DE3043368A1

DE3043368A1 - Schaltungsanordnung zur drehzahlaenderung von einphasen-wechselstrommotoren

Info

Publication number: DE3043368A1
Application number: DE19803043368
Authority: DE
Inventors: Eckhard 5902 Netphen Kucharczyk
Original assignee: Siegenia Frank KG
Current assignee: Siegenia Aubi KG
Priority date: 1980-11-17
Filing date: 1980-11-17
Publication date: 1982-06-24
Also published as: FR2494523A1; AT378288B; ATA459381A; CH663700A5; FR2494523B1; DE3043368C2

Description

Anmelder: SIEGENIA-FRANK KG, Eisenhüttenstr. 22, 5900 Siegen 1

Schaltungsanordnung zur Drehzahländerung von Einphasen-Wechselstrommotoren

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehzahländerung von Emphasen-Wechselstrommotoren mit Hilfswicklung und Betriebskondensator für Ventilatoren und Gebläse.

Emphasen-Wechselstrommotoren der gattungsgem.äßen Art zum Antrieb von Ventilatoren und Gebläsen, die der Be- und Entlüftung von Räumen dienen, sind für eine verhältnismäßig geringe elektrische Leistung und eine festliegende Nenndrehzahl ausgelegt. Aus der Nenndrehzahl der Emphasen-Wechselstrommotoren bestimmt sich dabei die jeweilige Luftleistung der Ventilatoren und Gebläse.

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In vielen Anwendungsfällen ist es aber erwünscht oder sogar Bedingung, daß die Luftleistung der Ventilatoren oder Gebläse variiert werden kann. Um das zu erreichen ist dann eine Drehzahländerung und/oder -regelung der Einphasen-WechseIstrommotoren notwendig.

Es ist bekannt, zur Drehzahländerung und/oder -regelung solcher Emphasen-Wechselstrommotoren Drehzahlregler zu benutzen, die zwischen das Netz und den Motor geschaltet werden und dabei entweder auf elektronischer Basis oder aber mit Festwertwiderständen arbeiten.

Nachteilig bei diesen Drehzahlreglern ist nicht nur, daß sie einen beträchtlichen technischen Aufwand erfordern und damit auf einer Kostenbasis liegen, die derjenigen für die Einphasen-Wechselstrommotoren nahekommt, sondern sie arbeiten auch mit einem hohen Energieverlust und erhöhen damit die Betriebskosten der Ventilatoren und Gebläse.

Ein beträchtlicher Nachteil der bekannten elektronischen Drehzahlregler liegt auch noch darin, daß sich das Eigengeräusch der Einphasen-Wechselstrommotoren um so mehr erhöht, je weiter die Arbeitsdrehzahl gegenüber der Nenndrehzahl heruntergeregelt wird. Die Ursache für diese unerwünschten Erscheinungen liegt darin, daß durch die elektronischen Drehzahlregler eine Zusatzfrequenz in den Motor eingespeist wird, die beträchtlich über der Netzfrequenz liegt und auf den Läufer eine axiale Kraftkomponente ausübt, die ein Lauf er schütte In verursacht und damit erhöhte Brummgeräusche herbeiführt.

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Bei den Drehzahlreglern mit Pestwertwiderständen ergibt sich eine hohe Erwärmung, die nur dadurch kompensiert werden kann, daß der Regler in dem vom Ventilator oder Gebläse erzeugten Luftstrom gelegt wird, wo er aber in den meisten Fällen äußerst hinderlich wirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrund, mit geringem technischem Aufwand eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die bei der Einstellung einer von der Nenndrehzahl abweichenden Arbeitsdrehzahl für den Einphasen-Wechselstrommotor verlustarm arbeitet, die Laufgeräusche verringert und eine übermäßige Erwärmung vermeidet.

Die Lösung dieser Aufgabe wird nach dem kennzeichnenden Teil des ersten Anspruchs dadurch erreicht, daß Hilfswicklung und Hauptwicklung des Einphasen-Wechselstrom motors über einen Schalter wahlweise entweder unmittelbar oder aber unter Zwischenschaltung eines Hilfskondensators mit dem Netz verbindbar sind und daß bei Einschaltung des Hilfskondensators gleichzeitig parallel zur Hilfswicklung mindestens ein in Reihe mit einer Diode liegender ohmscher Widerstand geschaltet ist.

