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Asynchronmaschinen mit im Sekundärkreis eingeschalteten Kollektormaschinen in
Schaltung für geringe Stromstärken bei znliissigen Anlanfspannungen.
Zum Zweck der Leistungsfaktorverbesserung sowie der Tourenregulierung von Asynchronmaschinen werden bekanntlich in den Läuferstromkreis (Sekundärstromkreis) zusätzliche Spannungen
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oder in Synchronismusnähe arbeiten, also bei den verschiedenen Arten von phasenkompensierten Asynchronmotoren (synchronisierte Asynchronmotoren mit Gleichstromerregung und Asynchron- maschinen mit eigen-und fremderregten Drehstromerregermasehinen usw.) ergibt sich bekanntlich ein ungünstiges Verhältnis von Strom und Spannung im Läuferkrei Die betreffende Erreger-oder Hinter- maschine hat im Synchronismus nur den geringen Ohmschen Spannungsabfall aufzubringen und dabei den vollen Schleifring (Erreger- und Belastungs) strom zu führen. Die Erregermasehinen, die im übrigen
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bewältigen.
Abhilfe durch Anordnung von Ankerwicklungen der Asynchronmaschinen mit entsprechend grosser, in Serie geschalteter Windungszahl, die kleine Ströme und vergleichsweise hohe Widerstände aufweisen, ist bekanntlich deshalb nur in sehr beschränktem Masse möglich, weil dadurch die Schleifringspannung bei voller Periodenzahl im Läufer, d. i. also bei Stillstand und beim Anlauf der Maschine zu hohe Werte erreichen würde. Aus Gründen der Anlasserkonstruktion und der Sicherheit des Bedienungpersonales wird bekanntlich im allgemeinen an den Schleifringen in der Anlaufperiode keine höhere Spannung als äusserstens 600--700 Volt zugelassen.
Ankerwicklungen, die dementsprechend bemessen sind, ergeben aber bei Maschinen grösserer Leistung die oben erwähnten ungünstigen Verhältnisse zwischen Läuferstrom und Läuferspannung im Synchronismus (bei Gleichstromerregung) und in Synchronismusnähe (bei Erregung mit niederfrequentem Drehstrom).
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maschine in zwei hintereinander geschaltete Teile zu unterteilen und zwischen diesen den Anlasswiderstand über Hilfsschleifringe anzuschliessen, wogegen die Erregermasehine an die Phasenendpunkte der Läufer- wicklung über Betriebsschleifringe angeschlossen ist (s. österr. Patentsehrift Nr. 95465, Fig. 2).
Bei dieser Anordnung wird wohl am Anlasser im Stillstand bloss die halbe verkettete Spannung auftreten, wogegen die Wicklungen selbst sowie die Betriebssehleifringe mit einer Spannung beansprucht werden, die gegenüber der eines Asynchronmotors mit normaler Lauferschaltung unvermindert ist.
Die Erfindung ermöglicht die Erzielung hoher Läuferspannungen und niedriger Läuferströme im Synchronismus und in Synchronismusnähe bei zulässigen Anlaufspannungen durch entsprechende Sehaltung und Anordnung einer einzigen Ankerwicklung.
Nach der Erfindung wird die Verkettung der Wieklungsphasen der Läuferwicklung im Stillstand und während des Anlaufes durch Verbindung von innerhalb der Wicklungsphasen gelegenen Punkten vorgenommen, so dass nur die zwischen dem so gebildeten Verkettungspunkt und den Schleifringen eingeschalteten Wicklungsteile beim Anlauf eingeschaltet sind und erst nach vollzogenem Anlauf bzw. Erreichung einer höheren Drehzahl die Verkettung der Endpunkte der Wicklungsphasen und damit die Einschaltung der ganzen Wicklung vorgenommen wird. Dadurch kann erstens mit drei Sehleifringen
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das Auslangen gefunden werden, ausserdem werden die Schleifringe und Wicklungen mit gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich geringeren Spannungen beansprucht.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bilden besondere, nachstehend ausführlich beschriebene Schaltungen, welche alle so ausgeführt sind, dass während der Anlaufperiode einerseits nur ein Teil der Ankerwicklung eingeschaltet wird, anderseits die an den Schleifringen und in der Wicklung sich ergebenden Spannungen und damit die. durch sie hervorgerufenen elektrischen Beanspruchungen aller Teile gegenüber der durch die Gesamtwindungszahl bestimmten Spannung wesentlich herabgesetzte Werte erhalten.
