verwendbar ist.

18. Asynchronmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zum Steuern des steuerbaren Halbleiters eine Steuerspannung mittels eines im Motor angeordneten Hall-Generators gewinnbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 547/233