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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rückschalten eines polumschaltbaren
Motors durch Umschalten auf die kleinere Drehzahl und eine Vorrichtung
zum Umschalten eines polumschaltbaren Motors, mit einem Umschalter
zum Umschalten auf die hochpolige Wicklung und mit einer Schalteinrichtung
in einer zuzuschaltenden Phase der hochpoligen Wicklung.
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Polumschaltbare
Motoren (PU-Motoren) sind Asynchronmaschinen, in deren Stator mehr
als ein Wicklungssystem untergebracht ist. Sie ermöglichen durch
Einschaltung der jeweiligen Statorwicklung den Betrieb verschiedener
Abtriebsdrehzahlen. Die Drehzahlen ergeben sich aus der Drehfrequenz
und der jeweiligen Polzahl und stehen somit in einem ganzzahligen
Verhältnis
zueinander. In der Regel sind die Statorwicklungen eigenständige, voneinander
galvanisch getrennte Wicklungen.
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Die
verschiedenen Anwendungen erfordern nicht nur das Ein- und Ausschalten
jeder einzelnen Drehzahl, sondern auch das Umschalten zwischen den
Drehzahlen. Das Einschalten jeder Drehzahl bei stehendem Motor unterscheidet
sich nur insoweit von dem eines eintourigen Motors, als dass die
Hochlaufzeit durch die relativ höhere
Eigenmasse des PU-Motors größer ist.
Das Umschalten zwischen den Drehzahlen, und dabei insbesondere das
Zurückschalten auf
die kleinere Drehzahl, stellt jedoch eine neue Situation mit einem
für PU-Motoren typischen
Verhalten dar. Es entsteht ein Rückschaltmoment,
das ein Mehrfaches des Anfahrmoments erreicht. Dieser Momentenstoß wirkt
sich durch erhöhten
Verschleiß und Schwingungen
in der Antriebsmechanik sowie durch verstärkte Geräuschentwicklung aus. Physikalisch bedingt
ist der Drehzahlmomentenverlauf im übersynchronen Betrieb wesentlich
höher als
der im untersynchronen Betrieb. Dies trifft insbesondere für das generatorische
Kippmoment zu, welches die Härte
des Rückschaltens
ganz wesentlich bestimmt.
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Um
die beschriebenen Nachteile beim Zurückschalen der PU-Motoren zu vermeiden
bzw. auf ein erträgliches
Maß zu
reduzieren, werden verschiedene technische Maßnahmen angewendet.
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Ein
laufender Drehfeldmotor entwickelt beim zweiphasigen Betrieb ein
Drehmoment, welches kleiner als im dreiphasigen Betrieb ist und
elliptisch verläuft.
Die Auswahl der beiden Phasen hat keinen Einfluss auf den Verlauf
des Drehmomentes. Das Verfahren der zweiphasigen Rückschaltung
erzielt im übersynchronen
Arbeitsbereich die gewünschte
Momentenreduzierung. Das Problem liegt darin, dass unmittelbar vor
der synchronen Drehzahl auf dreiphasigen Betrieb zurückgeschaltet
werden muß.
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Erfolgt
die Zuschaltung der dritten Phase zu früh und damit während des
generatorischen Kippmomentes, so wird der Rück schaltstoß nur unzureichend reduziert.
Ein zu spätes
Zuschalten bedeutet jedoch, dass der Antrieb bereits im motorischen
Betrieb mit stark reduziertem Drehmoment arbeitet, welches weit
unter dem Nennmoment liegt. Insbesondere bei Hubwerken muss dieser
Zustand sicher vermieden werden.
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Die
Effektivität
des beschriebenen Verfahrens wird ganz wesentlich von der Präzision des
Zuschaltzeitpunktes der dritten Phase bestimmt. Den geringsten Aufwand
stellt die zeitverzögerte
Zuschaltung dar, die jedoch nur in Ausnahmefällen befriedigend funktioniert,
da die Dauer der Bremsphase im praktischen Betrieb selten konstant
ist. Wesentlich präziser
und frei von Fremdeinflüssen
funktioniert die Zuschaltung in Abhängigkeit von der gemessenen Drehzahl.
Nachteil dieses Verfahrens ist der technische Aufwand der Messeinrichtung
und der Installation.