In Fig. 1 ist eine der erfindungsgemäss ausgeführten Wicklungsschaltungen schematisch angedeutet, bei der der beabsichtigte Zweck durch Verlegung des Sternpunktes (Verkettungspunktes) der Wicklungsphasen während des Anlaufes erreicht wird. S bezeichnet in der Figur die normal ausgeführte Ständer-
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der Wieklungsphasen Er, Err und Errr ist nicht, wie sonst, fest durchgeführt, sondern erfolgt erst nach beendetem Anlauf. Während des Anlaufes ist mit Hilfe der eingezeichneten Kurzschlussumschaltvorrichtung KU eine Verbindung zwischen den an beliebiger Stelle innerhalb der Phasen liegenden Punkten Bj, Bjy und BIII hergestellt, wodurch ein neuer Verkettungspunkt gebildet wird.
Die verkettete Spannung, die nunmehr an den Schleifringen SI, SIII auftritt, ist um soviel gegenüber der vollen Wicklungsspannung verkleinert, als dem Verhältnis der Windungszahl zwischen Ar und Br zur Gesamtwindungszahl der Phase zwischen AI und Err entspricht. Dadurch, dass die Anschlusspunkte B näher gegen die Wicklungsanfänge A gelegt werden (z. B. Bl, Brl, BIII') kann die eingeschaltete Windungszahl und dadurch auch die Anlaufspannung im Verhältnis zur vollen Wicklungsspannung bei normaler Anordnung beliebig weit herunter gesetzt werden.
Nach erfolgtem Anlauf wird die Umschaltvor-
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gebracht und dadurch der Sternpunkt der Wicklung durch Verbindung der Phasenendpunkte Er, Err, Errr hergestellt. Nunmehr ist die Wicklung in der üblichen Weise geschaltet und kann, nach den bekannten Methoden sowohl mit Drehstrom als auch Gleichstrom gespeist werden. Die der während des Anlaufes
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spannung und daher auch ein entsprechend geringerer Schleifringstrom während des Betriebes.
Eine analoge Anordnung ist auch für zweiphasige Ausführung der Läuferwicklung möglich.
Die vorgenannten Anordnungen ergeben eine symmetrische Drehstrom- bzw. Zweiphasenwicklung sowohl beim Anlauf als auch während des Betriebes und kann hier die Speisung des Ankers im Betrieb sowohl mit Gleichstrom als auch Drehstrom in der bekannten Art erfolgen. Dass die Wicklungsschaltung während des Anlaufes trotz der nur-teilweisen Benützung der Wicklung einen symmetrischen bzw. gleich-
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gezeichnete schematische Darstellung nur eine Lage der als Zweisehiehtenwicklung angenommenen Ankerwicklung andeutet. Die zugehörigen und diametral gegenüber liegenden Unterlagen der Wicklung, die den entgegengesetzt gerichteten Strom führen, ergeben den erwähnten gleichmässig verteilten Strombelag am Läuferumfang.
Sämtliche erfindungsgemässen Schaltungen sind so ausführbar, dass auch ein dauernder Betrieb der Maschinen als gewöhnliche Asynchronmaschine in der A1ùaufschaltung, seibst- verständlich mit entsprechend geringerer Beaufschlagung, möglich ist. Die bloss teilweise Benützung der Wicklung zum Anlauf ist, da die Anordnung der Wicklung, wie erwähnt, symmetrisch ist, für das Anzugsmoment der Maschine ohne Bedeutung. Es wird nur bei gleichem, verlangten Drehmoment, das übrigens bei Blindleistungsmaschinen meist klein im Verhältnis zur Maschinengrösse ist, ein grösserer Strom durch die betreffenden Wicklungsteile fliessen, als bei der üblichen Anordnung.
