DE3407429A1 - Selbstanlaufender reversierbarer synchron-kleinmotor - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Müller r>;U.-Chem. Dr. Gerhard Schupfner i.'jpl.-Ing. Heno-Pcter Gauger Lucile-Craim-Str. 33 - DCOCO München 80

LGZ Landis & Gyr Zug AG CH-6301 Zug

Selbstanlaufender reversierbarer Synchron- - Kleinmotor

Selbstanlaufender reversierbarer Synchron-Kleinmotor Anwendungsgebiet und Zweck

Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstanlaufenden reversierbaren Synchron-Kleinmotor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs

Stand der Technik

Aus dem Valvo Handbuch "Motoren", November 1976, Seiten 23 bis 29, sind der elektrische Aufbau und die Arbeitsweise eines reversierbaren Synchron-Kleinmotors mit dauermagnetischem Läufer aus schwachenergetischem Magnetmaterial bekannt. Dieser Synchron-Kleinmotor hat unabhängig vom Wert der Speisespannung und der Last einen eindeutigen Drehsinn. Sein Wirkungsgrad ist jedoch auf höchstens 50 % beschränkt und kann auch nicht durch eine Verstärkung der Erregung über diesen Wert hinaus gesteigert werden. Dagegen nehmen die Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit mit wachsender Erregung zu.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Synchron-Kleinmotor so zu dimensionieren, dass mit steigender Erregung der Wirkungsgrad stets zunimmt und die Winkelgeschwindigkeits-Schwankungen zumindest des belasteten Synchron-Kleinmotors abnehmen.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines reversierbaren Synchron-Kleinmotors,

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-^>. 3407*29

Fig. 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild des Synchron-Kleinmotors,

Fig. 3 ein Zeigerdiagramm der Spannungen und Ströme innerhalb eines Synchron-Kleinmotors,

dessen Läufer aus schwachenergetischem Magnetmaterial besteht,

Fig. 4 Kennlinien des Wirkungsgrades, der Winkelgeschwindigkeits-Schwankungen und des

Wirkwiderstand/Blind Widerstand-Verhältnisses eines Ständerstranges des Synchron-Kleinmotors, dessen Läufer aus schwachenergetischem Magnetmaterial besteht,

Fig. 5 ein Zeigerdiagramm der Spannungen und

Ströme innerhalb eines Synchron-Kleinmotors, dessen Läufer aus hochenergetischem Magnetmaterial besteht und

Fig. 6 Kennlinien des Wirkungsgrades, der Winkelgeschwindigkeits-Schwankungen und des Wirkwiderstand/Blind Widerstand-Verhältnisses eines Ständerstranges des Synchron-Kleinmotors, dessen Läufer aus hochenergetischem

Magnetmaterial besteht.

Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Teile.

Beschreibung

Der reversierbare Synchron-Kleinmotor besteht gemäss der Fig. 1 aus einem Ständer 1, dessen Wicklung zwei Ständerstränge besitzt, einen Hauptstrang 2 und einen Hilfsstrang 3, und aus einem dauermagnetischen Läufer 4. Aus Gründen der zeichnerischen Einfachheit wurde angenommen, dass der Läufer 4 nur ein Pol-PA 2239

paar N;S besitzt. Die nachfolgenden Angaben gelten natürlich auch beim Vorhandensein mehrerer Polpaare auf dem Läufer 4.

Es ist bekannt, dass solch ein Synchron-Kleinmotor in Parallel- oder in Reihenschaltung beider Ständerstränge betrieben werden kann.

In der Fig. 1 wurde eine Parallelschaltung angenommen, d.h. ein Betriebskondensator C ist in Reihe zum Hilfsstrang 3 und diese Reihenschaltung anschliessend parallel zum Hauptstrang 2 geschaltet. Die so aufgebaute Parallelschaltung wird über einen Schaltkontakt 5 von einer eine Wechselspannung U_n liefernden Speisequelle 6 gespeist.

