Schaltungsanordnung zur Veränderung der Drehmoment-Drehzahlkennlinie eines Asynchronmotors Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Veränderung der Drehmoment-Drehzahlkennlinie eines Asynchronmotors.
Für Regelungs- und Steuerungsanlagen, Haushal- tungsmaschinen und viele weitere Anwendungsgebiete werden kleine Motoren mit veränderlicher Drehzahl benötigt. Bisher werden für solche Aufgaben vorwiegend Kollektormotoren verwendet. Ein Kollektormotor ist aber verhältnismässig teuer in der Herstellung, erfordert eine Wartung (Kohlen, Kollektor) und verursacht Fun ken, deren Auswirkungen nur mit einem zusätzlichen Aufwand an Schaltelementen reduziert werden kön nen.
Asynchronmotoren mit Kurzschlussankern sind billi ger als Kollektormotoren, annähernd wartungsfrei und verursachen keine Funken. Es ist bekannt, dass sich die Drehzahl eines Asynchronmotors durch verschiedene Frequenzen der Speisespannung, durch Polumschaltung oder in kleinen Grenzen auch durch Herabsetzen der Speisespannung verändern lässt. Verschiedene Frequen zen können durch rotierende oder durch elektronische Frequenzumformer erzeugt werden. Diese Verfahren sind jedoch für kleine Anlagen und Apparate wegen des hohen Aufwandes an Schaltmitteln nicht geeignet.
Ein polumschaltbarer Asynchronmotor benötigt einen Um schalter mit zahlreichen Kontakten oder für jede Dreh zahl eine eigene Statorwicklung. Die dadurch entstehende Verteuerung schliesst seine Anwendung für kleine Anla gen und Apparate ebenfalls aus. Durch Herabsetzen der Speisespannung ist nur eine geringe Drehzahlverände rung möglich, welche für die meisten Anwendungen nicht ausreicht.
Es ist auch bekannt, einen Asynchronmotor mit einem Bremsmagneten auszurüsten, der im Rotor Wir belströme erzeugt und dadurch den Motor auf eine geringere Geschwindigkeit abbremst. Der Bremsmagnet kann ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein, dessen Wicklung von einem Gleichstrom durchflossen wird. Ein Permanentmagnet muss zur Drehzahlverände rung mechanisch verstellt werden können. Beide Ausfüh rungen erfordern eine Sonderanfertigung der Motoren.
Es wurde nun nach einer Lösung gesucht, wie die Drehzahl eines handelsüblichen Asynchronmotors mit dem geringsten Aufwand an Schaltmitteln innerhalb eines grossen Bereiches verändert werden kann.
Die vorliegende Erfindung zeigt eine Lösung mit einer Schaltungsanordnung zur Veränderung der Dreh moment-Drehzahlkennlinie eines Asynchronmotors, bei der die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnungen dadurch vermieden sind, dass die Statorwicklung des Asynchronmotors mit einem Steuerglied mit nichtlinearer Strom-Spannungskennlinie in Reihe geschaltet ist.
Anhand der Figuren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung und Fig. 2 ein Diagramm.
In der Fig. 1 sind 1 und 2 Anschlussklemmen, welche zum Anschluss eines Einphasen-Asynchronmotors 3 mit einem in Reihe dazu liegenden Steuerglied 4 an eine Wechselspannungsquelle bestimmt sind. Der Einphasen- Asynchronmotor 3 besitzt zwei Statorwicklungen 5 und 6 und einen Kondensator 7 als Phasenschieber. Das Steuer glied 4 besteht hier aus einer Parallelschaltung einer Diode 8 mit einem Widerstand 9. Der Widerstand 9 kann ein stetig oder stufenweise veränderbarer Widerstand sein. Ein Verbindungspunkt 10 verbindet den Einphasen- Asynchronmotor 3 mit dem Steuerglied 4.
Die Fig. 2 zeigt Drehmomentkurven 11, 12, 13, 14 und 15 in Abhängigkeit von der Drehzahl mit dem Widerstandswert des Widerstandes 9 als Parameter. Eine gestrichelte Linie 16 deutet ein konstantes Drehmoment an.
