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Motorgenerator
Die Erfindung betrifft einen Motorgenerator, insbesondere als Schweissumformer oder Antriebsumformer für Werkzeugmaschinen zur Umformung von Drehstrom in Gleichstrom, dessen Läufer mit einem Drehfeld synchron umläuft und der ein Induktionssystem enthält, in dessen erstem Teil eine Gleichstromund eine Drehstromwicklung zusammenwirken und dessen zweiter Teil nur eine einzige mit der Gleichstromwicklung des ersten Teiles in Reihe geschaltete Wicklung und der zum zweiten Teil gehörende Gleichstrom-Erregerteil eine zusätzliche vom Gleichstrom der in Reihe geschalteten Ankerwicklung gespeiste oder abhängig von ihr gespeiste Wicklung aufweist,
bei welchem Motorgenerator erfindungsgemäss die Gleichspannung etwa je zur Hälfte in der Wicklung des ersten und des zweiten Teiles erzeugt wird und die zusätzliche Wicklung im Falle eines Schweissumformers so geschaltet ist, dass sie dem Erregerfeld entgegenwirkt und im Falle eines Antriebsmotors so geschaltet ist, dass sie im gleichen Sinne wie das Erregerfeld wirkt.
Die derzeit vielfach zur Umformung von Drehspannungen in Gleichspannung verwendeten sogenannten Einankerumformer, bei denen die Ankerwicklung gleichzeitig den Drehstrom und den Gleichstrom führt, besitzen den Nachteil, dass ihre Regelung schwierig ist und nur durch besondere Kunstgriffe erreicht werden kann. Auch sind ihre Strom-und Spannungskennlinien für den Schweissvorgang ungeeignet und es besteht auch keine galvanische Trennung gegenüber dem Drehstromnetz.
Zt ! t Elektröschweissung werden daher Umformer verwendet, bei denen mit Hilfe eines asynchronen Motors die elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt und dann mit Hilfe eines Generators wieder in elektrische Energie zurückverwandelt wird, wobei die Läufer des Motors und des Generators meist auf einer gemeinsamen Welle sitzen. Die bekannten Schweissumformer beruhen auf diesem Prinzip, das schlechte Wirkungsgrade ergibt und dementsprechend unwirtschaftlich ist.
Darüber hinaus ist aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 102, 481 ein Motoraggregat bekanntgeworden. welches ähnlich dem erfindungsgemässen Motorgenerator aufgebaut ist und ebenfalls zwei Induktionssysteme aufweist. Die Erzeugung der Gleichstromspannung erfolgt bei dieser Maschine jedoch nur im Motorteil, so dass dieser fast doppelt so gross dimensioniert sein muss, wie bei der erfindungsgemässen Maschine. bei welcher beile Induktionssysteme zur Gleichspannungserzeugung benützt werden.
Bei dem Motorgenerator nach der Erfindung haben beide Induktionssysteme ausserdem ein gemeinsames Joch aus Flussstahl, an das sämtliche aus normalem Blech hergestellten Pole des ersten und des zweiten Induktionssystems angeschraubt sind. Demgegenüber weist die Maschine nach der vorgenannten USAPatentschrift ein durch einen Luftspalt getrenntes Joch auf, weil bei dem zweiten Induktionssystem die magnetische Feldstärke gering oder sogar gleich Null ist und daher die Ankerrückwirkung zwangsläufig sehr stark wird. Die Maschine arbeitet daher stets im unstabilen Bereich und es sind demnach auch die Schweisseigenschaften entsprechend schlecht.
Die erfindungsgemässe Maschine weist keinen dieser Nachteile auf und sie ist allen bekannten Maschinen sowohl in der Schweissleistung als auch hinsichtlich Preiswürdigkeit überlegen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben : Fig. l zeigt eine Seitenansicht eines Motor-Generatoraggregates gemäss der Erfindung, teilweise im Schnitt, Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform, Fig. 3 zeigt einen Blechschnitt des Läufers des ersten Induktionssystems, Fig. 4 zeigt einen Blechschnitt des Läufers des zweiten Induktion-
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systems und Fig. 5 zeigt das Betriebsschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform.
