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Anordnung zur Drebzahlregeiung von Asynchronmotoran.
Die Erfindung bezieht sich auf ®ins ,Anordnung zur Drehzahl-
regelung
von Asynchronmotorsn, vorzugsweise von Antriebsmo-Y toren für Haushaltamaschinan
oder dergl. #s kann sich hierbei um dreiphasige und einphasige Motoren handeln.
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Zweck der Erfindung ist ans die Drehzahlregelung
so varzusehen, dass ruhende Schaltelemente, also z. B. nicht Umfarmer verwandt
werden und durch einfaches Verstellen von Po-tentiomstern kontinuierlich
eine beliebige Drehzahl einstellbar ist. Weiterer Erfindungezia®ck ist ssf
die Orahzahlregslung so durchzuführen, dass eis weitgehend unabhängig
von
Spannungsschwankungen ist und es nicht einer besonderen
Bauart des zu regelnden Motorsg der in der Regel der Antriebsmotor für die
Waschtrommel ist, bedarf. Es ist bekannt die Drehzahl bei Asynchronmotoren
z. B. durch Polumschaltung zu regeln. Das bedeutet aber einen erheblichen
Aufwand beim Bau dieser Motoren. Normale Motors können dafür nicht verwandt
werden, da Spezialwicklungen erforderlich sind. Weiterer
Nachteil dieser
Ausführung ist auch, dass sich stufenlos ,.nicht eine gewünschte Drehzahl
einstellen lässt.
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Weitere Möglichkeiten durch die Frequenz die Drehzahl zu regeln
haben den Nachteil, dass in der Regel Frequenzumformer, d. h. drehende Teile vorhanden
sein müssen und dann die Motoren bei höherer Frequenz, d. h. höherer
Drehzahl, mit geringerem Wirkungsgrad wegen der zunehmenden Eisenver-
luste
arbeiten. Nachdem diese Motoren aber zum Antrieb der Waschtrommel dienen,
ist es Wichtig, dass sie grosse An-
laufmomente abgeben, die erforderlich
sind, um die Masse zu beschleunigen. Dieser Vorgang tritt beim Beginn des
Waschvorganges
und insbesondere beim Beginn des Schleuder-ganges ein. Will man beim
Schleudergang eine Drehzahl er-
reichen, die weit über der Drehzahl beim
Waschgang liegt,
dann muss bei einer Frequenzsteigerung der Motor für
diese
höhere Frequenz ausgelegt sein. Dag ergibt aber wieder er-
heblich
grdssere Herstellungskasten wegen einer feineren
Lamellierung
des Stän.dersund es gibt eine Zunahme an Gewicht und Raumbedarf des Motors.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die DrehzahIregelunn mit Hilfe einer
sich v.erändernde-n Frequenz durchzuführen, dabei aber dafür zu sorgen, dass normale
Motoren, seien sie drei- oder einphasig gewickelt, verwandt werden können und nicht
eine Spezialausführung für Motoren erforderlich ist, die bei der höheren Frequenz
mit dem gleichen Anlaufdrehmoment arbeiten wie bei der normalen niederen Netzfrequenz
von z. H. 50 Hz. Die Lösung der Aufgabe nach der Erfindung besteht darin, dass die
den Motor speisende Spannung vorerst gleichgerichtet und diese gleichgerichtete
Spannung mittels elektronischen Schaltgliedern, wie Röhren, Transistoren oder dergl.
in eine Wechselspannung veränderbarer Frequenz umgewandelt s (zerhackt) wird.
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Bei dieser Ausführung geht man gewissermassen einen widersinnigen
Weg. Die schon vorhandene Speisespannung des Motors, die ja eine Wechselspannung
ist, wird in Eine Gleich-Spannung umgewandelt und dann wieder in eine b)echselspannung.
Das Erfindungswesentliche besteht darin, dass zur Zerhackung der Gleichspannung
fremdgesteuerte Leistungehalbleiter dienen, wobei zur Erzeugung der an den Kollektoren
.dieser Leistungshalbleiter
anliegenden Steuerspannung Multivibratoren
vorgesehen werden.
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Durch die Umwandlung der Wechselspannung in Gleichspannung hat man
bei der Gleichspannung viel einfachere wirkungegradmässig günstigere und in den
Schaltmitteln billigere Möglichkeiten, um hier die Frequenz zu ändern. Zum Beispiel
durch Multivibratoren ist es möglich, die Natzepannung, das ist also eine
Wechselspannung, schon in zu viel Impulse in der Zeiteinheit zu zerhacken,
dass man dadurch denn beim anschliessenden Umwandeln in eine Wechselspannung die
gewünschte Frequenzänderung erhält.