<I>Wirkungsweise der Schaltung nach der</I> Fig. <I>1</I> Wird an den Anschlussklemmen 1 und 2 eine Wech selspannung angelegt und ist der Wert des Widerstandes 9 auf Null eingestellt, dann erhält der Einphasen- Asynchronmotor 3 die volle Wechselspannung. Seine Drehmoment-Drehzahlkennlinie verläuft für diese Wider standseinstellung nach der Kurve 11 (Fig. 2).
Wird der Widerstand 9 verstellt, so dass sein Wert grösser als derjenige der Diode 8 in Durchlassrichtung ist, dann fliessen jeweils die einen Halbwellen im wesent lichen über die Diode 8 und die anderen über den Widerstand 9. Die Diode 8 lässt die einen Halbwellen annähernd vollständig durch, während der Widerstand 9 die anderen Halbwellen begrenzt; dadurch wird dem Wechselstrom eine Gleichstromkomponente überlagert, so dass im Stator des Motors 3 ein umlaufendes und gleichzeitig ein stehendes Magnetfeld entstehen. Auf den Rotor des Motors wirken daher ein Drehmoment und gleichzeitig ein Bremsmoment. Das Bremsmoment ent steht durch Wirbelstrombildung in dem sich drehenden Rotor, wodurch dessen Drehzahl abnimmt.
Vergrössern des Widerstandes 9 erhöht die Gleichstromkomponente und damit auch das Bremsmoment.
Die Kurven 11 bis 15 in der Fig. 2 zeigen Drehmo- ment-Drehzahlkennlinien in Abhängigkeit von der Grös- se des Widerstandes 9. Es ist daraus ersichtlich, dass bei gleichbleibendem Drehmoment, wie es z.B. durch die gestrichelte Linie 16 angedeutet ist, die Drehzahl in weiten Grenzen verändert werden kann, was bei einem Asynchronmotor in Normalausführung und mit einem gleich geringen Aufwand an zusätzlichen Schaltelementen sonst nicht möglich ist.
<I>A</I> usf ichrungsvarianten Im Beispiel nach der Fig. 1 ist das Steuerglied 4 aus der Diode 8 und dem Widerstand 9 gebildet. Der Widerstand 9 kann stetig veränderbar - z.B. als Drehwi derstand - oder stufenweise veränderbar, z.B. durch Verwendung von umschaltbaren Widerständen, ausge führt werden. Das Steuerglied 4 kann aber auch aus anderen Steuerelementen mit nichtlinearer Strom-Span- nungskennlinie gebildet sein.
Der Diode 8 kann ein steuerbares Halbleiterbauelement, z.B. ein Transistor, ein Thyristor oder ein lichtabhängiger Widerstand parallelge schaltet werden.
Ein Transistor oder ein Thyristor werden als Verstär- kerelemente bevorzugt, wenn der Motor durch weitere vorgeschaltete Steuerelemente gesteuert werden soll. Ein lichtabhängiger Widerstand kann sehr vorteilhaft sein, wenn eine galvanische Trennung zwischen dem Motor stromkreis und dem Steuerstromkreis notwendig ist. Der lichtabhängige Widerstand kann durch eine in ihrer Helligkeit veränderbare Lichtquelle gesteuert werden.
Das Steuerglied 4 kann auch aus einem einzigen Halbleiter-Bauelement, wie z.B. einem Fünfschicht- Schaltelement oder einer Zenerdiode gebildet sein. Ein Fünfschicht-Schaltelement, z.B. ein Fünfschicht-Thyris- tor, muss entsprechend gesteuert werden, damit es wahl weise zwei gleich grosse oder zwei verschieden grosse Halbwellen durchlässt. Eine Zenerdiode lässt zwei ver schieden grosse Halbwellen durch. Sie kann zur Erzie lung der vollen Motordrehzahl überbrückt werden.
Welches der erwähnten Steuerelemente verwendet wird, hängt von der Motorleistung, der zur Verfügung stehenden Steuerleistung, der Spannung, der .Schaltungs anordnung und von weiteren, je nach Anwendung ver schiedenen Faktoren ab.
Das Steuerglied 4 ist in der Fig. 1 über den Verbin dungspunkt 10 mit dem Motor 3 verbunden. Zur Dreh richtungsumkehr kann dasselbe oder ein zweites Steuer glied an den Verbindungspunkt zwischen der Statorwick- lung 6 und dem Kondensator 7 angeschlossen werden.
