Der Klassiker bei den polumschaltbaren Motoren ist die Dahlanderschaltung. Hierbei handelt es sich um eine spezielle Bauweise der Drehstrom-Asynchronmaschine, die mit ihrer Schaltung zwischen den Drehzahlen bzw. Übersetzungen (der Standard ist 1:2) wechseln kann.
Details zur Dahlanderschaltung und zu einfachen polumschaltbaren Motoren
Der Schwede Robert Dahlander entwickelte während seiner Laufbahn als Ingenieur eine Schaltung für die Drehzahlsteuerung von elektrischen Motoren, die nach dem Patent unter seinem Namen bekannt wurde. Im Allgemeinen kommt in diesem System die Dreieck-Doppelstern-Schaltung zum Einsatz, doch es gibt auch Modelle mit Stern/Doppelstern-Schaltungen, die jedoch vorwiegend in Lüfterantrieben verwendet werden. Bei der äußeren Schaltung, die manuell erfolgt oder von einem Schaltgerät durchgeführt wird, sind keine Unterschiede zu erkennen.
Bei anderen polumschaltbaren Motoren wird die Schaltung an den drei Klemmvorrichtungen der einen Wicklung angelegt oder an denen der zweiten Wicklung. Damit ist der Anschluss bei diesen Modellen einfacher als bei der Dahlanderschaltung, wo es eher zu Fehlern kommen kann.
Die Merkmale der polumschaltbaren und Dahlander-Motoren unterscheiden sich auf den ersten Blick kaum, allerdings funktionieren die Dahlander-Motoren mit Wicklungen, die drei Anschlüsse haben. Zusätzlich zum Anfang und Ende einer solchen Wicklung gibt es eine Anzapfung im mittleren Bereich. In dem Ständerblech der Dahlander-Variante mit einem Polpaar befinden sich also drei versetzte Wicklungen, die im 120-Grad-Winkel versetzt sind. Die polumschaltbaren Motoren haben hingegen zumindest sechs Wicklungen und damit mindestens zwei Polpaare.
Die Wicklungen können für verschiedene Drehzahlbereiche ausgelegt werden. Bei einem Drehzahlverhältnis von 1:2 kommt häufig die klassische Dahlanderschaltung zum Einsatz.
Einsatzbereiche von Dahlanderschaltung und polumschaltbaren Motoren
Eine Dahlanderschaltung unterstützt die Regulierung der Polzahl, indem sie die Drehzahl der Asynchronmaschine erhöht. Dies ist beispielsweise bei Drehmaschinen von Vorteil, die mit zwei Grunddrehzahlen arbeiten, also langsam und schnell. Auch zweistufige Antriebe, wie sie in der Lüftungstechnik verwendet werden, lassen sich mit einer Dahlanderschaltung regulieren.
Die polumschaltbaren Motoren kommen zum Einsatz, um lediglich grobe Einstufungen zu erreichen. Auch hier richten sich die Schaltmöglichkeiten nach der Polzahl des Antriebsmotors. Je nach Bauart sind mehrere Drehzahlverhältnisse einzustellen. Typische Einsatzbereiche sind Hub- und Fahrwerke, Transportmaschinen, Bohrgeräte und Sägen, Küchenmaschinen und diverse andere Antriebe, die mit zwei Drehzahlen funktionieren.
Typischerweise werden die polumschaltbaren Motoren für Antriebe eingesetzt, die ein konstantes oder ein quadratisch ansteigendes Gegenmoment haben. So lassen sich diese Motoren immer nur für eine festgelegte Bemessungsspannung konfektionieren. Das Ergebnis ist eine präzise Anfertigung für die Direkteinschaltung, die über die Pole erfolgt.
Bei der Polumschaltung gibt es wiederum mehrere Optionen:
- zwei separate Wicklungen
- eine einzelne Dahlander-Wicklung,
- zwei separate Wicklungen, von denen eine als Dahlander-Schaltung ausgelegt ist,
- zwei separate Wicklungen, die beide als Dahlander-Schaltung ausgelegt sind.
Die Vorteile der Dahlanderschaltung zeigen sich in der Robustheit dieser Bauteile und in ihrem geringen Wartungsaufwand. (#01)
Vorteile von Spannungsumformern
Die diversen Arten der Spannungsumformer werden vor allem in Kurzschluss-Käfigläufermotoren eingesetzt. Hier hat sich der Asynchronmotor durch seine leistungsstarke Antriebstechnik etabliert. Bei der Kopplung mit einem passenden Frequenzumrichter hat ein solcher Antrieb selbst gegen einen hohen Widerstand die nötige Kraft. Oft eignet sich ein Frequenzumrichter gleichzeitig als Schutz für den Motor, sodass immer mehr Motoren von vornherein damit ausgestattet werden. Dies reduziert den Aufwand bei der Arbeitsvorbereitung und bei eventuellen Entstörungsmaßnahmen.
Die Vorteile bei den polumschaltbaren Motoren und der Dahlanderschaltung zeigen sich in der Robustheit dieser Bauteile und in ihrem geringen Wartungsaufwand. Die Eignung auch als Motorbremse macht diese Motoren noch vielseitiger. Bei Bedarf kann eine solche Schaltung für einen kurzen Zeitraum auch extremen Belastungen standhalten, wobei die Strapazierfähigkeit von der Motorkühlung und der Dauer der Überlastung abhängt. Die Leistungsstärke auch gegen ein hohes Gegenmoment und die fast konstante Drehzahl sind ebenfalls als positive Merkmale zu nennen.
Durch den Verzicht auf Bürsten und Schleifringe und durch den spannungslosen Läufer eignen sich die Umschalter auch für explosionsgefährdete Bereiche oder für Flüssigkeiten und Gase. Durch die Ergänzung eines Frequenzumrichters ist der Wirkungsgrad durchgängig sehr hoch, zudem überzeugt auch die Drehzahltauglichkeit.
Einschränkungen
Trotz der zahlreichen Vorzüge gibt es auch ein paar Nachteile bei den polumschaltbaren Motoren und den Dahlander-Schaltungen. Diese beziehen sich unter anderem auf den hohen Anlaufstrom, der durch das Anlaufmoment erforderlich ist, und auf die oft größere Bauform, die vor allem bei den kleineren Modellen auffällt. Zudem ist die Drehzahl durch die Veränderungen instabil, wenn die Motoren durch ihre niedrige Motorwelle im Verhältnis zur Spannungsfrequenz mit Schlupf laufen.
Ein Asynchronmotor kann nur dann richtig anlaufen, wenn alle drei Außenleiter einwandfrei funktionieren. Bei Bedarf kann hierfür ein elektronischer Frequenzumrichter, ein Kondensator oder ein ähnliches Bauteil verwendet werden.
Im direkten Vergleich mit anderen elektrisch betriebenen Geräten sind die polumschaltbaren Asynchronmotoren relativ komplex aufgebaut, was auch die Berechnung erschwert. Im Gegensatz dazu sind einfache Schritt- oder Servomotoren leichter zu bedienen. Ein weiterer Nachteil zeigt sich darin, dass der Asynchronmotor bei Stillstand nicht durch ein Haltemoment gesichert wird. Auch beim Trennen der Versorgungsspannung fehlt das Bremsmoment.
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