DE235040C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

-Λ* 235040 -' KLASSE 21 d. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 18. März 1909 ab.

Die Drehzahl mehrphasiger Kollektormotoren richtet sich nach der Stärke des magnetischen Feldes und, wenn der Einfachheit wegen die Windungszahlen von Stator und Rotor als gleich angenommen werden, nach der Differenz der den Stator- und Rotorwicklungen zugeführten Spannungen. Während sich bei Serienschaltung von Stator und Rotor der Kraftfluß und damit auch die Drehzahl nach

ίο der Belastung einstellt, so daß sie mit wachsendem Drehmomente abnimmt, bleibt sie bekanntlich bei Nebenschlußanordnung, bei der man die Stator- und Rotorspannung durch regelbare Transformatoren getrennt auf bestimmte Werte einstellen kann, nahezu unabhängig von der Belastung. Durch Regeln der Spannungen kann man hier jede beliebige Leerlaufsdrehzahl einstellen, bei Belastung tritt eine nur geringe Schlüpfung ein, entsprechend dem Ohmschen und induktiven Spannungsabfalle in den Arbeitsstromkreisen. Während dieses Verhalten für viele Verwendungszwecke sehr vorteilhaft ist, liegt doch manchmal das Bedürfnis vor, die Drehzahl bei variabler Belastung genau konstant zu halten, ähnlich wie es bei den kompoundierten Gleichstrommotoren erzielt wird. Andererseits ist es oft erwünscht, einen starken Abfall der Drehzahl bei Belastung zu erhalten, beispielsweise um die Pufferwirkung von Schwungrädern ausnutzen zu können. Das letztere Ziel läßt sich bei Wechselstrommotoren allerdings ohne weiteres erreichen, indem man Widerstände oder Selbstinduktionen (bzw. Streuung) künstlich vergrößert und da-? durch entweder die Stator- oder die Rotorspannung abhängig von der Belastung verändert. Beide Mittel sind aber sehr unwirtschaftlich, weil man bei ihrer Anwendung entweder stark vergrößerte Energieverluste erhält oder aber eine stark verminderte Belastungsgrenze des Motors.

Vom Ankerstrome durchflossene Kompoundierungswindungen auf dem Stator anzubringen, ähnlich wie bei Gleichstrommaschinen, führt bei Wechselstrommaschinen nicht zu dem gewünschten Ziele, weil die Stärke des Hauptfeldes hier .doch nur von der angelegten Statorspannung abhängig wäre, ganz unabhängig von dem den Stator durchfließenden Arbeitsstrome. Es ist zwar vorgeschlagen, die Kompoundierungswindungen auf magnetisch vom Hauptstator getrennte Pole zu wickeln, um eine gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden, doch wird diese Anordnung in der Ausführung sehr teuer.

Die vorliegende Erfindung besteht nun darin, einen Energieaustausch zwischen Stator- und Rotorströmen mit Hilfe eines Serientransformators zu bewirken, derart, daß die übertragenen Spannungen nahezu proportional den Belastungsstromstärken und daher auch dem Drehmomente sind. Eine Schaltungsanordnung, die beispielsweise für Dreiphasen-Kollektor - Nebenschlußmotoren geeignet ist, zeigt Fig. i. Stator- und Rotorströme des Motors m durchfließen die beiden Wicklungen eines Serientransformators s, der zur bequemen

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Regelung als verstellbarer Drehfeldtransformator ausgeführt sein kann. Stellt man ihn derart ein, daß die beiden Magnetfelder seines Stators und Rotors sich räumlich aufheben, was sich bei allen Belastungen bei derselben Stellung fast genau erreichen läßt, wenn die Amperewindungen der Transformatorwicklungen proportional denen im Motor ausgeführt werden, so werden keine wesentlichen Spannungen in ihm induziert, und die Stromkreise wirken daher auch nicht aufeinander ein. Die Drehzahl des Motors m ist also in reiner Nebenschlußschaltung durch die Spannung am Haupttransformator η regelbar.