Der in Fig. l dargestellte Umformer enthält eine Welle l, die in geeigneten Lagerungen l'gelagert ist. Auf der Welle sind zwei Blechpakete eines Läufers angeordnet, u. zw. ein Blechpaket 2 eines ersten
Induktionssystems und ein Blechpaket 3 eines zweiten Induktionssystems. Die Blechpakete sind mit Hilfe geeigneter Verspannungen 4,5 und 6 gehalten.
Auf dem Blechpaket 2 sind zwei Wicklungen untergebracht, u. zw. eine Gleichstromankerwicklung 7 und eine Drehstromwicklung 8.
Der Ständer weist einen magnetischen Rückschluss oder ein Joch 9 auf, an dem ein erstes Blechpaket 10 des ersten Induktionssystems und ein zweites Blechpaket 11 des zweiten Induktionssystems befestigt sind.
Den Blechpaketen 10 und 11 sind geeignete Erregerwicklungen 12 bzw. 13 zugeordnet.
Wie Fig. 1 zeigt, ist die Ankerwicklung 7 von dem Blechpaket 2 zum Blechpaket 3 unmittelbar durch- geführt, so dass in den beiden Blechpaketen 2 und 3 eine gemeinsame Ankerwicklung untergebracht ist.
Falls erforderlich oder zweckmässig, können die beiden Blechpakete auch getrennte, jedoch in Reihe ge- schaltete Ankerwicklungen aufweisen. Die gemeinsame Ankerwicklung 7 steht über geeignete Verbindun- gen 14 mit einem Kollektor 15 in Verbindung, von dem die erzeugte Gleichspannung über Bürsten 16 ab- genommen wird.
Die Speisung der Drehstromwicklung 8 erfolgt über Schleifringe 17 mit Bürsten 18. Im vorliegenden
Fall sind insgesamt sieben Schleifringe und Bürsten vorhanden. Auf die Aufgabe des siebenten Schleif- ringes wird im folgenden noch eingegangen werden.
Der Umformer ist in üblicher Weise mit einem Fahrgestell versehen, das auf Rädern 19 und 20 fahr- bar ist.
Im oberen Teil des Umformers befindet sich die Regeleinrichtung 21, die einen Grobregler 22, einen Feinregler 23, eine Einrichtung 24 zur Spannungsumpolung und einen Druckknopfschalter 61 besitzt.
Wie aus dem vereinfachten Schaltbild der Fig. 2 hervorgeht, wird die Drehspannung von dem Netz 30 über einen Netzschalter 31 den Bürsten 18 zugeführt. Die Schleifringe 17, u. zw. in der Darstellung der
Fig. 2 die linken drei Schleifringe, stehen über Leitungen 32 mit den Dreieckspunkten der im vorliegenden
Fall im Dreieck geschalteten Drehstromwicklung 8 in Verbindung. Von dem mit der Gleichstromwick- lung 7 verbundenen Kollektor 15 wird über Bürsten 16 die Gleichspannung abgenommen. Die Gleich- spannung gelangt auf der einen Seite über eine Leitung 33 zu einer Wendepolwicklung 35 und einer
Hauptstromwicklung 36 im Erregerteil 11, 13 des zweiten Induktionssystems. Die Wicklung 36 ist ange- zapft und führt zu Kontaktstellen 37,38 und 39 des Grobreglers 22, der über Leitung 41 mit Klemme 42 verbunden ist.
Die Klemme 42 sei beispielsweise die Elektrodenklemme, während die dazugehörige zweite
Klemme 43 über eine Leitung 34 mit dem andern Ausgang der Bürsten 16 des Kollektors 15 verbunden ist.
