DE2155936A1 - Einphasiger Asynchronmotor - Google Patents

Description

YD/HB/üMR/19o598 * ' . · .■ 26 ο 10. 1971 -. - . '.'λ

"Einphasiger Asynchronmotor«,"

Die vorliegende Erfindung betrifft in allgemeiner Weise elektrische Asynchronmotoren, die mit einphasigem Wechselstrom gespeist •werden, und behandelt insbesondere eigene Vorrichtungen, um den Anlauf eines derartigen Motors,ohne Nachteil für seine Arbeitsleistung, bei Normalbetrieb zu erleichtern.

Es ist bekannt, dass der Anlauf in eine bestimmte Richtung eines einphasigen Asynchronmotors nur durch Kunstgriffe gewährleistet werden kann, durch die das diesen Motoren eigene Wechselfeld wenigstens während der Anlaufphase in ein Drehfeld umgewandelt wird, das in der

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gewünschten Richtung umläuft. Diese Kunstgriffe bestehen im allgemeinen darin, dass dem Motor Blindwiderstände beigefügt werden, die entweder am Ende der .Anlaufphase entfernt werden, oder auch nach dieser im Kreis verbleiben. Im ersten Fall muss der Motor mit geeigneten Umschaltkreisen versehen sein, oft Zentrifugalsteuerkreise, die dessen Struktur komplizieren und seine Betriebszuverlässigkeit verringern,, Im zweiten Falle vermindert die Anwesenheit der Blindwiderstände den Wirkungsgrad des Motors bei Nennbetrieb beträchtlich.

Unter den bekannten Kunstgriffen besteht der am häufigsten angenwendete darin, den Motor mit gespaltenen Statorpolen zu versehen, die eine Hilfswicklung tragen, die wenigstens während des Anlaufens des Motors kurz geschlossen ist. Diese Hilfswicklung erzeugt durch Induktion ein ¥echselfeld, das zeitlich und räumlich bezogen auf das Primärfeld verzögert ist, und sich mit letzterem so zusammensetzt, dass ein elliptisches Feld entsteht, das in der gewollten Richtung umläuft ο Diese Hilfswicklung besteht häufig aus Kurzschlussringen, die einen Teil jedes Poljoches umgebene Obgleich diese Lösung besonders günstig für den Anlauf des Motors ist, hat sie dennoch den Hauptnachteil, dass sie den Wirkungsgrad des Motors beträchtlich vermindert .

Die vorliegende Erfindung hat daher die Verwirklichung eines einphasigen Asynchronmotors zum Ziel, von der Art, die Spalt statorpole mit einer wenigstens während des Anlaufens kurzgeschlossenen Hilfswicklung besitzt ; dieser Motor ist mit eigenen Vorrichtungen versehen, die seinen Anlauf in der gewünschten Richtung und ein ausreichendes, motorisches Drehmoment gewährleisten, ohne dass daraus eine Verminderung des Wirkungsgrades bei Nennumlaufgeschwindigkeit entsteht.

Zu diesem Zwecke ist die genannte Hilfswicklung einem wesentlichen Merkmal der Erfindung zufolge durch mindestens ein Halbleiterelement mit steuerbarer Leitfähigkeit kurzgeschlossen, über dessen Steuerelektrode ein Ztindstrom fliesst, dessen Stärke im wesentlichen derjenigen des von der St at or wicklung des Motors gezogenen Stromes proportional ist und während der Anlaufphase einen Wert erreicht, der zur Zündung des genannten Halbleiterelementes ausreicht, und dann am Ende dieser Anlauf phase auf einen dazu nicht ausreichenden Wert zurückfällt ο

Die Hilfswicklung ist dabei wirksam kurz geschlossen, wenn der Motor einen starken Strom aufnimmt _f d.h. wenn er eine schwache

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elektromotorische tegenkra^ entwickelt und also mit einer im Verhältnis zu seinei Nrinngeöühviindigkeit geringen Geschwindigkeit umläuft ; diese Bedingungen sind während des Anlaufens des Motors erfüllt, wozu die Hilfsrichtung also wirksam mithelfen kann_o Wenn der Motor im wesentlichen mit seiner Nenndrehzahl umläuft, ist die Stärke des hervorgerufenen Stromes beträchtlich vermindert, sodass das im Sperrzustand gehaltene Halbleiterelement den Kreis der Hilfswicklung öffnet, deren Vorhandensein sich dann auf die Arbeit des Motors und insbesondere auf seinen Wirkungsgrad nicht auswirkt«