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Ein "schwerer Lüfter" bzw. eine Zusatzschwungmasse
wird häufig
eingesetzt, weil der technische Aufwand gering ist und es keine
zusätzliche Steuerung
erfordert. Es entfallen entsprechende Schaltschütze, elektronische Steuerungen
sowie deren Justage und Installationen. Die zusätzliche Schwungmasse wird häufig in
Form des Eigenlüfters ausgeführt.
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Die
Wirkungsweise beruht darauf, dass die Zusatzschwungmasse ein dynamischer
Energiespeicher ist und die Beschleunigungsvorgänge bei der Drehzahlumschaltung
abschwächt.
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Nachteilig
ist, dass dieser Vorgang nicht nur beim Rückschalten, sondern auch bei
jedem Anlaufvorgang wirksam wird. Ein weiterer und ganz wesentlicher
Nachteil liegt in den erhöhten
Verlusten. Der Motor arbeitet bei jedem Anlauf- und Umschaltvorgang
im gekippten Betrieb und hat dabei prinzipbedingte Verluste, die
sich durch die längeren Anlauf- und
Verzögerungsphasen
weiter verstärken.
Eine Rückgewinnung
der kinetischen Energie aus der Schwungmasse ist nicht möglich.
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Die
zulässige
Schaltfrequenz von Motoren, die im getakteten Betrieb eingesetzt
werden, reduziert sich erheblich oder erfordert Zusatzmaßnahmen für Wärmefestigkeit
und Zusatzkühlung.
Neben den Kosten für
den technischen Aufwand können
auch die laufenden Kosten der erhöhten Verlustenergie ein wesentlicher
Nachteil dieses Verfahrens werden.
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Die
DE 38 32 149 C1 zeigt
bei einem gattungsgemäßen polumschaltbaren
Motor das Zuschalten einer dritten, abgeschalteten Phase, wenn die
Spannung in dieser Phase eine bei der synchronen Drehzahl auftretende
Phase erreicht.
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Nachteilig
ist hierbei insbesondere, dass das Abschalten der genannten Phase
aufgrund anderweitiger Zusatzinformationen, wie insbesondere einer
Zeitinformation, erfolgen kann, da bei zugeschalteter Phase eine
Spannungs-Schaltinformation nicht gewonnen werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der genannten
Nachteile eine einfache Möglichkeit
anzugeben, das Rückschaltmoment
von PU-Motoren so zu reduzieren, dass es etwa der Höhe des Anlaufmomentes
entspricht, ohne dass Zusatzeinrichtungen, insbesondere auch zum erneuten
Abschalten der dritten Phase, erforderlich sind.
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Erfindungsgemäß wird die
genannte Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch
das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
der eingangs genannten Art löst
die Aufgabe durch das Kennzeichen des Anspruchs 6.
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Die
Erfindung vermeidet also einerseits ein zeitgesteuertes Zuschalten
der dritten Phase und andererseits den zur Drehzahlmessung erforderlichen Aufwand,
sondern nimmt unmittelbar den Strom zur Bestimmung des Zuschaltzeitpunkts
für die
dritte Phase heran. Es hat sich gezeigt, dass der nach dem Rückschalten
in den zweiphasigen Betrieb zunächst relativ
konstante Strom vor dem synchronen Betrieb stark abfällt, so
dass bei Abfall des Stromes bewirkt durch diesen ein Zuschalten
der dritten Phase erfolgen kann. Vorzugsweise erfolgt das Zuschalten
der dritten Phase, wenn der Strom im zweiphasigen Betrieb gegenüber seinem
Ausgangswert auf etwa die Hälfte
reduziert ist. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind
Normmotoren betreibbar.
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Eine
genaue Festlegung des Schalt-Stromwerts kann dadurch erfolgen, dass
die Größe des Schalt-Stromwerts
aus dem zweiphasigen Strom im untersynchronen Betrieb bestimmt wird,
indem zum Einstellen des Schalt-Stromwerts im untersynchronen zweiphasigen
Betrieb die Schaltwerte wiederholt erhöht werden, bis bei einem geeigneten Schalt-Stromwert
das Zuschalten der dritten Phase erfolgt.
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Die
Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass das Zuschalten der
dritten Phase aufgrund des genauen Stroms automatisch unmittelbar
vor der synchronen Drehzahl erfolgt. Dies ist der optimale Zuschaltzeitpunkt,
da hier beim Übergang
auf die dreiphasige Kennlinie keine Momentenerhöhung mehr erfolgt und beim Übergang
in den Motorbetrieb das volle Drehmoment zur Verfügung steht.
