DE3607162A1 - Wechselstrommotor fuer insbesondere umwaelzpumpen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselstrommotor mit mindestens zwei Wicklungen, die zur Einstellung verschiedener fester Drehzahlen einzeln oder in Kombination auf das Wechselstromnetz schaltbar sind. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Wechselstrommotor, mit dem Umwälzpumpen für Heizungs- und Brauchwasseranlagen drehzahlgeregelt angetrieben werden können.

Der Betriebspunkt einer Pumpenanlage wird durch den Schnittpunkt zwischen der Drosselkurve der Pumpe und der Kennlinie der Anlage bestimmt. Wenn man also den durch die Anlage fließenden Wasserstrom verändern will, dann muß die Drosselkurve oder die Anlagenkennlinie geändert werden, wobei die letztgenannte Möglichkeit meist wegen hoher Verluste und somit wegen eines schlechten Wirkungsgrades nicht praktikabel ist.

Man zieht deshalb aus Gründen der Energieersparnis meist eine verlustlose Veränderung der Drosselkurve durch Auswahl einer für den betreffenden Fall passenden anderen Drehzahl vor. Allerdings muß hierbei bedacht werden, daß elektrische Motoren, deren Drehzahlen durch Wicklungs- oder Polumschaltung eingestellt werden, mehrere Wicklungen haben müssen, die entsprechend zu schalten sind. Die Motoren werden mit steigender Zahl der zu fahrenden Drehzahlen immer teurer und auch in der Schaltung komplizierter und störanfälliger. Aus Kostengründen, der störenden Geräusche und des schlechten Wirkungsgrades wegen können auch Motoren mit einer Drehzahlregelung durch Phasenanschnitt für die vorgenannten Zwecke nicht eingesetzt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines vor allem für Umwälzpumpen geeigneten Wechselstrommotors, der sich bei gutem Wirkungsgrad auf beliebig viele, zwischen zwei fest vorgegebenen Drehzahlen liegende Drehzahlwerte einstellen läßt und dessen hierzu erforderliche Steuerung billig in der Herstellung und einfach sowie funktionssicher ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird der eingangs erwähnte Wechselstrommotor erfindungsgemäß so ausgebildet, daß zwischen zwei festen Drehzahlen liegende Drehzahlwerte einstellbar sind, indem die Wicklungen alternierend umgeschaltet und/oder abgeschaltet werden, wobei die Schaltvorgänge jeweils beim Nulldurchgang ganzzahliger Perioden des Wechselstromes erfolgen.

Wenn man den Motor beispielsweise mit x Perioden in einer ersten Schaltung fährt, in der er sonst unter normalen Verhältnissen bei kontinuierlicher Stromversorgung in der festen Drehzahl n 1 laufen würde, und anschließend y Perioden in einer zweiten Schaltung fährt, in der er sonst in der festen Drehzahl n 2 laufen würde, ergibt sich für die sich im Betrieb tatsächlich einstellende Betriebsdrehzahl nxy die Beziehung

Man erkennt, daß durch entsprechende Auswahl der Drehzahlen n 1 und n 2 die Grenzen des gesamten Drehzahlregelbereiches festgelegt sind und daß man mit der Anzahl x bzw. y der zur Wirkung kommenden Perioden des Wechselstromes bestimmen kann, wo die Betriebsdrehzahl nxy im Regelbereich liegen soll.

Wenn man die Perioden y im Verhältnis zu den Perioden x bei den entsprechenden Motorwicklungsschaltungen größer werden läßt, wird sich die Betriebsdrehzahl nxy dem Grenzwert n 2 nähern. Schließlich wird man n 2 erreichen, wenn der Wert x Null ist und der Motor nur noch kontinuierlich in der zweiten möglichen Schaltung fährt. Umgekehrte Verhältnisse ergeben sich, wenn man sich durch Verkleinerung der Periodenzahl y dem Drehzahlwert n 1 nähern will.

