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Als Gleichstrom-Motor arbeitender Elektromotor
Die Erfindung bezieht sich auf einen als Gleichstrommotor ausgebildeten Elektromotor, der vor- nehmlich für hohe Leistungen und hohe veränderbare Drehzahlen geeignet ist. Ein derartiger Motor hat vor allem für schwere Antriebe, insbesondere als Antrieb von Kesselspeisepumpen in Dampfkraftanlagen, besondere Bedeutung.
Im Kraftwerksbau ist von der elektrotechnischen Seite her die Aufgabe des Hilfsmaschinen-Antriebes noch nicht zufriedenstellend gelöst. Die erforderliche Antriebsleistung liegt hier zwischen einigen hundert WÅatt und maximal etwa 8000 kW. Zahlreiche Hilfsmaschinen müssen geregelt werden, was heute man- gels geeigneter drehzahl-regelbarer Motoren auf mechanischem Wege erfolgt. Das trifft in besonderem
Masse für die Antriebsmotoren der Kesselspeisepumpen zu. Als Energiequelle kommt dafür meist Dreh- strom von 6000 V in Betracht. Die Drehzahl der Drehstrom-Asynchron- oder -Synchron-Motoren ist nach oben bei 50 Hz mit 3000 und bei 60 Hz mit 3600 Umdr/min begrenzt, obgleich von der Pumpenseite her häufig höhere Drehzahlen erforderlich sind.
Soweit die Mengenregelung des Speisewassers durch Dreh- zahlregelung erfolgt, liegt der erforderliche Drehzahlbereich zwischen etwa 70 und 100% der Nenndreh- zahl.
Für derartige Antriebe pflegt man im allgemeinen Drehstrom-Asynchron-Motoren mit Käfigläufer einzusetzen. Die Regelung der Förderleistung erfolgt dann entweder bei konstanter Drehzahl des Pumpen- aggregates durch Speisewasser-Regelventile auf der Druckseite der Pumpe oder bei konstanter Motordreh- zahl und variabler Pumpendrehzahl durch ein hydraulisches Regelgetriebe. Gelegentlich werden auch
Drehstrom-Schleifringläufer mit Flüssigkeitsregelanlasser angewendet. Die andern Lösungen zur Dreh- zahlregelung eines Drehstrommotors, nämlich der Drehstrom-Kollektormotor in Reihenschluss- oder Ne- benschlussschaltung sowie die Scherbius-Kaskade kommen wegen zu hoher Kosten und Empfindlichkeit des Kollektors nur in Ausnahmefällen in Betracht.
Der Drehstrom-Kollektormotor lässt sich bei den hier in Frage kommenden Leistungen ebenso wie die Scherbius-Kaskade nicht für derart hohe Drehzahlen bauen. Man müsste dann ein Zwischengetriebe vorsehen, so dass man zu einer umfangreichen und teueren
Konstruktion gelangt. Die Scherbius-Kaskade arbeitet mit der Hintermaschine ebenfalls mit einem Kol- lektor, der hinsichtlich Kommutierung und Nenndrehzahl den gleichen Beschränkungen unterliegt.
An sich wurden die bewährten Regeleigenschaften von Gleichstrom-Motoren für derartige Betriebs- verhältnisse in geradezu idealer Weise passen, aber der Gleichstrom-Motor in seiner bisherigen Bauart eignet sich nicht für die geforderten hohen Drehzahlen und Leistungen. Demgegenüber zeigt die Erfin- dung einen Weg, wie man trotzdem sich die guten Regeleigenschaften des Gleichstrom-Motors zunutze machen kann, ohne dabei die Nachteile der schwierigen Kommutierung bei hohen Leistungen und hohen
Drehzahlen in Kauf zu nehmen.
Die Erfindung macht zur Lösung dieser Aufgabe von einem Motor Gebrauch, der nach Art von Strom- richtermotoren arbeitet. Es sind bereits derartige Motoren mit einer von Gleichstrom-Motoren abweichen- den Bauart bekanntgeworden, bei denen einerseits eine über Schleifringe gespeiste Felderregerwicklung im Läufer untergebracht ist, während sich anderseits im Ständer die Ankerwicklungen befinden. Die
Ankerwicklungen werden dabei von einem Hilfskommutator od. dgl. aus mittelbar über steuerbare Strom- richter in kommutierendem Sinn gespeist.