In dieser Schaltungsanordnung bewirkt der Hilfskondensator einen äußeren Spannungsabfall an der Hilfswicklung und der Hauptwicklung und führt einen Leistungsverlust herbei, der bereits in gewissem Umfang eine Minderung der Arbeitsdrehzahl gegenüber der Nenndrehzahl zur Folge hat.

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Durch die zusätzliche Kurz Schließung der Hilfswicklung über die Reihenschaltung des ohmschen Widerstandes mit der Diode wird in diese eine pulsierende Gleichspannung induziert, die über die Hilfswicklung eine magnetische Feldstörung im elliptischen Drehfeld des Kondensatormotors hervorruft, woraus eine weitere Drehzahlminderung gegenüber der Nenndrehzahl resultiert.

Der besondere Vorteil dieser Schaltungsanordnung liegt darin, daß sie außer dem Schalter nur drei zusätzliche elektronische Schaltungselemente, nämlich den Hilfskondensator, den Widerstand und die Diode benötigt, wobei das Ausmaß der Drehzahländerung des Einphasen-Wechselstrommotors gegenüber der Nenndrehzahl durch entsprechende Wahl des Widerstandes beeinflußt werden kann.

Es hat sich gezeigt, daß eine Erwärmung der elektronischen Schaltglieder dieser Schaltungsanordnung praktisch nicht eintritt und daß das Laufgeräusch des Einphasen-Wechselstrommotors sich bei Verminderung seiner Arbeitsdrehzahl gegenüber der Nenndrehzahl beträchtlich verringert,.

Eine vielstufige Drehzahländerung des Einphasen-Wechselstrommotors läßt sich mit geringem technischem Mehraufwand erreichen, wenn nach Anspruch 2 in Reihe mit der Diode mehrere ohmsche Festwiderstände angeordnet und über zusätzliche Kontakte additiv oder subtraktiv schaltbar sind.

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Eine stufenlose Drehzahländerung kann gemäß Anspruch 3 bewirkt werden, wenn der ohmsche Widerstand ein Potentiometer ist.

Um einen Spannungsrückschlag aus dem Hilfskondensator zu vermeiden hat es sich nach Anspruch 4 als zweckmäßig erwiesen, in der Schaltungsanordnung parallel zum Hilfskondensator einen Schutzwiderstand zu schalten.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht nach Anspruch 5 darin, daß der Hilfskondensator und die Reihenschaltung von Widerstand und Diode gemeinsam über einen zweipoligen Umschaltkontakt an- und abschaltbar sind.

In vielen Fällen hat es sich als zweckmäßig oder gar notwendig erwiesen, Be- und/oder Entlüftungsgeräte für Räume mit zwei oder mehr Ventilatoren oder Gebläsen auszustatten. Für diese Fälle ist es daher sinnvoll, die Schaltungsanordnung zur gleichzeitigen Drehzahländerung von zwei Einphasen-Wechselstrommotoren mit Hilfswicklung und Betriebskondensator auszulegen. Erreicht wird dies nach dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 6 dadurch, daß die Hauptwicklungen beider Einphasen-Wechselstrommotoren in Reihe und deren Hilfswicklungen parallel zueinander mit dem Netz verbindbar sind und daß eine parallel zu den Hilfswicklungen liegende Reihenschaltung aus mindestens einem Widerstand und einer Diode über einen Kontakt wahlweise zu- und abschaltbar ist.

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Diese Schaltungsanordnung hat den weiteren Vorteil, daß ein Hilfskondensator nicht benötigt wird und daß für alle Einphasen-Wechselstrommotoren gemeinsam nur eine einzige aus mindestens einem Widerstand und einer Diode bestehende Reihenschaltung erforderlich ist.

Die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist um so günstiger, je größer die Differenz zwischen dem inneren Widerstand der Hilfswicklung und dem inneren Widerstand der Hauptwicklung gewählt wird, beispielsweise wenn der innere Widerstand der Hilfswicklung eines einzelnen Einphasen-Wechselstrommotors etwa einem Drittel des inneren Widerstandes der Hauptwicklung entspricht.