Anderen wesentlichen Merkmalen der Erfindung zufolge wird die genannte Hilfswicklung von Spulenpaaren gebildet, die wenigstens mit einem Halbleiterelement in Reihe geschaltet sind, wobei die Anzahl der Windungen und der Widerstand dieser Spulen vor teilhaft erweise so gewählt wird, dass die Zahl der Amp ere windungen geliefert wird, die zum Anlauf benötigt wird, ohne dass die Höchststärke des ( Stromes, der diese durchfliesst,die überschreitet, die das Halbleiterelement im Dauerbetrieb ertragen kann.

Darüber hinaus ist eine Sicherung mit den genannten Wicklungen und dem genannten Halbleiterelement vorzugsweise in Reihe geschaltet, dessen Grosse höchstens gleich dem Höchststrom ist, den das Halbleiterelement im Dauerbetrieb ertragen kann.

Diese Vorrichtungen haben den offensichtlichen Vorteil, den vollkommenen Schutz des Halbleiterelementes gegen jeglichen Durchbruch zu sichern, der durch Überstromstärke während der Anlaufphase des Motors oder infolge eines Isolationsschadens der Hilfswicklung hervorgerufen werden kann.

Weiteren Merkmalen der Erfindung gemäss wird der Zündstrom für die Steuerelektrode des Halbleiterelementes von einem Potentiometer ' geliefert, das in Reihe sein oder direkt in Reihe in den Speisekreis der Statοrwicklung.des Motors eingebaut werden kann,oder das von einem Stromwandler gespeist werden kann, der in Reihe in eben diesen Stromkreis eingebaut werden kann.

In dem zweiten Fall kann die Hilfswicklung vom Speisekreis der Statorwicklung isoliert werden»

Mit diesen Vorrichtungen kann offensichtlich dank der einfachen, robusten und einstellbaren Mittel das gewünschte Verhältnis von Zündstrom und Speisestrom für die Statorwicklung eingestellt, und demzufolge nach Wunsch die Geschwindigkeit festgelegt werden, die der Motor erreichen soll, und bei der seine Hilfswicklung für den Anlauf aus dem Kreis herausgenommen werden kann.

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Das Halbleiterelement mit auslösbarer Leitung kann sowohl ein symmetrischer Thyristor oder TRIAG oder auch ein einfacher,von einer Diode geschützter Thyristor sein_o

Im ersten Falle, ist das Anlaufmoment des Motors maximal, während im zweiten Fall die relative Verminderung dieses Momentes von einer beträchtlichen Verringerung des Herstellungspreises dieser Vorrichtung begleitet ist.

In verschiedenen, besonderen Fällen kann die Hilfswicklung des Motors durch zwei Thyristoren kurz geschlossen werden, die gegensinnig

geschaltet sind und mit voneinander isolierten Steuerkreisen versehen sind»

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden sich während der Lektüre der genauen, folgenden Beschreibung mehrerer, die Erfindung nicht ausschöpfender Ausführungsbeispiele herausstellen, die durch die beigefügten Zeichnungen erläutert werden, auf denen :

- die Figuren 1 bis 4 die Schemata von vier Ausführungsarten der Erfindung zeigen, die symmetrische Thyristoren oder TRIAC verwenden ; und

- die Figuren 5 bis 7 die Scbalfcungsschemata anderer, einfache Thyristoren verwendender Ausführungsarten der Erfindung zeigen_o

Der Zweipolmotor, dessen Schema in der Figur 1 gezeigt wird, besitzt einen kurzgeschlossenen Rotor R, der sich in dem Feld einer Statorwicklung S1-S2 dreht, die aus zwei symmetrischen Hälften gebildet wird, die in Reihe an die Klemmen einer Stromquelle mit einphasigem Wechselstrom angeschlossen sind«,

Die jeweils die Statorwicklung S1-S2 tragenden, induzierenden Pole sind gespalten und teilweise durch symmetrische Teile B1, B2 einer Anlaufshilfswicklung umgeben, die in Reihe in einem Kreis mit einer diesen schliessenden Sicherung F und einem symmetrischen Thyristor oder TRIAC Tr eingebaut sind. Die Elektrode G- und die entsprechende Elektrode von letzterem sind jeweils mit dem Läufer und einer Klemme eines Potentiometers P verbunden, das in Reihe in den Speisekreis der Statorwicklung S1-S2 geschaltet ist„

