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Einrichtung zum stufenweisen Regeln der Geschwindigkeit von Drehleidmotoren.
Zum Antrieb von Arbeitsmaschinen, deren Geschwindigkeit man zu beherrschen und zu regeln wünscht, benutzt man mit Vorteil elektrische Motoren, da ihre Drehzahl im allgemeinen leicht durch Schaltverfahren verändert werden kann. Das einfachste und betriebssicherste System hierfür ist das Gleichstrom-Leonard-System, das von sehr kleinen Leistungen bis zu vielen tausend
Kilowatt angewandt werden kann und das einerseits den Vorteil besitzt, eine vollkommen stetige
Regelung der Drehzahl zu erlauben und andrerseits diese Regelung durch leicht ausführbare
Schaltungen an schwachen Strömen in den Erregerkreisen ermöglicht.
Will man Wechselstrom in ein-oder mehrphasiger Form zur Leistungsübertragung zwischen
Generator und Motor benutzen, so-kann man bei Anwendung von Wechselstrom-Kollektormaschinen ebenfalls eine stetige Regelung der Drehzahl erreichen. Diese Maschinen sind jedoch nur für kleine und mittelgrosse Leistungen brauchbar.
Das Ziel dieser Erfindung ist nun, elektrische Einzelantriebe, bei denen Motoren oder
Gruppen von Motoren unmittelbar von zugehörigen Generatoren oder Gruppen von solchen gespeist werden, derart auszubilden, dass die Drehzahl der Motoren gegenüber der Drehzahl der Generatoren geregelt werden kann und dass diese Regelung nach Möglichkeit durch
Schaltungen in Schwachstromkreisen, vor allem in den Erregerkreisen der Generatoren erfolgt. Wenn das elektrische Getriebe nämlich sehr grosse Leistungen übertragen soll und besonders wenn die Geschwindigkeit der Motoren unter Last verändert werden soll, so wären zum Schalten des Hauptarbeitsstromes ausserordentlich grosse Starkstromschalter erforderlich, die leicht zu Störungen oder Betriebsschwierigkeiten führen.
Es ist deshalb wünschenswert, die Änderung der Geschwindigkeit durch Schaltungen in den Schwachstromkreisen des Getriebes vorzunehmen.
Wie dies erreicht werden kann, soll im folgenden gezeigt werden :
In Fig. i ist zunächst eine bekannte Anordnung gezeichnet, in der ein Motor m von einem Generator g in Einzelantrieb gespeibt wird. Sowohl der Motor wie der Generator besitzt vier verschiedene Wicklungen in seinem Stator oder vier derartige Anzapfungen an die Stator- wicklungen, dass jeder wahlweise mit vier verschiedenen Polzahlen arbeiten kann. Man kann durch geeignete Wahl der Generator-und Motorpolzahlen mit dieser Anordnung sechzehn verschiedene Geschwindigkeitsstufen des Motors bei konstant gehaltener Generatordrehzahl erreichen. Allerdings muss man zum Übergang auf jede andere Stufe einen Starkstromschalter betätigen. Ausserdem ist es natürlich nötig, auch die Erregerwicklung des Generators je nach der gewünschten Generatorpolzahl umzuschalten.
Die Starkstromschaltung soll nun nach der Erfindung dadurch vermieden werden, dass durch Umschaltung der Generatoren in ihren Erregerkreisen die Stromverhältnisse in den
Wicklungszweigen der Motoren und damit deren Polzahl geändert wird. In Fig. 2 ist ein Beispiel dafür dargestellt, sowohl vom Mehrphasenmotor m wie von den speisenden Generatoren g ist nur die Statorwicklung einer Phase gezeichnet.
