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Drehzahlerhöhung durch Frequenzvervielfachung.
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Die Erfindung bezieht sich auf die Drehzahlerhöhung eines Induktionsmotors
durch Vervielfachung der Primärfrequenz.
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Bei Induktionsmotoren führt die Drehzahlerhöhung zu einer Erhöhung
der abgegebenen Leistung und damit zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades. 1 Sie
wird zur Verkürzung aller Umspul- und Wechselvorgänge benutzt, also beispielweise
in Tonbandgeräten oder kurzzeitig bei Plattenwechslern.
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Bei Geräten mit vom Induktionsmotor angetriebenem Gebläse, wie beispielweise
Heizlüfter, Haartrockner und dergleichen, wird durch die Erhöhung der Drehzahl das
durch das Gebiäse geförderte Luft -volumen pro Zeiteinheit erhöht. Dies ermöglicht
eine Verminderung des Gebläsevolumens bei gleichbleibender Gebläseleistung und auch
verbesserte aerodynamische Gestaltungsmöglichkeiten.
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Man hat daher in Geräten dieser Art zum Antrieb des Gebläses Kommutatormotoren
verwendet. Bei diesen Motoren ist die Drehzahlerhöhung unproblematisch, weil sich
deren Drehzahl mit der an -liegenden Belastung verändert. Kommutatormotoren haben
aber den Nachteil, daR sie gegenüber den handelsüblichen Induktionsmotoren teuerer,
geräuschstärker und von kürzerer Lebensdauer sind.
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Eine Drehzahlerhöhung durch Erhöhung der Primä'rfrequenz wurde bisher
in bekannten Anordnungen durch Sperrschwinger bewirkt, was den Nachteil eines relativ
großen Aufwandes an elektrischen Bauelementen aufweist.
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Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe erstellt, möglichst billig
und mit geringem Aufwand an elektrischen Bauelementen eine der -artige Drehzahlerhöhung
an Induktionsmotoren zu bewerkstelligen.
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Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß Gleichs.tromimpulse
ganzzahlig erhöhter Frequenz aus dem zugeführten Wechselstrom definierter Frequenz
durch Gleichrichtung gewonnen und einem auf die Frequenz der Gleichstromimpulse
abgestimm -ten, die Induktivität des Induktionsmotors umfassenden Schwing -kreis
zugeführt werden.
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Bei Einphasen-Wechselstrom und Verwendung einer Gleichriehteranordnung
im Mittelpunkt- oder Brückenschaltung gewinnt man Gleichstromimpulse doppelter Frequenz,
bei Drehstrom und Verwendung einer Gleichrichteranordnung in Drehstromsternschaltung
solche dreifacher Frequenz und bei Verwendung einer Gleich -richteranordnung in
Drehstrombrtickenschaltung sogar solche sechsfacher Frequenz. Die
Primärfreauenz des Induktionsmotors ist infolge
abgestimmten Schwingkreises dann jeweils gleich dieser erhöhten Frequenz der Gleichspannungsimpulse,
dh. seine Drehzahl steigt im Maße der jeweiligen Frequenzerhöhung.
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Die Schaltungsanordnung sieht gemäß der Erfindung vor, daß an den
Schaltungsausgang einer an ein Wechselstromnetz definierter Frequenz angeschlossenen,
Impulse ganzzahlig ver-vielfach«r Frequenz liefernden
| GleichrichteranordnunZ Ruf |
diese Impuls -frequenz abgestimmter, die Induktivität des Induktionsmotors umfassender
Schwingkreis geschaltet ist.
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Bei Verwendung des einphasigen Wechselstromnetzes (5o Hz, 60 Hz) ,
vorteilhaft die Gleichrichteranordnung in Graetz-Brückenschal -tung aufgebaut und
der Schwingkreis demzufolge auf doppelte Netzfrequenz (loo Hz, 120 Hz) abgestimmt.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Schwingkreis erfindungsgemäß
als Parallelschwingkreis ausgebildet, und in die Zuleitung zwischen die Gleichrichteranordnung
und
Schwingkreis ein Kondensator angeordnet.