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Bei einer derartigen bekannten Anordnung sind Mittel vorgesehen, die einerseits den Ankerstrom be- grenzen und anderseits für jede Lage des Polrades den über Anoden frequenzgesteuerten Drehfeldvektor des Ankerfeldes unabhängig von Zeit und Lage dem Betrag nach konstant halten.
Demgegenüber besteht die. Erfindung darin, dass bei einem Motor der beschriebenen Art dem Hilfsi kommutator eine der Erzeugung von Steuerspannungen für die Hauptkommutierung dienende Steuerein- richtung oder deren mehrere von solcher Ausbildung nachgeschaltet oder mit ihm vereinigt ist bzw. sind, dass die vom Hilfskommutator abgegebenen Kommutierungssignale in der Form von allmählich ansteigen- den und abnehmenden Steuerspannungen weitergeleitet werden.
Wenn bei den bekannten Stromrichtermotoren, bei denen die Richtung der Ankerdurchflutung inner- halb der Drehung des Polrades um eine Polteilung einen etwa konstanten Wert aufweist, bei der Strom- wendung der Wicklung die Ankerdurchflutung'plötzlich um 1800 umspringt und dabei vom positiven
Höchstwert unmittelbar auf-einen negativen Höchstwert übergeht, so sind damit starke Drehmoment- schwankungen verbunden, die sich sowohl mechanisch als auch elektrisch ungünstig auswirken. Es lässt sich dabei nicht vermeiden, dass in einem grösseren Drehzahlbereich unangenehme Rückwirkungen auf das den Motor speisende Netz entstehen.
Demgegenüber wird durch den langsamen Feldauf-und-abbau bei dem Motor nach der Erfindung nicht nur das Drehmoment des Motors vergleichmässigt, sondern auch das Netz in wünschenswerte Weise vergleichmässigt belastet.
Der Motor nach der Erfindung enthält in an sich bekannter Weise die zur Felderregung dienenden
Wicklungen, die in ebenfalls bekannter Weise, ähnlich wie dies bei Synchron-Generatoren der Fall ist, über Schleifringe gespeist werden können. Dabei kann die Felderregung nach Bedarf geändert werden, so dass bei einem Motor mit Nebenschlusscharakteristik die Motordrehzahl durch Beeinflussung des Erreger- stromes eingestellt werden kann. Dabei spielt es für den Motoi keine Rolle, ob der Erregerstrom unmit- telbar einem Gleichstromnetz entnommen wird oder ob man ihn über Gleichrichter vom Wechselstrom- oder Drehstromnetz herleitet. Hiezu kann mit besonderem Vorteil beispielsweise eine Magnetverstärker- anordnung herangezogen werden.
Die Verwendung von Magnetverstärkern erlaubt eine mit geringen Ver- lusten arbeitende, zur kontinuierlichen Drehzahlverstellung geeignete Speisung aus Wechselstrom- oder
Drehstromnetzen.
Die Ankerwicklung kann in einfacher Weise aus einer geraden Anzahl abwechselnd gegenläufiger
Abschnitte bestehen. Diese Wicklungsabschnitte werden durch eine für die erforderliche Schaltleistung dimensionierte mechanische oder elektronische Schaltvorrichtüng im Takt der vom Hilfskommutator ab- gegebenen Steuersignale kommutiert. Mit Vorteil wird die Ankerwicklung über einen steuerbaren Gleich- richtersatz an die Sekundärseite eines Gleichrichtertransformators angeschlossen. So kann also ebenfalls der Ankerstrom von einer Wechsel- oder Drehstromquelle hergeleitet werden.
Der Hilfskommutator kann als mechanische, einen Kollektor, Schaltsegmente od. dgl. enthaltende und mit geeigneten Bürsten zusammenarbeitende Schaltvorrichtung ausgebildet sein. Da die Steuerein- richtung eine beliebige Verstärkung der Steuersignale zulässt, kann der Hilfskommutator für beliebig kleine Steuerleistungen ausgelegt werden und braucht demzufolge nur schwach dimensioniert zu sein.
Der Kommutator wird elektrisch nur gering beansprucht, es kommt bei ihm lediglich auf ausreichende
Präzision der zeitlichen Steuersignalabgabe und auf möglichst wartungsfreies und zuverlässiges Arbeiten an. Der Hilfskommutator kann mit einer der Anzahl der gegenläufig gewickelten Ankerwicklungsab- schnitten entsprechenden Zahl von Lamellen versehen sein. Während man beim gebräuchlichen Gleich- strom-Motor zur Kleinhaltung der Kommutierungsspannung eine grosse Anzahl von Lamellen anordnen muss, fällt dieser Zwang bei dem Motor nach der Erfindung weg. Ebenso ist man in der Wahl der Betriebs- spannung sowohl für die Ankerwicklung als auch für die am Kommutator liegende Spannung frei.
