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Steuerung eines einphasigen Asynchronmotors, insbesondere
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für Waschmaschinen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Betrieben
eines einphasigen polumschaltbaren Asynchronmotors mit Betriebskondensator für verschiedene
Drehzahlen, insbesondere zum Antrieb eines Waschautomaten.
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Für den Antrieb der Waschtrommel eines Waschautomaten sind zwei Betriebszustände
erforderlich, nämlich der eigentliche Waschvorgano, welcher die Drehrichtung periodisch
wechselnd bei niedriger Drehzahl erfolgt, und der Schleudervorgang, welcher zum
Ausschleudern des Wassers aus der Wäsche eine relativ hohe Drehzahl erforderlich
macht.
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Waschmaschinenmotore weisen daher normalerweise zwei Wicklungssysteme
mit jeweils unterschiedlicher Polzahl auf, wobei die hochpolige Wicklung zum Waschen
und die niederpolige Wicklung zum Schleudern verwendet wird.
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Die Ausführungen der Antriebsmotoren sind dabei 2/12-polig, 2/16-polig
oder 2/18-polig, je nach dem gewUnschten Drehzahlspreizungsverhältnis von 1 : 6
bis 1 : 9.
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Um zu noch besseren Entwässerungseffekten zu gelangen, versucht man,
die Schleuderdrehzahl Uber die bisher erreichten Werte von ca. 500 UpM auf 800 UpM
bis 1000 UpM zu erhöhen. Da die Waschdrehzahl gleichbleiben muß, erfordert dies
ein entsprechend größeres Drehzahlspreizungsverhältnis. Die Realisierung dieser
Forderung
verlangt aber Motoren mit entsprechend höherer Polpaarzahl.
Damit sind erheblich größere Herstellungskosten bedingt.
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Man hat versucht, diesen Forderungen durch drehzahlregelbare Gleichstrom-Reihenschlußmotoren
bzw. Gleichstrom-Nebenschlußmotoren oder auch durch Universal-Motoren gerecht zu
werden. Derartige Motoren sind jedoch relativ teuer und nicht wartungsfrei. Ihre
Verwendung in Waschautomaten hat sich deshalb nicht durchzusetzen vermocht.
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Aus einem Prospekt der Fa. Siemens, Elektrodienst 18 (1976), Heft
6, ist es bekannt, zur Erzielung eines möglichst großen Drehzahlspreizungsverhältnisses
einen polumschaltbaren Einphasen-Induktionsmotor zu verwenden und ihn mit einem
integrierten Fliehkraftschaltgetriebe zu versehen. Hierbei handelt es sich um ein
Planetengetriebe mit doppelt wirkendem Klemmwellen-Freilauf. Eine solche Lösung
ist aber technisch aufwendig und teuer.
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Aus der DT-OS 2 311 018 ist es bekannt, einen Asynchronmotor mit zwei
Wicklungssystemen zu verwenden, welcher neben der Netzfrequenz über einen Frequenzumformer
noch mit der halben Netzfrequenz arbeitet.
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Die beiden sich aus den zwei Wicklungssystemen ergebenden Grunddrehzahlen
bei Netzfrequenz werden durch Umschalten auf den Frequenzumformer jeweils halbiert.
Ein derartiger Motor läßt sich zwar einfach herstellen, jedoch muß beim Betrieb
mit halber
Netzfrequenz bei gleichbleibender mechanischer Leistungsabgabe
das doppelte Drehmoment aufgebracht werden.
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Aus der DT-OS 2 409 889 ist es bekannt, einen Asynchronmotor mit zwei
Wicklungssystemen zu verwenden, welcher neben der Netzfrequenz noch mit Vielfachen
der Netzfrequenz arbeitet. Dazu ist die Hauptphasenwicklung in zwei gleiche Teilwicklungen
aufgeteilt und ein Wechselrichter zur Frequenzvervielfachung vorgesehen, dessen
Stromrichtertransformator aus den Teilwicklungen gebildet ist. Aber auch eine solche
Lösung zeigt einen relativ großen technischen Aufwand.
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Die technisch einfachste Lösung einer Motorsteuerung ist es, die dem
Motor zugeführte Leistung durch Phasenanschnitt zu steuern. Eine Phasenanschnittsteuerung
zur Drehzahl regelung konnte aber bisher nur bei Spaltpolmotoren vorgenommen werden;
bei Asynchronmotoren für im Haushalt verwendbare Leistungen mit stark wechselndem
Lastmoment, wie dies bei Waschautomaten der Fall ist, konnte bisher keine Phasenanschnittsteuerung
vorgenommen werden, weil bei allen Drehzahlen, die stark von der netzsynchronen
Drehzahl abweichen, eine unzulässig hohe Erwärmung des Asynchronmotors auftritt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen,
mittels welcher ein Asynchronmotor zum Betrieb eines Waschautomaten mit Phasenanschnitt
zur Drehzahlregelung gesteuert werden kann, ohne daß eine solche unzulässige Erwärmung
auftritt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Asynchronmotor
einen Tachogenerator antreibt, daß in Reihe zum Asynchronmotor ein bidirektionales
steuerbares Steuerventil angeordnet ist, daß der Tachogenerator ein Summierglied
speist, welches die vom Tachogenerator gelieferte Spannung und eine der Soll-Drehzahl
des Asynchronmotors entsprechende Gleichspannung summiert, daß das Summierglied
einen Verstärker speist, der dem Ladekreis eines Kondensators zugeordnet ist, daß
zwischen die Steuerelektrode des Steuerventils und den Kondensator ein Schwellenwertschalter
geschaltet ist, der in jeder Halbwelle der Netzspannung mittels der Ladespannuno
am Kondensator durchschaltet und einen Zündimpuls auf das Steuergitter des Steuerventils
liefert, und daß parallel zum Kondensator ein Schalter angeordnet ist, der jeweils
im Nulldurchgang der Netzspannung schaltet und den Kondensator kurzschließt.