Durch periodisches Abschalten des Motors lassen sich auch Drehzahlwerte zwischen der unteren Grenzdrehzahl n 1 und dem Stillstand, also der Grenzdrehzahl n 0 einstellen. Wenn wieder als Ausgangszustand die erste Schaltung, in der sich bei kontinuierlicher Stromversorgung die Drehzahl n 1 einstellen würde, angenommen wird und der Motor x Perioden in dieser Schaltung betrieben und z Perioden abgeschaltet wird, dann sinkt das Drehmoment, und es stellt sich die Zwischendrehzahl nxz ein, für welche folgende Beziehung gilt:

Der durch die periodische Umschaltung der Motorwicklungen bewirkte "Pulsbetrieb", nämlich der abwechselnde Betrieb in der einen und anderen Schaltung, führt nicht zu störenden Drehzahlschwankungen, da die Pulsdauern x/f, y/f und z/f, wobei f die Netzfrequenz ist, durch entsprechende Bemessung von x, y und z sehr kurz gehalten werden können und da außerdem das Massenträgheitsmoment des Rotors glättend wirkt.

Im übrigen verhindert das periodische Umschalten der Motorwicklungen beim Nulldurchgang des Wechselstromes, daß im Motor Brummgeräusche entstehen. Weiterhin bringt das alternierende Umschalten im Nulldurchgang einen besseren Wirkungsgrad als eine Stromregelung durch Phasenanschnitt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der anliegenden Zeichnung dargestellten Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Die Schaltung eines einphasigen Wechselstrommotors mit zwei Wicklungen,

Fig. 2 das Momenten-Drehzahl-Diagramm des Motors und

Fig. 3 verschiedene Schalt-Zeit-Diagramme.

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung des beispielsweise als Antrieb für Umwälzpumpen einsetzbaren Motors ist in bekannter Weise mit der Hauptwicklung W 1, dem Betriebskondensator C und der Hilfswicklung W 2 ausgerüstet. Durch den Schalter S 0 wird der Motor ein- und ausgeschaltet. Die Stellung der beiden anderen Schalter S 1 und S 2 bestimmt im Zusammenwirken mit dem Schalter S 0 die Fahrweise und Drehzahl des Motors.

Wenn der Motor durch Schließen des Schalters S 0 eingeschaltet ist, während der Schalter S 2 geöffnet und der Schalter S 1 geschlossen ist, dann sind die Wicklungen W 1 und W 2 in Serie geschaltet, und der Motor hat einen Drehmomentenverlauf M 1. Wird dagegen der Schalter S 1 geöffnet und der Schalter S 2 geschlossen, während der Schalter S 0 weiter geschlossen bleibt, dann liegen die beiden Wicklungen parallel; der magnetische Fluß ist dann am größten und liefert über der Drehzahl n das größte Drehmoment M 2.

Die Fig. 2 zeigt diese Verhältnisse und insbesondere die Momentenkennlinien M 1 des Motors bei der Serienschaltung der Wicklungen und M 2 bei Parallelschaltung der Wicklungen. Der Drehmomentenbedarf MP der z. B. mit dem Motor anzutreibenden Pumpe schneidet die Kennlinien M 1 und M 2, und diese Schnittpunkte geben an, mit welchen Drehzahlen n 1 und n 2 der Motor in den erwähnten Schaltungen läuft.

Die Fig. 3 zeigt, welcher der drei Schalter zu welchem Zeitpunkt t geschlossen bzw. stromführend sein müssen, wenn verschiedene Drehzahlen gefahren werden sollen. Durch den Schalter S 0 wird der Motor an das Wechselstromnetz angeschaltet. Bei geöffnetem Schalter S 1 und geschlossenem Schalter S 2 ergeben sich die in Fig. 3a gezeigten Schalterfunktionen, und es wird sich die Drehzahl n 2 einstellen.

Bleibt der Schalter S 0 geschlossen und werden die Schalter S 1 und S 2 beim Nulldurchgang der Versorgungsspannung, wie es in Fig. 3b gezeigt ist, nacheinander geöffnet und geschlossen, so daß die Wicklungen W 1 und W 2 jeweils eine Periode lang abwechselnd in Reihe oder parallel an der Netzspannung liegen, dann stellt sich die zwischen n 1 und n 2 liegende Drehzahl nxy ein. Im hier betrachteten Fall gilt für die Anzahl der jeweils zur Wirkung kommenden Stromperioden x = J = 1, woraus folgt, daß nxy etwa 0,5 (n 1 + n 2) sein wird.