Wenn die Statorwicklung S1-S2 von einem Strom I durchflossen wird, erhält die Steuerelektrode G des symmetrischen Thyristors Tr einen Teilstrom i, dessen Teilungskoeffizient von der Stellung des Läufers des Potentiometers P abhängt. Diese Stellung ist so bestimmt, dass der Strom 1 ausreicht für die Zündung des Thyristors Tr während der Anlaufphase, bei der der mit kleiner Geschwindigkeit umlaufende Motor eine schwache elektromotorische Gegenkraft hervorruft und in-

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folgedessen einen grossen St:?om I zieht ; die Stellung des Läufers des Potentiometers Γ wird iiu übrigen so bestimmt, dass am Ende der Anlaufperiode der Strom 1 der Hennstärke des Stromes proportional ist, und nicht ausreicht, um den symmetrischen Thyristor Tr zu zünden_o letzterer wird auf diese Weise entwender leitend gemacht oder gesperrt gehalt en, je nach dem ,ob der Motor sich in der Anlaufperiode befindet oder die vorbestimmte nahe der Hennuml auf ge schwindigkeit liegende Umlaufgeschwindigkeit erreicht hat.

Die Wicklungen B1-B2 der Anlaufhilfswicklung bestehen vorteilhafterweise aus mehreren Leitungswindungen, sodass sie die magnetomotorische Kraft erzeugen können, die unter Berücksichtigung des Aufbaues des Rotors R für einen guten Anlauf des Motors nötig ist, ohne von einem Strom durchflossen werden zu müssen, dessen G-rösse die für den Thyristor Tr im Dauerbetrieb zulässige überschreitet. Mit anderen Worten, die Spulen B1-B2 müssen die erforderliche Anzahl von Amperewindungen liefern und einen Scheinwiderstand darstellt, der gross genug ist,um die Stärke des Stromes,der sie durchfliesst,unter allen Umstanden auf einen Wert zu begrenzen, der mit den Eigenschaften des Thyristors Tr vereinbar ist. In der Tat könnte die Sicherung P wegen ihrer Durchbruchverzögerung allein nicht den guten Schutz des Thyristors Tr gewährleisten, z.B. im Falle einer Blockierung des Motors bei der Anwesenheit eines sehr starken Widerstandsmomentes , einer Blockierung, die einen starken Strom I zur Folge haben würde_o Die Blockierung würde ausserdem auch die Versorgung der Steuerelektrode G- des Thyristors Tr mit einem Strom i zur folge haben, der ausreicht um ihn leitend zu machen. Ein zusätzlicher Schutz für den Thyristor hinsichtlich schneller Spannungs- oder Stromänderungen kann, wenn es nötig ist, durch den Einbau eines punktiert dargestellt en, parallel liegenden Widerstands-Kapazität skreis gewährleistet werden_o

Die Schaltung der Figur 1 genügt vollständig, wenn der Spannungsbereich nicht zu gross ist, und wenn die Hilfswicklung B1-B2 ausreichend gegen die Statormasse isoliert ist₀ Bei der gleichen Annahme, aber einer weniger guten Isolierung der Hilfswicklung B1-B2 ist es vorteilhaft, die Schaltung der Figur 2 zu verwenden,,

In dieser Schaltung wird die Steuerelektrode G des symmetrsichen < Thyristor» Tr von einem Potentiometer P¹ versorgt, das selbst von der Sekundärwicklung eines Stromwandlers J gespeist wird, dessen Primärwicklung in Reihe in den Speisekreis der Statorwicklung S1-S2 eingebaut lot· Auf diene Weise sind der Kreis der Hilfswicklung B1-B2 und

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der Steuerkreis öe^ Thyristors Tr in vollkommener Weise gegen die Statorwicklung S1-S2 isoliert.

