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Drehzahlgesteuerter Stromrichtermotor
Stromrichtermotoren sind bekanntlich mehrphasige Wechselstrommotoren, denen aus einem Gleichstromkreis über Wechselrichter mehrphasige Wechselstromenergie zugeführt wird. In praktischen Fällen ist dieserGleichsiromkreis ein Zwischenkreis, der seine Energie aus einem ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz über Gleichrichter erhält. Der Zweck einer solchen Anordnung ist die weitgehende Drehzahlregelbarkeit eines solchen Motors mit Hilfe des in der Frequenz regelbaren Wechselrichters. Synchrondrehzahl und Frequenz eines Wechselstrommotors sind einander stets verhältnisgleich. Die Frequenz wird
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tragen wird."Fremdgesteuert"ist der Motor, wenn dieGitterfrequenz von aussen her aufgezwungen wird.
Ein synchroner Stromrichtermotor mit Gleichstromerregung kann selbst-oder fremdgestcuert werden, da- gegen muss ein Induktionsmotor, dessen Erregung von seinem Wechselstromnetz herkommt, stets fremd- gesteuert werden.
Der synchrone Stromrichtermotor unterscheidet sich von einem gewöhnlichen Synchronmotor nur dadurch, dass die Strangenden einer mehrphasigen Standerwlcklung anstatt mit einem mehrphasigen Wechselstromnetz mit den Ventilen eines Wechselrichters verbunden sind. In der Regel ist jedes Leiterende mit je einem Ventil für die Hinleitung und einem für die Rückleitung des Ankerstromes verbunden, weil bei einer solchen Anordnung in der Regel keine Löschkondensatoren zwischen den Ventilen nötig sind.
Der Wechselrichter kann bekanntlich nur Wechselströme mit rechteckiger Kurvenform durchlassen.
Die Rechteckkurve enthält bekanntlich viele grosse Oberwellen in Sinusform, die durch den Blindwiderstand der Ankerwicklung teilweise abgeschliffen werden. Die noch verbleibenden Oberwellen des Ankerfeldes, also der Ankerstromdurchflutung, werden in einer mit dem Polrade umlaufenden Dämpferwicklung abgedämpft, die grosse Leiterquerschnitte, also einen kleinen Wirkwiderstand, haben muss. Diese Abdämpfung der Oberwellen wird um so unvollkommener, je kleiner die Drehzahl bzw. Frequenz der Maschine ist, weil dann der Blindwiderstand kleiner wird als der Wirkwiderstand der Wicklungen, welch letzterer die Oberwellen unverändert durchlässt. Damit erklärt sich auch der unruhige Lauf dieser Motoren bei niedrigen Drehzahlen.
Bei konstanter Erregung ist die Drehzahl des selbstgesteuerten Motors von der Höhe der Gleichspannung des Zwischenkreises abhängig, je höher die Spannung um so grösser die Drehzahl.
Mittelsder Steuerung des Übersetzungsverhältnisses eines Regeltransformators, der über Gleichrichter den Gleichstrom-Zwischenkreis speist, kann die Gleichspannung geregelt werden, zu der sich die Gitterfrequenz des Wechselrichters ungefähr verhältnisgleich einstellt. Bei einem fremdgesteuerten Motor kann eine genaue Proportionalität dadurch erreicht werden, dass das Steuergerät fur die Ventllgitter von der Gleichspannung aus gesteuert wird, wie beispielsweise in Fig. 2 der Zeichnungen dargestellt, wo der am Zwischenkreis liegende Anker eines kleinen Gleichstrommotors das Steuergerät betätigt.
Das Feld der Ankerdurchflutung läuft nicht mit gleichmässiger Drehzahl um, es springt im Takte der Ventilzündungen des Wechselrichters von Wicklungsstrang zu Wicklungsstrang. Die meisten heutigen Stromrichtermotoren besitzen eine scchsphasige Ständerwicklung in Sternschaltung. Ihre sechs freien
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Wicklungsenden sindanjezwei Wechselrichterventile für die Zu-und Ableitung des Stromes angeschlossen. Zündet der Reihe nach immer nur je ein Ventil, so springt das Ankerfeld jeweils um ein Sechstel einer Polteilung (300 elektrisch) weiter. Die dabei auftretenden Drehmomentstösse werden durch die Dämpferwicklung und die Scbw1ll1gmassen ausgeglichen. Bei niedrigen Drehzahlen wird der Lauf unruhig und führt zuPendelungen.
Grosse Schwierigkeiten bereitete bisher das Anlassen eines solchen Motors, falls er nicht mittels eines Anlassmotors angelassen wurde. Andere ziemlich umständliche Anlaufverfahrenhaben bisher keinen nennenswerten Erfolg gebracht. Anlassen muss man mit Löschkondensatoren.