Werden zwei Einphasen-Wechselstrommotoren mit entsprechend ausgelegter Hilfs- und Hauptwicklung mit der Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 betrieben, dann wird die Wirkungsweise noch günstiger, weil nämlich die inneren Widerstände der Hilfswicklungen einem subtraktiven und die inneren Widerstände der Hauptwicklungen einem additiven Einfluß unterliegen.

Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen werden in der nachfolgenden Beschreibung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung für einen einzelnen

Einphasen-Wechselstrommotor mit Hilfskondensator, während in

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Pig. 2 eine Schaltungsanordnung für zwei gleich

zeitig arbeitende Einphasen-Wechselstrommotoren mit Hilfswicklung und Betriebskondensator dargestellt ist.

In Fig. 1 der Zeichnung ist als Antriebsmotor für einen Ventilator oder ein Gebläse 1 ein Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-) motor 2 gezeigt, der eine Hauptwicklung 3 oder eine Hilfswicklung 4 aufweist, und vor dessen Hilfswicklung ein Betriebskondensator 5 liegt. Der Emphasen-Wechselstrom-(Induktions-) motor 2 ist also als sogenannter Kondensatormotor ausgelegt, und zwar in der Weise, daß die Hilfswicklung mit dem Kondensator eingeschaltet bleibt. Hierdurch bildet sich im Luftspalt des Motors ein gleichmäßigeres Drehfeld aus, als es der Fall wäre, wenn nur der Strombelag der Hauptwicklung und der der Läuferwicklung das Feld erregen würden.

Derartige Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motoren 2 für Ventilatoren oder Gebläse 1 zur Be- und/oder Entlüftung von Räumen sind für geringe elektrische Leistung ausgelegt, weil die Luftförderung nur eine minimale Nutzleistung erfordert.

Bei den für geringe elektrische Leistung ausgelegten Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motoren hat es sich bisher als problematisch erwiesen, wünschenswerte Drehzahländerungen, beispielsweise zwecks Verminderung der Luftförderleistung, zu bewirken, weil nur technisch aufwendige und verlustreich arbeitende, somit also teure Regelgeräte zur Verfügung stehen.

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Dabei haftet diesen zwischen das Netz und die Hauptwicklung des Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motors zu schaltenden Begelgeräten noch der Mangel an, daß sie entweder bei einer gegenüber der Nenndrehzahl verminderten Arbeitsdrehzahl das Laufgeräusch des Motors verstärken oder aber daß sie sich im Dauerbetrieb stark erwärmen und demzufolge eine Zusatzkühlung erfordern.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung ist hingegen so ausgelegt, daß sie sich mit geringem schaltungstechnischem Aufwand verwirklichen läßt, verlustarm und nahezu erwärmungsfrei arbeitet sowie das Laufgeräusch des Einphasen-Wechselstrom- (Induktions-)motors 2 bei Verringerung der Arbeitsdrehzahl erheblich vermindert.

Diese Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß Hauptwicklung 3 und Hilfswicklung 4 über einen Schalter 6 wahlweise entweder unmittelbar an das Netz 7 gelegt werden können, oder aber sich unter Zwischenschaltung eines Hilfskondensators 8 mit dem Netz 7 verbinden lassen. Außerdem ist Vorsorge getroffen, daß bei Einschaltung des Hilfskondensators 8 gleichzeitig über einen weiteren Schalter 9 parallel zur Hilfswicklung 4 mindestens ein in Beihe mit einer Diode 10 liegender ohmscher Widerstand 11 gelegt wird.

Werden hingegen die Hauptwicklung 3 und die Hilfswicklung 4 des Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motors über den Schalter 6 unmittelbar mit dem Netz 7 verbunden, dann wird

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auch die Kurzschlußschaltung der Hilfswicklung 4 über den in Beihe mit der Diode 10 liegenden ohmschen Widerstand 11 aufgehoben, so daß der Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-) motor mit Nenndrehzahl betrieben werden kann.