Das Schaltungsbeispiel nach der Fig. 1 zeigt einen Einphasen-Asynchronmotor. Es ist aber ebenfalls denk bar, das gleiche Prinzip auch für einen Dreiphasen- Asynchronmotor anzuwenden.
Anwendungsbeispiele Die Anwendungsgebiete für einen. Asynchronmotor mit veränderlicher Drehzahl sind so vielseitig, dass hier nur wenige Beispiele erwähnt werden können. Die Eigenschaften eines Reglers, z.B. eines Tempera tur-, Luftfeuchte-, Druck- oder Helligkeitsreglers lassen sich wesentlich verbessern, wenn der Stellantrieb mit veränderlicher Stellgeschwindigkeit laufen kann. Bekannt ist diese Tatsache durch pneumatische Regler, deren Stellantriebe mit veränderlicher Stellgeschwindigkeit lau fen.
Bei einer grossen Regelabweichung ist die Stellge- schwindigkeit gross und nimmt mit kleiner werdender Regelabweichung ab. Auch beim Ein- und Ausschalten einer Anlage können lange Laufzeiten, die wegen der Regelstabilität erforderlich waren, nun verkürzt werden. Nahezu alle bekannten Stellantriebe mit Einphasen- Asynchronmotor können mit der beschriebenen Dreh zahlregelung versehen werden. Vorteilhaft wird das zur Veränderung der Stellgeschwindigkeit dienende Steuer glied 4 unmittelbar in einen Regler eingebaut.
Zur Steuerung von Fensterstoren ist es zweckmässig, wenn der Stellantrieb für die Auf- und Abwärtsbewegung schnell und für die Lamellenverstellung langsam laufen kann. Hier genügt z.B. eine Umschaltung auf zwei verschiedene Stellgeschwindigkeiten, die ebenfalls nach der in der Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung ausführ bar ist.
Steuerungseinrichtungen an Werkzeugmaschinen er fordern oft eine Grob- und eine Feineinstellung, die sich ebenfalls nach der vorliegenden Erfindung ausführen lassen. Weitere Anwendungsbeispiele sind Aufzüge, Krä ne, Waschmaschinen, Ventilatoren und Versteileinrich tungen verschiedener Art.
Circuit arrangement for changing the torque-speed characteristic of an asynchronous motor The invention relates to a circuit arrangement for changing the torque-speed characteristic of an asynchronous motor.
For regulation and control systems, household machines and many other areas of application, small motors with variable speed are required. So far, collector motors have mainly been used for such tasks. A collector motor is relatively expensive to manufacture, requires maintenance (coals, collector) and causes sparks, the effects of which can only be reduced with additional expenditure on switching elements.
Asynchronous motors with short-circuit armatures are cheaper than commutator motors, almost maintenance-free and do not cause sparks. It is known that the speed of an asynchronous motor can be changed by different frequencies of the supply voltage, by pole switching or, within small limits, by reducing the supply voltage. Different frequencies can be generated by rotating or electronic frequency converters. However, these methods are not suitable for small systems and apparatus because of the high cost of switching means.
A pole-changing asynchronous motor requires a switch with numerous contacts or a separate stator winding for each speed. The resulting increase in price also excludes its use for small systems and apparatus. By reducing the supply voltage, only a small speed change is possible, which is not sufficient for most applications.
It is also known to equip an asynchronous motor with a brake magnet that generates bel currents in the rotor and thereby brakes the motor to a lower speed. The brake magnet can be a permanent magnet or an electromagnet whose winding is traversed by a direct current. A permanent magnet must be able to be adjusted mechanically to change the speed. Both versions require a custom-made engine.
A solution was now sought as to how the speed of a commercially available asynchronous motor can be changed over a large range with the least amount of switching means.
The present invention shows a solution with a circuit arrangement for changing the torque-speed characteristic of an asynchronous motor, in which the disadvantages of the known circuit arrangements are avoided in that the stator winding of the asynchronous motor is connected in series with a control element with a non-linear current-voltage characteristic.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail with the aid of the figures. 1 shows a circuit arrangement and FIG. 2 shows a diagram.