Der synchrone Stromrichtermotor kann auch als Gleichstrommotor mit feststehendem Anker, feststehendem Stromwender, umlaufendem Magnetgestell und umlaufenden Bürsten angesehen werden. An die Stelle der Stromwendersegmente denke man sich die Wechselrichterventile und an Stelle der Bürsten die
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trachtung zu mehreren neuen Erkenntnissen.
Bei einer in Stern geschalteten Mehrphasenwickl1ll1g. fliesst der ganze Ankerstrom durch einen Strang, dagegen teilt er sich bei einer Gleichstromwicklung in zwei Hälften, ein Wicklungsstrang führt nur den halben Strom. Bei jeder Zündung muss im ersten Falle der ganze Ankerstrom, im zweiten nur der halbe gewendet werden. Die Stromwendung ist demnach bei einer Gleichstromwicklungvon gleicher Induktivität wie die eines zwischen zwei benachbarten Stromwenderanschlüssen liegenden Strangteiles wie eines StrangesdersechsphasigenWechselstromwicklung nur halbso gross wie bei der letzteren.
Eine Gleichstromwicklung mit sechs Stromwenderanschlüssen je Polpaar, also sechs Ventilpaaren, verhält sich, wenn jeweils nur ein Ventil gezündet wird, so, als ob sie einen Stromwendet mit sechs Segmenten je Polteilung hätte. Der Gleichstrom einer Gleichstrommaschine wird mittels der Bürsten und Stromwendersegmente in zwei gleichphasige Wechselströme von Rechteckform zerhackt, die die beiden Wicklungshälften des Ankers durchfliessen und sich an der Gegenbürste wieder zum Gleichstrom vereinigen. Der gleiche Zerhackungsvorgang geschieht im Wechselrichter, und der rechteckige Strom der Ventile fliesst durch die Ankerwicklung. DieRechteckkurve des Gleichrichters bleibt also fast unverändert in der Ankerwicklung, und dieStromwendunggehtnach den Gesetzen der Gleichstrommaschine vor sich.
Man kann auch eine Wechselstromwicklung in sechsphasiger Polygonschaltung ausführen und würde dann zu ähnlichen Verhältnissen kommen wie bei der Gleichstromwicklung, nur ist ihre Ausführung schwierig.
Bei einem Gleichstrommotor steht die Bürstenachse um eine halbe Polteilung versetzt gegen die Polachse, was die günstigsten Drehmomentverhältnisse ergibt. Beim Stromrichtermotor muss dementsprechend die Achse des Feldes der Ankerströme eine halbe Polteilung in Drehrichtung der Achse des Erregerfeldes vorauseilen, was durch eine entsprechende Phasenlage der Ventilzündungen erreicht werden kann. Diese Phasenlage erzielt man durch eine Koppelung der Polradwelle mit der Steuerung der Gitter der Wechselrichterventile. Diese Koppelung kann, sowohl mechanisch als auch elektrisch durchgeführt werden. In Fig. 1 der Zeichnungen ist beispielsweise eine solche Anordnung dargestellt. Es ist dort eine mechanische Koppelung angedeutet. Mit dieser Massnahme ist auch das Anlassproblem des Stromrichtermotors gelöst.
Die Betrachtung des synchronen Stromrichtermotors als Gleichstrommotor klärt auch den Zusammenhang zwischen der Spannung des Gleichstrom-Zwischenkreises und der Drehzahl des Motors. Beim fremderregten Gleichstrommotor ist die Drehzahl der Spannung ungefähr verhältnisgleich, beim Reihenschlussmotor ergibt sich ein hyperbolisches Verhältnis der beiden. Man kann also einen synchronen Stromrich- termotor auch mit. Reihenschlusserregung über den Gleichstrom-Zwischenkreis ausführen. In Fig. 1 ist beispielsweise die grundsätzliche Anordnung eines synchronen Stromrichtermotors mit Gleichstrom-Anker- wicklung im Ständer dargestellt.
Man kann einen solchen Motor, ohne die Zahl der Wechselrichterventile zu vermehren, mit jeder beliebigen Polpaarzahl bauen, indem man die Ventilpaare mit allen zugehörigen Wicklungsanschlüssen gleichen Potentials parallel verbindet wie die gleichnamigen Bürsten einer Gleichstrommaschine. Im vorliegenden Beispiel ist angenommen, dass es sich um einen Motor einer ein- phasigen Wechselstromlokomotive handelt. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind alle Einrichtungen, soweit sie nicht für das grundsätzliche Verständnis erforderlich sind, weggelassen. Der Regeltransformator T, dessen Sekundärspannung mittels des Fahrschalters geregelt wird, führt dem Gleichstromkreis über den Gleichrichter G die gewünschte Gleichspannung zu.