Verdreht man nun aber die Wicklungen des Transformators s gegeneinander, so entsteht in ihm ein resultierendes Feld Φ₅, das, wie das Diagramm Fig. 2 zeigt, Spannungen e_s erzeugt, die eine große Komponente in Richtung der Ströme selbst haben und daher eine Energieübertragung zwischen Stator- und Rotorarbeitsströmen bewirken. Eine geringe induktive Spannungskomponente ist unvermeidlich, da sie. zur Erzeugung des magnetisehen Feldes notwendig ist. Die Stärke des Feldes und damit die Stärke der Kupplung zwischen den beiden Stromkreisen läßt sich durch Verstellen des drehbaren Transformators bequem ein regulieren. Da das magnetische

Feld direkt proportional den Strömen ist, sofern man die Transformatorstellung nicht verändert, so gilt dasselbe auch von der Spannung e_s an den Klemmen des Serientransformators. Natürlich ist man nicht auf die Anwendung eines Drehfeldtransformators angewiesen, sondern kann auch einen gewöhnlichen Spulentransformator mit festen Wicklungen gebrauchen, nur muß man dann durch eine geeignete, etwa durch eine gemischte Wicklung der Phasen dafür sorgen, daß der . gewünschte magnetische Fluß entsteht.

Man kann beispielsweise auch die beiden Stromkreise in Sternschaltung gegeneinander wirken lassen und das magnetische Feld, das um 90⁰ versetzt sein muß, von Zusatzwindungen erzeugen lassen, die in Dreieckschaltung verbunden sind.

Will man nun einen Abfall der Drehzahl des Motors m bei Belastung erzielen, so muß der Transformatorfluß eine solche Richtung haben, daß in der an den Stator geschlossenen Wicklung des Serientransformators Energie erzeugt, in der an den Rotor geschlossenen Energie verbraucht wird. Bei untersynchronem Laufe des Motors m, der beispielsweise . betrachtet werden soll, liefert der Rotor aus dem Kollektor heraus Energie zurück. Diese wird zum Teil in dem Serientransformator aufgezehrt und auf den Statorkreis übertragen, zum anderen Teile gelangt sie durch den Regeltransformator η in das Netz zurück.

Es wird demnach durch die Wirkung des Serientransformators sowohl die Rotorspannung als auch die wirksame Statorspannung um denselben Betrag erhöht, so daß ihre Differenz unverändert bleibt. Wegen der erhöhten Statorspannung steigt aber auch der Motorkraftfluß, und die Folge davon ist ein Sinken der Drehzahl gegenüber dem Leerlaufswerte. Die Stärke des Abfalles der Dreh- zahl läßt sich auf Grund des früher Erläuterten am Serientransformator auf einen gewünschten Betrag einstellen.

Will man eine von der Belastung des Motors unabhängige oder gar mit ihr steigende Drehzahl erhalten, so muß man dem Felde des Serientransformators die entgegengesetzte Richtung geben, so daß die Statorspannung und damit das Motorfeld mit zunehmenden Strömen sinkt. Bei Übersynchronismus ändert sich an der gesamten Wirkungsweise gar nichts, es werden nur im Rotorkreise die Richtungen der resultierenden Spannungen vertauscht. Die Leerlaufsdrehzahl läßt sich natürlich jederzeit am Nebenanschluß-Regeltransformator η einstellen.

Nennt man die Netzspannung E, das Übersetzungsverhältnis des Regeltransformators ü, die Netzfrequenz w, die der Drehzahl entsprechende Frequenz v, den Kraftfluß im Motor Φ, die Windungszahl, die im Stator und Rotor dieselbe sein möge, w, und schließlich die Spannung am Serientransformator e_s, dann ergeben sich für die Statorspannung die Werte

e_st = E -f- e_s = ω w Φ
und für die Rotorspannung

e,- = üE -(- e_s = (w — v) w Φ.

Dabei sind, um einen einfachen Überblick über die Wirkungsweise zu erhalten, sowohl die Ohmschen Widerstände als auch die Magnetisierungsströme und Streuungen, die alle nur sekundäre Wirkungen ausüben, vernachlässigt.

Für die Drehzahl des Motors erhält man daraus

ι — ü
y = w . r-—·

Fig. 3 gibt die Kurvenschar wieder, die man für die Drehzahl bei verschiedenen Belastungen und verschiedenen Übersetzungen des Regeltransformators erhält. Es muß dabei beachtet werden, daß die Spannung e_s am Serientransformutor nahezu proportional der Belastung ist, und daß der Proportionalitätsfaktor beliebig wählbar ist.

Ganz ebenso wie bei Kollektormotoren läßt sich auch bei Mehrphasenmotoren, deren Ro-

toren durch Frequenzwandler hindurch an das j primäre Netz angeschlossen sind, durch Energieübertragung zwischen Rotor- und Statorkreise die Drehzahl selbsttätig in Abhängigkeit von der Belastung regeln. Eine hierzu geeignete Schaltung, bei der der mechanische Antrieb des Frequenzwandlers durch einen Drehfeldmotor bewirkt wird, zeigt Fig. 4. Da der Antriebsmotor m des Frequenzwandlers f mit allen Stromkreisen parallel dem Hauptmotor h liegt und beide somit dieselbe Abhängigkeit von Spannung und Drehzahl .besitzen, so unterscheidet sich diese Anordnung elektrisch nicht von der Schaltung der Fig. 1, und die oben hergeleitete Beziehung für die Drehzahl gilt auch hierfür, solange Frequenzwandler f und Hauptmotor h beide über oder beide unter Synchronismus laufen.

