Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren

Der Bau eines Antriebsmotors für die Wiege unseres Sohnes hat mich zur Beschäftigung mit diesem Thema bewogen. Untenstehend finden sich eine kleine Wechselstrommotorkunde.
Ein Wechselstrommotor (auch Induktionsmotor genannt) ist ein Elektromotor, der mit Einphasenwechselstrom betrieben wird. Man unterscheudet im Wesentlichen zwischen:

• Universalmotor (ein Einphasen-Reihenschlussmotor)
• Kondensatormotor (ein Einphasen-Asynchronmotor)
• Spaltmotor (ein Einphasen-Asynchronmotor)

Der Universalmotor ist Wechselstrommotors, dessen Prinzip vom Gleichstrommotor abgeleitet ist. Einphasen-Reihenschlussmotoren sind zwar für Wechselspannung ausgelegt, können aber auch mit Gleichspannung betrieben werden. Seine Drehzahl und Leistung kann über Phasenanschnitt verstellt werden. Das untenstehende Bild veranschaulicht seine prinzipielle Wirkungsweise.

Die stromdurchflossene Erregerwicklung im Ständer erzeugt ein Magnetfeld, das durch das Eisenblechpaket verstärkt und zu definierten Polen gebündelt wird. Das gleiche geschieht in der nachgeschalteten Ankerspulenwicklung. Dieses vom Stator aufgebaute Magnetfeld bewirkt, je nachdem wie die Pole eingestellt sind, dass es den Rotor hinter sich herzieht oder vor sich herschiebt. Dabei müssen die Spulen bei jeder halben Umdrehung umgepolt werden, wozu ein Kommutator notwendig ist. Die sinusförmige Umpolung des Statorfeldes induziert im Rotor eine Spannung, die an den Bürsten abfällt, und zu einem ständigen Bürstenfeuer und einem hohen Verschleiß der Bürsten führt.

Der Kondensatormotor ist ein Elektromotor und zählt zu den Asynchronmotoren. Wie diese besitzt er einen Kurzschlussläufer (Käfigläufer), in dem durch ein vom Stator erzeugtes elliptisches Drehfeld ein Drehmoment erzeugt wird. Im Unterschied zu mit Drehstrom gespeisten Asynchronmotoren läuft der Kondensatormotor jedoch mit einphasigem Wechselstrom.Da die zur Erzeugung eines Drehfeldes erforderlichen mindestens zwei phasenverschobenen Spannungen am Wechselstromnetz nicht zur Verfügung stehen, muss eine so genannte Hilfsphase erzeugt werden. Eine der beiden Statorwicklungen wird direkt aus dem Wechselstromnetz versorgt, während zur zweiten Wicklung ein Kondensator in Reihe geschaltet wird. Dieser bewirkt die Phasenverschiebung der Spannung an der zweiten Wicklung.

Beim Spaltpolmotor wird das Drehfeld durch ein durch Wirbelströme phasenverschobenes Magnetfeld erzeugt.
Der Spaltpol besteht aus einer kleineren Nut, welche vom Hauptpol abgespalten ist. Um den Spaltpol liegt eine Kurzschlusswicklung, die meist nur 1–3 Windungen hat. Diese Kurzschlusswicklung, auch Kurzschlussring genannt, bildet zusammen mit der Netzwicklung im Betrieb einen kurzgeschlossenen Transformator. Das Spaltpolfeld induziert in der Kurzschlusswicklung eine Spannung, wodurch darin der Kurzschlussstrom entsteht. Dieser Strom baut durch Selbstinduktion einen Fluss auf, welcher dem Hauptfeld nacheilt. Zusammen erzeugen beide Flüsse im Rotor ein ungleiches, sogenanntes elliptisches Drehfeld, das den Rotor mitnimmt. Dieses elliptische Drehfeld ist ein qualitativ schlechtes Drehfeld, und nur für kleine Leistungen verwendbar (ca. 2/3 Leistung vom normalem Drehstrommotor).

Weder beim Kondensatormotor noch beim Spaltmotor lässt sich die Drehzahl auf einfache Art und Weise regulieren. Die Variation der Kapazität  beim Kondensatormotor führt zu ungleichmäßigem Lauf, und nur geringer Drehzahländerung. Regelung eines Spaltmotors über eine Phasenanschlittsteuerung (Dimmer) führt ebenfalls zu ungleichmäßigem Lauf und einer starken Erwärmung des Motors.

Mann unterscheidet grundsätzlich zwischen Phasenan- und Phasenabschnittsteuerung.

Bei der Phasenanschnittsteuerung wird der Triac, über eine vorgeschaltete Elektronik, so eingestellt, dass er erst an einer bestimmten Stelle der Sinuswelle durch einen Zündimpuls geschlossen wird. Ab diesem Zeitpunkt wird der Verbraucher erst mit Energie versorgt. Beim Nullpunkt fällt der Zündimpuls am Triac und die Spannung am Verbraucher fällt ab. Der Zündimplus muss, zum gewünschten Zeitpunkt, neu erfolgen um den Betrieb des Verbrauches zu gewährleisten. Je später der Triac gezündet wird, desto geringer ist die Leistung, die dem Verbraucher zur Verfügung steht. Da durch einen späten Zündimpuls ein schneller, plötzlicher Spannungsanstieg erfolgt, ist die Phasenanschnittsteuerung für ohmsche und induktive Lasten geeignet. Bei einer kapazitiven Last könnte der daraus folgende hohe Stromfluss den Defekt des Gerätes erwirken. 

Die Phasenabschnittsteuerung wird genutzt, um zum Beispiel elektronische Transformatoren zu regeln. Sie reduziert die Leistung prinzipiell wie die bei der Phasenanschnittsteuerung. Um einen Spannungsabfall zu erreichen sind entweder sogenannte GTO-Thyristoren "abschaltbare Thyristoren" oder PowerMOSFET-Transistoren einzusetzen. Das bringt, dann bei der Planung, einen höheren Schaltungsaufwand für die Steuerungselektronik mit sich. Je früher der Zündimpuls der Phasenabschnittsteuerung abfällt, desto weniger Leitung steht dem Verbraucher zur Verfügung. Da beim Abschalten des Stromflusses Spannungsspitzen auftreten, ist die Phasenabschnittsteuerung vorzugsweise für kapazitive Lasten einzusetzen. 

 

Fazit: Kondensatormotoren und Spaltmotoren lassen sich sinnvoll nur durch einen (teueren) Frequenzumrichter regulieren. Für meinen Wiegenmotor habe ich daher auf einen einfachen Gleichstrommotor zurückgegriffen.