DE3820267A1 - Schaltungsanordnung zum ansteuern eines einphasen-asynchronmotors - Google Patents

Description

Einphasen-Asynchronmotoren werden bei kleineren Antrieben in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen beispielsweise bei Büro- oder Haushaltsmaschinen eingesetzt. Die Betriebs­ spannung beträgt in der Regel 220 V, bei einem internatio­ nalen Vertrieb des jeweiligen Produktes muß hier jedoch mit einem hohen Toleranzbereich von beispielsweise 180 V bis über 260 V gerechnet werden. Ebenso muß dann auch der Motor mit 50 bzw. 60 Hz zu betreiben sein. Dagegen sind die Tem­ peraturanforderungen bei diesen Kleinmotoren nicht so gra­ vierend, nach europäischen Normen wird für Raumtemperaturen ein Toleranzbereich von etwas über dem Gefrierpunkt bis zu 40°C als ausreichender Toleranzbereich angesehen.

Bei Einphasen-Asynchronmotoren bewirkt das im Stillstand auftretende Wechselfeld noch kein Drehmoment. Erst wenn der Läufer in einer Richtung angestoßen wird, dann bildet sich ein unvollkommenes Drehfeld aus. Die gegenläufige Komponen­ te dieses Drehfeldes nimmt mit wachsender Drehzahl ab, wäh­ rend der gleichsinnige, mitlaufende Anteil wächst, so daß der Motor mit wachsender Drehzahl ein steigendes Drehmoment entwickelt.

Wegen dieses Anlaufverhaltens werden Einphasen-Asynchronmo­ toren neben einer Hauptwicklung zusätzlich mit einer Hilfs­ wicklung ausgerüstet, die elektrisch gegenüber dieser Hauptwicklung um 90° phasenverschoben wirkt. Durch die Stromaufnahme in dieser Hilfswicklung, die häufig über Vor­ schaltwiderstände bzw. Kondensatoren an das Netz gelegt wird, entsteht bereits im Stillstand ein elliptisches Dreh­ feld, so daß der Motor ein Anzugsmoment entwickelt. Da die Hilfswicklung nur für den Hochlauf des Motors von funktio­ naler Bedeutung ist, sind Motortypen mit im Betriebszustand ständig eingeschalteter Hilfswicklung, aber auch solche mit einer nur beim Hochlauf des Motors zugeschalteten Hilfs­ wicklung bekannt.

Unter den angegebenen Toleranzbedingungen liegt der für den Hochlauf ungünstigste Fall bei niedrigen Temperaturen mit einer Spannung an der unteren Toleranzgrenze und einer Netzfrequenz an der oberen Toleranzgrenze, da unter diesen Bedingungen das Anlaufmoment am niedrigsten ist. Das ist unter anderem darauf zurückzuführen, daß das Drehmoment im wesentlichen proportional zum Quadrat der Netzspannung und zu dem Kehrwert der Frequenz ist.

In einer Mehrzahl von Anwendungsfällen ist jedoch noch ein weiterer Parameter zu berücksichtigen, das ist der Anlauf­ strom, der ein Vielfaches der Nennstromaufnahme beträgt. International bestehen unterschiedliche Regelungen für ma­ ximal zulässige Spitzen- oder Scheitelwerte des Stromes in öffentlichen Netzen. Auch sind spezielle Anwendungsfälle denkbar, in denen bei Netzausfall ein Notstromaggregat eine noch ausreichende Versorgung sicherstellen soll. Deshalb ist bei einem Einphasen-Asynchronmotor, der in einer Viel­ zahl von Anwendungsbereichen einsetzbar sein soll, dafür Sorge zu tragen, daß die Stromaufnahme beim Hochlaufen des Motors begrenzt wird.

Das ist möglich durch Absenken der wirksamen Eingangsspan­ nung am Motor, z. B. durch einen Vorwiderstand oder einen Spartransformator. Mit einer solchen Maßnahme läßt sich zwar der Anlaufstrom wirksam begrenzen, diese Maßnahme hat aber auch die Folge, daß das Anlaufmoment, wie oben ange­ deutet, sinkt. In Extremfällen ist dann trotz des Zuschal­ tens einer Hilfswicklung ein selbständiger Hochlauf des Mo­ tors nicht mehr gewährleistet.