Teilt man die Ständerwicklung in vier abwechselnd gegenläufig gewickelte Abschnitte auf und speist diese wechselweise von zwei gegenpolig geschalteten Gleichrichteranordnungen, so kommt man zur Steuerung der im Ständer befindlichen Ankerwicklung mit einem vierteiligen Hilfskommutator aus. Der Zündwin- kel der Gleichrichter ist konstant, da durch die Anordnung des Hilfskommutators die Gitterspannung jeder
Läuferverdrehung folgt.
Bei den gebräuchlichen Gleichstrom-Motoren erfolgt durch den mechanischen Kollektor ein plötzli- ches Abschalten und Umpolen einzelner Ankerspulenabschnitte. Bei dem Hilfskommutator, wie ihn die
Erfindung vorsieht, kann man die Kollektorlamellen so ausbilden, dass sie beim Ablaufen der Kollektorsegmente unter der Bürste ein weiches Schalten in dem Sinn bewirken, dass der Steuersignalstrom von annähernd Null auf einen Maximalwert ansteigend wieder allmählich auf Null abfällt. Dies kann man beispielsweise durch eine widerstandsbehaftete Kollektorlamellen-bzw.-Segment-Ausbildung nach Art eines Potentiometers erreichen.
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Weiterhin ist es auch möglich, den Hilfskommutator mit Nocken, Kurvenscheiben, Exzentern od. dgl. mechanisch auf die Steuereinrichtung einwirken zu lassen. Da die Schaltleistungen beliebig klein sein können und dementsprechend die Kontaktbelastung gering bleibt, tritt hiebei kein nennenswerter
Verschleiss der Hilfskommutator-Einrichtung ein.
'Eine andere Möglichkeit der Hilfskommutierung besteht darin, optisch, induktiv, kapazitiv, magne- tisch oder in anderer Weise ohne mechanische Mittel auf die Steuereinrichtung vom Hilfskommutator aus einzuwirken. So kann eine optische Beeinflussung unter Ausnutzung von Photoströmen erfolgen, die dann als Steuersignale in der Steuereinrichtung ausgewertet, verstärkt und schliesslich als Steuerspannungen dem Schaltorgan für die im Ständer befindlichen Ankerwicklungen zugeführt werden. Neben Photozellen oder andern photoelektrischen Organen können mit besonderem Vorteil Phototransistoren verwendet wer- den, da diese bereits an sich unter dem Einfluss einer Strahlung mit sichtbarem oder kurzwelligerem Licht ohne zusätzliche Verstärkung nennenswerte Steuerströme abzugeben vermögen.
Zur Bildung der zur
Steuerung dienenden Lichtimpulse können der Drehzahl entsprechende Belichtungen und Abdunkelungen eines oder mehrerer Phototransistoren bewerkstelligt werden. Als Lichtquelle kann eine kunstliche Licht- quelle in Gestalt einer Glühlampe od. dgl. verwendet werden. In Anbetracht der bei Silizium-Phototran- sistoren sogar im roten und infraroten Strahlungsgebiet erzielbaren Empfindlichkeit kann es vorteilhaft sein, an Stelle einer Glühlampe einen Glühdraht zu verwenden, der nur bis auf schwache Rotglut ge- bracht ist. Zur Abdeckung der Strahlung können Lochscheiben, Schlitzwalzen oder ähnliche Einrichtungen verwendet werden.
Die zur Steuerung der Phototransistoren benötigten Strahlungen können verschiedenartigen Strahlungs- quellen entnommen werden. So kann man z. B. daran denken, radioaktive Substanzen, Leuchtmassen od. dgl. heranzuziehen, wobei diese strahlungaussendenden Körper oder Schichten gegebenenfalls an
Stellen des Motors anzubringen sind, welche umlaufen, so dass eine Abdeckung durch Lochscheiben, Schlitztrommeln od. dgl. nicht erforderlich ist, vielmehr die strahlungaussendenden Teile jeweils bei bestimmten Läuferstellungen die Phototransistoren beeinflussen.