Das hat jedoch insofern keinen Einfluss, als diese vorübergehende Vermehrung des Anlaufstromes in einzelnen Wieldungs-
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Bemerkenswert ist, dass die vorstehenden Schaltungen ohne Vermehrung der Zahl der erforderlichen Schleifringe vorgenommen werden können.
Die Kurzschlussvorrichtung kann sowohl von Hand aus direkt, als auch durch mechanische Kupplung mit den Anlassapparaten, als auch automatisch mit den bekannten Hilfsmitteln betätigt werden, wobei die Betätigung derselben in irgendeiner Form von der Tourenzahl der Maschine abhängig gemacht werden kann.
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elektrisch getrennt bleiben. Die hiebei auftretende Spannung entspricht nicht mehr der verketteten Spannung der einzelnen Wicklungsteile, sondern bloss dem unverketteten Teilbetrag der Phasenspannung.
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erzielbar.
Während des Anlaufes bleibt der Sternpunkt offen, nach erfolgtem Anlauf werden durch Betätigung der Kurzschlussvorrichtung KV, die hier ohne Umsehaltung ausgebildet ist, die Wicklungs-
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Im Betrieb sind die Anlaufschleifringe jSj', Sidi, S '/stromlos und können diebetreffenden Bürsten zugleich mit der Einschaltung der Erregermasehine abgehoben werden.
Zwischen den Kontakten der Kurzschlussvorrichtung KV ist überhaupt keine Spannung vorhanden, da dieselben während des Anlaufes an voneinander getrennte Stromkreise angeschlossen sind. Es ist daher innerhalb der Kurzschlussvorrichtung keine besondere Isolationsmassnahme erforderlich.
Die weiteren erfindungsgemässen Anordnungen beziehen sich auf gleichstromgespeiste Maschinen (synchronisierte Asynchronmaschinen). Fig. 3 stellt eine zweiphasige Läufersehaltung dar, bei der nur die Hälfte je einer Phase für den Anlauf herangezogen wird. Die Schleifringe ?,-, < Sjj werden im Betrieb gleichstromgespeist, während die Schleifringe < S'/, /nur während der Anlaufperiode benutzt werden.
Die Wicklung ist auch hier in zwei getrennte Tei'e während des Anlaufes geschaltet, die nach erfolgtem Anlauf mittels einer Kurzschlussvorrichtung KV verbunden, d. h. in Serie geschaltet werden. Die Wicklungsphasen selbst sind abnormal zusammengeschaltet, u. zw. derart, dass je ein Viertel der Gesamtwindungen, d. i. in der Figur der Wicklungstl'ill,'2 und der daneben liegende Teil 8, 9 als unverkettete zweiphasige Anlasswicklung benutzt werden.
Mit dem Wicklungsteil 7,. 2 ist jedoch nicht, wie normal, der gegenüberliegende Teil 5,7 verbunden,
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schaltung der Wicklungsteile ein richtiger Verlauf des Gleichstromes (in der Fig. 3 durch Pfeile bezeichnet) und damit ein richtiges A W-DiagTamm erzielt. In ähnlicher Weise kann eine dreiphasige Anordnung
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Fall ist. Erforderlich sind hier fünf Schleifringe, von denen die Schleifringe SI, SI SII, welche an die Wicklungsteile 1,.2 und 3, 5 in der gezeichneten Weise angeschlossen sind, den Anlauf mit symmetrischem verketteten Zweiphasenstrom gestatten. Die Wieklungsteile 6,7 und 8, 9 sind in Serie geschaltet und werden nach erfolgtem Anlauf in der gezeichneten Weise mit der übrigen Wicklung zusammengeschaltet.
Hiebei ist nach der in der Figur eingezeichneten Anlasserschaltung die Anordnung so getroffen, dass ein Pol der Gleichstrommaschine direkt und dauernd an den Schleifring angeschlossen ist, während der zweite Pol über den Anlasser in der Betriebsstellung des letzteren an den Schleifring SI gelegt wird.
Die Verbindung der während des Anlaufes voneinander elektrisch getrennten Wicklungsteile 1, 5 und 6, 9
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Stromverlauf des Gleichstromes ist auch hier durch Pfeile angedeutet. Wie ersichtlich, ergibt sich auch in diesem Falle eine richtige Erregung. Bei der vorstehenden Anordnung erübrigt sich die Anwendung einer Kurzschlussvorrichtung und erfolgt die ganze Schaltung ausserhalb der Maschine.