Diese Gleichspannung wird im Wechselrichter W in rechteckförmige Wechselspannung "zerhackt" der Ständerwicklung des Motors zu-bzw. von ihr zurückgeleitet. Die dieser Wechselspannung folgenden Wechselströme bilden das Drehfeld des Ankers, das dem Magnetfeld des Polrades in der Drehrichtung um eine halbe Polteilung vorahläuft. Dieses Ankerdrehfeld hat Dreieckform und dadurch kleinere Oberwellen als das Trapez- und fünfeckförmige Feld
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der Mehrphasen-Wechselstromwicklung. Nach Fig. 1 wird der Erdleiter der negativen Sammelschiene des Gleichstromkreises für die Erregung der Polradmagnere verwendet. Dieser Motor ist also ein Reihenschluss- motor.
Die Ventilgitter des Wechselrichters werden mittels des Steuergerätes S gesteuert, dessen Antrieb A irait der Polradwelle so gekoppelt ist, dass die erforderliche Voreilung des Ankerfeldes von 90 elektrisch vor der Magnetfeldachse eingehalten wird.
Die Stromwenderanschlüsse der Ständerwicklung sind mit den Nummern der mit ihnen verbundenen Ventile bezeichnet. Die Gleichstromwicklung des Ständers ist rechtsgängig angenommen. Der Polarität der Pole entsprechend ergibt sich dann für den Rechtslauf die Reihenfolge der Ventilzündungen : 1-8, 3-8, 3-10, 5-10, 5-12, 7-12,7-2 usw. Für den Linkslauf ist die Reihenfolge : 1-8,1-6, 11-6,11-4, 9-4, 9-2 usw. Di Umstellung der Drehrichtung kann entweder am Steuergerät oder durch Umpolen der Erre- 3uag bewerkstelligt werden. Bei grösserer Polpaarzahl wiederholt sich wegen der ParallelanschlUsse die Num- n. L-rnb & zeich'tUng der Anschlusspunkte für jedes Polpaar.
In Fig. 2 ist ein asynchroner Stromrichter-Induk-
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? grundsätzlichgesteuert;, H-. :. geltransformator T speist über Gleichrichter G den Gleichstrom-Zwischenkreis, der hber den giti rgesteuerten Wechselrichter W der Ständerwicklung des Motors rechteckförmigen Wech- selstrom zuführt. Auch hier erscheint es zweckmässig, den Ständer mit einer Gleichstrom-Ankerwicklung zu bewickek, diz den Rechteckstrom unverändert aufnimmt.
Wie schon erläutert, muss das Steuergerät fremdgesteuert werden, d. h. die Frequenz der Steuergitter muss verhältnisgleich zur Höhe der Gleich- spannung eingeregelt werden, was beispielsweise hier mittels eines mit Dauermagneten erregten kleinen
Gleichstrommotors A geschieht, dessen Anker an die Sammelschienen, des Gleichstrom-Zwischenkrei- ses angeschlossen ist und der das Steuergerät S betätigt. Die auf diese Weise erzwungene Proportionali- tät zwischen Ankerspannung und Gitterfrequenz ergibt für alle Drehzahlen des Motors den gleichen Fluss und damit das gleiche Kreisdiagramm und das gleiche Verhältnis vom Drehmoment zum Schlupf des Mo- tors.
Der Läufer des Motors wird zweckmässig als Kurzschlussläufer ausgeführt. Zur Aufbringung der Blind- leistung sind Kondensatoren parallel zur Ständerwicklung angebracht. Selbstverständlich kann dieser Mo- tor auch als Lokomotivmotor verwendet werden, wobei noch der Vorteil in Rechnung zu setzen ist, dass der Läufer keine Schleifringe benötigt.
Die bisherigen Betrachtungen gingen von der Erkenntnisaus, dassein aus einerGleichspannungsquelle mit Gleichstlom betriebener Stromrichtermotor ein Gleichstrommotor mit umlaufendem Polrad und feststehendem, mit einer Gleichstromwicklung bewickelten Anker sein muss, dessen Stromwenderanschlüsse anstatt über feststehende Stromwendersegmente und mit dem Polrad umlaufende Bürsten mittels gittergesteuerter Stromtore an die Gleichspannung angeschlossen sind, wobei die Frequenz der Steuerung von der Polradwelle abgegriffen werden kann. Diese Erkenntnis besteht auch unverändert, wenn die Energiequelle ein ein-oder mehrphasiges Wechselstromnetz ist, das über Stelltransformator und Gleichrichter einen Gleichstromzwischenkreis speist.
