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Verfahren zum Betrieb einer Kommutatorkaskade.
Ein Induktionsmotor kann als Vordermaschine einer Kommutatorkaskade durch Regelung der
Kollektorhintermaschine so gesteuert werden, dass sich seine Leistung mit der Änderung der Drehzahl ändert oder aber so, dass seine Leistung auch bei Änderung der Drehzahl konstant bleibt. Ändert sich die Leistung mit der Drehzahl, dann besitzt er eine Charakteristik, die als ,,drehzahlabhängig" bezeichnet werden soll. Ändert sich die Leistung mit der Drehzahl nicht, dann sei die Charakteristik mit "drehzahl- unabhängig"bezeichnet.
Das Beispiel einer Anlage, die mit beiden Charakteristiken arbeiten kann, zeigt Fig. 1. In dieser Figur ist 1 das Netz, 2 der Induktionsmotor, 3 die Kommutatorhintermaschine mit der Erregerwicklung 4, /5 die Erregermaschine, die durch die Antriebsmasohine 12 auf konstanter Drehzahl gehalten wird. Die Erregermaschine 5 hat zwei Erregerwicklungen 6 und 8 und soll grosse Ankerrückwirkung besitzen, so dass in jedem Moment der Ankarstrom nahezu gleich der Summe bzw. Differenz der Eiregerströme (auf gleiche Windungszahl bezogen) der beiden Wicklungen ist.
Die Wicklung 6 ist unter Zwischenschaltung eines regelbaren Widerstandes 7 an die Schleifringe des Induktionsmotors 1 angeschlossen, während die Wicklung 8 unter Zwischenschaltung des regelbaren Widerstandes 9 an die Kommutatorbürsten des Frequenzumformers 10 gelegt ist, dessen Schleifringe vom Netz 1 über einen Transformator 11 mit konstantem oder regelbarem Übersetzungsverhältnis gespeist werden.
Die Art der Charakteristik dieser Anlage - ob drehzahlabhängig oder drehzahlunabhängig- wird nun durch die jeweilige Art der Abhängigkeit des Rotorstromes des Induktionsmotors von der Schlüpfung bestimmt, denn der Rotorstrom ist ein Mass für das Drehmoment und er bestimmt somit auch die Leistung des Motors. Für die Grösse des Rotorstromes sind nun die im genannten Rotorstromkreis wirksamen EMKe massgebend. Als solche kommen hier zwei in Betracht, u. zw. erstens die im Rotor des Induktionsmotors 2 vom Stator aus induzierte EMK, welche der Schlüpfung proportional ist, und zweitens die im Rotor der Kollektormaschine 3 erzeugte EMK, deren Abhängigkeit von der Schlüpfung durch die Art der Erregung dieser Kollektormasehine bestimmt wird.
Die Erregerwicklung 4 wird nun aber von einer Erregermaschine 5 gespeist, die ihrerseits zwei Erregerwicklungen besitzt, von denen die eine (8) über den Widerstand 9 von einer von der Schlüpfung unabhängigen konstanten Spannung gespeist wird, während die andere (6) über den Widerstand 7 von der Schleifringspannung des Induktionmotors gespeist wird, welche der Schlüpfung proportional ist.
Es ist nun bekannt, dass es einen bestimmten Wert für den Widerstand 7 gibt, bei welchem die Erregungen der Maschine 5 im Ankerstromkreis dieser Maschine einen Erregerstrom für die Kollektormaschine 3 induzieren, der in dem Ankerstromkreis der Maschine 3 eine EMK erzeugt, die in Abhängigkeit von der Schlüpfung aufgetragen parallel zu der im Motor 2 induzierten EMK verläuft. Die Differenz der Ordinatenweite dieser beiden parallelen Geraden ergibt somit bei jeder Schlüpfung den gleichen Betrag und stellt die im Rotorstromkreis resultierend wirkende EMK dar, welche den Rotorstrom erzeugt. Man erkennt, dass in diesem Falle der Rotorstrom von der Drehzahl unabhängig ist, so dass also eine drehzahlunabhängige Charakteristk vorliegt.