In der nicht dargestellten Reihenschaltung wäre der Betriebskondensator C mit Hilfe des Schaltkontaktes 5 parallel zum Hilfsstrang 3 und diese Parallelschaltung in Reihe zum Hauptstrang geschaltet. Die so aufgebaute Reihenschaltung würde direkt von der Speisequelle 6 gespeist.

Bei allen nachfolgenden Figuren der Zeichnung ist immer eine Parallelschaltung angenommen.

Beide Ständerstränge 2 und 3 sind konzentrierte Wicklungen und liegen in zwei identischen Ständereinheiten, die um 90° elektrisch gegeneinander verdreht sind. Hauptstrang und Hilfsstrang erzeugen magnetische Wechselfelder, die zeitlich in der Phase und räumlich im Winkel gegeneinander verschoben sind, und sich in ihren Wirkungen auf den Läufer zu einem Drehfeld überlagern. Der Läufer 4 läuft damit selbsttätig an und dreht sich in vorbestimmter Richtung.

Der Schaltkontakt 5 ist als Umschalter ausgebildet. Er dient nur dazu, die Rollen des Hauptstranges 2 und des HilfsStranges zu vertauschen und damit den Drehsinn des Synchron-Kleinmotors umzukehren, indem einmal der eine und ein anderes Mal der andere Pol des Betriebskondensators C mit der Speisequelle 6 direkt verbunden wird.

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In der Fig. 2 ist das Ersatzschaltbild des Synchron-Kleinmotors gemäss der Fig. 1 dargestellt. Der Index 2 bezeichnet bei allen elektrischen Grossen diejenigen des Hauptstranges 2, der Index diejenigen des Hilfsstranges 3. In jedem Ständerstrang ist dessen induktiver Hauptblindwiderstand X' bzw. X' in Reihe geschaltet mit dessen Erregerspannung LL·- bzw. LL·- und die so erhaltene Reihenschaltung anschliessend parallel geschaltet zum Eisenverlust-Widerstand R₁- „ bzw. R₁. _ des betreffenden Ständerstran-

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ges. Die so erhaltene Parallelschaltung ist ihrerseits jeweils in Reihe geschaltet mit der Reihenschaltung des Wirkwiderstandes R bzw. R_ und des induktiven Streuwiderstandes X" bzw. X'' des jeweiligen Ständerstranges.

Nachfolgend werden die Eisenverluste beider Ständerstränge als vernachlässigbar klein angenommen, d.h. R_ = R = » . Die Eisenverlust-Widerstände können in diesem Fall in der Darstellung der Fig. 2 weggelassen werden und sind daher dort nur ' gestrichelt angedeutet. Der induktive Hauptblindwiderstand X'

bzw. X', und der induktive Streublindwiderstand X" bzw. X"_

«J Zt O

eines jeden Ständerstranges sind dann direkt in Reihe geschaltet und es gilt:

X₂ = X'₂ η- X»₂
und

X₃ - Χ·₃ + X"₃,

des betreffenden Ständerstranges darstellt.

wobei X_ bzw. X- den gesamten induktiven Blindwiderstand

Da beide Ständerstränge in der Regel identisch aufgebaut sind, besitzen beide annähernd gleich grosse Widerstandswerte, und es gilt somit zusätzlich:

^X2 ^{= X}3 ^{= X)
R}2 ^{= R}3 ^{= R}

und

^UE2 ^{= U}E3 - ^UE·

Das Wirkwiderstand/Blindwiderstand-Verhältnis eines Ständerstranges ist dann R/X. Die Zeigerdiagramme der Fig. 3 und der Fig. 5 gelten unter diesen Annahmen.

Die Figuren 3 bis 6 werden im Zusammenhang mit der Funktionsbeschreibung näher erläutert. Die Kennlinien der Fig. 4 und der Fig. 6 sind in Funktion der relativen Erregung 11-/U,. aufgetragen .