Baut man in einen solchen Läufer anstatt eines Polrades einen Kurzschluss- oder Schleifringläufer ein und steuert die Stromtore fremd oder mittels einer von der Spannung des Gleichstromzwiscbenkreises oder der Sekundärspannung des Stelltransformators unmittelbar abhängigen Frequenz, so hat man einen Induktionsmotor, dessen Blindleistung mittels zwischen die Strom- wenderanschlusse geschalteter Kondensatoren aufgebracht werden kann.
Die in der Ankerwicklung fliessenden Ströme bilden ein Feld der Ankerstromdurchflutung, dessen Achse sich nicht %t stetiger DrehgeschwindigkeIt um die Drehachse der Maschine dreht, sondern in Rukken oder "Pulsen"', deren Anzahl P bei einer Drehung um zwei Polteilungen um so grösser ist, je mehr Stromwenderanschlüsse A je Polpaar vorhanden sind. Es si : d Stromrichtermotorsn bekannt, bei denen dieStromtorefürHin-und Rückleitung des Ankerstromes gleichzeitig geschaltet werden. Das Ankerstrom- feld dreht sich somit jeweils um den gesamten Winkel zwisi hen zwei benachbarten Wicklungsanschlüssen. Die Folge ist ein entsprechend unruhiger Lauf der Maschiie. Nach der Erfindung kann dieser Nachteil in einfacher Weise vermieden werden.
Demgemäss betrifft die Erfindung einen drehzahlgesteuert, Stromrichtermotor mit Gleichstromankerwicklung, angeschlossen an ein ein-oder mehrphasiges Wechselstromnetz über Stelltransformator, Gleichrichter, Gleichstromzwischenkreis und Wechselrichter, dessen über die Stromwenderanschlüsse mit der Ankerwicklung verbundene gittergesteuerte Stromtore in Abhängigkeit von der Spannung des Zwischenkreises gesteuert werden. Erfindungsgemäss wird beim Fortschreiten der Steuerung um jeweils höchstens den halben Winkel zwischen benachbarten Stromwenderanschl ssen abwechselnd ein stromzuleitendes oder stromableitendes Ventil geöffnet bzw. gesperrt. Das Ankerst omfeld dreht sich somit jeweils nur um den halben Winkel zwischen zwei benachbarten Wicklungsanschlüssen oder noch weniger.
Da das Polrad bestrebt ist, mit konstanter Winkelgeschwindigkeit umzulaufen, so bewirkt diese Ausgestaltung des Strom-
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richtermotors einen gleichmässigeren und ruhigeren Gang der Maschine und eine Verminderung des Oberwellengehaltes.
Nach der vorher, gegebenen Anleitung zur Durchführung der Schaltung gilt für Rechtslauf die Schalt-
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:Fig. 3a ist mittels der schraffiertenRechteckflächen für den Rechtslauf nach dieser Anleitung die Reihenfolge der Ströme in den einzelnen Ventilen und ihre Ablösungsfolge dargestellt, Man erkennt, dass die Achse der Ankerdurchflutung zwischen zwei benachbarten Stromwenderanschlüssen zwei Sprünge macht, die Maschine ist also nicht acht- sondern sechzehnpulsig. Bei dieser Schaltregel wird also P = 2A. Die Öffnungszeit jedes Stromtores entspricht dabei dem Wege der Ankerdurchflutungsachse zwischen zwei benachbarten Stromwenderanschlüssen.
Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Pulszahl der Maschine nochmals verdoppelt werden, wenn man die Öffnungszeit jedes Stromtores so verlängert, dass sie dem einein- halbfachen Wege zwischen zwei Stromwenderanschlusspunkten entspricht, wie das beispielsweise bei acht StromwenderanschlüssenjePolpaar in Fig. 3b dargestellt ist. Die schraffierten Flächen. bedeuten die Stromstärken in den einzelnen Stromtoren und man ersieht daraus im Vergleich zu Fig. : : a, dass die einzelnen Ventile nur während einem Drittel der Brennzeit mit vollem Strom und während zwei Dritteln nur mit demhalbenStrombelastet sind.