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Für den Waschmaschinenbetrieb, für den diese Drehzahlregelung besonders
vorgesehen sein soll, ist es wesentlich, dass der Multivibrator mindestens durch
einen in seiner Frequenz einstallbaren Dszillator gesteuert wird.
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Durch das Vorhandensein eines Dszillators ist man leicht in der Lage
die gewünschte Frequenzänderung durch eine entsprechende Anzahl von zerhackten Gleichspannungsimpulsen
zu erreichen. Es genügt z. B. eine einfache Potentiometerverstellang oder die Änderung
von vorwählbaren Widerständen, um gewünschte Drehzahlen herzustellen.
Um
möglichst schnell dis Motordrehzahl, z. B. von einer niedrigeren auf eine höhere
Drehzahl zu bringen, ist es noch wichtig, dass dis Frequenz der Matorspeisespannung
geändert. wird.
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Es ist im normalen betrieb und allgemein bei Drehstrom- und Wechselstrommotoren
eins Schlupffrequenz vorhanden, d. h. eine Differenz zwischen der theoretischen
Drehzahl, die sich aufgrund der Speisefrequenz und der Polpaare ergibt, das ist
die sogenannte Ist-Drehzahl und der Soll-Drehzahl, die abhängig von der Last ist.
Dieser Schlupf, d. h. Differenz zwischen Soll und Ist-Drehzahl ist umso grösser,
je grösser die Last ist. Es ist selbstverständlich, dass beim Umschalten eine gewisse
Zeit vorgeht bis die gewünschte Drehzahländerung erreicht ist. Nach der genannten
lehre der Erfindung erhöht man aber jetzt die Frequenz soweit über die Soll-Frequenz,
dass der Motor mit einem starken Anlaufmoment von seiner niedrigeren Drehzahl nach
der höheren Drehzahl strebt, weil die Differenz zwischen der Soll- und der Ist-Drehzahl
sehr gross bzw. einstellbar ist. Gelangt der Motor in die NÄhe seiner Ist-Drehzahl,
dann verringert man wieder die Soll-Frequenz, d. h. die Schlupffrequsnz wird jetzt
kleiner. Man kann jetzt sogar mit einer niedrigeren Soll-Frequenz eine Bremsung
das Motors erreichen, indem gewissermassen eine negative Schlupffrequanz vorhanden
ist. Bei den genannten Aus-
Führungen ist der Begriff Frequenz immer
durch den Begriff Drehzahl ersetzbar, wobei bei der Soll-Frequenz bzw. Drehzahl
die eingestellte Frequenz und die vorhandene Polzahl zu berücksichtigen ist und
bei der Ist-Frequenz bzw. Drehzahl der vorhandene Schlupf, d.'h, die Differenz zwischen
Soll- und Ist-Drehzahl zu berücksichtigen ist, der abhängig von der Last und den
elektrischen Verlusten des Motors ist, wobei die Reibungsverluste vernachlässigbar
klein sein sollen. Um rasch eine Drehzahländerung zu erreichen, ist es auch
möglich, dass die effektive Motordrehzahl zur Regelung der Steuerfrequenz dient.
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Als Steuerfrequenz ist hier die Frequenz gemeint: die auch
später als Vorgabefrequenz bezeichnet wird, die den Motor zugeordnet wird,
um sein Drehzahlverhalten zu beeinflussen. Hei Einphasenmataren ergibt sich noch
der Nachteil, dass der Zweig, in dem sich der Phasenkondensator befindet, d. h.
die sogenannte Hilfsphase, mit zunehmender Frequenz ein anderes Verhalten zeigt,
da die Frequenzabhängigkeit des Kondensators sich störend auf den Wirkungsgrad des
Motors auswirkt. Um hier noch die gleichen Betriebsverhältnisse aufrecht
zu erhalten kann erfindungsgemäss neben der Frequenz auch die Impulsdauer geändert
werden, Die Impulsdauer erbibt sich aus der Fläche
des Gleichspannungsimpulees,
der von der zerhackten Netz- . spannung herrührt. Man wird also um in der Haupt®
und Hilfe® phsse annähernd gleiche Verhältnisse bei eich ändernder Frequenz zu erhalten,
die Frequenzabhängigkeit der Hilfsphase z. 6. dadurch berücksichtigen, dass mit
zunehmender Frequenz die Impulse, welche der Speisewechselspannung das Einphesenmotors
entsprechen, kürzer werden und umgekehrt bei niedriger Frequenz länger.