Bei Einphasen-Asynchronmotoren ist üblicherweise ein Be­ triebskondensator mit der Hilfswicklung in Serie geschal­ tet, um die Drehmomentcharakteristik zu verbessern. Dabei ist der Zuwachs des Anlaufdrehmomentes in etwa proportional zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators. Es wäre des­ halb möglich, auch bei verringerter, an der Hauptwicklung wirksamer Eingangsspannung, die den Anlaufstrom begrenzt, immer noch ein ausreichendes Anlaufdrehmoment zu erzielen, wenn nur die mit der Hilfswicklung in Serie liegende Kapa­ zität ausreichend groß bemessen ist. Netzspannungskondensa­ toren sind aber teuer, so daß diese Lösung aus wirschaftli­ chen Gründen unzweckmäßig erscheint.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrun­ de, eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Einphasen- Asynchronmotors der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit wirtschaftlichen Mitteln auch dann ein ausreichendes Anlaufdrehmoment sicherstellt, wenn die an der Hauptwick­ lung wirksame Eingangsspannung wesentlich herabgesetzt ist.

Bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Stromkreis der Hauptwicklung Schaltmittel zum Begrenzen le­ diglich der Wicklungsspannung der Hauptwicklung in der An­ laufphase des Motors vorgesehen sind.

Diese Lösung geht von der Erkenntnis aus, daß der Strom in der Hilfswicklung während der Hochlaufphase des Motors um mehr als eine Größenordnung niedriger ist als während des normalen Betriebes im Bereich der Nenndrehzahl. Deshalb ist es möglich, an die Hilfswicklung in der Anlaufphase volle Netzspannung zu legen und damit das Anlaufdrehmoment zu er­ höhen, obwohl zur Strombegrenzung an die Hauptwicklung eine herabgesetzte Spannung gelegt wird.

Gemäß Weiterbildungen der Erfindung können die Schaltmittel zur Begrenzung der Wicklungsspannung der Hauptwicklung ein in der Anlaufphase des Motors aktiviertes Relais aufweisen, das an die Hauptwicklung einen Nebenstromkreis anschaltet, aus dem der Hauptwicklung eine vorbestimmte Teilspannung der Netzspannung zuführbar ist. Gemäß einer anderen Weiter­ bildung der Erfindung kann dieses Relais so eingesetzt wer­ den, daß der Nebenstromkreis der Hauptwicklung aus einem mit der Hauptwicklung in Serie liegenden Vorwiderstand be­ steht, der durch eine einen Schaltkontakt aufweisende Kurz­ schlußbrücke überbrückbar ist und daß dieser Schaltkontakt ein Ruhekontakt des Relais ist.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist es aber auch möglich, an die motorseitigen Kontakte des Netzschal­ ters eine Spannungsteilerschaltung mit einem Spannungstei­ lerabgriff anzuschließen und das Relais mit einem Umschalt­ kontakt auszurüsten, der ein Ende der Hauptwicklung alter­ nativ mit dem Spannungsteilerabgriff bzw. mit dem volle Netzspannung führenden Kontakt des Netzschalters verbindet. Als zweckmäßig erweist es sich, diese Spannungsteilerschal­ tung als Spartransformator auszubilden.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung be­ steht darin, dem Betriebskondensator einen weiteren, als Anlaufkondensator verwendeten Kondensator parallel zu schalten und mit dem Anlaufkondensator einen Schaltkontakt in Serie zu legen, mit dem der Anlaufkondensator in der An­ laufphase des Motors anschaltbar ist. Um diesen Schaltkon­ takt zu steuern, ist es nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung besonders zweckmäßig, mit der Hauptwicklung ein Anlaufrelais in Serie zu schalten, das derart dimensio­ niert ist, daß es durch den Überstrom der Hauptwicklung in der Anlaufphase aktivierbar ist, wobei ein Arbeitskontakt dieses Anlaufrelais den Kondensatorschaltkontakt bildet.

Mit dieser Lösung wird erreicht, ein ausreichend hohes An­ laufdrehmoment mit wirtschaftlichem Aufwand, d. h. vertret­ baren Werten für Betriebskondensator und Anlaufkondensator auch dann sicherzustellen, wenn die momentanen Betriebspa­ rameter, wie Umgebungstemperatur, Amplitude und Frequenz der Netzspannung sich gerade so ergänzen, daß sich der un­ günstigste Betriebsfall ergibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an­ hand der Zeichnung näher beschrieben, dabei zeigen die beiden Fig. 1 und 2 jeweils ein Schaltbild für zwei unter­ schiedliche Ausführungsformen von Schaltungsanordnungen zum Ansteuern eines Einphasen-Asynchronmotors.

