DE2218193B2 - Verfahren zur schnellen Drehrichtungsumkehr eines Einphasen-Induktionsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Drehrichtungsumkehr eines Einphasen-Induktionsmotors; mit zwei identischen Ständerwicklungen, zwischen denen die speisende Wechselspannung umschaltbar ist

Ein Einphaseninduktionsmotor kann bekanntlich nicht ohne Hilfsmittel von selbst anlaufen, weil erst nach dem Hochlaufen des Läufers ein einsinniges Drehfeld bzw. ein einsinniges Drehmoment entwickelt wird. Daher werden reversierbare Einphasen-Induktionsmotoren immer mit einer Hilfsphase ausgestattet, die um eine halbe Polteilung räumlich gegenüber der Hauptphase verschoben ist und deren Strom näherungsweise eine Viertelperiode zum Strom der Hauptphase phasenverschoben ist Die Polung der Hilfsphase relativ zur Hauptphase entscheidet dann über die Drehrichtuing.

Bei entsprechender Wicklungsauslegung kann die Hilfsphase nach dem Hochlaufen ausgeschaltet werden, weil Ständer- und Läuferstrombeläge sich zu einem elliptischen Drehfeld ergänzen. Soll nun reversiert werden und wird die Hilfsphase mit anderer Polarität angeschaltet, so ergeben sich äußerst ungünstige Verhältnisse, weil das aufzubringende gegenläufige Drehmoment nicht nur das Drehmoment der trägen Massen decken, sondern darüber hinaus auch das vom elliptischen Hauptphasendrehfeld erzeugte Drehmoment kompensieren muß. Reversierbare Einphasen-Induktionsmotoren werden daher ausschließlich zweisträngig, also mit Dauer-Hilfsphase betrieben, deren Uinpolung dann den Prozeß der Drehrichtungsumkehr einleitet. Eine besonders einfache Ausführung ergibt sich, wenn Haupt- und Hilfsphasenwicklung bis auf ihre räumliche Versetzung einander gleich gemacht und mit je einem Wicklungsende miteinander und mit einem Pol der Wechselspannung verbunden werden, während die beiden anderen Wicklungsenden über einen Kondensator miteinander verbunden werden und der andere Pol der Wechselspannung je nach Drehrichtung der einen oder der anderen Kondensatorbelegung zugeführt wird (US-PS 32 68 742 und US-PS 34 44 448). Aus diesen Veröffentlichungen ist auch die Spannungszuführung über entsprechend gesteuerte, antiparallelgeschaltete Halbleiter bekannt, um den Abbrand von Schaltkontakten zu vermeiden.

Trotzdem haben derartige Motoren gerade dann

erhebliche Nachteile, wenn die Betriebsart ein häufiges und schnelles Reversieren erfordert Durch das Umschalten des einen Pols der Wechselspannung während des Laufs entstehen starke Ausgleichsströme, die stärker sind als beim Anfahren aus dem Stand heraus und die nur zu einem sehr geringen Teil zur Drehmomentbildung beitragen; mit dem PolwenhseS klingt das bis dahin treibende Drehmoment allmählich ab, während das gegenläufige Drehmoment erst

ίο allmählich aufgebaut wird, so daß eine relativ lange Zeit auf den Umkehrvorgang entfällt Da der Motor während dieser Zeit mit einer viel niedrigeren Drehzahl läuft als im normalen Betrieb, also auch schlechter entlüftet bzw. gekühlt wird, muß er für eine höhere

is Erwärmung dimensioniert sein, als seiner abgegebenen

Leistung entspricht Ganz analog muß auch der Kondensator für eine höhere Dauerwechselspannung

ausgelegt sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein

μ Verfahren anzugeben, mit dem sich ein Einphasen-Induktionsmotor sehr schnell und sehr häufig aus jeder Drehrichtung heraus reversieren läßt und mit dem die obengenannten Nachteile bzw. die damit verbundenen hohen Kosten vermieden werden. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Umschaltung in einem Nulldurchgang der speisenden Wechselspannung erfolgt und daß die einzuschaltende gegenüber der auszuschaltenden Ständerwicklung gegensinnig erregt wird. Die im Unteranspruch angegebene Weiterbildung des Anspruches 1 führen zu ganz besonders kostengünstigen Motoren.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der F i g. 1 bis 4 erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung der in einem erfindungsgemäßen Motor auftretenden Ströme, Spannungen und Drehmomente,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Wicklungsanordnung im Ständer eines Einphasen-Induktionsmotors gemäC der Erfindung,

Fig.3 die Betriebsschaltung eines Motors entsprechend dem erfindunsgemäßen Verfahren,

Fig.4 Verlauf der Wicklungsspannungen bei zwei unterschiedlichen Reversierungsarten.