Funktionsbeschreibung

Synchron-Kleinmotoren sind so dimensioniert, dass die durch sie aufgenommene Blindleistung vernachlässigbar klein ist. Dies ist der Fall, wenn in den beiden Ständersträngen 2 und 3 die Phasenverschiebung zwischen den Strömen 90 beträgt.

Bei der Parallelschaltung der beiden Ständerstränge muss daher bekanntlich der induktive Blindwiderstand des Hauptstranges 2 so bemessen sein, dass in diesem Hauptstrang 2 der Phasenwinkel zwischen der Speisespannung und dem Strom +45 beträgt, während der Wert des Betriebskondensators C so gross zu wählen ist, dass im Hilfsstrang 3 der Phasenwinkel zwischen Speisespannung und Strom -45 beträgt. Dies führt bei Synchron-Kleinmotoren mit Läufern 4 aus schwachenergetischem Magnetmaterial, wie aus dem zugehörigen Zeigerdiagramm der Fig. 3 leicht ersichtlich ist, zu der doppelten Dimensionierungs-Bedingung, dass:

der Wirkwiderstand R und der induktive Blindwiderstand X eines jeden Ständerstranges annähernd gleich gross zu wählen sind und
- der Blindwiderstand Xp des Betriebskondensators C doppelt so gross zu wählen ist, wie der induktive Blindwiderstand X eines jeden Ständerstranges.

Mit Läufern 4 aus schwachenergetischem Magnetmaterial gilt nämlich:

^ÜE2 = ^UE3 ^{= U}E " °

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Unter dieser Annahme und unter Vernachlässigung der Eisenverluste gelten für die Fig. 2 folgende Gleichungen:

= R₂I₂ ⁺ Jx₂I₂ - ^₂ + u_{X2 (2)}

und

- U ₊ L^ ₊ U_X3. (3)

Dabei ist jeweils in komplexer Darstellung:

I_₂ bzw. L- der elektrische Strom im Hauptstrang 2 bzw. im Hilfsstrang ₃,

Γ] der von der Speisequelle 6 gelieferte Speisestrom, X_r der Blindwiderstand 1/JJC des Betriebskondensatons C, LL· der elektrische Spannungsabfall über dem Betriebskonden-

—■χ,

sator C,

U_vo bzw. U_v_ der elektrische Spannungsabfall über dem induk-^A tiven Blindwiderstand des Hauptstranges 2 bzw. des Hilfsstranges 3 und

U₀₀ bzw. LL., der elektrische Spannungsabfall über dem Wirkwiderstand des Hauptstranges 2 bzw. des Hilfsstranges ₃.

In der Fig. 3 stellt das Dreieck ABM, mit AB = JL^, BM = I und AM = Γ,» das Zeigerdiagramm der Gleichung (1) dar. Das Dreieck AED stellt die Gleichung (2) dar, mit AE = U_,_, ED = U_x..

—— —Hi —XZ

und AD = LL·. Dabei ist AE. parallel zu BM und EJD wegen des 30

induktiven Blindwiderstandes 90 voreilend zu AE angeordnet. Die Zeigerkette AFGD stellt die Gleichung (3) dar, mit AF = LL·-, FG

—— —rs 3 ■

U_v_ und GD = LL·, wobei AD weiterhin gleich LL· ist. AF hat die gleiche Richtung wie AJB und FG_ ist wegen des induktiven Blindwiderstandes um 90 voreilend zu AF angeordnet, während GD wegen des kapazitiven Blindwiderstandes um 180° nacheilend zu FG angeordnet ist, dies unter Vernachlässigung des Wirkwiderstandes des Betriebskondensators C.

