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Drehzahlregelung von Asynchronmaschinen Die Erfindung bezieht sich
auf die Drehzahlregelung von Asynchronmaschinen durch Polumschaltung im Verhältnis
1:2, bei welcher die Regelung ohne Unterbrechung des Drehmoments mittels zweier
Primärwicklungen verschiedener Polzahl erfolgt.
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Im Falle von Asynchronmotoren mit Käfig oder Doppelkäfig kann die
Regulierung ohne Unterbrechung mittels der bekannten Schaltung erreicht werden,
bei der zwei Statorwicklungen benutzt werden, die während der Übergangsperiode in
Reihe geschaltet sind, worauf dann die eine oder die andere dieser Wicklungen durch
Kurzschluß außer Betrieb gesetzt wird. Diese beiden Wicklungen müssen derart beschaffen
sein, daß jede Wechselwirkung der einen auf die andere verhindert ist, und zwar
sowohl für die Grundwelle wie auch für ihre Harmonischen.
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Da Käfigmotoren nicht verwendet werden können, wenn Maschinen mit
großem Trägheitsmoment oder häufig anlaufende oder vor- und rücklaufende Maschinen
anzutreiben sind, hat die vorliegende Erfindung die Anpassung solcher Polumsehaltvorrichtungen
an Motoren mit gewickeltem Rotor zum Gegenstand.
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Erfindungsgemäß kennzeichnet sich diese Regelung dadurch, daß die
im Stern geschaltete Sekundärwicklung pro. Phase zwei dauernd in Reihe verbundene
Teilwicklungen aufweist und die zugehörigen Widerstände in gleicher Weise geschaltet
und
gruppiert sind, wobei die End- und Mittelpunkte dieser beiden,
durch die Sekundärwicklungen und Widerstände gebildeten Sterngruppen durch Ringe
und Bürsten so verbunden sind, daß die Polumschaltung ausschließlich primärseitig
erfolgt, während der Anlauf durch einen einzigen Anlasser gesteuert wird.
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Die gemäß der Erfindung regulierbaren Motoren können getrennt oder
zusammen mit Kollektormotoren verwendet werden. In letzterem Fall sieht die Erfindung
einfache Mittel vor, die es gestatten, ohne Stromunterbrechung und ohne wesentliche
Stöße von einem Motor auf den anderen überzugehen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung beschrieben.
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Abb. I zeigt das Schema eines neuen Asynchronmotors mit in Reihe geschalteten
Primärwicklungen und mit einem gewickelten Rotor, der sich automatisch den verschiedenen
Polzahlen des Stators anpaßt; Abb. 2 und 3 stellen Teilschemas zur näheren Erläuterung
dar; Abb. 4 zeigt eine regelbare Gruppe mit einem Kollektormotor und einem Motor
gemäß der Erfindung; Abb. 5 stellt schematisch den Transformator eines Kollektormotors
dar; Abb. 6 zeigt die gleiche Vorrichtung wie Fig. I in abgeänderter Form zur Reduzierung
der Zahl der Rotorschleifringe; die Abb. 7 und 8 sind Schemas zur Erläuterung von
Fig. 6.
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In der Abb. I sind in den gestrichelten Rechtecken die Schaltungen
eines Asynchronmotors mit gewickeltem Rotor dargestellt, der den durch das Netz
L gespeisten Statur S und den Rotor R trägt. Jede Phase des Stators trägt je eine
erste Wicklung S1, S2, S3 mit 4 p-Polen, die ein Drehfeld mit halber Drehzahl erzeugt,
und in Reihe mit der ersten eine zweite Wicklung S1', S2', S3' mit 2 p-Polen, die
ein Drehfeld mit voller Drehzahl erzeugt. Schließt man das dreipolige Schütz B1,
B2, B3, so werden die Wicklungen S1', S2', S3' durch Kurzschluß überbrückt, und
der Statur zeitigt 2 p-Pole. Während der Übergangsperiode sind die beiden Schütze
A1, A2, A3 und B1, B2, B3, wie dargestellt, geöffnet, und der Statur S arbeitet
im Augenblick gleichzeitig mit beiden Polzahlen.
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Der Rotor R trägt zwei Wicklungen R1, R2, R3 und R1', R2', R3', die
derart angeordnet sind, daß die verringerte Drehzahl der Reihenschaltung der Wicklungen
R1, R1'; R2, R2'; R3, R3' entspricht und bei voller Drehzahl dieselben Wicklungen
in Parallelschaltung arbeiten.
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Zur Ausführung dieser Polzahländerung sind, wie in der Zeichnung dargestellt,
drei mit den oberen Klemmen verbundene Schleifringe a vorgesehen, drei mit den mittleren
Punkten jeder Phase verbundene Ringe b und der mit dem Sternpunkt des Rotors R verbundene
Schleifring c.