In dem Fall, in dem der Änderungsbereich der Spannung grosser ist als der im vorhergehenden Pail angenommene, ist es vorteilhaft, die Schaltungen der Figuren 3 und 4 zu verwenden :

Der Aufbau der Figur 3 ähnelt dem der Figur 1 mit der Abweichung, dass die Steuerelektrode G- des symmetrischen Thyristors Tr zwei polarisierte Kreise besitzt, von denen jeder mit einer Diode D1 bzw. D2 gebildet wird, die jeweils an den Läufer eines Potentiometers P1, P2 angeschlossen sind und mit entgegengesetzter Polarität eingebaut sind, während die besagten Potentiometer parallel zu einem festen Widerstand P^!geschaltet sind, der wie das Potentiometer P in Reihe in den Speisekreis der Statorwicklung S1-S2 geschaltet ist.

Der Aufbau der Figur 4 zeigt dieselbe Abwandlung wie die Schaltung der Figur 2, wobei die Steuerelektrode G des Thyristors Tr durch die- Dioden D1, D2 mit den Läufern der Potentiometer ΡΊ, P¹2 verbunden ist, die zueinander parallel liegend von der Sekundärseite eines Stromwandlers J gespeist werden, dessen Primärseite in Reihe mit der Statorwicklung S1-S2 liegt.

Die Schaltungen der Figuren 5 und 6 entsprechen denen, die in den Figuren 1 bzw. 2 gezeigt werden, unterscheiden sich aber von diesen im wesentlichen durch die Ersetzung des symmetrischen Thyristors Tr durch einen einfachen Thyristor Th,dessen Steuerelektrode G-von airiarDiodeDgescblitBitist.Darge2!e3gfcen Schaltung und dem gezeigten Aufbau entsprechend wird der Thyristor Th nur während der Halbperioden 11 des Speisestromes der Statorwicklung S1-S2 zur Leitung gebracht. Daraus folgt, dass das Anlaufmoment unregelmässig ist und nur den halben Wert des vorangegangenen erreicht, auf G-rund der Tatsache,dass der Kiwis dei Hilfswicklung B1-B2 nur während der Halbperioden mit vorbestimmter Polarität des Speisewechselstromes geschlossen ist. Dieser Nachteil kann indessen unter bestimmten Anwendungsbedingungen bei Berücksichtigung der Tatsache/kfngenommen werden, dass der Preis eines einfachen Thyristors Th weit unter demjenigen eines symmetrischen Thyristors oder TRIACs Tr liegt.

Die Schaltung der Figur 7 ist in all den Fällen anwendbar, in denen ein maximales Anlaufmoment benötigt wird, aber zwei gegeneinander isolierte Steuerkreise gefordert werden :

Diese Schaltung besitzt zwei einfache Thyristoren Th1, Th2, die im G-egensinn einander parallel geschaltet sind und deren Steuerelektroden CM bzw. G-2 durch die Dioden D1, D2,die gleichartig gepolt sind,

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mit den Läufern 5β3" Potentiometer P'1, P¹2 verbunden sind, die durch die getrennten S3l:undärwicklunge.i.i eirxes Stromwabdlers J* gespeist werden, dessen Primärwicklung mit der St at or wicklung S1-S2 in Reihe geschaltet ist_o Bei der gezeigten Schaltung und der angegebenen Verbindung, wird klar, dass die Thyristoren Th1 und Th2 abwechselnd während der Halbperioden 11 und 12 des Speisestromes für die Statorwicklung S1-S2 zur Leitung gebracht werden«

Aus den beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispielen geht hervor, dass die Erfindung die Möglichkeit bietet, einem einphasigen Asynchronmotor ein Anlaufmoment zu geben, das demjenigen des gleichen, aber mit klassischen Anlaufringen versehenen Motors identisch ist, aber dessen mittlerer Wirkungsgrad weit höher liegt₀ Weitere Vorteile der Erfindung folgen aus der Ausführung der Hilfswicklung mit dünnem Draht, sodass sein Platzbedarf stark verringert wird, und seiner Umschaltung mit Hilfe eines halbleitenden Elementes mit steuerbarer Leitung, grösster Zuverlässigkeit und geringeren Platzbedarfes als ein klassisches, elektromechanisches Relais. Insgesamt betrachtet ermöglicht die Erfindung die Ausführung eines Motors mit geringeren Abmassen als die eines Motors mit Ringen bei gleicher Leistung und dies bei einem wegen der Einfachheit der Schaltungen, die im übrigen die wunschgerechte Festsetzung der Schaltschwelle zulassen, geringeren Herstellungspreise Diese Schaltungen beanspruchen andererseits weniger Platz, sie kosten weniger und sind zuverlässiger als die, die einen phasenschiebenden Kondensator verwenden.