Man erkennt auch, dass gleichzeitig mindestens ein stromzuleitendes und einstromableitendes Ventil Strom führt, dass'aber die Zahl der stromführenden Stromtore bis auf vier ansteigt. Die Schaltfolge beispielsweise für acht Stromwenderanschlüsse je Polpaar ergibt sich für Rechts- lauf mit : 1/10, 1+3/10, 1+3/10+12, 3/10+12, 3/12, 3+5/12, 3+5/12+14 usw. und für Linkslauf mit : 1/10, 1+15/10,1+15/10+8, 15/10+8,15/8 usw. Man sieht, dass zur Erzielung dieser Wirkung die Stromtore für die Stromzuleitung stets um eine Zeit, die dem Viertel des Abstandes zweier benachbarter Stromwendersegmente entspricht, früher als'die Stromtore für die Stromableitung geöffnet und geschlossen werden müssen. Man erkennt auch, dass in diesem Falle auf dem Wege zwischen zwei Stromwenderanschlüssen vier Pulse stattfinden.
Die Maschine des Beispiels wird also jetzt zweiundreissigpulsig. Vergleicht man beispielsweise diese Maschine, die vierpolig sein möge, mit einer vierpoligen Gleichstrommaschine der gewöhnlichen Art, so müsste letztere 64 Stromwendersegmente besitzen, was in beiden Fällen einen sehr ruhigen Lauf ergeben würde.
Dieses neue Schaltverfahren erfordert aber eine zwangsweise Löschung der Stromtore beim Ablauf,
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sogenannte"Zwangskommutierung".längst verpufft ist. In diesem Augenblick muss ein Spannungsstoss erzeugt werden, der das ablaufende Ven- til löscht. Für eine solche Zwangslöschung, genannt"Zwangskommutierung", gibt es heute mehrere Einrichtungen, von denen eine der ältesten und wirksamsten die'in Fig. 4 dargestellte, mit Zl bzw. Zz be- zeichneteundinder ETZ 1938, Seiten 357-360 beschriebeneist. Sie ist auch einstellbar auf. einenbeliebigen Löschaugenblick und kann daher auch durch Verschiebung des Löschzeitpunktes zur Erzeugung von Blindleistung verwendet werden. Sie kann also wie ein Kondensator wirken.
Diese Einrichtung besteht aus
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Kondensators. Der elektrisch aufgeladene Kondensator C sendet über das mit der A-fachen Stromrich- terfrequenzder Maschine gesteuerte Ventil Vc rhythmische Spannungsstösse in das jeweils zu löschende Stromtor. Jeder solche Spannungsstoss hebt das Potential an der Kathode eines Stromtors über das Potential an dessen Anode und sperrt damit den Stromfluss in ihm. Da abwechselnd die stromableitenden und die stromzuleitenden Stromtore gelöscht werden müssen, werden zwei solcher Geräte in etwas abweichender Schaltung benötigt, von denen Z, die stromableitenden und Z2 die stromzuleitenden Stromtore löscht.
Schaltungstechnisch ist es einfach, ein stromableitendes Ventil zu löschen, weil dessen Kathodeauf der Gleichspannungsseite, also ausserhalb des Stromrichters liegt. Dagegen liegt die Kathode eines stromzuleitenden Ventils auf der Wechselspannungsseite und seine Löschung, d. h. die Potentialerhöhung an seiner Kathode, muss also von der Ankerwicklung aus geschehen.
Diese Aufgabe kann damit gelöst werden, dass man an zwei einander gegenüberliegende, also um 180 elektrische Winkelgrade voneinander entfern-
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te Stromwenderanschlüsse die Kle mmen einer Spannungsteilerdrossel(OD in Fig,4)anschliesst, deren Mit- telpunktdenNullpunktder Ankerwicklung bildet, von dem ein Nulleiter nach aussen geführt werden kann.
Man schaltet dann ein erstes Löschgerät Zl zwischen Nulleiter und negative Gleichstromleitung und ein zweites Löschgerät Z in umgekehrter Richtung zwischen positive Gleichstromleitung und Nullei- ter (nicht dargestellt). Zl und Z arbeiten dann unabhängig voneinander, und der Nulleiter führt nur den sehr kleinen Strom für die Aufladung der Kondensatoren der beiden Löschgeräte.
Die Resonanz der Schwing- kreise muss bei jeder Drehzahl der Maschine, also jeder Frequenz des Stromrichters, gewahrt bleiben, was in verschiedener Weise, beispielsweise durch Einstellung der Induktivität der Drosseln Lc mittels einer von der Steuerfrequenz des Stromrichters betätigten Einrichtung, die die Stellung der Drosseln bewirkt, geschehen kann.