Es ist aus der Fig. 3 direkt ersichtlich, dass die durch die Ständerwicklung aufgenommende Blindleistung Null ist, wenn die

Zeiger U.. = AD und I.. = AM in Phase sind, d.h. wenn der Punkt —N — —N —

M auf der Geraden AD liegt. Dies ist, wie bereits erwähnt, dann der Fall, wenn der Winkel «^ ABM = 90° ist, d.h. wenn BM und damit auch AE_ parallel zu GD_ und AF_ parallel zu ED_ ist. Ist der Winkel ^f. EAD ausserdem gleich 45 , dann ist AEDF ein Quadrat und die Beträge von AE, AF, FD und ED einerseits und von AB und BM anderseits sind alle gleich. Dies führt zu den beiden bereits erwähnten Dimensionierungs-Bedingungen.

Zunächst gilt, da beide Ständerstränge identisch aufgebaut sind:

R- = R_ = R und

^X2 " ^X3 "

AE = ED ergibt: U_R2 = U_X2, d.h. R₂ . I₂ = X₂ . I₂ oder

und somit auch R, = X_.

AF - FD = GD - FG ergibt: U_n-, = U_ - IL·,, d.h.

^R3 * h ^{= X}C * ¹S - ^X3 * ¹S ^{Oder R}3 ^{= X}C - ^X3'

und mit R- = X- gilt: X=X- X oder X = X_r/2, und somit

auch X = X_r/2.

Bei der Reihenschaltung des Synchron-Kleinmotors werden auf die gleiche Weise die beiden folgenden Dimensionierungs-Bedingungen gefunden:

^R2 " ^R3 ~ ^R ~ ^X2 " ^X3 ~ ^X

und

X₂ = X₃ = X = X_c.

Die erste dieser beiden Bedingungen ist somit gleich wie die erste Dimensionierungs-Bedingung der Parallelschaltung.

PA 2239 ·/·

Die so dimensionierten Synchron-Kleinmotoren besitzen in Funktion von U-/U die in der Fig. 4 dargestellten Kennlinien des Wirkungsgrades η , der Winkelgeschwindigkeits-Schwankung S und des Wirkwiderstand/Blindwiderstand-Verhältnisses eines Ständerstranges d = R/X = 1. Letztere Kennlinie ist somit eine bei 100 % gelegene Horizontale. Die Kennlinie S steigt stets mit steigendem U /U an, und die Kennlinie η besitzt bei ^U _E/U_N - 70 % ein Maximum von η = 50 %. Dieses Maximum von η wird in der Praxis nie erreicht und kann mit derart dimensionierten Synchron-Kleinmotoren auf jeden Fall nie überschritten werden.

Um trotzdem einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen, muss einerseits U._/U_M erhöht werden durch Wahl eines Läufers 4 aus hochenergetischem niedrigremanentem Magnetmaterial, z.B.

aus Seltenerdenmetall-Kobalt- oder aus Mangan-Aluminium-Kohlenstoff-Magnetmaterial, und muss anderseits mindestens eine der beiden Dimensionierungs-Bedingungen abgeändert werden. In der Fig. 5 ist das Zeigerdiagramm des abgeänderten Synchron-Kleinmotors dargestellt.

Es gelten diesmal, zusätzlich zur bisherigen Gleichung (1), folgende Gleichungen:

und

(5)

da wegen des hochenergetischen Magnetmaterials des Läufers 4 der Wert von U_p = U__ = U_p nicht mehr vernachlässigt werden kann, sondern bei Nennspeisespannung und Kipplast mindestens gleich 20 % des Wertes von U^₂ bzw. u\._ ist. Unter Kipplast versteht man diejenige Last, bei der Synchron-Kleinmotor ausser Tritt gerät.

Das Zeigerdiagramm der Fig. 5 ist ähnlich aufgebaut wie das-

-AA-

jenige der Fig. 3, nur dass hier die Zeiger EH_ = U^₂ und F_K_ = LL-- noch zusätzlich vorhanden sind, wobei diese beiden Zeiger zwar den gleichen Betrag UV besitzen, jedoch bei Kipplast EH_ = U_x-- annähernd in Phase mit U₀₀ und FK = IL·, annähernd in Phase mit U-. ist.