Nach dem gleichen Grundsatz ist die dreiphasige Schaltung nach Fig. 5a und 5b aufgebaut. Die Wicklung zerfällt hier in sechs Teile, die in der gezeichneten Weise miteinander und mit den Schleifringen verbunden sind. Hier ist hervorzuheben, dass je zwei von den sechs Gruppen, in die die Wicklung zerfällt, hintereinander verbunden sind, u. zw. die Gruppen 1, 2 und und 3, 4 in Gegenschaltung, die Gruppen 9, 10 und 11, 12 hintereinander, und die Gruppen 5, 6 und 7, 8 ebenfalls hintereinander, jedoch mit verkehrtem Umlaufsinn. Erforderlich sind insgesamt sechs Schleifringe, von denen die Schleifringe SI und su four die Gleichstromspeisung im Betrieb dienen. Die Anlaufschaltung der Wicklung zeigt Fig. 5a.
Die Schleifringe werden so miteinander verbunden und an den Anlasswiderstand gelegt, dass die Wicklungsteile 1,2, 3,4 und 5, 6 eine Art Dreieckschaltung erhalten (s. die schematische Skizze der Anordnung rechts, in der die Verbindungen und die vektorielle Lage der Wicklungsteile während des Anlaufes eingezeichnet ist).
Die Kurzschlussvorrichtung KV ist während des Anlaufes offen. Wie ersichtlich, entspricht die an den Schleifringen auftretende Spannung nur ein Sechstel der Gesamtwindungszahl und kann letztere bei zulässigen Anlaufspannungen bereits ausserordentlich hoch gewählt werden. Im Betrieb ist die Schaltung nach Fig. 5b so vorgenommen, dass die Schleifringe SI, SIV mit Gleichstrom gespeist werden, die Schleifringe SII, miteinander verbunden werden, um die Verbindung zwischen den Punkten 3 und 6 herzustellen und die Kurzsehlussvorriehtung KV, die 7 mit 9 verbindet, kurzgeschlossen wird. Die Schleifringe Sir'sine stromlos und können auch hier die Bürsten abgehoben werden.
Der Verlauf des
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Gleichstromes ist durch Pfeile bezeichnet und wird wie ersichtlich, auch hier ein richtiges AW-Diagramm erzielt.
Beim Sekundärteil von gleichstromgespeisten Asynchronmaschinen (synchronisierten Asynchrcnmasehinen) ist es bekanntlich zweckmässig, die Läuferschaltung so vorzunehmen, dass eine sogenannte Querfelddämpfung ermöglicht wird, um ein Pendeln der Maschine im Betrieb zu vermeiden. Die Querfelddämpfung kann dadurch erzielt werden, dass ein Wicklungsteil, dessen Achse elektrisch senkrecht steht zu der Hauptfeldachse, kurzgeschlossen wird. Die für Asynchronmaschinen übliche Sternschaltung des Rotors hat bei Speisung von einer Gleichstromerregermaschine (s. Fig. 6) bereits die gewünschte Querfeldwirkung. Die Speisung erfolgt hier bekanntlich so, dass eine Phase (I in Fig. 6) vom vollen Betriebsstrom durchflossen wird, während die Phasen II und III je den halben Betriebsstrom führen.
Letztere beiden Phasen sind über die Schleifringe parallel geschaltet und ergeben, da ihreWicklungsachse normal zur Hauptachse steht, die gewünschte Querfelddämpfung. Diese Schaltungsart wurde aus dem eben erörterten Grund bisher angewendet, obwohl sie für die Speisung mit Gleichstrom durchaus nicht die beste Kupferausnutzung ergibt und ausserdem das Verhältnis von Erregerspannung zur Anlaufspannung noch ungünstiger liegt als z. B, bei einer zweiphasigen Rotorschaltung.
Von wesentlicher Bedeutung sind daher die erfindungsgemässen Schaltungen, die es gestatten, zugleich mit den im vorstehenden ausgeführten Anordnungen zur Erhöhung der Erregerspannung, auch eine wirksame Querfelddämpfung zu erzielen.