Läuft dagegen der Frequenzwandler übersynchron, der Hauptmotor untersynchron oder umgekehrt, dann stimmen die Richtungen der Energieflüsse im Hauptmotor h und Antriebsmotor m nicht mehr überein, und um im Serientransformator s wieder primär und sekundär die gleichen Stromstärken zu erhalten, muß man eine besondere Wicklung für die Ströme des Motors m im entgegengesetzten Sinne wie für den Motor h auf dem Transformator anbringen, wie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist.

Es ist natürlich nötig, den Serientransformator stets zwischen solche Stromkreise zu schalten, die nicht nur dieselbe Frequenz, sondern auch bei allen Leerlaufsdrehzahlen dieselben Stromstärken besitzen, damit seine Wirkung bei allen Stellungen des Nebenschlußregeltransformators richtig bleibt und keine schädlichen Drosselwirkungen eintreten.

Ohne Verwendung eines Serientransformators zur Kupplung von Stator- und Rotorströmen besitzt das Maschinenaggregat, bestehend aus Drehfeld - Induktionsmotor, Frequenzwandler und Nebenschlußregeltransformator, im Rotorkreise die Eigenschaften eines gewöhnlichen Nebenschlußmotors, der Hauptmotor erleidet einen nur geringen Abfall der Drehzahl bei Belastung. Verwendet man andererseits die hier beschriebenen Anordnungen, so kann man dem Hauptmotor die oft erwünschte Eigenschaft eines reinen Serienmotors verschaffen. Es ist dazu nur erforderlich, den Nebenschlußtransformator η ganz fortzulassen und Stator- und Rotorkreise allein durch einen Serien transformator s von passender Größe zu kuppeln, wie in Fig. 5 dargestellt ist.. Die Drehzahlkurve des Motors wird angenähert durch Fig. 3 für ü = 0 dargestellt; es muß aber beachtet werden, daß für geringe Belastungen die Spannung e_s am Serientransformator nicht mehr proportional der Belastungsstromstärke ist, weil dann auch der Magnetisierungsstrom eine erhebliche Rolle spielt. Dadurch kommen die Werte für geringe Belastungen auf die negative Seite von e_s zu liegen, so daß man vollkommene Seriencharakteristik erhält.

Bei reiner Serienschaltung kann man auch einen Transformator ganz vermeiden, wenn man die Statorwicklung des Hauptmotors offen ausführt und die Statorströme, wie in Fig. 6, direkt durch den Frequenzwandler hindurch in den Rotor sendet. Man muß dann nur darauf achten, daß die Drehzahl des Frequenzwandlers sich selbsttätig richtig einstellen kann, was bei der Schaltung des Antriebsmotors nach Fig. 6 der Fall ist. Selbstverständlich kann man in allen Fällen statt des gesonderten Antriebsmotors für den Frequenzwandler auch einen Selbstantrieb durch Statorerregung anwenden.

Claims (4)

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren zur selbsttätigen Geschwindigkeitsregelung von Mehrphasenmotoren, deren Stator- und Rotorarbeitswicklungen an äußere Stromkreise angeschlossen sind, gekennzeichnet durch eine derartige, von der Belastung des Motors abhängige Energieübertragung zwischen Stator- und Rotorkreisen, daß deren Arbeitsspannungen von der übertragenen Energie beeinflußt werden.

2. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Serientransformator, dessen Wicklungen von den Stator- und Rotorarbeitsströmen durchflossen werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Serientransformator als verstellbarer Drehfeldtransformator ausgebildet ist, zu dem Zwecke, die Stärke des magnetischen Flusses und damit der Energieübertragung einstellen zu können.

4. Verfahren nach Anspruch 1 für Drehfeldmotoren ohne Kollektor, deren Schlüpfungsenergie durch Frequenzwandler auf die Periodenzahl der Statorströme umgeformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Schlüpfungsenergie der Statorwicklung in Serie . — unmittelbar oder transformatorisch — zugeführt· wird, zu dem Zwecke, dem Drehfeldmotor Seriencharakter zu verleihen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.