Die Drehstromwicklung 8 ist an geeigneter Stelle in einem Punkt 45 angezapft, und die Anzapfung ist über Leitung 44 mit dem vierten Schleifring 17'verbunden. Mit dem Schleifring 17'und dem be- nachbarten der Schleifringe 17 arbeiten Bürsten 46 zusammen, deren Wechselspannung über Leitungen 47 an einenDoppelweggleichrichter 48 gelegt ist. Die erzeugte Gleichspannung ist über Leitungen 49 einem
Polwendeschalter 50 zugeführt, welcher gestattet, die Erregung in den beiden Erregerteilen des Umformers umzupolen, falls eine solche Umpolung bei Schweissungen bestimmter Art erforderlich ist.
Mit dem Polwendeschalter sind die beiden Erregerwicklungen 12 und 13 über Leitungen 51 verbunden.
Von der Erregerwicklung 12 fliesst der Strom über Leitungen 52 und 53 zum Polwendeschalter zurück. Es sei in diesem Zusammenhang bemerkt, dass durch passende Einstellung der Erregung der Wicklung 12 eine vollständige Phasenkompensation erreicht werden kann, so dass die Maschine im betriebswarmen Zustand mit einem cos go = 1 arbeitet. Bei dieser Einstellung wird bei kalter Maschine kapazitiver Blindstrom abgegeben. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Einrichtungen zur passenden Bemessung des Erreger- stromes für die Wicklung 12 nicht dargestellt.
Die Erregerwicklung 13 des zweiten Induktionssystems wird ebenfalls über Leitung 51 gespeist, und der Strom fliesst von der Wicklung 13 über den Feinregler 23 und Leitung 53 zum Polwendeschalter zu- rück. Parallel zu dem Feinregler 23 liegen Anschlussklemmen 55, so dass die Einregelung wahlweise entweder mit Hilfe des Feinreglers 23 oder mit Hilfe eines ortsveränderlichen, an die Klemmen 55 ange- schlossenen Feinreglers erfolgen kann. Fig. 3 zeigt die Blechschnitte des Läufers des ersten Induktionssy- stems. Wie auch aus Fig. 1 entnommen werden kann, sind in dem Blechpaket 2 des Läufers des ersten In- duktionssystems Nuten 56 zur Aufnahme der Drehstromwicklung und in Richtung auf den Mittelpunkt die Nuten
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4Der dargestellte und beschriebene Umformer arbeitet in folgender Weise : Mit Hilfe der Drehstromwicklung 8 wird in dem ersten Induktionssystem ein Drehfeld erzeugt, das in Zusammenwirken mit dem Erregerfeld des Erreg6Itèiles 10, 12 einen synchronen Umlauf des Ankerteiles bewirkt. Dabei wird in der Ankerwicklung 7 eine Spannung induziert, die über die Leitungen 14 abgenommen und dem Kollektor 15 zugeführt wird, an dessen Bürsten 16 eine Gleichspannung zur Verfügung steht. Durch geeignete Bemessung der Wicklungen und der Schaltung kann dafür gesorgt werden, dass ohne Berücksichtigung des zweiten Induktionssystems eine Gleichspannung von z. B. etwa 40 Volt erzeugt wird.
Die Felderregung des zweiten Induktionssystems mit Hilfe der Erregerspule 13 ist so bemessen, dass sie bei voller Erregung in den Läuferstäben des zweiten Induktionssystems eine weitere Spannung von etwa 40 Volt induziert, so dass bei den Kollektorbürsten 16 eine Spannung von etwa 80 Volt maximal abgegriffen werden kann.
Die im Erregerteil des zweiten Induktionssystems ferner angeordnete (in Fig. 2 dargestellte) Hauptstromwicklung 36, die in dem Wicklungskörper 13 (Fig. l) untergebracht sein kann und von dem an den Bürsten 16 abgenommenen Strom durchflossen wird, ist so geschaltet, dass sie dem Erregerfeld des zweiten Induktionssystems entgegenwirkt. Je höher demnach die Stromentnahme an den Bürsten 16 ist, umso stärker wirkt die durch die Hauptstromwicklung 36 hervorgerufene Gegenerregung schwächend auf das Feld des zweiten Induktionssystems ein, so dass bei Kurzschluss, also bei Aufsetzen der Elektrode auf das Werkstück, die in Wicklung 7 erzeugte Spannung auf die gewünschten, sehr geringen Werte herabgesetzt wird.