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Der effektive Gleichstromanteil der aus dem Gleichrichter gelieferten
Impulse bewirkt die Entstehung von Wirbelfeldern im Motor, welche sich vor allem
durch die Bildung eines bremsenden Gegenmoments und Wärmebildung störend auswirken
und mit wachsender Frequenz zunehmen. Er muß daher durch den Kondensator vom Motor
ferngehalten werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Schwingkreis erfindungsgemäß
als Serienschwingkreis ausgebildet und ein erster Schalter zwischen die Gleichrichteranordnung
und den Schwingkreis und ein zweiter Schalter parallel zum Serienschwingkreis geschaltet
beide
zur Schwingfrequenz des Serienschwingkreises wechselweise
Zur Aufrechterhaltung der Schwingfähigkeit muß der Pfad des Schwinzkreisstromes
für beide SchwinEDhasen des Schwinzkreises erhalten sein. D-a über die
des Brückengleichrichters aber nur während der Schwingphase positiven Motorstroms
ein Strompfad besteht, muß während der Schwingphase negativen Motorstroms ein anderer
Strompfad vorgesehen sein; dieser Strom-' pfad führt dann über den parallel liegenden,
in dieser Phase
leitenden zweiten Schalter. Der erste Schalter unterbricht dann während der Schwingphase
negativen Motorstroms die Zuleitung zum Gleichrichter, um Kurzschluß -wirkungen
auf die Gleichrichterventile zu verhindern. Die be -schriebenen störenden Gleichstromanteile
werden hier durch den seriengeschalteten Kondensator des Schwingkreises vom Motor
ferngehalten.
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Es ist vorteilhaft, die wechselweise wirkenden Schalter als steuerbare
elektronische Schalter auszuführen.
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Insbesondere für Kleingeräte mit einem elektrischen Heizelement, wie
Heizlüfter, Haartrochner und derWgleichen, ist es gemäß der Erfindung besonders
vorteilhaft, den Schwingkreis als Serien -schwingkreis auszubilden und einen synchron
zu seiner Schwingfrequenz arbeitenden Schalter und einen Widerstand narallel zuschalten.
Dieser Schalter schließt jeweils
Schwingphase negativen Motorstroms den Strompfad über den Widerstand; die am Widerstand
abfallende Verlustleistung wird als Heizleistung verwertet.
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In einer Abwandlung ist es gemäß einem weiteren Ausführungs -beispiel
vorteilhaft, den Schwingkreis als Serienschwingkreisauszubilden und einen Widerstand
parallel zu schalten.
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Hier ist der synchron arbeitende Schalter eingespart} die als Heizleistung
verwertbare Verlustleistung am Widerstand erhöht sich hier um ca. 20 %.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert, es zeigen Figur 1 eine Schaltungsanordnung mit einem Gleichrichter in
Drehstromst ernschaltung und einem Parallelschwingkreis, Figur 2 eine Schaltungsanordnung
mit einem Gleichrichter in Drehstrombrückenschaltung und einem Serienschwingkreis,
Figur 3 eine Schaltungsanordnung mit einem Gleichrichter in Graetz-Brtickenschaltung
und einem
Serienschwingkreis und Figur 4 eine Variante zu Figur 3.
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Der Gleichrichter 1 in Figur 1 ist in Drehstromsternschaltung mit
drei speisenden Wechselstromzweigen und drei Ventilwegen aufgebaut. Die Spannungen
an den Punkten u, v, w sind gleich groß, also um 1200 gegeneinander verschoben.
Am Schaltungsausgang werden Gleichstromimpulse dreifacher Netzfrequenz über einen
Kondensator 2 einem aus einem Kondensator 3 und einer die Induktivität eines Induktionsmotors
umfassenden Spule 4 gebildeten Parallelschwingkreis zugeführt. Dieser Schwingkreis
ist auf dreifache Netzfrequenz abgestimmt und schwingt ungedämpft. Die am Motor
anliegende Klemmenspannung weist dann die dreifache Netzfrequenz auf, so daß auch
seine Drehzahl um das Dreifache erhöht ist. Der Kondensator 2 soll den störenden
Gleichstromanteil der vom Gleichrichter gelieferten Impulse vom Motor fernhalten.