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Gemäß bevorzugter
Ausgestaltungen der Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Schalteinrichtung
einen elektronischen Schalter in der zuzuschaltenden (dritten) Phase
auf weist, wobei der elektronische Schalter ein hierzu an sich bekanntes Triac
ist (
GB 21 10 488 A )
oder der elektronische Schalter zwei antiparallel angeordnete Thyristoren
in der zuschaltenden Phase aufweist. Zum Schalten der Zündspannung
der elektronischen Schalter, Triac oder Thyristor, kann weiterhin
vorgesehen sein, dass die Schalteinrichtung ein Relais ist oder
einen Optokoppler aufweist.
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Eine
weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
dass eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige der Zuschaltung der zuzuschaltenden
Phase des Motors vorgesehen ist. Eine solche Anzeigeeinrichtung
ist zur Inbetriebnahme nützlich.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt
es sich um eine elektronisches Zusatzgerät, das in Verbindung mit handelsüblichen
PU-Motoren den Nachteil des harten Rückschaltens vermeidet. Das
Gerät wird
lediglich in zwei Phasen der Motorzuleitung für die hochpolige Wicklung eingeschleift
und erfordert weder externe Schaltglieder noch eine zusätzliche
Stromversorgung.
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Der
Zeitpunkt der Zuschaltung wird durch eine Elektronik gesteuert,
die keinerlei externe Informationen über Sensoren oder dergleichen
benötigt. Der
optimale Schaltzeitpunkt wird ausschließlich aus den elektrischen
Daten ermittelt, die innerhalb des Schaltgerätes über die Motorzuleitung ermittelt
werden.
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Die
Erfindung geht also aus von der zweiphasigen Rückschaltung in die kleinere
Drehzahl. Das Zuschalten der zuzuschaltenden Phase erfolgt erfindungsgemäß automatisch
unmittelbar vor der synchronen Drehzahl durch Strommessung. Als Schaltelement
wird ein Leistungshalbleiter, wie ein Triac oder eine antiparallele
Thyristorschaltung, verwendet. Die Stromversorgung der Schaltelektronik kann
dabei unmittelbar aus dem Netz des Motors, nämlich aus der Phase, deren
Strom gemessen wird, genommen werden. Der optimale Schaltzeitpunkt wird
ausschließlich
aus den elektrischen Daten einer beim zweiphasigen Rückschalten
auf die höherpolige Wicklung
zugeschalteten Motorzuleitung bestimmt.
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Die
Stromversorgung der Signalelektronik erfolgt aus der Energie des
Stromwandler-Messsignales.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert sind.
Dabei zeigen:
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1 die
Motorkennlinien im motorischen und generatorischen, dreiphasigen
und zweiphasigen Betrieb bei einem polumschaltbaren Motor;
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2 Den
Stromverlauf bei einem polumschaltbaren Motor,
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3 ein
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Zuschalten
der dritten Phase bei einem polumschaltbaren Motor;
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4 eine
erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Zuschalten der dritten Phase bei einem polumschaltbaren Motor
mit einem Triac als Schalter; und
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5 eine
weitere Ausführungsform
entsprechend 4 mit antiparallel angeordneten
Thyristoren als Schalter.
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Die 1 zeigt
die Drehmomente bei einem polumschaltbaren Motor. Die Kurve A bezeichnet
dabei das Drehmoment über
der Drehzahl für
die kleine Polpaarzahl und demgemäß die höhere Drehzahl. Die Kurve B
zeigt die Drehmomente für
den dreiphasigen Betrieb der höheren
Polpaarzahl und damit bei der geringeren Drehzahl. Es ist ersichtlich,
dass im übersynchronen
oder Generatorbetrieb (rechts des Nulldurchganges der Kurve) die
absoluten Drehmomente erheblich sind und wesentlich über denen
für die
geringere Polpaarzahl gemäß der Kurve
A liegen. D.h. dass beim Rückschalten
von der höheren
Drehzahl zur geringeren Drehzahl und damit von Kurve A zu Kurve
B erhebliche Drehmomente auftreten würden, die zu einer hohen Belastung
der Mechanik, nämlich
des Motors selbst und der von ihm angetriebenen Maschine, führen würden.