Bei jedem andern Wert des Widerstandes 7 schneiden sich die Geraden der EMKe im endlichen, so dass es stets eine Drehzahl gibt (Leerlaufsdrehzahl), bei welcher die Differenz der EMKe, demnach auch der Rotorstrom den Wert Null hat, während jede Abweichung von dieser Drehzahl eine Zunahme des Rotorstromes bedingt. Es liegt also der Fall der drehzahlabhängigen Charakteristik vor. In jedem dieser Fälle müssen aber die Widerstände 7 und 9 gegenüber den induktiven Widerständen der Wicklungen 6 und 8 gross sein.
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Beim Betrieb mit drehzahlabhängiger Charakteristik kann die Leerlaufsdrehzahl und der Drehzahlabfall bei Belastung durch die'Widerstände 7 und 9 und durch die Übersetzung des Transformators 11 eingestellt werden. Beim Übergang von einer Charakteristik auf die andere kommt somit ausser der Einstellung des Widerstandes ? auch die Regelung des Widerstandes 9 und des Übersetzungsverhältnisses des Transformators 11 in Betracht.
Statt der in Fig. 1 gezeichneten Schaltung, wo zwei Ströme in Parallelschaltung die Erregermaschine 5 speisen, kann die Erregung auch durch Reihenschaltung zweier Spannungen erreicht werden.
Es wird nun oft die Forderung gestellt, dass innerhalb gewisser Grenzen des Kraftbedarfes der angetriebenen Maschine, also innerhalb gewisser Leistlmgsgrenzen des Induktionsmotors dieser mit drehzahlabhängiger Charakteristik arbeiten soll, in den Grenzwerten selbst aber soll er mit drehzahlunabhängiger Charakteristik arbeiten, wobei dann die Differenz zwischen Kraftbedarf der angetriebenen Maschine und der konstant eingestellten Leistung des Induktionsmotors auf besonderem Wege, z. B. durch eine weitere Antriebsmaschine oder durch Massenbeschleunigung, aufgenommen werden muss.
Während nun der Übergang von drehzahlabhängiger auf drehzahlunabhängige Charakteristik beim Erreichen der festgelegten Leistungsgrenzen unter Vermittlung eines Leistungsreglers ohne Schwierigkeiten bewirkt werden kann (weil die Einstellung des Widerstandes 7 in Abhängigkeit von der veränder-
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erfolgen, dass nach der Rückschaltung die Leistung des Motors einen bestimmten Wert hat, z. B. den gleichen, den sie vor dem Übergang auf drehzahlunabhängige Charakteristik hatte.
Da nun bei dreh7 ; ahlabhängiger Charakteristik die Leistung des Motors eine eindeutige Funktion der Drehzahl ist, könnte der Zeitpunkt, in welchem die RÜckschaltung erfolgen soll, durch Beobachtung der Drehzahl erfasst) die Rückschaltung also selbsttätig in Abhängigkeit von der Drehzahl bewirkt werden.
Vorrichtungen dieser Art sind aber, wenn sie mit der erforderlichen Genauigkeit ansprechen sollen, teuer
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und 6 selbst eine Funktion der Drehzahl. Erfindungsgemäss soll deshalb die Rückschaltung von drehzahlunabhängiger auf drehzahlabhängige Charakteristik in Abhängigkeit von den vor und nach der Umschaltung fliessenden Erregerströmen erfolgen, Da sich der resultierende Erregerstrom viel schneller als die Drehzahl ändert, kann hiebei der für die Umschaltung richtige Zeitpunkt mit grösserer Genauigkeit als bei Beobachtung der Drehzahl erfasst werden.