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Claims (1)

1. PATE IT TA N SPRUCH B .-

   1„ Einphasiger Asynchronmotor der Art, die gespaltene Statorpole mit einer wenigstens während des Anlaufens kurz geschlossenen Hilf sräddiing besitzen, dadurch gekennzeiclinet, dass die Hilfswicklung (B) durch wenigstens ein Halbleiterelement mit schsLtbarer Leitfähigkeit (Tr, Th) kurz geschlossen ist, Über dessen Steuerelektrode (G)' ein ZUnstrom (i)' fliesst, dessen Stärke, die im wesentlichen der des von der Statorwicklung (-S) des Motors angeforderten Stromes proportional ist, während seiner Anlaufphase einen ausreichend grossen Wert erreicht, um das genannte Halbleiterelement zünden zu können und die dann auf einen Wert am Ende der Anlaufphase zurückfällt, der dazu nicht ausreicht« " -

   fe 2o Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Hilfswicklung von zwei Spulenpaaren (B1,B2) gebildet wird, die in Reihe mit wenigstens einem Halbleiterelement (Th, Tr) geschaltet sind.

   3„ Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Windungen und der Scheinwiderstand der Spulen (B1-B2) es erlauben, die Anzahl von Amperewindungen zu liefern, die bei dem Anla.uf benötigt werden, ohne dass die Höchst stärke des sie durchmessenden Stromes diejenige überschreitet, die das Halbleiterelement (Th, Tr) im Dauerbetrieb ertragen kann.

   4. Motor nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeiclinet, dass eine Sicherung (F) in Reihe mit den Spulen (B1, B2) und dem Halbleiterlement (Th, Tr) geschaltet ist, dessen Viert höchstens gleich

   W dem Höchst strom ist, den das Halbleiterelement im Dauerbetrieb ertragen kann ο

   5. Motor nach einem der Ansprüche'1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündstrom (1), der über die Steuerelektrode (G-) des Halbleiterelementes (Tr, Th) fleisst, von einem Potentiometer (}?) geliefert wird, das in Reihe in dem Speisekreis der Statorwicklung (S) geschaltet ist_o

   6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daso der über die Steuerelektrode (G), dos Ilalbleitcrclcmentes (Tr, Th) fließende Zündrjtrom (l) von einem Potentiometer (P^f) geliefert wird, das von einem Stromwandler (J) gespeist wird, dessen Primärsoite in Reihe in den Spoicokroio dor Statorwicklung (S) geschaltet ist· 7o Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, rtucs die: Ilill'u-

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   BAD OFHGiNAt

   wicklung (B) und die Steuerkreise des Halbleiterelementes (Tr, Th) vom Speisokreis der Statorwieklung (S) isoliert sind.

   80 Motor nach einem der Ansprüche 5 "bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Potentiometer (P, P¹) und der Steuerelektrode (G-) des Halbleiterelement es (Tr, Th) eine Diode (D) eingebaut ist.

   9. Motor nach einem der Ansprüche 1 "bis 8, dadurch gekenn ze iclinet, dass das genannte Halbleiterelement von einem symmetrischen Thyristor oder TRIAC (Tr) gebildet wird.

   1Oo Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (G-) des symmetrischen Thyristors (Tr) durch mit entgegengesetzter Polung eingebaute Dioden (D1, D2) mit den Läufern der einander paralellge schalt et en Potentiometer (P1, P2 ; PM, P¹2) verbunden ist ο (

   lic Motor nach einen der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Halbleiterelement von einem einfachen Thyristor (Th) gebildet wird, dessen Steuerelektrode (G-) durch eine Diode (D) mit dem Läufer des Potentiometers (P, P') verbunden ist,

   12. Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei einfache Thyristoren (Th1, Th2) vorgesehen sind, die entgegengesetzt geschaltet sind°

   13· Motor nach Anspruch 12, dadurch gekeimzeichnet, dass die Steuerelektroden (G-1, G-2) der einfachen Thyristoren (Th1, Th2) mit den Laufern der Potentiometer (P"1, P"2) verbunden sind, die von den Sekundärwicklungen gespeist werden, die vom Stromwandler (J¹) getrennt sind»

   14· Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement (Th, Tr) durch einen Widorstands-Keipazitätskreis überbrückt werden kann, um starke Spannungsund Stromschwankungen zu därnpfen₀

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