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Die
Kurve C zeigt die Drehmomente im zweiphasigen Betrieb für die höhere Polpaarzahl
und damit die niedrigere Synchrondrehzahl. Es zeigt sich hier, dass
beim Rückschalten
im übersynchronen
Betrieb von der niedrigeren Polpaarzahl bei der durch diese gegebenen
Drehzahl auf die höhere
Polpaarzahl die Drehmomente etwa in der Größenordnung des vorherigen motorischen
Betriebs bei der höheren Drehzahl
(Kurve A) liegen. Es ist aber feststellbar, dass die Drehmomente
beim zweiphasigen Betrieb beim Übergang
in untersynchrone Drehzahlen, also Motorbetrieb, für die höhere Polzahl
wesentlich geringer sind, so dass hier die Gefahr eines Abstürzens bei
einem Hubwerk besteht, während
bei einem Fahrwerk praktisch keine Energie zugeführt wird. Demgegenüber steigt
das Drehmoment im Motorbetrieb bei Dreiphasenzuschaltung bei höherer Polzahl wieder
in den Bereich des Drehmoments der niedrigeren Polzahl an.
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Aus
diesen Drehmomentkurven ergibt sich daher, dass es wünschenswert
ist, vom motorischen Betrieb bei niedriger Polpaarzahl (hohe Drehzahl, Kurve
A) zunächst
in den zweiphasigen Betrieb für die
höhere
Polpaarzahl (niedrigere Synchrondrehzahl, Kurve C) umzuschalten
und bei der niedrigeren Synchrondrehzahl dann die dritte Phase zuzuschalten
und damit in den dreiphasigen Betrieb der hohen Polpaarzahl umzuschalten
(Kurve B).
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Aus
der 2 ist der Strom über der Drehzahl bei der hohen
Polpaarzahl und damit der niedrigen Synchrondrehzahl ersichtlich.
Die Kurve D zeigt dabei den Strom bei dreiphasigem Betrieb, während die
Kurve E den Strom bei zweiphasigem Betrieb zeigt. Es ist ersichtlich,
dass bei Zuschaltung lediglich zweier Phasen (Kurve E) im motorischen
Betrieb der Strom unterhalb eines Wertes bleibt, wie er beim generatorischen
Betrieb nahe der Synchrondrehzahl angenommen wird. Im motorischen
Betrieb bei zwei zugeschalteten Phasen wird der Stromwert bestimmt,
bei dem nach Zurückschalten
im generatorischen Betrieb von den zwei Phasen ausgehend die dritten
Phase zugeschaltet werden soll (Phase Ein). Hierzu wird mittels
eines Potentiometers ein Stromwert eingestellt und bei mehreren
Durchläufen
so lange erhöht,
bis im motorischen Betrieb ein Zuschalten der dritten Phase, d.h.
ein Umschalten von der Kurve E zur Kurve D in der 2 erfolgt.
Dieser Stromwert wird dann als Schalt-Stromwert für das Zuschalten der
dritten Phase im generatorischen Betrieb genommen, nachdem zunächst das
Rückschalten
von der hohen Drehzahl auf die niedrige Drehzahl im Zweiphasenbetrieb
erfolgte, wie dies oben erläutert
wurde.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
oder Schaltung (3) sieht hierzu in einer der
im zweiphasigen Betrieb zugeschalteten Phasen, beispielsweise L2,
einen Strommesser 1 vor, der über eine Vergleichselektronik 2 einen
Schalter 3 in der zunächst
im zweiphasigen Betrieb nicht zugeschalteten im dreiphasigen Betrieb
zuzuschaltenden Phase, wie hier beispielsweise der dritten Phase
L3, schließt,
so dass diese bei Erreichen des bestimmten Schalt-Stromwerts ebenfalls
zugeschaltet und damit für
den untersynchronen oder motorischen Betrieb auf Dreiphasigkeit
geschaltet wird. Die Phase L1 ist durchgeschleift. Mit K1 bzw. K2
sind die Schütze
zum Einschalten der langsameren bzw. schnelleren Drehzahl bezeichnet.
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Konkrete
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der 4 dargestellt.
Mit L2, L2' ist
wiederum eine im zweiphasigen Betrieb zugeschaltete Phase der Motorwicklungen
bezeichnet. 1 bezeichnet wieder die Strommessung und Stromabnahme
aus dieser Phase. Der Strom kann über Stromspannungs-Wandler 14 und
einen Gleichrichter 15 abgenommen werden (5).