Die erste Gruppe von Anordnungen sieht hiefür die Parallelschaltung zweier Wicklungsteile, die in der Querachse liegen, vor, die im Betrieb nur den halben Gleichstrom führen. Die andere Vorgangsweise besteht darin, einen Wicklungsteil, der ebenfalls in der Querachse liegt, im Betrieb überhaupt kurzzuschliessen. Dieser Wicklungsteil dient dann in der Hauptachse für die Querfelddämpfung und wird vom Betriebsstrom nicht oder nur teilweise durchflossen.
Für die erste Gruppe der Anordnungen seien als Beispiele die in den Fig. 7 und 8 dargestellten angeführt. Die Schaltung der Fig. 7 entspricht dem Grundprinzip nach der Schaltung der Fig. 4. Der
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ist die Anlaufspannung nur halb so gross als bei der bekannten Sternschaltung des Rotors. Im Betrieb werden die beiden Schleifringe SI, S fiji im Anlasser parallel geschaltet, so dass die Wicklungsteile 1, 2 und 5,6 nur den halben Gleichstrom führen. Der Wicklungsteil 3, 4 führt bereits den ganzen Gleichstrom, ebenso die übrige Wicklung 7 f 8, die über die Schleifringe SIV, SV im Anlasser einerseits mit der Anlaufwicklung und anderseits mit dem zweiten Pol der Erregermaschine verbunden werden.
Abgesehen davon, dass also die erfindungsgemässe Schaltung bei gleicher Windungszahl nur die halbe Schleifringspannung wie die normale Sternschaltung im Stillstand ergibt (was gleichbedeutend ist mit der Möglichkeit, bei gleicher Anlaufspannung die Windungszahl zu verdoppeln, wodurch die Erregerspannung im gleichen Verhältnis hinaufgesetzt wird und der Kollektorstrom auf die Hälfte herabgesetzt wird). ist noch eine weitere Verminderung des Kollektorstromes dadurch erzielt, dass nicht wie bei einer normalen Sternschaltung zwei Drittel der Wicklung parallel geschaltet sind und nur den halben Strom führen, sondern nur zwei Sechstel, während die übrigen vier Sechstel, also zwei Drittel der ganzen Wicklung mit dem vollen Strom beansprucht werden.
Soll nun die Anlaufspannung noch weiter herabgesetzt werden, bzw. die Windungszahl zwecks Erniedrigung des Kollektor- und Schleifringstromes noch höher hinaufgesetzt werden, so kann die nach dem gleichen Grundsatz aufgebaute Schaltung nach Fig. 8 zur Anwendung gelangen. Hier wird statt des nach Fig. 7 verwendeten sechsten Teiles der Wicklung für eine Anlaufphase noch ein kleinerer Teil, z. B. ein Zwölftel, hiefür herangezogen. Als Anlaufwiddung kommen in Betracht die Teile 1, 2,5, 6
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Wicklung als Anlasswicklung benutzt, so beträgt die Stillstandsspannung nur etwa ein Viertel der bei normaler Sternschaltung auftretenden Spannung.
Die in der gleichen Stromrichtung im Betrieb durchflossenen Wicklungsteile 3, 4,/, 8, 11, 12, die zum Anlassen nicht benutzt werden, werden miteinander und mit dem Anlassteil in der gezeichneten Weise hintereinander geschaltet und der Endpunkt mit einem Kontakt der Kurzschlussvorrichtung XV verbunden. Die zweite Hälfte der gesamten Wicklung ist, wie oben angegeben, direkt hintereinander geschaltet, der eine Endpunkt 13 ist mit dem Schleifring < S- verbunden, an den der zweite Pol der Erregermaschine angeschlossen wird ; der andere Endpunkt 14
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ergeben die geforderte Querfelddämpfung.
Mit Ausnahme dieser beiden Teile, die nur den halben Betriebsstrom führen, ist die ganze übrige Wicklung mit dem vollen Strom belastet, so dass hier die Kupferausnutzung eine sehr vollkommene ist.