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Der Gleichrichter 5 in Figur 2 ist in Drehstrombrückenschaltung mit
drei speisenden Wechselstromzweigen und sechs Ventilwegen aufgebaut; er liefert
Cleichstromimpulse sechsfacher Netzfrequenz. An den Gleichrichter 5 ist ein aus
einem londensator G und der durch eine Spule 7 symbolisierten Motorinduktivität
gebildeter
Serienschwingkreis geschaltet. In der Zuleitung vom Gleichrichter 5 zum Serienschwingkreis
6, 7 liegt die lIauptstreche eines ersten Thyristors 8, während die Hauptstrecke
eines zweiten Thyristors 9 dem Serienschwingkreis parallel geschaltet ist.
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Der Serienschwingkreis 6, 7 ist auf die sechsfache Netzfrequenz abgestimmt
und schwingt infolge der synchronisierten Gleichstromimpulse ungedämpft. Die Thyristoren
8 und 9 schlieren und öffnen wechselwirkend im Tak-t-der sechsfachen Frequenz derart,
daß während der Schwingungsphase positiven Motorstroms des Schwingkreises der Strompfad
für den positiven Motorstrom bei nichtleitendem Thyristor 9 über den leitenden Thyristor
8 und die Gleichrichterventile, und während der Schwingphase negativen Motorstromes
des Schwingkreises der Strompfad des negativen otorstromes infolge der sperrenden
Wirkung der Ventile des Gleichrichters 5 über den nun leitenden Thyristor 9
der Thyristor 8 ist dann nichtleitend und verhindert schädigende Kurzschlußwirkungen
auf die Gleichrichterventile.
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Der Schwingkreis 6, 7 ist in der Schwingphase positiven Motorstroms
netzgeführt und arbeitet in der Schwingphase negativen ttotorstroms freischwingend.
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Der Gleichrichter 10 in Figur 3 ist in Graetzbrückenschaltung mit
einem speisenden Wechselstromzweig und zwei Ventilwegen aufgebaut und liefert Gleichstromimpulse
doppelter Netzfrequenz.
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An den Gleichrichter 1o ist ein aus einem Kondensator 11 und der durch
eine Spule 12 symbolisierten Motorinduktivität gebildeter, auf die doppelte Netzfrequenz
ab gestimmter Serienschwingkreis geschaltet. Parallel zum Schwingkreis ist ein Transistor
13 und ein Widerstand 14 angeordnet.
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Der Transistor 13 arbeitet als Schalter; er befindet sich im Takte
der verdoppelten Frequenz jeweils in seinem leitenden bzw. nichtleinden Zustand
und gibt den Strompfad für den negativen Motorstrom während der entsprechenden Schwingphase
Schwinrkreiseüber den Widerstand 14 frei.
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Diese Schaltungsanordnung eignet sich besonders für Geräte mit einem
elektrischen Heizelement, welches dem Widerstand 14 entspricht} die am Widerstand
14 auftwtende Verlust -leistung kann dann als Heizleistung verwertet werden.
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Die Schaltungsanordnung in Figur 4 unterscheidet sich von der in Figur
3 zezeizten dadurch daß der Transistor 13 entfällt,
dem Serienschwingkreis 11, 12 ist nur der Widerstand 14 parallel geschaltet.
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Der Strompfad für den positiven Motorstrom führt über die gegenüber
dem Widerstand 14 sehr niederohmigehGleichrichterventile und für den negativen Motorstrom
infolge deren Sperrwirkung über den Widerstand 14.
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Die auftretende Verlustleistung am Widerstand 14 erhöht sich gegenüber
der Anordnung in Figur 3 um ca. 20 %.
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Die Amplituden des Stromes durch den Kondensator des Schwingkreises
und damit auch die der Spannung am Motor sind ab -hängig vom Wert des Parallelwiderstandes
14 und von dem des Scheinwiderstandes des Schwingkreises. Eine Dimensionierung dieser
Widerstandswertet ist daher vorzunehmen im Hinblick darauf, daß der induktive Widerstand
des Motors annähernd proportional mit der Frequenz zunimmt, wohingegen der magnetische
Fluß im Eisen konstant bleibt, dh die am Motor anliegende Spannung soll annähernd
den entsprechend vervielfachten Wert gegenüber dem in Netzfrequenz-Betrieb erreichten.