Nach Fig.2 und 3 enthält der erfindungsgemäße Einphasen-Induktionsmotor 50 zwei identisch gleiche und räumlich in gleichen Nuten angeordnete Ständerwicklungen 52 und 53 mit den Anfängen und Enden 37, 38, 39 und 40; die schwarzen Punkte in Fig.3

so kennzeichnen jeweils einen Wicklungsanfang 38 bzw. 40. Je ein Wicklungsanfang 40 und Wicklungsende 37 ist miteinander und über Leitung 56 mit einem Pol der Wechselspannungsquelle 51 verbunden, während Wicklungsanfang 38 und Wicklungsende 39 über je einen Triac bzw. über steuerbare und antiparallelgeschaltete Halbleiter 54 und 55 und über die Leitung 57 zu dem anderen Pol der Wechselspannungsquelle 51 geführt sind. Die Steueranschlüsse für die Halbleiter sind mit 58 und 59 bezeichnet.

Das Verhalten eines solchen Motors beim Reversieren geht aus F i g. 1 hervor: Wird die treibende Wechselspannung in einem ihrer Nulldurchgänge (10 in F i g. la) beispielsweise von der Wicklung 52 ab- und an die Wicklung 53 angeschaltet, so wirkt sie wegen des gegenläufigen Wicklungssinns, wie wenn an der Wicklung 52 die Spannung umgepolt werden würde. Der magnetische Ständerfluß, der im Spannungsnulldurchgang gerade sein Maximum erreicht hat, steigt

also weiter an und infolgedessen auch der Ständerstrom, der nun nicht im Zeitpunkt 11 (F i g. Ib) durch Null geht, sondern erst nach einem Anstieg auf fast den doppelten Wert seines bisherigen Maximums im Zeitpunkt 12. Gleichzeitig induziert der Ständerstrom einen entspre- s chenden Anstieg bei 13 im Läuferstrom (F ig. lc), so daß das nunmehr gegenläufige Drehmoment (Fig. Id) bei 54 kurzzeitig auf nahezu den vierfachen Wert ansteigt Mit anderen Worten: durch den einsträngigcn Betrieb des Einphasen-lnduktionsmotors und durch das Umschalten der Wechselspannung von einer Ständerwicklung auf eine identisch gleiche, aber gegensinnig gewickelte Ständerwicklung im Augenblick des Spannungsnulldurchgangs bzw. des Flußmaximums gelingt es, die Ausgleichströme zur Drehmomentbildung nutzbar zu machen, kurzzeitig starke gegenläufige Drehmomente zu erzeugen und damit den Reversiervorgang ganz erheblich abzukürzen. Dies ist in Fi g. Ie noch einmal dargestellt: hier wechselt die mittlere Drehzahl bei 15 sehr schnell ihre Richtung; die der mittleren Drehzahl überlagerte Welligkeit rührt daher, daß, wie bereist bemerkt, das Drehfeld eines einsträngigen Einphasen-lnduktionsmotors während des Laufs nicht genau kreisförmig, sondern elliptisch ist, so daß sich der Drehzahl Pendelschwingungen überlagern. Es läßt sich leicht einsehen, daß die kurzzeitige Erzeugung eines sehr starken gegenläufigen Drehmoments nicht nur bei negativ, sondern auch bei positiv gehenden Spannungsnulldurchgängen erfolgt.

F i g. 2 zeigt das typische genutete Ständerkernblech 20 eines erfindungsgemäß betreibbaren Motors mit der Außenkontur 21 und mit der von den Zahnköpfen 22 der Zähne 23 gebildeten Innenkontur. Die identischen Wicklungen 24 und 25 entsprechen den Wicklungen 52 und 53 in F i g. 3 und sind hier sechspolig gezeichnet, so daß beispielsweise die Wicklung 24 aus den Spulengruppen 24,27,28,29,30 und 31 mit den Verbindungsleitungen 32 und 33 besteht. Hierbei kann die größte Spule 34 der Gruppe 28 beispielsweise 6 Zähne 23 umfassen und 28 Windungen aufweisen, die mittlere Spule 35 umfaßt 4 Zähne und hat 25 Windungen, und die kleinste Spule 36 umfaßt 2 Zähne und hat 14 Windungen. Die Wicklung 25 ist identisch wie die Wicklung 24 aufgebaut und insbesondere mit gleichen Windungszahlen um dieselben Zähne gewickelt

Die zusätzlich eingezeichnete Wicklung 26 hat primär mit der Erfindung nichts zu tun und dient nur zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Motorbetriebs insofern, als der Motor natürlich auch aus dem Stillstand heraus anlaufen muß und als dazu ein echter zweiter Strang bzw. eine Hilfsphase erforderlich ist. Diese Hilfsphase wird durch die Wicklung 26 dargestellt; sie ist ersichtlich gegenüber den Wicklungen 24 und 25 um 90°, bezogen auf die Polteilung, räumlich verschoben und wird zum Anlauf aus dem Stand vorübergehend über einen Kondensator oder einen großen Widerstand an Spannung gelegt Allerdings kann sie auch, wie weiter unten ausgeführt, unter bestimmten Bedingungen zum Reversieren herangezogen werden.