Er wird dem einen Eingang eines Komparators 6 zugeführt, dessen
anderer Eingang mit dem erwähnten
Schalt-Stromwert (Referenzwert Vref) über ein
Potentiometer 7 (4) beaufschlagt
ist. Die Schaltung weist weiterhin einen Transistor 8 auf,
mit dem eine Anzeige 9 sowie ein Schalter 11 in
Verbindung stehen, wobei letzterer ein Optokoppler oder ein Relais
sein kann. Über
den Schalter 11 wird ein elektronischer Schalter 13 in
der dem Motor zuzuschaltenden dritten Phase, wie der Phase L3, L3' durchgeschaltet.
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Der
elektronische Schalter 13 kann, wie dies in der 4 dargestellt
ist, ein Triac sein, der bidirektional arbeitet.
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Statt
dessen können
auch parallel in der Zuleitung der Phase L3, L3' antiparallel zwei Thyristoren 16, 17 angeordnet sein,
die in diesem Falle allerdings je ein Schaltsignal zur Ansteuerung
benötigen (5).
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Der
Komparator 6 hat eine Schalthysterese für das Zu- und Abschalten der
dritten Phase in Abhängigkeit
vom gemessenen Strom. Mit Veränderung des
Schaltpegels wird hierzu auch proportional die Hysterese mitverändert.
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Beim
Rückschalten
auf die hochpolige Wicklung entsteht im dreiphasigen Betrieb ein
Strom, der den Pegel "Phase
aus" (2)
weit überschreitet. Hiermit
ist gewährleistet,
dass die Schaltung sofort in den zweiphasigen Betrieb geht. Nähert sich
der Antrieb nun der synchronen Drehzahl, so fällt der Strom im zweiphasigen
Betrieb ab und unterschreitet den Schaltpegel "Phase ein" (2). Hiermit
wird die dritte Phase wieder zugeschaltet. Der nun auftretende Strom
zeigt eine geringer Erhöhung,
die aber bei weitem nicht ausreichend ist, um den Schaltpegel "Phase aus" erneut zu überschreiten.
Somit bleibt das System im dreiphasigen Betrieb. Wesentlich bei
der Auswahl der Schaltwellen ist, dass der Strom im motorischen
Betrieb keinesfalls die Schaltwelle "Phase aus" überschreitet.
Dies darf auch nicht der Fall sein, wenn der Motor bis zur Blockade
belastet wird, was gleichzeitig auch dem Zustand des Anlaufens aus Drehzahl
0 entspräche.
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Die
Einstellung des richtigen Schaltpegels findet bei stehendem Motor
statt. Hierzu wird mit einem niedrigen Einschaltpegel begonnen und
die hochpolige Wicklung eingeschaltet. Durch den niedrigen Schaltpegel
wird die Schwelle "Phase
aus" überschritten
und der Motor wird zweiphasig betrieben. Hierbei entwickelt er aus
Drehzahl 0 heraus kein Drehmoment. Der Schaltpegel wird nun langsam
erhöht,
bis der Pegel "Phase
ein" den zweiphasigen Anlaufstrom
des stehenden Motors überschreitet. Die
diesem Schaltpegel fest zugeordnete Hysterese bewirkt einen Schaltpegel "Phase aus", der mit Sicherheit über dem
dreiphasigen Anlauf- bzw. Kurzschlussstrom des Motors liegt. Die
eingebaute Leuchtdiode zeigt diesen Schaltvorgang an und dient damit
auch als Einstellhilfe.
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Die
wesentliche Voraussetzung für
das Funktionieren der Schaltung ist die Tatsache, dass der zweiphasige
Strom im synchronen Arbeitspunkt deutlich kleiner ist als beim stehenden
Motor, wenn die Justierung vorgenommen wird. Bei Hubwerken bietet
sich an, die Bremse des Motors während
der Justage geschlossen zu halten. Dies ist kein Problem, solange
der Motor nur an zwei Phasen angeschlossen ist. Wird bei richtiger
Justage die dritte Phase automatisch zugeschaltet, muss unmittelbar danach
das Netz abgeschaltet bzw. die Bremse geöffnet werden, damit der Motor
nicht unnötig
lange in diesem Zustand betrieben wird (Bremsenverschleiss bzw.
Motorerziehung).