Bei einer Induktionsmaschine kann die beschriebene Einrichtung zur Löschung der brennenden Strom- tore dadurch zur Erzeugung von Blindleistung verwendet werden, dass man die Phasenlage des Löschungs- augenblicks gegenüber der Phasenspannung der Maschine so verschiebt, dass der Strom beispielsweise vor- eilt und dadurch die zur Magnetisierung und Überwindung der Streuspannungen erforderlichen Strom- komponenten kompensiert, so dass nur reiner Wirkstrom fliesst. Damit ist die Möglichkeit gegeben, gro- sse Kondensatoren einzusparen. Um bei jeder Drehzahl die erforderliche Blindleistung aufzubringen, muss der Löschzeitpunkt von der Maschinenfrequenz abhängig eingestellt werden. Eine selbsttätige Überwa- chungs-und Stelleinrichtung kann beispielsweise abhängig von der Frequenz oder von einer von der Fre- quenz abhängigen Spannung eingerichtet werden.
In Fig. 4 ist das Schaltbild des Ständers einer Strom- richtermaschine mit Gleichstrom-Ankerwicklung und beispielsweise sechs Stromwenderanschlüssen, also zwölfStromtorendesStromrichters S dargestellt. Die Spannungsteilerdrossel OD ist zwischen die Strom- wenderanscblüsse 9/10 und 3/4 geschaltet. Die Loschgerate für die Zwangskommutierung Z1 und Z2 sind nach der oben erwähnten, nicht dargestellten Schaltung zwischen den Nulleiter und die beiden zwi- schen den Gleichstrom-Sammelschienen und dem Stromrichter liegenden Verbindungsleitungen der Ma- schine eingebaut. Dieser Ständer kann sowohl für einen Gleichstrommotor mit gleichstromerregtem Polrad als auch für einen Induktionsmotor mit Kurzschluss- oder Schleifringläufer verwendet werden.
Im letzten Falle kann in der bereits beschriebenen Weise auch die erforderliche Blindleistung mittels der Löschgeräte eingestellt werden. Die Spannungsteilerdrossel kann auch dreiphasig, beispielsweise hier an die Stromwenderanschlüsse 1/2,5/6 und 9/10, angeschlossen werden, was eine ruhigere Lage des Nullpunktes der Ankerwicklung bedeutet und damit die Wirkung der Löschgeräte Zlund Zz verbessert. Wie schon früher erläutert, wird die Steuerfrequenz der Ventile des Stromrichters verhältnisgleich zur Spannung des Gleichstromzwischenkreises bzw. zur Sekundärspannung des Stelltransformators erzeugt.
Bei einem Stromrichter-Gleichstrommotor geschieht das auf dem Wege über die Drehzahl des Polrades von der Polradwelle aus, die mittels eines Gerätes zur Umsetzung der Drehzahl, beispielsweise über Hallgeneratoren, die Steuerfrequenz für die Stromtore in der Phasenlage so einstellt, dass der erforderliche Winkel von 900 elektrisch zwischen Durchflutungsachse und Polachse dauernd besteht. Die Anfahrt geschieht wie bei jedem Gleichstrommotor. Ein Stromrichter-Induktionsmotor mit Kurzschluss- oder Schleifringläufer erhält die Steuerfrequenz für den Stromrichter über ein Steuergerät, das unmittelbar von der Spannung des Gleichstromzwischenkreises gelenkt wird.
Der Anfahrvorgang vollzieht sich wie bei einem gewöhnlichen Asynchronmotor, nur mit dem Unterschied, dass hier Spannung und Frequenz stets verhältnisg1eich bleiben.
Beim Weiterschalten der Stromtore des Stromrichters treten Unsymmetrien in den Scheinwiderständen derbeiden Ankerwicklungshälften der Maschine auf. Je geringer die Anzahl A der Stromwenderanschlüs- se je Polpaar, um so grösser ist diese Unsymmetrie. Eine Verbesserung dieser Verhältnisse kann damit erreicht werden, dass man den Ständer der Maschine mit zwei gleichen und parallelen Gleichstromwicklungen bewickelt, von denen die eine einerseits mit den Stromwenderanschlüssen, anderseits leitend mit der andern Wicklung an allen solchen Stellen verbunden ist, die genau in den Mitten zwischen den benachbarten Stromwenderanschlüssenliegen. In Fig. 5 ist die Ausführung dieses Vorschlages am Beispiel eines zweipoligen Motors mit sechs Stromwenderanschlüssen dargestellt.
Fliesst der Strom durch die Stromtore 1 und 8 und wird Stromtor 3 zugeschaltet, so würde ohne die zweite Wicklung eine Unsymmetrie 2 : 3 = 0, 67 auftreten. Sind die beiden Wicklungen, wie vorgeschlagen, vorhanden und in der beschriebenen Weise miteinander verbunden, so verringert sich die Unsymmetrie auf 3 : 4= 0, 75, weil sich die Widerstände rechts von 3 bis 8 und links von 1 bis 8, also im Verhältnis 3 : 4 verhalten.
