DE171308C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT,

In Patent 153730 der Union Elektricitätsgesellschaft, Berlin, ist gezeigt, wie die Tourenzahl eines Mehrphasenmotors geregelt werden kann. Ein Teil der auf den Läufer durch das Drehfeld übertragenen Leistung wird demselben in Form elektrischer Energie mittels eines Kommutators wieder entnommen. Es ist ferner gezeigt, daß bei Anwendung eines einphasigen Läufers dem Ständer nur in der Achse - der Bürsten Arbeitsstrom zugeführt wird, welcher zum Teil wieder dem Läufer entnommen werden kann. Der zu dieser Achse senkrecht liegenden Ständerphase wird nur Magnetisierungsstrom zugeführt. Trotzdem besitzt der Motor bei allen Tourenzahlen ein Drehfeld. Dieses Verfahren zur Tourenreglung hat den Nachteil, daß die ■Läuferwicklung über Stromkreise außerhalb des Läufers kurzgeschlossen werden muß, und da diese äußeren Stromkreise stets eine bedeutende Reaktanz besitzen, so wird dadurch die Leistungsfähigkeit des Motors bedeutend verringert. Außerdem steigt die Schlüpfung, herrührend von dem Widerstand der äußeren Stromkreise. Ferner ist es schwierig, die Spannungen, welche den Bürsten zugeführt werden müssen, um bei allen Tourenzahlen einen guten Leistungsfaktor zu ergeben, stetig zu ändern.

In folgendem soll nun ein anderes Verfahren zur Reglung der Tourenzahl bei Wechselstromkommutatormotoren mit Nebenschlußerregung beschrieben werden.

In dem französischen Patent vom 12. Dezember 1901, Zusatz zu Patent 306229, hat M. Latour gezeigt, daß es möglich ist, Mehrphasenkommutatormotoren mittels Einphasenstrom zu erregen. Die Läuferwicklung wird durch Bürsten am Kommutator in einer Richtung kurzgeschlossen und der einphasige Erregerstrom dem Kommutator senkrecht zu der Kurzschlußachse zugeführt.

Ferner ist in der Patentschrift 165053 und Zusatzpatenten gezeigt, daß die Tourenzahl eines kompensierten einphasigen Nebenschlußmotors dadurch geregelt werden kann, daß man eine Querwicklung in Reihe mit den nicht kurzgeschlossenen Bürsten schaltet.

Dieses Prinzip zur Reglung der Tourenzahl bei Einphasenmotoren läßt sich, wie gezeigt werden soll, auch auf Mehrphasenkommutatormotoren, die eine einphasige Erregung des Läufers besitzen, übertragen. Bezeichnen W₁ die Windungszahl zwischen den nicht kurzgeschlossenen Bürsten, W_q die Windungszahl einer Ständerphase, deren magnetische Achse mit der des nicht kurzgeschlossenen Teiles der Läuferwicklung zusammenfällt, c die Periodenzahl des dem Motor aufgedrückten Einphasenstromes und c_r die der Tourenzahl des Läufers entsprechende Periodenzahl, so ist die Reaktanz der Anker-

wicklung und der mit dieser in Reihe geschalteten Ständerphase proportional

I —■

W₁ Wq \ C

Die Reaktanz verschwindet also, wenn

W₁ — c

ist. Da die Tourenzahl jedes Wechselstrommotors sich stets so einstellt, daß das Drehmoment bei einem und demselben Strom ein Maximum ist, d. h. daß die Reaktanz ein Minimum ist, so ist leicht einzusehen, daß der obige Einphasenmotor mit einer Tourenzahl läuft, bei welcher die Läuferreaktanz fast verschwindet, d. h. daß

oder

c,- = c

i-W_q
W₁

V₁-Wg

W,

r "1

wird.