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Gemäss diesen Ausführungen besteht ein weiteres Erfindungsmerkmal
darin, dass in dem Stromkreis des Phasenkondensators Schaltmittel vorhanden sind,
welche den frequenzabhängigen Einfluss dieses.Fhasenk®ndensators auf die Hilfsphase
entgegenwirken, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erhalten. Gemäss diesen Ausführungen
ergibt sich, dass die Schaltmittel der Hilfsphase eine andere Impulsdauer zuordnen
als der Haupt-Phase.
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Um auch bei Einphasenmotoren ein möglichst gleichbleibendes starkes
Drehmoment zu haben wenn der Motor z. B. vom Stillstand bis zur Schleuderdrehzahl,
die weit über der normal bisher üblichen Drehzahl liegen soll, zu erreichen, ist
es wichtig, dass die Differenz zwischen Soll- und Ist-Frequenz (Schlupffrequenz)
einstellbar ist.
Dieser grosse Abstand zwischen Soll und Ist-Frequenz,
dar
durch Regelung der Soll-Frequenz immer kleiner wird, je näher die Ist-Frequenz
einer gewünschten höchsten Drehzahl kommt, gestattet einen Orehmomentverlauf des
Motors in Abhängigkeit von der Drehzahl, der einen optimalen Wirkungsgrad gewährleistet
und einer Hauptstromcharakteristik aufweist. Die verschieden grossen Impulsdauern
in der Haupt-und Hilfsphase des Einphasenmotors setzen die Eisenverluste
herab und gestatten es, normale Motoren, d.-h. normale Bauarten, zu verwenden. Durch
diese Einstellberkeit der Schlupffrequenz wird der kritische Drehzahlbereich, der
bei allen Waschmaschinen bei irgendeiner Drehzahl liegt, bis dieser zur Enddrehzal
kommt, rasch durchfahren. Wird die gewünschte Enddrehzahl erreicht, dann ist nur
noch kleiner Schlupf vorhanden. Die Abbremeung.bzw. die Stabilisierung kann euch
durch Einstellung einer negativen Schlupffrequenz erreicht werden. Diese ganzen
Maßnahmen lassen sich leicht und billig durchführen, da schaltungsmäeeig der Eingriff
z, B. durch Multivibratoren und eine Flipp-Flopp-Schaltung in der Phase der Gleichrichtung
der Netzwechselspannung sehr leicht durchzuführen ist, Es ist demzufolge sowohl
bei dreiphasigen als euch bei einphasigen Maschinen möglich, dass eins negative
Bohlüpffra-m quenz der Bremsung dient.
Um ausreichende Regel- und
Eingriffsmöglichkeiten zu haben, ist es wichtig, dass die Einstellung der Vorgab®frequenz
durch die Messung der Ist-Drehzahl z. B. durch einen Tacho erfolgt.
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Die Vorgabefrequenz ist die Frequenz' die einen so grossen. Schlupf
zwischen der augenblicklichen Ist-Drehzahl und der Drehzahl, die sich aus dar vorhandenen
Frequenz ergibt, darstellt und sie soll jetzt so eingsatellt werden, dass der Motor
mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet.
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Durch einen Tacho kann also diese Ist-Drehzahl in eine elektrische
Grösse umgewandelt werden, die dann als Regelgrüsse z. B. im Multivibrator benutzt
wird.
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Es ist genauso möglich, dass als Tacho Induktionsimpulse in einer
Sonde benutzt werden, die von der quermagnetisierten Welle des zu regelnden Motors
stammen.
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Bei dieser Ausführung ist nur eine Zusatzwicklung im Ständer erforderlich,
um die Ist-Drehzahl in eine aläktrischs Regelgrüsse umzuwandeln.
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Ausführungsbeispisle der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt,
dabei gehen aus der Zeichnung und der Beschreibung
hierfür weitere
Erfindungsmerkmale hervor.
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Figur 1 zeigt schematisch die Anordnung zur Drehzahlregelung in Vier-Pol-Darstellung.
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Figur 2 zeigt eine an sich bekannte Anordnung. der Umwandlung in der
Gleich- in Wechselspannung, die besonders für die Drehzahlregelung bei Waschmaschinen
geeignet ist.
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Figur 3 zeigt das Spannungs-Impulsdiagramm der Fig. 2. Figur 4 zeigt
eine andare Anordnung der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung, die
ebenfalls für die Drehzahlregelung bei Waschmaschinen besonders geeignet ist.