Die Heranziehung eines Wicklungsteile hauptsächlich für die Querfelddämpfung ist aus der im übrigen bereits beschriebenen Fig. 4 ersichtlich. In den Anlassteilen 1, , 3, 5 der Wicklung ist an den
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quer zur Hauptfeldaelhse. Dieser Teil kann nun sowohl der Hauptanlaufwicklung angehören und auch zum Anlassen mitbenutzt werden, wie hier angenommen wurde. Er kann aber auch ebenso an die am
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erörtert. In der Betriebsstellung des Anlassers wird jedoch der gestrichelt gezeichnete Schleifring 8qu mit dem Schleifring direkt verbunden. Hiedurch ist der Wicklungsteil 4, 5 kurzgeschlossen und wirkt als Querfelddämpferwieklung.
Eine Unsymmetrie in der Ankerspeisung durch Gleichstrom tritt dadurch nicht auf, da ja den
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Seite die entsprechenden Unterlagen zugehören. Für den Dämpferteil ist die Unterlage in der Figur angedeutet (4', 5'). Da diese nicht vom Erregerstrom durchflossenen Wieklungsteile in der Achse des Hauptfeldes liegen, ist der Entfall an Erreger-Amperewindungen vernachlässigbar klein und übt auf die Grösse der Gesamt-Amperewindungen keinen nennenswerten Einfluss aus. Es ist jedoch auch möglich, einen Teil des Betriebsstromes durch diesen Wieklungsteil hindurchtreten zu lassen, wenn man, wie in der Figur gestrichelt eingezeichnet, einen Parallelwiderstand (W) in die Verbindung zwischen dem Hilfsschleifring und dem parallelgeschalteten Hauptschleifring einschaltet.
In diesem Fall wird sich der Betriebsstrom zwischen dem Widerstand und der Dämpferwicklung aufteilen. Auch der Übergangswiderstand an den Schleifringen Sq und SI, stellt schon einen derartigen Parallelwiderstand dar. Statt des Hilfsschleifringes kann auch, wie in Fig. 4a angedeutet, eine Kurzschlussvorrichtung in die Maschinen eingebaut werden, welche die beiden Punkte 4 und 5 im Betrieb miteinander, gegebenenfalls auch unter Einschaltung eines Widerstandes W verbindet. Die Kurzschlussvorrichtung kann sowohl unabhängig
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In Fig. 3 ist die Anwendung des vorstehend angedeuteten Prinzipes auf die in dieser Figur erläuterte Schaltung ebenfalls gestrichelt angedeutet.
Hier dient der Wicklungsteil 6,7 als Dämpferwicklung, die Kurzsehlussvorrichtung, die ohnehin bereits zur Verbindung der Punkte 3 und 7 im Betrieb vorhanden ist, wird mit einem dritten Pol versehen, der gegebenenfalls über einen ParaIMwiderstand If 6 mit 7 verbindet und den in der Querachse liegenden Teil 6,7 kurzschliesst.
Wie ersichtlich, gestatten die Ausführungen nach der Erfindung die Anwendung hoher Erregerspannungen im Sekundärkreis von Asynchronmotoren mit irgendwelchen Erreger-oder Hintermaschinen bei zulässigen Stillstandsspannungen. Ausserdem ist bei den erfindungsgemässen Anordnungen für gleich- stromerregte Asynchronmaschinen die Erzielung einer wirksamen Querfelddämpfung möglich.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Asynchronmaschine mit im Sekundärkreis eingeschalteten Kollektormaschinen in Schaltung für geringe Stromstärken, wobei von der in zwei hintereinander geschaltete Abschnitte unterteilten Läuferwicklung nur ein Teil an den Anlasswiderstand gelegt ist, um an diesem zulässige Anlaufspannungen zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkettung der Wirklungsphasen der Läuferwicklung im Stillstand und während des Anlaufes durch Verbindung von innerhalb der Wicklungsphasen gelegenen Punkten erfolgt, so dass nur die zwischen dem so gebildeten Verkettungspunkt und den Schleifringen eingeschalteten Wicklungsteile beim Anlauf eingeschaltet sind und erst nach vollzogenem Anlauf bzw.
Erreichung einer höheren Drehzahl die Verkettung der Endpunkte der Wicklungsphase und damit die Einschaltung der ganzen Wicklung vorgenommen wird.