Die Drehzahländerung des Emphasen-Wechselstrom-(Induktions-) motors 2 durch Einschalten des Hilfskondensators 8 in den Arbeite Stromkreis von Hauptwicklung 3 und Hilfswicklung 4 sowie die Einschaltung des in Reihe mit der Diode 10 liegenden ohmschen Widerstandes 11 in den Kurzschluß-Stromkreis für die Hilfswicklung 4 beruht einerseits darauf, daß durch den Kondensator 8 der äußere Widerstand des Hauptstromkreises erhöht wird und damit einem Spannungsabfall unterliegt, der bereits eine gewisse Drehzahlminderung zur Folge hat, und resultiert andererseits aus einer magnetischen Feldstörung, die durch die Hilfswicklung induziert und deren Ausmaß durch den ohmschen Widerstand 11 bestimmt wird. Über den im Kurzschlußstromkreis mit der Diode 10 in Reihe liegenden ohmschen Widerstand 11 wird nämlich ein pulsierender Gleichstrom in die Hilfswicklung 4 induziert, der die magnetische Feldstörung hervorruft und damit das Drehfeld im Luftspalt des Motors so beeinflußt, daß sich eine weitere Verminderung der Läuferdrehzahl einstellt, und zwar unter gleichzeitiger Verringerung des Motor-Laufgeräusches.

Da das Ausmaß der Drehzahländerung im wesentlichen vom ohmschen Widerstand 11 abhängig ist, kann anstelle des in Fig. 1 gezeigten Festwert-Widerstandes 11 auch ein Potentiometer zum Einsatz gelangen, welches innerhalb gewisser

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Grenzen eine stufenlose Drehzahländerung ermöglicht. Denkbar ist es aber auch, in Reihe mit der Diode 10 mehrere Pestwertwiderstände 11', 11", 11'" anzuordnen, und zwar so, daß diese über zusätzliche Kontakte 13", 13" additiv und subtraktiv schaltbar sind, wie dies aus der Neben- skizze zu Fig. 1 erkennbar ist.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, parallel zum Hilfskondensator 8 einen Schutzwiderstand 12 zu schalten, weil dieser Spannungsrückschläge aus dem Hilfskondensator 8 verhindert, die den Schalter 6 beschädigen und an steckerfertig installierten Geräten beim Berühren der Steckkontakte durch die Bedienungsperson unangenehme Stromschläge verursachen könnten.

Empfehlenswert ist auch, die beiden Schalter 6 und 9 zu einem zweipoligen Umschalter zu vereinigen, damit der Hilfskondensator 8 und die Reihenschaltung von ohmschem Widerstand 11 und Diode 12 gemeinsam an- und abgeschaltet werden können.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnung ist zur gleichzeitigen Drehzahländerung von zwei Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-) motoren 2'und 2" ausgelegt.

Der Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motor 2' hat die Hauptwicklung 3' und die Hilfswicklung 4' und der Einphasen-Wechselstrom -(Induktions-)motor 2" ist entsprechend mit der Hauptwicklung 3" und der Hilfswicklung 4" ausgestattet.

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Die Arbeitswicklungen 3' und 3" der beiden Motoren 2' und 2" sind in Reihe miteinander an das Netz 7 gelegt, während die Hilfswicklungen 4' und 4" derselben parallel zueinander mit dem Netz 7 in Verbindung stehen. Beiden Hilfswicklungen 4' und 4" ist gemeinsam ein Betriebskondensator 5 zugeordnet. Parallel zu beiden Hilfswicklungen 4' und 4" ist ein Kurzschluß-Stromkreis angeordnet, der den Schalter 9 aufweist und in dem ein ohmscher Widerstand 11 und eine Diode 12 in Reihe liegen.

Durch die Reihenschaltung der Hauptwicklungen 3' und 3" beider Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motoren addiert sich deren innerer Widerstand, so daß in dieser Schaltungsanordnung der Hilfskondensator 8 und der Schutzwiderstand 12 nach Pig. I nicht benötigt werden. Allerdings bewirkt die Reihenschaltung der beiden Hauptwicklungen 3' und 3" an beiden Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motoren 2' und 2" einen gewissen Drehzahlabfall gegenüber der vorgegebenen Nenndrehzahl. Sie ergibt jedoch andererseits ein sehr weiches und ruhiges Laufverhalten und damit einen geräuscharmen Betrieb. Der technische Aufwand für die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 wird durch das Fehlen des Hilfskondensators 8, des Schutzwiderstandes 12 und des Schalters 6 gegenüber derjenigen nach Fig. 1 beträchtlich vermindert.