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Figur 5 zeigt das Spannungs-Impulsdiagramm der Fig. 4. Figur fi zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung, die dem Vier-Pol II der Fig. 1 entspricht
und zur Aussteuerung des Vier-Polas I der Fig. 1 dient.
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Figur 7 zeigt das Schaltbild eines Einphasenwechselstrommotors mit
Hilfsphase.
Figur 8 zeigt im Spannungs-@bzw. Stromimpulsdiagramm
die Möglichkeit einer Wechselspannung bei der Zerhackung in Gleichstramimpulas,
Impulse verschiedener Länge zuzuordnen.
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Figur 9 ist eine vergrösserte Darstellung dieser vBrschiedenen Impulslängen.
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Figur 10 zeigt schematisch die Anordnung der für die Drehzahländerung
bei einem Einphasenwechselstrommatar unter Berücksichtigung des Frequenzganges des
Mato rs und der frequenzabhängigen Glieder.
| die |
| In der Fig. 1 wird die Netzspannung 1,z. S. 220 oder 380 Volt |
betragen kann, über eine an sich bekannte Gleichrichterscheltung Z dem Vier-Pol
bzw. Zerhacker I zugeführt. Sowohl die Impulszahl pro Zeiteinheit als auch die Impulslänge
dieses zerhackten Gleichstromes wird durch das Steuerglied II
be-
stimmt.
Dieses Steuerglied kann seine Gleichspannung ebenfalls über eine Gleichrichterschaltung
2 erhalten. Der Wechselstrommotar 5, der auch ein Drehstrammator sein kann, zweckmässig
aber ein Asynchranmatar ist, wird vom Zerhacker I gespeist. Dazwischen liegt aber
noch ein Schaltungsglied 6, welches von Leistungstransistoren (Triac) gebildet wird
und die Gleichspannungsimpulse wieder in Wechselspannung umwandelt.
| In der Figur 2 sind die beiden Leiatungetrennistoren 7i
H |
| '-dargestellt, die im Vier-Pol I der Fig. 1 angeordnet
sind. |
| Diese beiden Tranniatoren werden durch die zwei Steuer.. |
| apannungan U01 und U82 nun- und eingeschaltet. Die
beiden |
| Dioden 1D# 9 sind lediglich Schutzdioden, weiche die
in- |
| duktive Spannung beim Abschalten abbauen, |
| Die Fig.'3 zeigt, das» dis zerhackten ßleichspannungsiepulee |
| 119 12 dann gemgen einer Schaltung noch Fig. 1 in
an sich |
| bekannter Weine in die Speineapinnung da$ Wascheakchinen- |
| motcrs 5 umgewandelt wird: Diese üppisespannuhg iit eine |
| Wachenlopannung. Die impulalänge 1# ist bei, des rltil'
-3 a;a@ |
| gewählt bzw. die Schaltung zu etideardneti :ieee- ü%iltxüsle#. |
| ler Wirkungegrad bei der Umwandlung der Nüttepannung '1
in |
| *die ßpeioenponnung 13 .vbrhenden tat* |
| Die Schaltung der Fig# 4 tsint den.bu apei.lri@r@dbR,:l1
in |
| seiner Drehzahl zu änderndln Natur $ !m ptitbphlili.
einer |
| Brückenschaltung, die hier *it # lteetpiü@ititbbtdp.d*äit |
| aufgebaut ist. Ea handelt etah hier um dirtp;ir%irt@t. |
| tranaistcren 15, 16, 179 18. Zu den Steuerspannungen
U g1 und |
| U g2 kommen hier noch die beiden anderen Steuatap#nngndgn |
| U881 und U'02. Diese gteueerapannungen ,wArdOn iM .Vibr-Pol
11 |
| erzeugt, fier gpennunpeitnputedirgremm# dbm |
| ei@i.taletibh |
| geneuea dis ßlromifwpuladtepebmm enteptibht#
tatd,,r |
dargestellt. Die Speisespannung 13, die eine Wechselspannung ist,
wird hier wieder aus Gleichspannungsimpulsen 14 zusam-@ mengesetzt, so dass die
Wechselspannung 13 entsteht. Die Schaltung ist an sich bekannt.
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Das dem Vier-Pol II in der Fig. 1 entsprechende Steuerglied ist in
der Fig. 6 dargestellt. Es ist eine nur beispielhafte Anordnung, die durch beliebig
andere Schaltungsanordnungen, die den gleichen zweck erfüllen, ersetzt werden kann.