In Fig. 2 stellt die Strecke SA diejenige Durchflutung der Erregermaschine 5 (Fig. l) dar, die beim Schlupf OS eine der Schlupfspannung des Induktionsmotors entgegengesetzt gleiche Spannung in der
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wechselndem Schlupf wandert B auf der Geraden bl. Gerade c (parallel zu a) stellt schliesslich die resultierende Durchflutung der Erregermaschine 5 bei drehzahlunabhängiger Charakteristik in Abhängigkeit von der Sohlüpfung dar. Die Durchflutung der Wicklung 6 allein wird in diesem Falle durch die Ordinaten der Geraden a, die der Wicklung 8 allein durch die Ordinatendifferenz der Geraden a und c dargestellt.
In anderm Massstab stellen die verschiedenen Durchflutungen zugleich die Erregerströme dar. Das Drehmoment des Induktionsmotors ist bei beliebiger Schlüpfung proportional der Ordinatendifferenz der Geraden a und b bzw. a und c. Unter den Annahmen der Fig. 2 geben abhängige und unabhängige Charakteristik, also beim Schlupf OS, die gleiche Leistung des Induktionsmotors.
Ist nun die Leistung festgelegt, welche der Induktionsmotor unmittelbar nach der Rücksehaltung auf drehzahlabhängige Charakteristik abgeben soll, so kann nach Fig. 2 der Wert der Schlüpfung bestimmt werden, bei dem die Ordinatendifferenz der Geraden aund b dieser Leistung entspricht. Aus der Schlüpfung folgt zugleich der Wert der Erregerströme. Ist diese Schlüpfung z. B. OS, so hat der Strom der Wicklung 6 (Fig. 1) in dem für die Rückschaltung richtigen Zeitpunkt den Wert SA, die Rückschaltung kann also in Abhängigkeit vom Wert dieses Erregerstromes durchgeführt werden.
Genauer kann der Augenblick der Rücksehaltung erfasst werden, wenn nicht der Strom in der Wicklung 6, sondern der in einem getrennten Widerstand 13 (Fig. 1) fliessende Strom zur Bestimmung des Zeitpunktes der Umschaltung verwendet wird, wobei der Kreis des Widerstandes 13 eine "Abbildung" des Kreises des Widerstandes 7 bei unabhängiger Charakteristik darstellt. Eine "Abbildung" der Wick- lung 6 ist unnötig, solange ihr Widerstand vernachlässigbar gegen den Widerstand ? ist. Hat der Wider-
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lung 6.
Wird nun über den im Widerstand fliessenden Strom ein entgegengerichteter Strom gleicher Frequenz überlagert, der konstant und gleich dem Strom des Widerstandes 13 in dem für die Rück-
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schaltung richtigen Zeitpunkt ist, so geht der aus beiden resultierende Strom in diesem Zeitpunkt unter Richtungsänderung durch Null ; der Zeitpunkt der RÜckschaltung kann also sehr genau erfasst werden.
Dieser überlagerte Strom wird nach Fig. 1 von einer entsprechend eingestellten Kommutatorbürste des Frequenzumformers 10 abgenommen und über einen Widerstand 14 geleitet, der so bemessen ist, dass sein Strom beim Sehlupf OS (Fig. 2) entgegengesetzt gleich dem abgebildeten Wert des Erregerstromes SA ist. Der aus beiden Strömen resultierende Strom wird nun der einen Spule 16 eines Relais 15 zugeführt, dessen zweite Spule 17 von einem konstanten Strom gleicher Frequenz, beispielsweise vom Strom des Widerstandes 14, durchflossen ist. Wird eine der Spulen 16 und 17 fest, die andere beweglich angeordnet, so geht in dem für die Rückschaltung gewünschten Zeitpunkt die zwischen beiden wirksame Kraft von Anziehung in Abstossung oder umgekehrt über.