Bekanntlich wird die Leistungsfähigkeit einer Gleichstrommaschine dadurch vergrössert, dass man ihre Ankerrückwirkung mittels einer Kompensationswicklung aufhebt. Dadurch wird die Schwächung des Erregerfeldes bei Belastung verhindert und die 90 -Lage zwischen Ankerdurchflutungs-und Erregerfeldachse erzwungen, so dass immer das grösstmögliche Drehmoment erreicht wird. Eine Überkompensation in der
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Wendezone bewirkt auch eine gute Stromwendung. Diese Erkenntnis kann man sinngemäss auch auf die
Stromrichtermaschine mit Gleichstrom-Ankerwicklung anwenden, soweit sie eine Gleichstrommaschine ist.
Legt man auf das Polrad einer solchen Maschine ausser der Gleichstrom-Erregerwicklung auch eine
Kompensationswicklung, so wird die Belastungsfähigkeit dieser Maschinen vergrössert. Eine Überkompen- sation in der Achse der Ankerdurchflutung bewirkt eine Wendefeldspannung in der Ankerwicklung, die die Ablösung der Stromtore begünstigt und unter Umständen die besonderen Löschgeräte entbehrlich machen kann. Die Ausführung der Kompensationswicklung und Wendepolwicklung kann über eine geeignete Nu- tung des Polrades geschehen, wie sie beispielsweise in Fig. 6 a für eine vierpolige Maschine dargestellt ist.
In die grossen viereckigen Nuten wird die Erregerwicklung EW der Hauptpole HP eingelegt, in den äusseren rechteckigen Teilen dieser Nuten liegt die Wendepolwicklung, die die Wendepole WP umschliesst, die übrigen rechteckigen Nuten sind mit der Kompensationswicklung KW belegt. Die Her- stellung eines solchen Polrades ist teuer. In Fig. 6b ist eine einfachere und leichter herstellbare A usfuhrung beispielsweise dargestellt, bei der in den tieferen Nuten innen die Erregerwicklung und aussen ein Teil der Kompensationswicklung und die Wendepolwicklung liegen, in den seichten Nuten dazwischen liegt derRestderKompensationswicklung. Eine Wendefelderregung kannauchmittelsübererregungder Kompensationswicklung erreicht werden.
Die Nuten kann man mit metallenen Keilen verschliessen die mit den ebenfal1smtallenenStirnplattenzu einer Dämpferwickiung zusammengefügt und gelötet oder geschweisst werden können.
Eine wichtige Aufgabe für die Verwendbarkeit der Stromrichtermaschinen ist die Nutzbremsung. Bekanntlich wird jeder Gleichstrommotor und auchjeder Asynchronmotor zum Generator, wenn man ihm bei unveränderter Drehrichtung mittels eines mechanischen Antriebes eine Drehzahl aufzwingt, bei der seine elektromotorische Kraft grösser ist als die Spannung des Netzes, an das er angeschlossen ist. Dabei kehrt der Strom seine Richtung um, er fliesst in das Netz hinein. Der Stromrichtermotor ist bekanntlich über Stromtore mit den Sammelschienen des Gleichstromzwischenkreises verbunden. Diese Ventile können bekanntlich nur in einer Richtung Strom durchlassen. Jeder Stromwenderanschluss ist daher mit zwei Ventilen, einem für die Hin-, dem andern für die Rückleitung des Ankerstromes verbunden.
Soll der Motor zum Generator werden, so muss nicht nur seine Spannung höher sein als die Gleichspannung des Zwischenkreises, sondern der sich nun umkehrende Strom muss durch Ventile fliessen können, die seiner Strömung- richtung entsprechen. Die für den Motor stromzufahrenden Stromtore müssten am Stromrichter durch strom- ableitendeStromtore ersetzt werden und umgekehrt. Diese Aufgabe wird am einfachsten mittels der Umschaltung der Verbindungsleitungen zwischen Gleichstrom-Sammelschienen und Motorstromrichter gelöst, indem man sie vertauscht. Diese Umschältung kann mittels eines Umschalters geschehen, was aber eineUnterbrechung des Betriebes bedeuten würde.
Setzt man an die Stelle des Umschalters gittergesteuerte Stromtore, so braucht der Betrieb überhaupt nicht unterbrochen zu werden, denn die Umschaltung kann ja selbsttätig, beispielsweise in Abhängigkeit von der Stromrichtung mittels einer Überwachungseinrichtung gesteuert werden. Ist der Gleichstromzwischenkreis über einen Stelltransformator mit einem Wechselstromnetz verbunden, so muss bei Nutzbremsung die Energie aus dem Gleichstromkreis in dieses Wechselstromnetz zurückgeführt werden. Neben dem Gleichrichter muss dann ein Wechselrichter mit gittergesteuerten Stromtoren vorhanden sein, der über den Transformator auf das Wechselstromnetz zurück- arbeitet.