Ist eine Phase der Ständerwicklung der Ankerwicklung entgegengeschaltet, so ist Wg positiv, und der Motor arbeitet unterhalb des Synchronismus. Wenn umgekehrt eine Ständerphase die Ankerwicklung unterstützt, so läuft der Motor übersynchron. Bei dieser Tourenreglung wird dem Läufer gar keine Energie entnommen, denn die zwischen den Läuferbürsten auftretende Spannung ist bei Asynchronismus fast um 90⁰In Phase gegen den zugeführten Erregerstrom verschoben. Bei Synchronismus ist die Spannung an den Kommutatorbürsten fast in Phase mit dem Erregerstrom aber nur so groß, daß sie gerade den O hm'sehen Spannungsabfall in der Läuferwicklung decken kann.

Wie ersichtlich, beruht dieses Reglungsverfahren auf einem anderen Prinzip als das von der Union Elektricitätsgesellschaft in Patent 153730 und Zusatzpatenten angegebene. Bei diesem letzteren entnimmt man dem Läufer einen Teil der ihm durch das Drehfeld zugeführten Energie, indem die Bürsten über äußere Stromkreise geschlossen werden. Bei der vorliegenden Anordnung dagegen sind die den Arbeitsstrom führenden Kommutatorbürsten kurzgeschlossen und die den Erregerstrom führenden Bürsten in Reihe mit einer Ständerphase geschaltet. Es wird hier dem Läufer keine elektrische Energie entnommen. Bei der Anordnung der Union wird für einen guten Leistungsfaktor gesorgt, indem den Läuferbürsten eine passende Erregerspannung aufgedrückt wird. Bei der hier vorgeschlagenen Anordnung wird der gute Leistungsfaktor teils durch eine richtige Erregerspannung und teils durch eine richtige Spannung pro Windung der Hauptwicklung erreicht.

In Fig. ι ist die Schaltung für einen Zweiphasenmotor dargestellt. 5; ist die Hauptwicklung der ersten Phase; S_n ist die zweite Ständerphase, welche in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet ist. Die Bürsten S₁ S₃, deren Achse mit derjenigen der Wicklung S₁ zusammenfällt, sind kurzgeschlossen. Die Bürsten S₂ und S₄ in der dazu senkrechten Achse sind über einen Teil der Wicklung S₁₁ (der Querwicklung der Patentschrift 165053) geschlossen, sie erhalten ihre Erregerspannung von dem zwischen den Klemmen der ersten Phase liegenden Transformator NT. Denkt man sich die Wicklung S₁₁ vorerst nicht an die Klemmen II angeschlossen, so wird der Motor wie ein Einphasenmotor arbeiten und einen Querfluß

bedingen. Wenn man nun die Wicklung S_n an die Klemmen II anschließen will, ohne daß ein zu großer wattloser Strom zwischen dieser und den Klemmen fließt, so muß man dafür sorgen, daß die Spannung zwischen den Klemmen II angenähert gleich der vom Querfluß Φ_α in S_n induzierten E. M. K. ist. Dies geschieht, indem man den Kontakt Kj? der Erregerspannung richtig einstellt. Ks dient zur Einstellung der richtigen Spannung der Wicklung 5;, während K τ zur Reglung der Tourenzahl dient. Nimmt nun die Wicklung S_n einen Strom vom Netz auf, was nicht durchaus nötig ist, so bedingt dieser einen entgegengesetzt gerichteten Strom über die Bürsten S₂ und S₄. Ist dieser Strom in Phase mit der Spannung an den Klemmen II, so wird bei Untersynchronismus elektrische Energie vom Läufer in die Wicklung S_n übergeführt. Ist der S₁₁ zugeführte Strom um 90⁰ in Phase gegen die Spannung an den Klemmen II verspätet, so hilft dieser mit zur Erzeugung des Querflusses Φ_? und bedingt eine Abnahme des Magnetisierungsstromes i_n über die Bürsten S₂ S₄.

Da die Wicklung S_n nicht nötig hat, einen Arbeitsstrom vom Netz aufzunehmen, so braucht keine Energieentnahme aus dem Läufer stattzufinden. Die Reglung der Tourenzahl beruht bei dieser Anordnung nicht auf einem Energieaustausch zwischen Läufer und Netz, sondern lediglich auf der Reihenschaltung der Läuferwicklung mit einem Teil der Ständerwicklung, deren Achse mit der der nicht kurzgeschlossenen Bürsten S₂ S₄ zusammenfällt.