Das Dreieck AHD stellt die Gleichung (4) und die Zeigerkette AFKGD die Gleichung (5) dar. Diesmal ist AKDH ein Quadrat, und es gelten mit R„ = R- = R und X₂ = X- = X folgende zwei Dimensionierungs-Bedingungen a) und b):

a) AH = AE + EH = HD, d.h. U_R2 + U_£2 = U_X2

oder
15

^UR2 ^{= U}X2 - ^UE2* ^UX2 ~ ^{20 % U}X2 ^{mit U}E2 * ²⁰ % ^UX2' Daraus ergibt sich:

U_R2 ^ 80 % U_X2 bzw.

R₂ - 80 % X₂.

Da R= R= R und X_ = X_ = X, gilt ganz allgemein: 25

R ^ 80 % X,

d.h. bei Nennspeisespannung und Kipplast darf der Wirkwiderstand R eines jeden Ständerstranges nicht wie bisher gleich dem Blindwiderstand X, sondern höchstens gleich achtzig Prozent dieses Blindwiderstandes X eines Ständerstranges gewählt werden.

ν ν · W

b) AK - KD ergibt AF + FK » GD - KG

oder

^UR3 ^{+ U}E,3 ^{= U}C - ^UX3

bzw.

^UC ^{= U}R3 ^{+ U}E ^{+ U}X3
10

^{Da U}R3 ^{= U}R2 ' ^UX2 ^{= U}X3 ' ^UR3 * ^{80 % U}X3 ^Und U_E * 20 % U_X3,

gilt somit:

U_c =. 2U_X3 bzw. X_c = 2X₃ oder X₃ = X = X_c/2.

Bei der Reihenschaltung des Synchron-Kleinmotors gelten dagen die beiden folgenden Dimension ierungs-Bedingungen :

R *S . 80 % X
und

X = X_c.

Die erste dieser beiden Bedingungen ist somit wiederum bei beiden Schaltungsarten gleich.

Die so abgeändert dimensionierten Synchron-Kleinmotoren besitzen in Funktion von U_E/IL· die in der Fig. 6 dargestellten Kennlinien des Wirkungsgrades η , der Winkelgeschwindigkeits-Schwankungen S und des Wirkwiderstand/Blindwiderstand-Verhältnisses eines Ständerstranges d = R/X. Diesmal ist die Kennlinie S eine Horizontale bei 0 %, d.h. diese Schwankungen sind praktisch Null. Dagegen besitzt der Wirkungsgrad T\ kein Maximum mehr, sondern steigt mit steigenden Werten von ÜV/IL· fortwährend bis zum Wert 100 % an, wobei dieser letzte Wert allerdings erst bei einem Wert d = R/X = 0 erreicht wird, der in der Praxis nicht realisierbar ist. . ./.

- Leerseite -

Claims (3)

1. -*- 3Λ07429

   PATENTANSPRUECHE

   \.) Selbstanlaufender reversierbarer Synchron-Kleinmotor mit einem dauermagnetischen Läufer und einem Ständer, dessen Wicklung aus einem Hauptstrang und einem Hilfsstrang besteht, die beide annähernd gleich grosse elektrische Widerstandwerte besitzen, wobei der Hilfsstrang mit einem Betriebskondensator parallel oder in Reihe beschaltet ist, dadurch gekennzeichnet,dass der Läufer (4) aus hochenergetischem niedrigremanentem Magnetmaterial besteht und bei Kipplast und Nennspeisespannung der Wirkwiderstand (R) eines jeden Ständerstranges (2,3) höchstens gleich achtzig Prozent von dessen Blindwiderstand (X) ist.
2. 2. Synchron-Kleinmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hochenergetische niedrigremanente Magnetmaterial Seltenerdenmetall-Kobalt-Magnetmaterial ist.
3. 3. Synchron-Kleinmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hochenergetische niedrigremanente Magnetmaterial Mangan-Aluminium-Kohlenstoff-Magnetmaterial ist.