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Die Bürsten, die mit diesen Schleifringen arbeiten, sind entsprechend
mit den Widerständen r1, r2, r3 und r1', r2', r3' verbunden, die auf die gleiche
Art wie die Wicklungen angeordnet sind. Die dreipoligen Schütze M und N sind derart
angeschlossen, daß sie die Ringe a bzw. die Ringe b, wie dargestellt, unter sich
verbinden, während die unteren Enden der Wicklungen und Rotorwiderstände in c einen
ständigen neutralen Punkt bilden.
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Während des Laufs mit verringerter Drehzahl ist das Schütz B1, B2,
B3 geschlossen, in jeder Rotorphase fließt der Strom in der Pfeilrichtung der Abb.
2 in Reihe durch seine beiden Wicklungen, z. B. durch R3 und R3', und seine beiden
Widerstände r3' und r3. Die Verbindungen durch die Ringe b führen also keinen Strom;
die Polzahl am Statur S und am Rotor R ist gleich 4 p. Ist die dieser Polzahl entsprechende
normale Drehzahl erreicht, so kann das Schütz M geschlossen und dadurch der Rotor
kurzgeschlossen und die Widerstände ausgeschaltet werden. Selbstverständlich kann
die Ausschaltung der Widerstände, wenn gewünscht, auch nach und nach geschehen,
d. h. in mehreren Stufen.
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Um auf volle Drehzahl zu kommen, wird zunächst das Schütz B1, B2,
B3 geöffnet und dann das Schütz A1, A2, A3 geschlossen; die unteren Statorwicklungen
S1', S2', S3' erzeugen dann 2 p-Pole und ein schneller drehendes Feld. Die Rotorströme
fließen dann in Richtung der Pfeile der Abb. 3, indem sie die zwei Wicklungen jeder
Phase parallel durchfließen. Um die Widerstände auszuschalten, wird das Schütz N
geschlossen. Dies kann auch, wenn gewünscht, in mehreren Stufen erfolgen.
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Man sieht, daß die Steuerung, die in einer oder in mehreren Stufen
geschieht, ohne Stromunterbrechung vor sich geht, d. h. ohne plötzliche Stromänderungen
und ohne starke Änderungen des Drehmoments, wobei die Vorrichtung im vorliegenden
Beispiel nur vier Schütze A, B, M, N hat.
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Um eine ausgedehntere Geschwindigkeitsskala zu, erhalten und zur Erleichterung
des Anlaufens kann der oben beschriebene Motor (oder eine seiner Ausführungsformen)
zusammen mit einem Kollektormotor verwendet werden. In einer solchen Gruppe kann
die Regulierung bei geringen Drehzahlen mit dem Kollektormotor und bei hohen Drehzahlen
mit dem Asynchronmotor bewerkstelligt werden, wobei das Anlaufen und der Übergang
von einem Motor auf den anderen allmählich und ohne Unterbrechung ebenfalls mittels
Reihenschaltung der Staturen der beiden Maschinen geschieht.
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Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Gruppe ist in der Abb. q. dargestellt,
in der der Asynchronmotor mit seinem Statur S, seinem Rotor R und seinen Schleifringen
a, b, c zu sehen ist, die mit Widerständen, z. B. nach Fig. i, verbunden
sein können.
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Der Ko.llektormotor besteht aus dem Statur s, dem Rotor r und dem
Transformator T, dessen Primärspulen t1 mit s in Reihe geschaltet und dessen Sekundärspulen
t2 mit den Kollektorbürsten verbunden sein können.
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Beim Anlaufen der Gruppe steht der dreiphasige Zwciwegschalter P in
seiner Zwischenstellung, und
die Wicklungen S, t1 und s werden in
Reihe vom Netz L gespeist. Dies begrenzt den aufgenommenen Strom und verringert
die Spannung am Kollektor. Das Anlaufdrehmoment kann also von beiden Motoren zusammen
geliefert werden.
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Um den Kollektormotor allein laufen zu lassen, wird der Schalter P
nach links umgelegt, wobei er den Asynchronmotor S-R kurzschließt.
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Hat der Kollektormotor die gewünschte Drehzahl erreicht, so wird der
Übergang zum Asynchronmotor durch Öffnen des Schalters P und Schließen des Schützes
G, das s ausschaltet und einen neutralen Punkt zwischen t1 und s schafft, erreicht.
Der Transformator T spielt also die Rolle einer Reihenreaktanz, die den Strom im
Stator S beschränkt.
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Ist die erste Drehzahlstufe des Motors S-R erreicht, so wird P nach
rechts umgelegt, was in H den Sternpunkt des Stators S bildet. In gewissen Fällen
kann es günstig sein, außer dem Schütz G (das die Primärwicklung s kurzschließt)
auch ein Schütz F zu schließen (das die Sekundärwicklung r des Kollektormotors ebenfalls
kurzschließt).