Durch passende Einstellung der Regler-

kontakte Ke und Ks, die keinen Einfluß auf die Tourenzahl haben, hat man es ganz in der Hand, die Arbeits- und Magnetisierungsströme auf die beiden Phasen I und II beliebig zu verteilen. Es ist möglich, Phasengleichheit in beiden Phasen zu haben. In diesem Falle muß die Spannung pro Windung in Phase I und II sich verhalten wie

Tourenzahl des Motors
Svnchrone Tourenzahl des Motors

Natürlich ist es nicht nötig, Phasengleichheit in beiden Phasen und somit diese Bedingung zwischen den Spannungen einzuhalten. Es kann bei großen Tourenänderungen unter Umständen vorteilhaft sein, die Phase I den größten Arbeitsstrom und Phase II einen größeren Magnetisierungsstrom aufnehmen zu lassen.

Das angegebene Prinzip läßt sich in mannigfacher Weise anwenden. Im folgenden sollen die Schaltungen einiger der vielen Ausführungsformen beschrieben werden.

Die Schaltung Fig. 2 unterscheidet sich von der Schaltung Fig. 1 nur dadurch, daß der Transformator NT zwischen den Klemmen der Phase I weggelassen ist und daß die Erregerspannung direkt von der Hauptwicklung S₁ mittels des Kontaktes Ke entnommen wird. Um die Spannung pro Windung in den beiden Phasen verschieden machen zu können, wird die Windungszahl der Phase S_n mittels des Kontaktes Ks reguliert. Da bei einer Verkleinerung der Tourenzahl sowohl Kt wie Ks nach links verschoben werden muß, so lassen sich diese zu einem Kontakt Kst vereinigen, wie es in der Fig. 3 geschehen ist.

Fig. 3 zeigt die Schaltung für einen dreiphasigen Ständer. Der Läufer ist mit Dreibürstenschaltung ausgeführt. In dem Raum zwischen den kurzgeschlossenen Bürsten B₁ und B₂ liegen auf dem Ständer die Wicklungen S₁J und S₁₁₁ der Phasen II und III. O ist der neutrale Punkt. Dieser ist durch den verschiebbaren Kontakt Kst mit der Wicklung S₁ der Phase I verbunden. Das kurzgeschlossene Bürstenpaar -B₁ und B₂ ist durch den Schieberkontakt Ke zur Reglung der Erregerspannung mit der Wicklung S₁₁ verbunden. Wie leicht ersichtlich, wird die Tourenzahl verkleinert, wenn man den Kontakt Kst nach links verschiebt. Gleichzeitig muß man den Kontakt Ke nach oben verschieben, um die einem guten Leistungsfaktor entsprechende Erregung zu erhalten.

Fig. 4 stellt dieselbe Schaltung dar, nur sind hier zwei Transformatoren NT₁ und NT eingeschaltet, um die vielen Anzapfungen der Ständerwicklungen zu vermeiden, welche durch die Kontaktknöpfe bedingt werden, an denen die Schieberkontakte Kst und Ke gleiten. NT ist ein Nebenschlußtransformator, der zwischen den Hauptwicklungen S₁₁ und S₁JJ und der Läuferwicklung zur Lieferung der Erregerspannung eingeschaltet ist. NT₁ ist ein Nebenschlußtransformator, der zur Einstellung der richtigen Spannung der Phase I mittels des Kontaktes Kst benutzt wird. ,

Da Schieberkontakte keine allmähliche, sondern nur eine sprungweise Änderung der Tourenzahl zulassen, so ist es in den Fällen, wo eine solche nicht erwünscht ist, nötig, die Transformatoren mit Schieberkontakten durch Induktionsregler (Transformatoren mit drehbarem Eisenkern) zu ersetzen.

Die Ausführungen in Patent 165053 bezüglich der Verwendung von Induktionsreglern können ohne weiteres auf den vor- liegenden Fall übertragen werden.