Der Bereich X zeigt den Oszillator in der Schaltung, der Bereich Y den multivibrator,
der Bereich Z die Flipp-Flopp-Schaltung, welche die Steuerspannungen.UB1 und U B2
auf den Zerhacker I überträgt. U bezeichnet den Stromüersargungsteil.
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Im Oszillator wird ein UET-Transistcr 19 verwendet. Die Frequenz der
Speisespannung, d. h. die Vorgabe bzw. Soll-Frequenz wird durch das Potentiamster
20 eingestellt. Mian kann auch noch Widerstände 21, 22 vorsehen, um durch einfaches
Umschalten stufenweise die Frequenz einzustellen. Die im Oszillator erzeugten Nadelimpulse
wirken über zwei Koppeldiadun 23, 24 auf die Basis das bistabilen Multivibrators
mit seinen Transistoren 25, 26. An den beiden Schalttransistoren 27, 28 ist das
inverse Signal vorhanden. Die Signahe sind genau um
phasenverschoben und steuern unmittelbar die beiden Transistoren 7, 8 der Fäg. 2
bzw. nach entsprechender
Umformung die Transistoren 15 bis 18
der Fig. 4. Durch die Möglichkeit einfach durch Widerstandsänderungen die Drehzahl
des Motors 5 zu ändern, kann man die Timer von Waschmaschinensteuerungen für diese
Drehzahleinstellung verwenden.
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Besondere Probleme ergeben sich wenn Einphae®nmotoren verwandt worden.
Die Ersatzschaltung eines Einphasenmotors ist in Fig. 7 dargestellt. Die Hauptphase
29 mit ihrer Wicklung 30 liegt parallel zur Hilfephase 31 mit deren Hilfswicklung
32 und dem Kondensator 33, der in der Hilfsphase liegt und die Phase derart in der
Hilfephase 31 gegenüber der Hauptphase 29 verschiebt, dann ein optimales Drehmoment
erreicht wird. Bei der Umwan-dlung der Netzspannung 1
, die in ihrem Phasenverlauf
in Fig. 8 angegeben ist und
einunförmig verlaufen soll, hat man die Möglichkeit
ähnlich wie
bei einer Phasen-änschnittschaltung entweder Impulse 34 von einer
Länge 35 zu erzeugen oder Impulse 36 mit einer Länge 37 zu erzeugen. Es ist selbstverständlich,
dass die Impulse 36 eine grössere effektive Leistung dem Motor zuordnen sie die
Impulse
34. In der Fig. 8 sind diese Verhältnisse dargestellt. Fig. 9 zeigt,
dass die Höhe dieser Impulse umso grösser ist, je näher das herausgeschnittene Stück
der Scheitelspannung 114
. Es ist nun erforderlich durch. Schaltungsmaßnahmen
bzw. durch Einschaltung frequenzabhängiger Glieder 38, 39 in die
| Haupt- und Hilfsphase 29, 31 dafür zu sorgen, dass die affek#- |
| tive Leistung, welche die Wicklungen 3L7# 32 aufnehmen'
ab- |
| hä ngig von der Frequenz verschieden ist. Es muss dafür
ge- |
| sorgt werden, dass der mit zunehmender Frequenz kleiner wer,- |
| dende kapazitive Widerstand des Kandeneatare 33 sich nicht |
| dahingehend auswirkt, daea die Phasenverschiebung zwischen |
| Hilfe-und Hauptphaaa 32t 3C( dahingehend ändert, dass ein |
| Drehmomentahfall bzw4 ein Wirkungsgradabfall auftritt. Es |
| ist nun mit einfachen an sich bekannten Schaltungema(inahmen |
| möglich, wie in Fig. 10 schematisch angedeutet, hier
diese |
| optimalen Verhältnisse zu Schaffen, indem die ursprüngliche |
| Phasenverschiebung zwischen Hilfe- und Hauptphaas
29, 31 |
| entweder nur durch Anderung der lmpuledauer und/oder der |
| Frequenz aufrecht erhalten ;wird. ES ist dabei gleichgültig, |
| ob man mehrere Plultivibratdren enwündet oder andere
an sich |
| bekannte Mittel aus der Schsltungetechnik verwendet» |
| Als Anwendung der Erfindung sind ells Mögliohkeitunt ins- |
| besonders heim Waschmaschinsnmotort zu bernichnent um einen |
| vorhandenen drei- oder einphasigen Waechmeechinbnmotör mit |
| einfachen Schaltungema0nehmen resch in seiner Drehaoh:,
an- |
| dern zu können. |