In FIG. 1, 1 and 2 connection terminals are used which are intended for connecting a single-phase asynchronous motor 3 with a control element 4 lying in series to an AC voltage source. The single-phase asynchronous motor 3 has two stator windings 5 and 6 and a capacitor 7 as a phase shifter. The control member 4 here consists of a parallel connection of a diode 8 with a resistor 9. The resistor 9 can be a continuously or stepwise variable resistance. A connection point 10 connects the single-phase asynchronous motor 3 to the control element 4.
2 shows torque curves 11, 12, 13, 14 and 15 as a function of the speed with the resistance value of the resistor 9 as a parameter. A dashed line 16 indicates a constant torque.
<I> Mode of operation of the circuit according to </I> Fig. <I> 1 </I> If an alternating voltage is applied to connecting terminals 1 and 2 and the value of resistor 9 is set to zero, the single-phase asynchronous motor is powered 3 the full AC voltage. Its torque-speed characteristic runs for this resistance setting according to curve 11 (Fig. 2).
If the resistor 9 is adjusted so that its value is greater than that of the diode 8 in the forward direction, then one half-waves flow essentially through the diode 8 and the others through the resistor 9. The diode 8 leaves one half-cycle almost completely through, while the resistor 9 limits the other half-waves; as a result, a direct current component is superimposed on the alternating current, so that a rotating and, at the same time, a stationary magnetic field is created in the stator of the motor 3. A torque and a braking torque therefore act on the rotor of the motor. The braking torque is created by the formation of eddy currents in the rotating rotor, which reduces its speed.
Increasing the resistor 9 increases the direct current component and thus also the braking torque.
The curves 11 to 15 in FIG. 2 show torque-speed characteristics as a function of the size of the resistance 9. It can be seen from this that with a constant torque, as e.g. is indicated by the dashed line 16, the speed can be changed within wide limits, which is otherwise not possible with an asynchronous motor in normal design and with the same low cost of additional switching elements.
In the example according to FIG. 1, the control element 4 is formed from the diode 8 and the resistor 9. The resistor 9 can be continuously variable - e.g. as a torsional resistance - or can be changed in stages, e.g. through the use of switchable resistors. The control element 4 can, however, also be formed from other control elements with a non-linear current-voltage characteristic.
The diode 8 can be a controllable semiconductor device, e.g. a transistor, a thyristor or a light-dependent resistor can be switched in parallel.
A transistor or a thyristor are preferred as amplifier elements if the motor is to be controlled by further upstream control elements. A light-dependent resistor can be very advantageous if a galvanic separation between the motor circuit and the control circuit is necessary. The light-dependent resistor can be controlled by a light source whose brightness can be changed.
The control member 4 can also consist of a single semiconductor component, e.g. a five-layer switching element or a zener diode. A five-layer switching element, e.g. a five-layer thyristor must be controlled accordingly so that it allows two half waves of the same size or two different sizes to pass. A Zener diode allows two different half-waves to pass through. It can be bridged to achieve the full engine speed.
Which of the controls mentioned is used depends on the motor power, the available control power, the voltage, the .Schaltung arrangement and other, depending on the application, various factors.
The control member 4 is connected in FIG. 1 via the connec tion point 10 to the engine 3. To reverse the direction of rotation, the same or a second control element can be connected to the connection point between the stator winding 6 and the capacitor 7.
The circuit example according to FIG. 1 shows a single-phase asynchronous motor. But it is also conceivable to use the same principle for a three-phase asynchronous motor.
Application examples The application areas for a. Variable speed induction motors are so versatile that only a few examples can be mentioned here. The properties of a controller, e.g. a temperature, humidity, pressure or brightness controller can be significantly improved if the actuator can run at a variable actuating speed. This fact is known from pneumatic controllers, the actuators of which are running at variable speed.
If there is a large control deviation, the actuating speed is high and decreases as the control deviation becomes smaller. Even when switching a system on and off, long runtimes, which were necessary for control stability, can now be shortened. Almost all known actuators with single-phase asynchronous motors can be provided with the speed control described. Advantageously, the control member 4 used to change the actuating speed is built directly into a controller.
To control window blinds, it is useful if the actuator can run quickly for the upward and downward movement and slowly for the slat adjustment. Here, e.g. a switch to two different adjusting speeds, which is also executable according to the circuit arrangement shown in FIG.
Control devices on machine tools often require a coarse and a fine adjustment, which can also be carried out according to the present invention. Other application examples are elevators, cranes, washing machines, fans and various types of adjustment devices.