Auch in der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 kann anstelle des Festwert-Widerstandes 11 ein Potentiometer zum Einsatz gelagen, wenn eine stufenlose Drehzahländerung gewünscht wird. Ist eine feinstufige Drehzahländerung angestrebt, dann besteht

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andererseits auch hier die Möglichkeit, in Reihe mit der Diode 12 mehrere Pestwertwiderstände anzuordnen und über zusätzliche Kontakte additiv oder subtraktiv zu schalten, wie das die Nebenskizze zu Fig. 1 erkennen läßt.

Abschließend sei noch erwähnt, daß sich die Wirkungsweise der Schaltungsanordnungen nach den Fig. 1 und 2 um so günstiger gestaltet, je größer die Differenz zwischen dem inneren Widerstand der Hauptwicklung und der Hilfswicklung bemessen wird. Hierbei kann der innere Widerstand der Hilfswicklung 4 bzw. 4', 4* jeweils einem Drittel des inneren Widerstandes der Hauptwicklung 3 bzw. 3", 3" entsprechen.

Die in der Zeichnung dargestellten und vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnungen wurden in Verbindung mic Emphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motoren erprobt, deren Arbeitswicklung einen inneren Widerstand von 672 Ä und deren Hilfswicklung einen inneren Widerstand von 250.S2. aufwies und deren Betriebskondensator eine Kapazität von 1, 5/aF aufwies. In der Schaltungsanordnung wurde dabei ein Hilfskondensator verwendet, der ebenfalls eine Kapazität von 1, 5yuF hatte, während Widerstände 11 zwischen 20 und 150 Si. zum Einsatz gelangten. Ferner wurde eine Diode 10 vom Typ IN 4007 eingesetzt und als Schutzwiderstand ein solcher von 100 kft. benutzt.

Claims

80 120 PGH Anmelder : SIEGENIA-FRANK KG, Eisenhüttenstr. 22, 5900 Siegen 1 Patentansprüche

1. j Schaltungsanordnung zur Drehzahländerung von Einphasen-

Wechselstrom-(Induktions-)motoren mit Hilfswicklung und Betriebskondensator für Ventilatoren und Gebläse, dadurch gekennzeichnet,

daß Hilfswicklung (4) und Hauptwicklung (3) über einen Schalter (6) wahlweise entweder unmittelbar oder aber unter Zwischenschaltung eines Hilfskondensators (8) mit dem Netz (7) verbindbar sind und daß bei Einschaltung (6) des Hilfskondensators (8) gleichzeitig parallel zur Hilfswicklung (4) mindestens ein in Reihe mit einer Diode (10) liegender, ohmscher Widerstand (11) geschaltet ist (9).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß in Reihe mit der Diode (10) mehrere Festwiderstände (H', 11", 11'") angeordnet und über zusätzliche Kontakte (13', 13") additiv oder subtraktiv schaltbar sind.

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3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der ohmsche Widerstand (11) ein Potentiometer ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß zum Hilfskondensator (8) ein Schutzwiderstand (12) parallelgeschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der Hilfskondensator (8) und die Reihenschaltung von ohmschem Widerstand (11) und Diode (12) gemeinsam über einen zweipoligen Umschaltkontakt (6, 9^ an- und abschaltbar sind.

6. Schaltungsanordnung zur gleichzeitigen Drehzahländerung von zwei Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motoren mit Hilfswicklung und Betriebskondensator für Ventilatoren und Gebläse,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Hauptwicklungen (3', 3") beider Einphasen-Wechselstrom-(Induktions-)motoren (l'und l") in Beine und deren Hilfswicklungen (4' und 4") parallel zueinander mit dem Netz verbindbar sind und daß eine parallel zu den Hilfswicklungen (4' und 4") liegende Reihenschaltung aus mindestens einem ohmschen Widerstand (11) und einer Diode (12) über einen Schalter (9) wahlweise zu- und abschaltbar sind.