In Fig. 1 ist ein Einphasen-Asynchronmotor über einen Netz­ schalter 1 an eine Netzspannungsquelle 2 angeschlossen. Die Netzspannungsquelle kann einen Toleranzbereich hinsichtlich der Spannung von 180 bis 264 V aufweisen, die Frequenz kann 50 bzw. 60 Hz betragen. Der Motor besitzt eine Hauptwick­ lung 3, sowie eine Hilfswicklung 4, die elektrisch zu der Hauptwicklung 3 eine Phasenverschiebung von 90° aufweist. Die einen Enden 31 bzw. 41 der Haupt- und der Hilfswicklung 3 bzw. 4 sind motorseitig parallel mit einem Kontakt 11 des Netzschalters 1 verbunden.

In die Leitungsverbindung eines zweiten Kontaktes 12 des Netzschalters 1 mit dem zweiten Ende 32 der Hauptwicklung 3 sind in Serie ein Vorwiderstand 5 und die Erregerwicklung 61 eines Anlaufrelais 6 eingeschaltet. Dieses Anlaufrelais 6 ist als Stromrelais ausgelegt und wird daher erst bei ei­ ner entsprechenden Stromaufnahme der Hauptwicklung 3 akti­ viert. Ein Arbeitskontakt 62 des Anlaufrelais 6 liegt in Serie zu einem Anlaufkondensator 7 in der Leitungsverbin­ dung des zweiten Kontaktes 12 des Netzschalters 1 mit dem zweiten Ende 42 der Hilfswicklung 4. Außerdem ist in dieser Leitungsverbindung ein Betriebskondensator 8 parallel zu der Serienschaltung des Arbeitskontaktes 62 des Anlaufre­ lais 6 und des Anlaufkondensators 7 angeordnet.

Fig. 1 zeigt weiterhin ein zweites Relais, das beispielswei­ se als Zeitrelais 9 ausgebildet ist. Dies ist schematisch dadurch illustriert, daß in die Leitungsverbindung einer Erregerwicklung 91 des Zeitrelais 9 mit den Netzschalter­ kontakten 11 bzw. 12 seriell ein Zeitschaltkontakt 92 ein­ geschaltet ist, für den eine Abschaltzeitverzögerung δ t schematisch angegeben ist. Das Zeitrelais besitzt einen Ru­ hekontakt 93, der in eine Kurzschlußbrücke des Vorwider­ standes 5 eingeschaltet ist.

Wird zum Anlaufen des Motors der Netzschalter 1 betätigt, dann wird auch das Zeitrelais 9 erregt, so daß es durch Öffnen seines Ruhekontaktes 39 die Kurzschlußbrücke unter­ bricht. Damit liegt dann der Vorwiderstand 5 im Erreger­ kreis der Hauptwicklung 3. Mit steigendem Wicklungsstrom i _m fällt an diesem Vorwiderstand 5 eine immer höhere Spannung ab. Damit wird die an der Hauptwicklung 3 wirksame Spannung herabgesetzt. Somit wird in der Anlaufphase die gesamte Stromaufnahme des Motors wirksam begrenzt, da gerade in diesem Zustand der weitaus überwiegende Anteil des Stromes durch die Hauptwicklung 3 fließt.

Übersteigt der Strom i _m in der Hauptwicklung einen vorgege­ benen Wert, dann wird das Anlaufrelais 6 aktiviert, dessen Arbeitskontakt 62 damit den Anlaufkondensator 7 zum Be­ triebskondensator 8 parallel schaltet. Damit ist schal­ tungstechnisch die Voraussetzung zum Erzielen eines hohen Anlaufmomentes geschaffen, so daß der Motor schnell hoch­ läuft. Hat er dann kurz vor Erreichen der Nenndrehzahl sein Kippmoment durchlaufen, so sinkt der Momentanwert des Stro­ mes i _m der Hauptwicklung 3. Bei dem vorbestimmten Wert fällt das als Stromrelais ausgebildete Anlaufrelais 6 ab, sein Arbeitskontakt 62 öffnet sich und schaltet den Anlauf­ kondensator 7 ab. Das zweite Relais, das Zeitrelais 9 ist mit seiner Zeitverzögerung t so dimensioniert, daß es erst dann abfällt, wenn der Motor hochgelaufen ist. Ist dies der Fall, so schließt sich der Ruhekontakt 93 des Zeitrelais 9 und überbrückt den Vorwiderstand 5 im Stromkreis der Haupt­ wicklung 3, die damit an voller Netzspannung liegt.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Einphasen-Asyn­ chronmotors dargestellt. Sie unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 darin, daß die Strombegren­ zung bzw. Spannungserniedrigung der Hauptwicklung 3 des Mo­ tors in anderer Weise realisiert ist. Statt eines Vorwider­ standes 5 wird hier eine an die Kontakte 11, 12 des Netz­ schalters 1 angeschaltete Spannungsteilerschaltung in Form eines Spartransformators 10 mit einem Spannungsteilerab­ griff 101 verwendet. Das Zeitrelais 9′ ist hier mit einem Umschaltkontakt 93′ ausgerüstet, der den Stromkreis der Hauptwicklung 3 alternativ über den Spannungsteilerabgriff 101 des Spartransformators 10 bzw. über einen volle Netz­ spannung führenden Eingang 102 des Spartransformators 10 in Abhängigkeit von dem jeweiligen Funktionszustand des Zeit­ relais 9′ schließt.