In Fig.4 sind die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglichen Reversierungen noch einmal zusammengestellt, und zwar sowohl für Reversierungen aus einem quasistationären Betriebszustand des Motors heraus als auch für Reverrierangen, die die Ausgleichsvorgänge nach F i g. 1 in abgewandelter Form ausnutzen. Wird beispielsweise die Wicklung 52 (F i g.') durch Sperren des Triacs 54 Ober Leitung 58 im Spannungsnulldurchgang bei 61 (F i g. 4a) abgeschaltet, so erlischt der Strom durch den Triac 54 und die Wicklung 52 erst im Stromnulldurchgang, und da es sich um einen induktiv nacheilenden Sitrom handelt, ist die Spannungskurve in Fig.4a noch etwa eine Viertelperiode länger bis zum Zeitpunkt 60; die im Zeitpunkt 61 über den Triac 55 neu eingeschaltete Wicklung 53 erhält dagegen entsprechend F i g. 4b vom Nulldurchgang an die volle Spannung. Ganz analog drehen sich die Spannungsverläufe um, wenn entsprechend Fig.4a und 4b im Zeitpunkt 62 von der Wicklung 53 auf die Wicklung 52 zurückgeschaltet wird.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und unter Ausnutzung der dabei entstehenden Ausgleichsvorgänge ist es sogar möglich, Reversierungen so vorzunehmen, daß die stationäre Energiezufuhr über immer dieselbe Wicklung erfolgt Dies kann unter Umständen für die Wicklungsdimensionierung vorteilhaft sein; zwar müssen die Wicklungen 52 und 53 in F i g. 3 bezüglich ihrer Windungszahlen und räumlichen Anordnung immer identisch gleich sein, doch kann die eine Wicklung einen wesentlich geringeren Kupferquerschnitt haben als die andere. Wenn beispielsweise in Fig.4c und 4d die stromführende Wicklung 52 im Spannungsnulldurchgang 64 ausgeschaltet und die Wicklung 53 eingeschaltet wird und wenn beim nächsten Spannungsnulldurchgang 66 die Wicklung 53 ausgeschaltet und die Wicklung 52 wieder eingeschaltet wird, erfolgt trotzdem eine Reversierung, obwohl die Leistung nach wie vor über die Wicklung 52 übertragen wird. Wie im Spannungsnulldurchgang 68 in F i g. 4c und 4d dargestellt, läßt sich diese Art der Reversierung immer erreichen, wenn die nur kurzzeitig an Spannung gelegte Wicklung 53 über eine ungerade Anzah¹ von Halbwellen an der treibenden Spannung angeschlossen bleibt; wird diese Anzahl so groß, daß die Ausgleichsvorgänge nahezu abgeklungen sind, so versagt das Verfahren natürlich, und der in Fig.4c und 4d dargestellte Reversiervorgang geht in den in Fig.4a und 4b dargestellten über.

Ist das Lastmoment klein gegenüber dem Kippmoment des Motors, so braucht der Spannungsnulldurchgang nicht sehr genau eingehalten zu werden; unter gewissen Lastzuständen gelingt ein Reversieren noch bei Abweichungen bis zu 50° elektrisch vom Nulldurchgang. Hiermit hängt zusammen, daß unter gewissen Umständen auch zwischen den Wicklungen 24 und 26 in F i g. 2 umgeschaltet werden kann, sofern die in F i g. 4c und 4d dargestellte Methode und Wicklung 26 als kurzfristig eingeschaltete Wicklung benutzt wird. Zwar ergibt sich dann wegen der räumlichen Anordnung der Wicklung 26 eine kurzzeitig sich über etwa eine Viertelperiode hinziehende Einsattelung im resultierenden Ständerflußverlauf, doch läßt sich danach auch hier ein schneller und ziemlich starker Anstieg des gegenläufigen Drehmomentes nachweisen, so daß bei genauer Anpassung an die Lastverhältnisse die eine Wicklung 25 ganz eingespart und ein äußerst kostengünstiger Motor entworfen werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprache:

1. Verfahren zur schnellen Drehrichtungsumkehr eines Einphasen-Induktionsmotors mit zwei identiüchen Ständerwicklungen, zwischen denen die !speisende Wechselspannung umschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung in einem Nulldurchgang der speisenden Wechselspannung erfolgt und daß die einzuschaltende gegenüber der auszuschaltenden Ständerwickllung gegensinnig erregt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzuschaltende Ständerwicklung nur während einer ungeraden Anzahl von Halbperioden (Fig.4d, 68), vorzugsweise nur während einer Halbperiode (Fig.4d, 64) der speisenden Wechselspannung eingeschaltet bleibt und daß dann die ausgeschaltete Ständerwicklung (F i g. 4c) wieder eingeschaltet wird.