Auf diese Weise werden die bei Schweissumformern verlangten stark abfallenden Stromspannungskennlinien erreicht.
Zweckmässig werden bei vierpoliger Maschine im Erregerteil des zweiten Systems je zwei Pole die Felderregerwicklung und je zwei Pole die vom Hauptstrom gespeiste Wicklung aufnehmen, während bei zweipoliger Maschine paarweise gleichnamige Pole vorgesehen werden, von denen der eine die Felderregerwicklung und der andere die Hauptstromwicklung aufnimmt.
Fig. 5 zeigt die Prinzipschaltung eines Schweissumformers gemäss der Erfindung mit den entsprechenden Regel- und Steuereinrichtungen. Wie Fig. 5 zeigt, ist dabei die Möglichkeit vorgesehen, die Maschine mit verschiedenen Spannungen, z. B. wahlweise mit 220 oder 380 V zu betreiben. Die entsprechenden Umschaltungen können z. B. mit Hilfe eines Klemmbrettes 62 vorgenommen werden. Die Zahl der Schleifringe 17 ist dadurch auf sieben erhöht. Schalter 31 entsprechend Fig. 2 ist als Netzschütz ausgebildet, und es ist ferner ein Erregerschütz 59 vorgesehen. Zusätzlich wird ein Zeitschalter 60 mit thermischer Auslösung. eine Druckknopfsteuerung 61 und ein Justierwiderstand 63 vorgesehen.
Da Einrichtungen der zuletzt beschriebenen Art allgemein üblich und bekannt sind, erübrigt sich eine genauere Beschreibung der Wirkungsweise dieser Einrichtungen.
Wie Messungen gezeigt haben, liegt der Wirkungsgrad des Schweissumformers gemäss der Erfindung erheblich höher als bei den gegenwärtig verwendeten Schweissumformern. Gegenüber den bekannten Umformern, bei denen die Netzenergie zunächst in mechanische Energie und anschliessend in Schweissenergie umgewandelt wird, kann eine Erhöhung des Wirkungsgrades bis zu 1ff1/o und mehr erreicht werden. Ein weiterer Vorteil des Schweissumformers gemäss der Erfindung ist die Möglichkeit der vollkommenen Blindstromkompensation durch passende Wahl der Erregung in dem ersten Induktionssystem.
In Anbetracht des niedrigen Wirkstrom-und Blindstromverbrauches ergeben sich erhebliche Ersparnisse an Wirk- und Blindleistung, und die Querschnitte des Anschlussnetzes können erheblich geringer sein als bei Umformern be- kannter Art.
Die an Hand der Fig. 2 beschriebene Anzapfung der Drehstromwicklung 8 ermöglicht, dass auf der Erregerseite Erregerströme mit verhältnismässig grosser Stromstärke und niedriger Spannung zur Verfügung gestellt werden, so dass die Erregerwicklung aus verhältnismässig kräftigen Drähten oder Stäben aufgebaut werden kann und auf diese Weise Isolation gespart wird und ein fester und kräftiger Aufbau der Erregerwicklungen gewährleistet ist.
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Insbesondere ist er dann mit Vorteil anwendbar, wenn die Aufgabe gestellt ist, dass eine regelbare, weitgehend belastungsunabhängige Spannung geliefert werden soll, z. B. zum Antrieb von Arbeitsmaschinen.
In diesem Falle ist lediglich erforderlich, dass die Hauptstromwicklung des Erregerteils des zweiten Induktionssystems so geschaltet wird, dass sie das Erregerfeld unterstützt, um die innerhalb und ausserhalb der Maschine auftretenden Spannungsabfälle oder Spannungsabsenkungen auszugleichen. Die Spannungsregelung erfolgt dabei ebenfalls durch Veränderung der Richtung und der Stärke des Erregerfeldes des zweiten Induktionssystems.