Wird das Zeitrelais 9′ mit Einschalten des Motors erregt, so stellt sein Umschaltkontakt 93′ eine Leitungsverbindung von dem Spannungsteilerabgriff 101 des Spartransformators 10 über die Erregerwicklung 61 des Anlaufrelais 6 mit der Hauptwicklung 3 ein. Damit liegt an der Hauptwicklung 3 ei­ ne herabgesetzte Netzspannung und der Hochlauf des Motors erfolgt analog zu dem im oben beschriebenen Ausführungsbei­ spiel wiederum mit Strombegrenzung. Volle Netzspannung liegt dagegen an der Hauptwicklung 3, sobald der Motor hochgelaufen ist, das Zeitrelais 9′ mit der vorbestimmten Verzögerung δ t abfällt und der Umschaltkontakt 93′ seine Ruhelage einnimmt, in der er mit dem volle Netzspannung führenden Eingang 102 des Spartransformators 10 kontak­ tiert.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform entspricht, abge­ sehen von der unterschiedlichen Realisierung der Strombe­ grenzung der Hauptwicklung 3 in der Anlaufphase das Motors, in allen anderen Einzelheiten der oben beschriebenen Aus­ führungsform, so daß sich hier eine weitere Detailbeschrei­ bung erübrigt.

Ergänzend sei lediglich hinzugefügt, daß alle Kontakte so­ wohl des Netzschalters 1 als auch der Relais 6, 9 und 9′ in den beiden Fig. 1 und 2 in Ruhelage dargestellt sind.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen geben nur zwei mögliche Ausgestaltungen einer Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Einphasen-Asynchronmotors wieder. Neben diesen im Detail beschriebenen Lösungen sind für den Fach­ mann durchaus noch weitere Variationen denkbar.

So könnte man beispielsweise statt des Vorwiderstandes auch eine Drossel verwenden, was allerdings die Induktivität im Leitungszweig der Hauptwicklung erhöht. In den beschriebe­ nen Ausführungsbeispielen sind die beiden Relais mit ihren Erregerwicklungen direkt in entsprechende Stromkreise ein­ geschaltet, das gilt insbesondere für das Anlaufrelais. Bei den hohen Strömen müßten dann die Relais entsprechend di­ mensioniert sein. Dies läßt sich umgehen, indem man in Se­ rie zu der Hauptwicklung (anstelle der Erregerwicklung des Anlaufrelais) einen Stromwandler schaltet, in dessen Sekun­ därkreis dann erst die Erregerwicklung des Anlaufrelais und gegebenenfalls auch des Zeitrelais zur Strombegrenzung an­ geordnet sind.

In der vorstehenden Beschreibung wurde auch, auf das Aus­ führungsbeispiel bezogen, immer nur von einem Zeitrelais gesprochen. Dem Fachmann dürfte einleuchten, daß sich auch dieses Relais als Stromrelais ausbilden läßt, das im Grunde durch den Stromverlauf in der Hauptwicklung gesteuert wird und nicht mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung abschal­ tet, die ja so gewählt sein muß, daß der Motor mit Sicher­ heit sein Kippmoment durchlaufen hat. In diesem Rahmen wäre auch eine Ausgestaltung denkbar, bei der ein mit entspre­ chenden Schaltkontakten ausgestattetes Relais gemeinsam die Funktionen der beiden beschriebenen Relais wahrnimmt. In diesem Falle wäre es mit oder ohne Stromwandler an die Stelle der Erregerwicklung des beschriebenen Anlaufrelais zu setzen.