Eine andere Art der Beeinflussung der Steuereinrichtung vom Hilfskommutator aus besteht darin, Spannungen von einer feststehenden oder bewegten Primärwicklung aus auf eine Sekundärwicklung zu induzieren. Diese Spannungen können dann als Steuersignal dienen. Die Primärwicklung kann, wenn sie bewegt wird, am umlaufenden Maschinenteil befestigt sein und dann jeweils beim Umlauf durch Induktion Steuerspannungsstösse in der Sekundärwicklung erzeugen. Hiefür kann gegebenenfalls auch ein umlaufendes permanentmagnetisches Feld herangezogen werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Primärwicklung feststehend anzuordnen und dabei nur dafür zu sorgen, dass in Abhängigkeit des Läuferumlaufes die Kopplung zwischen Primär-und Sekundärspule verändert wird. Dies kann z.
B. dadurch erfolgen, dass mit der Motorwelle umlaufende magnetisierbare Stücke einen Teil des Übertragerkernes bilden, über den sich der magnetische Fluss schliesst. Im Takte des Umlaufes wird dann der magnetische Kreis unterbrochen und geschlossen, so dass im einen Fall keine Steuerspannungen übertragen werden und im andern Fall in der Sekundärwicklung Spannungen induziert werden können. Weiterhin ist es auch möglich, in ähnlicher Weise wie bei den photoelektrischen Anordnungen Schlitzscheiben, Schlitztrom- meln od. dgl. aus magnetisch abschirmenden Werkstoffen zu verwenden, die nur im Bereich der Schlitz- öffnung eine Kopplung zustandekommen lassen, während in den dazwischen liegenden Bereichen sich die Feldlinien über dem Abschirmzylinder oder die Abschirmscheibe schliessen.
Eine weitere Beeinflussungsmöglichkeit besteht darin, einen magnetfeldabhängigen Körper so zu beeinflussen, dass Stromänderungen als Steuersignale auswertbar sind. Man kann dann wiederum von umlaufenden Dauermagneten Gebrauch machen oder feststehende Dauermagnete in Verbindung mit geschlitzten Scheiben oder Trommeln aus magnetisierbarem, d. h. magnetisch abschirmendem Material anzuwenden. Magnetfeldabhängige Widerstände erfahren dann eine Änderung ihres Widerstandes, so dass die Stromänderung als Steuersignal auswertbar ist. Mit besonderem Vorteil können als magnetfeldabhängige Widerstände auch Hallgeneratoren oder deren Abarten herangezogen werden.
Bei magnetfeldabhängigen Halbleitern, insbesondere auch bei Hallspannúngserzeugern. kann man sich dabei den Vorteil zunutze machen, dass die Steuersignalspannungen von der Stärke des Magnetfeldes allein abhängen und nicht von der Geschwindigkeit der Bewegung, d. h. des Läuferumlaufes.
Bei induktiver Steuersignalübermittlung müssen unter Umständen für den Anlauf des Motors besondere Massnahmen ergriffen werden, da im Stillstand nicht immer Signalspannungen mit Sicherheit induziert werden können. Anderseits sind bei hohen Umlaufgeschwindigkeiten die induzierten Signalspannungen gegebenenfalls so hoch, dass besondere Begrenzungsmassnahmen ergriffen werden müssen. Demgegen- über sind die von magnetfeldabhängigen Widerständen abgegebenen Signalspannungen stets gleich gross,
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unabhängig von der Umlaufgeschwindigkeit des Motors, und bereits beim Anlauf in voller Höhe vorhanden.
Bei der Verwendung von Hallspannungserzeugern und ihrer Abarten besteht überdies noch der weitere Vorteil, dass nicht nur die Grösse, sondern'auch die Richtung der beeinflussenden Magnetfelder auswertbar ist, da die Hallspannung in ihrer Richtung auch von der Richtung des Magnetfeldes abhängig ist.
Endlich kann auch eine kapazitive Beeinflussung der Steuereinrichtung vorgenommen werden, wobei der Hilfskommutator beim Umlaufen Ladungen in fest angebrachten Kondensatorbelägen hervorruft oder solche Ladungen abführt oder Umladungen vornimmt. Gerade bei hohen Drehzahlen kann eine kapazitive Beeinflussung Vorteile bieten, weil die Lade- und Entladezeiten der auf diese Weise gebildeten Kapazitäten ausserordentlich kurz sind. Ein scharfer Steuersignaleinsatz, wie er bei induktiver oder mechanischer Beeinflussung bei hohen Drehzahlen leicht verwischt werden kann, lässt sich auf diese Weise mit grosser Genauigkeit herbeiführen.