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Die weitere Drehzahlsteigerung des Asynchronmotors kann gemäß Abb.
1 erreicht werden.
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Abb. 4 zeigt ein Beispiel eines Kollektormotors mit Dreiphasenrotor
; aber selbstverständlich kann dieser Motor auch mit 4-, 6-, 9-, 12- usw. phasiger
Sekundärwicklung ausgerüstet sein.
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Abb. 5 stellt den Fall einer I2-Phasen-Transformatorsekundärwicklung
dar, die z. B. aus einem sechsteiligen Stern X und zwei umgekehrten Dreiecken Y
und Z besteht. Auf dem Teil a der Abb. 5 sind die folgenden Sekundärwicklungen zu
sehen: Der Doppelstern X mit seinen Klemmen 1-7, 5-11 und 9-3, das erste Dreieck
Y mit seinen Klemmen 2, 6, Io, das zweite Dreieck Z mit seinen Klemmen 8, 4, 12.
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In dem Teil b der Abb. 5 sind die entsprechenden Verbindungen der
zwölf Klemmen zu sehen. Die in Abb. 4 dargestellte Kurzschlußschaltung mittels des
Dreipolschützes F kann also bei einem der Dreiecke 2-6-1o oder 8-4-12 ausgeführt
werden.
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In Abb. 6 ist eine abgeänderte Form der Abb. I dargestellt, die sich
durch die folgende Anordnung unterscheidet: Einerseits bilden die Rotorwicklungen
R1, R1'; R2, R2'; R3, R3' einen Sternpunkt N1, der nicht mehr mit dem getrennt liegenden
Sternpunkt N2, der Rotorwiderstände r1, r1'; r2, r2'; r3, r3' verbunden ist; der
Schleifring c der Abb. 1 fällt infolgedessen fort.
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Andererseits ist jeder dieser Widerstände in mehrere Abschnitte unterteilt,
z. B. in drei, und diese Abschnitte können mittels sechs Zweipolschützen C1, C2,
C3; C1' C2' C3' stufenweise kurzgeschlossen werden. Selbstverständlich kann die
Zahl der Abschnitte und der Schalter größer sein, um die Zahl der Anlaufstufen zu
vergrößern.
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Die Geräte A1, A2, A3 und B1, B2, B3 und die anderen Vorrichtungen
zur Polumschaltung bleiben unverändert.
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Mittels einer geeigneten Wahl des Magnetflusses und des Wicklungsschrittes
im Rotor können die Rotorwiderstände derart gewählt werden, daß sie sowohl für Schaltung
mit geringer Drehzahl wie auch für Schaltung mit voller Drehzahl verwendet werden
können, und zwar sowohl für das Arbeiten mit konstantem Drehmoment wie auch für
das Laufen bei konstanter Leistung.
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In der Abb. 7 ist die Verteilung des Einphasenstroms des Rotors R
in der Schaltung mit geringer Drehzahl gezeigt; Abb. 8 zeigt die Stromverteilung
für die Schaltung mit volleer Drehzahl. Wie ersichtlich, schließen sich die Stromkreise
zwischen den Phasen durch die beiden neutralen Punkte N1 und N2.
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Zur Erläuterung der Arbeitsweise gemäß Abb. 6 sei als Beispiel das
Anlaufen auf eine geringe Drehzahlstufe und das allmähliche Übergehen zur vollen
Motordrehzahl beschrieben.
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Zunächst wird das Schütz B1, B2, B3 geschlossen, was die Schaltung
für geringe Drehzahl bewirkt. Die Rotorströme fließen nach Abb. 7 parallel durch
die Reihenschaltung der Widerstände; dies ist die erste Anlaufstufe. Durch Schließen
der- Schütze C C2' und C3' wird ein Teil der Widerstände kurzgeschlossen ; dies
ist die zweite Stufe. Die dritte Stufe wird erreicht durch das Schließen der Schütze
C1, C2, C3, die vierte durch das Schließen des Schützes M, wonach die Schütze C1,
C2, C3; C1', C2', C3' geöffnet sind.
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Nachdem auf diese Weise das Laufen ohne Widerstände bei geringer Drehzahl
erreicht ist, wird das Schütz B1, B2, B3 geöffnet und A1, A2, A3 geschlossen, wobei
die Polzahl nach den oben gegebenen Erläuterungen verringert wird. Die Rotorströme
verteilen sich nach Abb. 8; sie durchfließen zunächst parallel die Gesamtheit der
Widerstände, was die erste hohe Drehzahlstufe ergibt; das Schließen zunächst der
Schütze C1', C2', C3' und dann der Schütze C1, C2, C3 liefert zwei weitere Stufen;
schließlich. gibt das Schließen des Schalters N die letzte Stufe ohne Widerstände.