Die Drehzahl n 1 erhält man durch Serienschaltung der beiden Wicklungen W 1 und W 2, so daß die Schalter S 0 und S 1 ständig geschlossen bleiben, während der Schalter S 2 geöffnet wird, so daß sich der in Fig. 3c dargestellte Schalterbetrieb ergibt. Beim Unterschreiten der Drehzahl n 1 muß die Stromzufuhr bei Verwendung einer Schaltung nach Fig. 1 periodisch unterbrochen werden, was bedeutet, daß man den Schalter S 0 x Perioden geschlossen und z Perioden geöffnet hält, während der Schalter S 2 ständig geöffnet und der Schalter S 1 ständig geschlossen ist (Fig. 3d). Es stellt sich dann die Drehzahl nxz ein, die zwischen n 1 und n 0 liegt.

Da die Schaltvorgänge außerordentlich schnell ablaufen müssen, kommen hier nur elektronische Schaltelemente als Schalter in Frage. Insbesondere werden Triacs geeignet sein. Anstelle von Triacs können aber auch bipolare Schalter in Form einer Antiparallelschaltung aus einem Thyristor und einer Diode Anwendung finden. Jedenfalls sollen die Schalter in der Lage sein, möglichst exakt bei den jeweiligen Nulldurchgängen zu schalten, wobei natürlich auch die Möglichkeit bestehen soll, daß die Schalter nach Ansteuerung nicht nur jeweils eine Periode, wie für die Schalter S 1 und S 2 in Fig. 3b und für die Schalter S 0 und S 1 in Fig. 3d gezeigt ist, abwechselnd gesperrt und durchlässig sein können, sondern gegebenenfalls auch mehrere Perioden lang.

Weiterhin lassen sich sonstige Zwischenwerte für die Drehzahlen einregeln, indem die Werte für x, y und z variiert werden, wobei aber darauf zu achten ist, daß x, y und z stets ganzzahlige Werte zwischen Null und unendlich sein sollen.

Im übrigen müssen die Schalterfunktionen verständlicherweise genau aufeinander abgestimmt werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Phasenlage und die Frequenz des zur Verfügung stehenden Netzstromes mit einer zentralen Regelschaltung Rs überwacht werden. Diese Schaltung wird dann auch an die drei Schalter die Steuersignale so zu geben haben, daß die Schalter bei den Nulldurchgängen betätigt werden und mit der Netzfrequenz synchron arbeiten.

Einer der wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Motors besteht darin, daß er im Vergleich zu einem sonst nur für zwei Drehzahlen ausgelegten Motor durch Verwendung trägheitsloser Schalter und durch die alternierende Wicklungsumschaltung oder -abschaltung mit theoretisch unendlich vielen Drehzahlen betrieben werden kann. Verständlicherweise läßt sich der Drehzahlbereich auch noch erweitern, wenn der Motor mit mehr als zwei Wicklungen ausgestattet wird und diese Wicklungen im Sinne der Erfindung alternierend an das Wechselstromnetz angeschlossen werden.

Bei der im Zusammenhang mit Fig. 2 betrachteten Anwendung des Motors als Pumpenantrieb läßt sich also auf beschriebene Weise das Pumpenaggregat verlustlos auf die Fördermengen der Anlage einstellen. Zweckmäßigerweise bilden der Motor, die Schalter und die Schaltersteuerung eine bauliche Einheit, so daß u. a. das Verlegen von externen Steuerleitungen nicht erforderlich ist.

Abschließend wird noch darauf hingewiesen, daß Motoren der hier zur Diskussion stehenden Art nicht nur als Pumpenantriebe in Betracht kommen, da man sie im Bedarfsfall auch als Antriebe von Lüftern, Gebläsen, Werkzeugen und dergleichen einsetzen kann.

Claims (3)

1. Wechselstrommotor für insbesondere Umwälzpumpen mit mindestens zwei Wicklungen, die zur Einstellung verschiedener fester Drehzahlen einzeln oder in Kombination auf das Wechselstromnetz schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei festen Drehzahlen (n 1, n 2) liegende Drehzahlwerte (nxy, nxz) einstellbar sind, indem die Wicklungen (W 1, W 2) mit Schaltern (S 0, S 1, S 2) alternierend umgeschaltet und/oder abgeschaltet werden, wobei die Schaltvorgänge jeweils beim Nulldurchgang ganzzahliger (x, y, z) Perioden des Wechselstromes erfolgen.

2. Wechselstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung der Wicklungen (W 1, W 2) mit Triacs (S 0, S 1, S 2) erfolgt.

3. Wechselstrommotor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor, die Schalter (S 0, S 1, S 2) und die Schaltersteuerung (Rs) eine bauliche Einheit bilden.