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Mit einer solchen Anordnung wird eine sehr schnelle Regelung erzielt,
d.h., es erfolgt ein sehr schnelles Angleichen des jeweiligen Ist-Wertes der Drehzahl
an deren Soll-Wert, so daß die durch die Schlupfdrehzahl hervorgerufene Erwärmung
den Motor nicht mehr unzulässig erwärmen kann. Damit ist erstmals eine Anordnung
geschaffen, mittels welcher ein normaler Asynchronmotor fUr im Haushalt noch verwendbare,
mittlere Leistungen bei einem Betrieb mit stark wechselndem Lastmoment mit Phasenanschnittsteuerung
betrieben werden kann.
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Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die
Unteransprüche gekennzeichnet.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles in
der Zeichnung näher erläutert; die Figur zeigt das elektrische Prinzipschaltbild
der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Gemäß der Figur ist die Anordnung über die Klemmen 1 und 2 an das
Netz angeschlossen; Der zu steuernde einphasige Asynchronmotor 3 ist pol umschaltbar
ausgebildet und mit einem nicht näher dargestellten Betriebskondensator zur Phasendrehung
versehen, um ein gutes Anlauf- und Betriebsverhalten zu erzielen. Der Asynchronmotor
3 ist mit einem bidirektionalen steuerbaren Steuerventil 4 in Serie geschaltet.
Diese Serienschaltung ist direkt an die Klemmen 1 und 2 geschaltet. Das bidirektionale
steuerbare Steuerventil ist als Triac ausgebildet. In die Stromzuleitung der Anordnung
ist ein Widerstand 5 und ein Gleichrichter 6 zur Gleichrichtung der Netzspannung
geschaltet; des weiteren ist ein Glättungskondensator 7 sowie ein Widerstand 8 zur
Bereitstellung der erforderlichen Speisespannung für die Anordnung vorgesehen. Als
Entstörglieder sind in jeweils paralleler Anordnung zum Steuerventil 4 die Reihenschattung
aus einem Widerstand 9 und einem Kondensator 10 und Bin weiterer Kondensator 11
geschaltet.
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Der einphasige Asynchronmotor 3 treibt einen Tachogenerator 12 an.
Der Tachogenerator 12 ist an den Steuereingang eines Transistors 16 geschaltet.
Am Eingang des Transistors 16 sind ein Gleichrichter 13, ein Kondensator 14 und
ein Widerstand 15 angeordnet: der Gleichrichter 13 dient zum Schutz des Transistoreingangs,
der Kondensator 14 soll Fehlimpulse vom Eingang fernhalten, der Widerstand 15 ist
als Basisschutzwiderstand vorgesehen. Ein Widerstand 17 bildet den Arbeitswiderstand
des Transistors 16. Dem Transistor 16 ist ein aus einem Kondensator 18 und einem
Widerstand 19 gebildetes Differenzierglied nachgeschaltet. Dem Differenzierglied
18/19 ist ein Transistor 20 nachgeschaltet. Der Transistor 20 speist eine mehrgliedrige
RC-Kette. Die RC-Kette besteht aus mehreren Kettengliedern, die aus den Widerständen
21 bis 27 und aus den Kondensatoren 28 bis 32 gebildet sind. Diese RC-Kette ist
durch ein aus einem Kondensator 33 und einem Widerstand 34 gebildetes Phasenkorrekturglied
Uberbrückt. Dem Eingang der RC-Kette sind über einen Umschalter 35 jeweils wahlweise
extern angeordnete Potentiometer 36 bzw. 37 zugeschaltet. Die RC-Kette ist an den
Eingang eines zweistufigen Verstärkers geschaltet. Der zweistufige Verstärker ist
aus dem Transistor 38 mit Arbeitswiderständen 39 und 40 und dem Transistor 41 mit
Arbeitswiderständen 42, 43 und 44 gebildet. Die Ausgangselektroden des Transistors
38 sind durch ein aus einem Kondensator 45 und einem Widerstand 46
gebildete
Phasenkorrekturglied Uberbrückt. Die Ausgangselektroden des Transistors 41 sind
zusammen mit dem Widerstand 44 in den Ladekreis eines Kondensators 47 geschaltet.