Auch hier muss beim Übergang vom Motor- zum Generatorbetrieb eine Umschaltung stattfinden, was beispielsweise ebenfalls von der erwähnten Überwachungsstelle am Motorstromrichter aus gesteuertüberStromtoregeschehenkann. Die Umschaltung'bewirkt am Motor, dass nun die Rolle der Stromtore des Stromrichters vertauscht ist ; die Ventile, die beim Motorbetrieb der Stromzuleitung dienten, leiten nun den Strom ab und umgekehrt. Das bedingt, dass auch die Löschgeräte zur Zwangskommutierung vertauscht werden müssen. Dazu wären aber nach genauer Überlegung weitere acht Stromtore erforderlich, die entschieden mehr kosten würden als zwei weitere Löschgeräte, die unmittelbar angeschlossen werden können. Unverändert bleibt der Anschluss der Spannungsteilerdrossel.
In Fig. 7 ist diese einfachere und billigere Lösung mit je zwei Löschgeräten Zl und Z g dargestellt, von denen das eine Paar für denMotorbetriebebensogeschaltetistwie in Fig. 4, das andere Paar aber in umgekehrter Anordnung für den Ge- neratorbetrieb.
InFig. 7 ist beispielsweise das Schaltbild für den Ständer einer Stromrichtermaschine dargestellt, die man sich als Lokomotivmotor für eine Einphasen-Wechselstrombahn denken kann. Am Hochspannungsnetz
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aus einem GleichrichterStelltransformators und damit dessen Spannung und die Spannung des Gleichspannungskreises wird vom Führerstand der Lokomotive aus gesteuert. Der Gleichstromzwischenkreis ist mittels der mit Mot und Gen bezeichneten Leitungen und über die Stromtore Un an die Stromrichterventile S der Maschine angeschlossen, die über die Stromwenderanschlüsse mit der Gleichstrom-Ankerwicklung des Motorständers verbunden sind. Von den Löscheinrichtungen zur Zwangskommutierung ist ein Paar mit den Mot-Leitun-
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ters W und G am Stelltransformator wird von der Frequenz des Hochspannungsnetzes gelenkt.
Die Frequenz der Stromtore des Stromrichters S an der Maschine wird bei einem Cleichstrommotorin Grösse und Phasenlage gemäss den obigen Ausführungen von der Polradwelle aus gesteuert und bei einem Induk-
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vonBeim Generatorbetrieb, also Stromumkehr, fliesst der Strom vom Stromrichter S über die rechte Gen- Leitung zur +Sammelschiene und von der-Sammelschiene über die linke Gen-Leitung und den Stromrich- ter S zur Maschine zurück. Gleichzeitig muss der Wechselrichter W am Stelltransiormator in Tätig-
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Soll der Motor als Gleichstrom-Reihenschlussmotor ausgeführt werden, so muss die Polradwelle zwei Schleifringe für die Erregerwicklung, falls das Polrad auch Kompensationswicklung trägt, sogar vier Schleif- ringe tragen und ausserdem die Einrichtung zur Abnahme der Drehzahl bzw. Frequenz der Polradwelle.
Als Induktionsmaschine mit beispielsweise einem Kurzschlussläufer mit Käfigwicklung arbeitet die Maschine ebenso gut, und der Läufer benötigt keine Schleifringe und keine Frequenzabnahme. Man erkennt, dass bei richtiger Einstellung der Zwangskommutierungseinrichtungen auf Blindleistungskompensation der Induktionsmotor weitaus im Vorteil ist.
Selbstverständlich kann nach den in der ETZ 1938, Seite 359 gegebenen Anweisungen dem Wechselstromnetz mittels zweier Zwangslöschgeräte über den Stelltransformator Blindleistung zugeführt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Drehzahlgesteuerter Stromrichtermotor mit Gleichstromankerwicklung, angeschlossen an ein einoder mehrphasiges Wechselstromnetz über Stelltransformator, Gleichrichter, Gleichstromzwischenkreis und Wechselrichter, dessen über die Stromwenderanschlüsse mit der Ankerwicklung verbundene gittergesteuerte Stromtore in Abhängigkeit von der Spannung des Zwischenkreises gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass beim Fortschreiten der Steuerung um jeweils höchstens den halben Winkel zwischen benachbarten Stromwenderanschlüssen abwechselnd ein stromzuleitendes oder stromableitendes Ventil geöffnet bzw. gesperrt wird.