Zur Realisierung einer derartigen kapazitiven Beeinflussung können geeignete feststehende Elektroden umlaufenden Elektroden gegenüberstehen oder es kann wieder nach dem Prinzip von geschlitzten Platten oder Zylindern eine geerdete oder auf Nullpotential befindliche Elektrode zwischen zwei feststehenden, an geeigneten Potentialen liegenden Kondensatorplatten hindurch bewegt werden, um auf diese Weise Ladungen und Entladungen herbeizuführen.
Die Steuereinrichtung kann mit Vorteil eine Transistorschaltung enthalten. In der Steuereinrichtung kann dann gleichzeitig eine Verstärkung und Modulation der vom Hilfskommutator abgegebenen Steuersignale bewirkt werden. Hier können gegebenenfalls auch phasenverschiebende Elemente vorgesehen sein, um den Zündwinkel der nachfolgenden Schalteinrichtung, z. B. gittergesteuerter Gleichrichter, zu ver- ändern. Die Gleichrichter-Anordnungen können an Gleichrichter-Transformatoren angeschlossen sein. An Stelle von gittergesteuerten Gleichrichtern können auch andere Anordnungen, z. B. Schalttransistoren, verwendet werden.
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Wie Fig. 1 zeigt, ist der Läufer 1 des Motors mit einer Feldwicklung 2 versehen, die über die beiden Schleifringe 3 und 4 gespeist wird. Die Speisung erfolgt über einen Magnetverstärker 5 unter Herleitung der Speisespannung aus dem Wechselstrom- oder Drehstromnetz. Der Einfachheit der Darstellung halber ist hier nur die Sekundärwicklung 6 eines Transformators veranschaulicht, der entweder ein selbständiger Transformator ist oder zusammen mit einem der Ankerstromversorgung dienenden Transformator einen gemeinsamen Bauteil bildet.
Ein Potentiometer 7 versinnbildlicht einen Drehzahl-Sollwert-Steller, mit welchem der Magnetverstärker 5 beeinflusst wird, so dass stufenlos unter geringen Verlusten die Drehzahl des Motors beliebig verstellt werden kann. Gegenüber den bisher für Speisepumpenantrieb verwendeten Asynchronmotoren bietet die Erfindung den Vorteil eines grossen Regelbereiches bei verlustarmer Regelung sowie des Fortfalles einer Drehzahlbeschränkung nach oben hin. Mit dem Asynchronmotor gemeinsam bestehen gegenüber dem üblichen Gleichstrom-Motor die Vorteile einer hohen Betriebssicherheit, eines einfachen Aufbaues und der Verwendung einer Betriebsspannung wie bei Drehstrommaschinen.
Die beim Gleichstrom-Motor üblicherweise im Läufer befindliche Ankerwicklung ist nun in den Ständer verlegt. Die Wicklungsabschnitte 8, 9,10 und 11 bilden zusammen die Ankerwicklung, so dass der Motor in seinem Aufbau einer Wechselstrom-Synchronmaschine entspricht. Die Ankerwicklung wird über einen Gleichrichtersatz an die Sekundärseite eines Gleichrichter-Transformators angeschlossen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Sekundärspulen 12,13 und 14 für den einen Gleichrichtersatz und 15, 16 und 17 für die andere Gleichrichtergruppe vorgesehen. Es wird dabei angenommen, dass es sich um die Sekundärwicklungen eines Dreiphasen-Transformators handelt.
Die vier Ankerwicklungsabschnitte 8,9, 10 und 11 sind abwechselnd gegenläufig gewickelt und werden durch die beiden gegenpolig geschalteten Gleichrichter-Anordnungen 18 und 19 gespeist. An Stelle der dargestellten vierteiligen Ankerwicklung können naturgemäss auch anders, z. B. höher oder ungeradzahlig unterteilte Spulenwicklungen verwendet werden, die jede für sich mit einer eigenen Gleichrichtergruppe verbunden werden kann, welche wieder durch eine entsprechend abgeänderte Hilfskollektorausgestaltung sinngemäss gesteuert wird.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine in drei Abschnitte unterteilteAnkerwicklung veranschau- licht. Gleiche oder einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet.
Entsprechend der in Fig. 1 dargestellten vier abwechselnd gegenläufig gewickelten Ankerwicklungsabschnitte wird zur Steuerung der Ankerwicklung ein vierteiliger Hilfskommutator 20 benötigt. Bei dem dargestellten Ausftihrungsbeispiel ist der Einfachheit halber ein mechanischer Kommutator mit einzelnen
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**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.