Schließlich dürfte dem Fachmann auch weiterhin verständlich sein, daß aus dem Schaltvorgang des die Strombegrenzung steuernden Relais in der Strom/Spannungscharakteristik der Hauptwicklung des Motors entsprechende Signalspitzen resul­ tieren. Falls derartige Belastungen in einem denkbaren An­ wendungsfall unerwünscht sind, könnte man den Vorwiderstand bzw. die als Alternative denkbare Drossel im allgemeinen Fall in mehrere Teilwiderstände bzw. Teildrosseln unter­ gliedern, diesen jeweils entsprechende Kurzschlußbrücken zuordnen, die über individuelle Schaltkontakte mehrerer Re­ lais geöffnet bzw. geschlossen werden. Sind diese Relais als Stromrelais ausgeführt, so lassen sich die Stromschalt­ werte so wählen, daß die Relais in einer zeitlichen Folge nacheinander anziehen bzw. wieder abfallen.

Kurzzeitige Schwankungen der Strom/Spannungscharakteristik des Motors in der Anlaufphase lassen sich so in ihren Am­ plituden begrenzen. Derartige Lösungen sind natürlich schaltungsaufwendiger und deshalb nur sinnvoll, wenn die Anforderungen im Einzelfall den Aufwand rechtfertigen. Die­ se Reihe von Beispielen zeigt, daß im Rahmen der in den Pa­ tentansprüchen gekennzeichneten Erfindung, über die im De­ tail beschriebenen, das Prinzip illustrierenden Ausfüh­ rungsbeispiele hinausgehend, eine Vielzahl von weiteren Aus­ gestaltungen denkbar ist.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Einphasen-Asyn­ chronmotors mit einer Hauptwicklung (3), zu der parallel eine Hilfswicklung (4) in Serie mit einem Betriebskondensa­ tor (8) liegt und mit einem Netzschalter (1), der eingangs­ seitig mit einer Netzspannungsquelle (2) und motorseitig mit den parallel geschalteten Wicklungsenden (31, 41) von Haupt- und Hilfswicklung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis der Hauptwicklung Schaltmittel (5, 9 bzw. 10, 9′) zum Begrenzen lediglich der Wicklungsspannung der Hauptwicklung in der Anlaufphase des Motors vorgesehen sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel zum Begrenzen der Wicklungsspannung der Hauptwicklung (3) ein in der Anlaufphase des Motors aktiviertes Relais (9, 9′) aufweisen, das an die Hauptwicklung einen Nebenstromkreis (5, 93 bzw. 10, 93′) anschaltet, aus dem der Hauptwicklung eine vorbestimmte Teilspannung der Netzspannung zuführbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenstromkreis der Hauptwicklung (3) aus einem mit der Hauptwicklung in Serie liegenden Vorwiderstand (5) besteht, der durch eine einen Schaltkontakt (93) aufweisende Kurzschlußbrücke überbrück­ bar ist und daß dieser Schaltkontakt ein Ruhekontakt des Relais (9) ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Haupt­ wicklung (3) an die Kontakte (11, 12) des Netzschalters (1) eine Spannungsteilerschaltung (10) mit einem Spannungstei­ lerabgriff (101) angeschlossen ist und daß das Relais (9′) einen Umschaltkontakt (93′) aufweist, der ein Ende (32) der Hauptwicklung (3) alternativ mit diesem Spannungsteilerab­ griff bzw. mit dem volle Netzspannung führenden Kontakt (12) des Netzschalters (1) verbindet.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteiler­ schaltung als Spartransformator (10) ausgebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Betriebskondensator (8) ein weiterer, als Anlaufkondensator (7) verwendeter Kondensator parallel geschaltet ist und daß mit diesem Anlaufkondensator ein Schaltkontakt (62) in Se­ rie liegt, mit dem der Anlaufkondensator in der Anlaufphase des Motors in dem Stromkreis der Hilfswicklung (4) zu­ schaltbar ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Hauptwicklung (3) ein Anlaufrelais (6) in Serie geschaltet ist, das der­ art dimensioniert ist, daß es durch den in der Anlaufphase durch die Hauptwicklung fließenden Überstrom aktivierbar ist und daß ein Arbeitskontakt dieses Anlaufrelais den Schaltkontakt (62) zum Zuschalten des Anlaufkondensators (7) bildet.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlaufrelais (6) zugleich das Relais für die Strombegrenzung der Hauptwick­ lung (3) bildet.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (9, 9′) zur Strombegrenzung der Hauptwicklung (3) als Zeitrelais ausgebildet ist, dessen Abschaltverzöge­ rungszeit (δ t) auf die zeitliche Länge der Anlaufphase des Motors abgestimmt ist.