Zwischen den Kondensator 47 und die Steuerelektrode des Steuerventils 4 ist ein
Schwellenwertschalter angeordnet. Der Schwellenwertschalter ist als Unijunction-Transistor
48 mit Arbeitswiderständen 49 und 50 ausgebildet, dessen Steuerelektrode mit dem
Kondensator 47 verbunden ist. Parallel zum Steuerventil 4 ist über einen Strombegrenzungswiderstand
51 der Wechselstromeinganq eines Brückengleichrichters 52 geschaltet, dessen Gleichstromausgang
an den Steuereingang eines Schalttransistors 53 geschaltet ist.
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Der Ausgang des Schalttransistors 53 ist über Widerstände 54 und 55
an den Steuereinaang eines weiteren Schalttransistors 56 geschaltet. Dabei weist
der Transistor 56 den gleichen Typ auf wie der Transistor 53, in der Figur sind
beide Transistoren vom npn-Typ. Die Ausgangselektroden des Schalttransistors 56
sind parallel zum Kondensator 47 angeordnet. Während des Betriebs des Asynchronmotors
3 wird vom Tachogenerator 12 eine dem Ist-Wert der Drehzahl proportionale Wechselspannung
geliefert. Diese Wechselspannung wird durch den Gleichrichter 13 gleichgerichtet
und durch den Transistor 16 so begrenzt, daß etwa rechteckförmige Spannungsimpulse
erzielt werden. Damit wird erreicht, daß die Anordnung nicht in Abhängigkeit der
Amplitude, sondern in Abhängigkeit der Taktung der dem Ist-Wert der Drehzahl proportionalen
Wechselspannung arbeitet, und daher Amplitudenänderungen beispielsweise infolge
einer magnetischen Alterung des Tachogenerators nicht
als Fehler
in der Regelung auftreten. Die rechteckförmigen Impulse werden dann durch das Differenzierglied
18/19 differenziert, durch den Transistor 20 verstärkt und der RC-Kette zugeführt.
Der RC-Kette ist weiterhin jeweils eine durch die externen Potentiometer 36 bzw.
37 einstellbare, dem Soll-Wert der Drehzahl entsprechende Gleichspannung zugeführt.
Infolge der zwei Potentiometer 36 bzw. 37 können zwei Soll-Werte vorgegeben und
der RC-Kette durch den Umschalter 35 zugeschaltet sein. Durch die RC-Kette werden
die differenzierten Impulse integriert und mit der zugeführten Gleichspannung summiert.
Die RC-Kette ist so aufgebaut und dimensioniert, daß sie extrem kleine Zeitkonstanten
aufweist. Die RC-Kette speist den Transistor 38, der wiederum den Transistor 41
steuert. Die Ausgangselektroden des Transistors 41 sind in den Ladekreis des Kondensators
47 gelegt, so daß dessen Ladestrom von der aus der RC-Kette gelieferten Summenspannung
gesteuert wird.
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Wenn in jeder halben Periodendauer der Netzspannung die Ladespannung
am Kondensator 47 die Interbasisspannung des Unijunction-Transistors 48 erreicht,
so wird dieser jeweils niederohmig, und es fließt ein ZUndstrom an die Zündelektrode
des Steuerventils 4, so daß das Steuerventil zündet und damit der Leistungsfluß
zum Motor einsetzt. Der Brückengleichrichter 52 steuert jeweils synchron zur Netzspannung
den Schalttransistor 53 so, daß im Scheitelwert der gleichgerichteten Netzspannungshalbwellen
der Schalttransistor 53 leitend und.demiufolge der Schalttransistor 56 nichtleitend
und bei Spannungsnull der gleichgerichteten Netzspannungshalbwellen der Schalttransistor
53
nichtleitend und demzufolge der Schalttransistor 56 leitend
ist. Damit wird erreicht, daß der Kondensator 47 in jedem Nulldurchgang der Netzspannung
durch die Ausgangselektroden des Transistors 56 kurzgeschlossen und entladen wird.
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Infolge einer Anwendung und der Dimensionierung der RC-Kette und der
Phasenkorrekturglieder 14/15, 33/34 und 45/46 weist die gesamte Anordnung sehr kleine
Zeitkonstanten auf.
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Damit wird erreicht, daß der Soll-Ist-Wert-Vergleich extrem schnell
stattfinden und ausgewertet werden kann.
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Es ist vorgesehen, anstelle der Potentiometer 36 und 37 Festwiderstände
extern vorzusehen und die Soll-Wert-Vorgabe der Drehzahl des Asynchronmotors durch
in die Schaltung integrierte Potentiometer 57 und 58 vorzunehmen.
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Die Anordnung läßt sich sowohl im hochpoligen Motorteil für den Waschvorgang
als auch im niederpoligen Motorteil für den Schleudervorgang einsetzen. Dies ergibt
die Möglichkeit, Zwischendrehzahlen für Schonwaschen, Waschen, Anlegen, Schonschleudern
und Schleudern zu erhalten.
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Es können aber auch kontinuierliche Drehzahl veränderungen in einem
bestimmten Zeitablauf durchfahren werden.
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Durch genaue Drehzahl vorgabe kann die Unwuchtbelastung des Motors
reduziert werden.