Auf diese Weise erhält man die gleiche Tourenreglung wie bei Gleichstrom-Nebenschlußmotoren , die an ein Dreileiternetz angeschlossen sind. Jede Spannung gibt ein Reglungsgebiet, und innerhalb eines jeden Gebietes wird die Tourenzahl mittels des Nebenschlußreglers geändert, und zwar erreicht man die gröbere Stufung durch Umschaltung der Ständerwicklungen oder durch Änderung der Spannung an den Ständerklemmen und die feinere Reglung innerhalb eines jeden Gebietes durch Verstellung der Induktionsregler. Die Induktionsregler können dann für eine kleinere Leistung bemessen werden.

In Fig. 5 ist die Schaltung zur Tourenreglung eines Zweiphasenmotors unter Anwendung eines Induktionsreglers ST dargestellt. PW ist die Primärwicklung, die zwischen den Klemmen der Phase II liegt, KW die Kurzschluß wicklung und SW eine zweiteilige Wicklung, deren einer Teil in Reihe mit der Ständerwicklung Sj₁ und deren anderer Teil in Reihe mit der Läuferwicklung liegt. Ke ist der Reglerkontakt zur Einstellung der richtigen Erregerspannung. Die Drehung des Kernes entspricht der Verschiebung des Kontaktes Kst in Fig. 4.

In Fig. 6 ist nahezu dieselbe Schaltung wie in Fig. 5 dargestellt. Hier liegt die Primärwicklung PW aber nicht zwischen den Klemmen der Phase II, sondern sie bekommt eine Spannung, die sich aus zwei Komponenten zusammensetzt, von denen die eine mit der Spannung der Phase II und die andere mit der Spannung der Phase I zeitlich in der Phase übereinstimmt. Der Regler-

kontakt Kn kann deswegen hier weggelassen werden, weil eine Verstellung des Induktionsreglers auch eine Änderung der Erregerspannung zur Folge hat. Berechnet man den Motor Fig. 6 so, daß die Phase II vom Netz nur einen kleinen Arbeitsstrom und einen etwas größeren Magnetisierungsstrom aufnimmt, so wird die scheinbare Leistung des Induktionsreglers klein, und er kann somit kleine Abmessungen erhalten.

Die Mehrphasenmotoren werden am bequemsten angelassen, indem man Widerstände zwischen die Läuferbürsten, und zwar sowohl zwischen die kurzgeschlossenen als zwischen die Erregerbürsten einschaltet. Bei Niederspannungsmotoren kann man zur Verkleinerung der Spannungen die Widerstände auch vor die Ständerwicklung schalten. Es lassen sich die mehrphasigen Motoren auch dadurch anlassen, daß man alle Bürsten am Kommutatorumfange verschiebt. Bei Mehrphasenmotoren wird die Drehrichtung umgekehrt, indem man ebenso wie bei Asynchronmotoren den Drehsinn des Drehfeldes durch Umschaltung der Ständerphasen umkehrt.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   I. Anordnung zur Tourenreglung mehrphasiger Wechselstrommotoren, deren Läuferwicklung in einer Richtung kurzgeschlossen und in einer dazu fast senk- I rechten Richtung durch Einphasenstrom in Nebenschlußschaltung erregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Ständervvicklung, dessen magnetische Achse mit derjenigen der nicht kurzgeschlossenen Teile der Ankerwicklung nahezu zusammenfällt, ganz oder teilweise entweder direkt oder mittels eines regelbaren Serientransformators mit den nicht kurzgeschlossenen Kommutatorbürsten in Reihe geschaltet ist, wobei sowohl die Spannung, welche einer Windung der Ständerwicklung in der Richtung der kurzgeschlossenen Kornmutatorbürsten aufgedrückt wird, als auch die Spannung, welche einer Windung der Ständervvicklung in der Richtung der nicht kurzgeschlossenen Kommutatorbürsten aufgedrückt wird, geregelt werden kann.
2. 2. Ausführungsform der Anordnung zur Tourenreglung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Serientransformator zur Einreglung des gewünschten Übersetzungsverhältnisses zwischen dem nicht kurzgeschlossenen Teil der Ankerwicklung und der gleichachsigen Ständerwicklung und der Transformator, der zur Herstellung der erforderlichen Spannung an den Ständerklemmen dient, zu einem Mehrphasentransformator vereinigt sind, der nach der Bauart einer Asynchronmaschine mit drehbarem Läufer ausgeführt ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.