Der Augenblick der Rüekschaltung kann also jetzt sehr genau erfasst und die Rückschaltung durch das Relais 15 bewirkt werden. Dabei muss natürlich der induktive Widerstand der Spulen 16 und 17 klein gegen den Ohmschen Widerstand 1., und 14 sein. Diese Widerstände und das Relais 15 können einphasig oder mehrphasig ausgeführt werden. Erfolgt die Speisung der Erregermasohine 5 durch Reihenschaltung zweier Spannungen, kann beispielsweise der Eifindungsgedanke dadurch verwirklicht werden, dass ein zum Etregerwiderstand parallel geschalteter Widerstand in Reihe zur Spule eines Relais liegt, die vom Strom dieses Hilfskreises und einem gegengeschalteten konstanten Strom gespeist wird.
In einzelnen Fällen kann es vorteilhaft sein, den Zeitpunkt der Rückschaltung nicht vom Absolutwert des Erregerstromes) SL'l vor der Rückschaltung, sondern vom Verhältnis dieses Stromes und des Ell'egerstromes SB1nach der Umschaltung oder auch vom Verhältnis der resultierenden Erregerströme vor und nach der Rückschaltung abhängig zu machen. Der in den Widerständen 7 und 9 nach der Rückschaltung fliessende Strom besteht zwar vor der Rüekschaltung noch nicht.
Erfindungsgemäss sollen aber die nach der Rückschaltung bestehenden Stromkreise der Widerstände 7 und 9, wie oben für den Kreis des Widerstandes 7 erläutert, "abgebildet" und dauernd eingeschaltet werden, so dass der in dem abgebildeten Kreis fliessende Strom dem Eiregerstrom nach der Rückschaltung proportional ist. Der für die Rückschaltung richtige Zeitpunkt kann nun durch Vergleich der vor der Rückschaltung wirklich bestehenden Erregerströme oder der nach diesen abgebildeten Ströme mit den Abbildungswerten der nach der Umschaltung wirklich fliessenden Ströme bestimmt werden.
Das für die Rückschaltung von unabhängiger in abhängige Charakteristik entwickelte Verfahren kann naturgemäss auch zur Bestimmung des Zeitpunktes der Umschaltung von abhängiger in unabhängige Charakteristik verwendet werden, doch wird hier im allgemeinen der für die Umschaltung richtige Zeitpunkt durch einen Leistungsregler mit grösserer Genauigkeit erfasst werden können. Der Erfindunggedanke ist auch sinngemäss anwendbar, wenn die Ströme der Widerstände 7 und 9 nicht, wie in Fig. 1 angenommen, Erregerwicklungen der Erregermaschine, sondern unmittelbar die Erregerwicklungen der Hauptmaschine speisen.
Auch wenn die Umsehaltung im Erregerkreis nur dem Zweck dient, die konstant eingestellte Leistung des Hauptmotors zu ändern, wobei aber die unabhängige Charakteristik beibehalten werden soll, kann die Umschaltung in Abhängigkeit vom Erregerstrom erfolgen. Obwohl dabei ohne Umschaltung der Hauptmotor mit konstanter, von der Drehzahl unabhängiger Leistung arbeiten würde, kann durch die Umschaltung jede verlangte Abhängigkeit zwischen Leistung und Erregerstrom, also auch zwischen Leistung und Schlüpfung, erreicht werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betrieb einer Kommutatorkaskade, deren Betrieb mit drehzahlabhängiger Charakteristik in einen Betrieb mit drehzalllunabhängiger Charakteristik (und umgekehrt) durch geeignete Änderungen der Erregung der Hintermaschine (z. B. Änderung von Widerständen oder des Übersetzungsverhältnisses von Transformatoren) übergeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass diese Änderungen selbsttätig in Abhängigkeit von der der Schlüpfung proportionalen oder um einen konstanten Betrag von ihr abweichenden erregenden Spannung oder einem Strom erfolgen, der vor bzw. nach den Änderungen im Erregerkreis der erregenden Spannung proportional ist.