Sie besteht, wie es bei der bekannten Tourenregulierung mittels Polumschaltung bei Drehstrommotoren allgemein üblich ist, aus zwei getrennten Wicklungen, die jedoch im Gegensatz zu der bekannten Schaltung der Erfindung gemäss von je einem besonderen Generator gespeist werden. Ändert man nun die Polzahl eines oder beider der speisenden Generatoren, so liegt es auf der Hand, dass sich eine viel grössere
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ba, ren Motoren erreichen lässt. Diese beiden Generatoren gl, g. sind miteinander gekuppelt gegezeichnet. Die Richtung des Erregerstromes in einem Generator, z. B. gl, kann durch einen Umschalter geändert werden.
Während bei gleichsinniger Erregung beider Generatoren in den beiden Wicklungsteilen des Motors Ströme im Sinne der in die Leitungen gezeichneten Pfeile fliessen, die bei der dargestellten Anordnung ein sechzehnpoliges Feld im Motor hervorrufen,
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Ebenso wie es möglich ist, zwei getrennte Wicklungen in den Motoren und zwei dazugehörige schaltbare Generatoren zu verwenden, lässt sich das erläuterte Prinzip beliebig verallgemeinern, wenn es sich nämlich darum handelt, eine besondere grosse Stufenzahl für die Motoren im Vorwärtsgang-allein oder im Vorwärts-und Rückwärtsgang, wie oben geschildert, zu erzielen.
Bei sehr grossen Leistungen bietet eine derart starke Unterteilung der Generatoren in einzelne Maschinen, wie sie zur Erzielung zahlreicher Stufen erforderlich ist, keine unüberwindlichen Schwierigkeiten, Im allgemeinen wird man es jedoch vorziehen, mit einer möglichst geringen Zahl von'Generatoren auszukommen. Dies lässt sich mit einem Prinzip erreichen, für das als Beispiel in Fig. 3 eine Schaltung dargestellt ist. Es ist auch hier zur leichteren Übersicht nur eine Phase der Statorwicklungen des Motors und Generators gezeichnet, die bei dem Stromlauf der Fig. 3a ein vierpoliges Feld im Motor erzeugt.
Die beiden Zweige der Motorwicklung werden
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Generators und Motors so zu verteilen, dass sie für jede Polzahl ein anderes Mehrphasensystem bilden, beispielsweise bei acht Polen ein Dreiphasen-, bei zwölf Polen ein Zweiphasensystem.
Die vorstehend beschriebenen Schaltungsarten zur Regelung der Motordrehzahl können natürlich in beliebiger Kombination miteinander verwendet werden. Man kann z. B. bei geeigneter Unterteilung der Wicklungen in den Motoren und Generatoren und bei gleichzeitiger Teilung der Generatoren durch wahlweises Umkehren von Erregerströmen sowohl eine Änderung der Polzahl einer der Generatoren als auch der Stromrichtung mehrerer oder sämtlicher Generatoren erzielen und kann auf diese Weise eine sehr grosse Mannigfaltigkeit von Drehzahlen der Motoren herstellen. Man kann dabei auch solche Generatorumschaltungen, die zur Veränderung der Drehrichtung der Motoren ohne Änderung der Polzahl führen, in Kombination mit den eben erläuterten Methoden mit Vorteil anwenden.
Es kann auch nützlich sein, sich nicht allein auf die Geschwindigkeitsstufen zu beschränken, die ohne Starkstromschaltung erreichbar sind, sondern für gewisse Zwecke noch weitere Stufen hinzuzugewinnen, indem man ausser der Regelung an den Generatoren auch eine Vertauschung der Motorleitungen durch Schalter vornimmt. Man kann dann häufig den Betrieb so einrichten, dass diejenigen Geschwindigkeitsveränderungen des Motors, die unter Last erfolgen müssen, durch Regeln des Erregerstromes zu erzielen sind, während diejenigen Geschwindigkeitsstufen die durch Umschaltung mit Kontakten erzielt werden, mit geringer Belastung des Motors hergestellt werden, wobei man keine so grossen Ströme zu unterbrechen braucht, oder wobei man die Erregung des Generators zeitweise abschalten kann, um stromlos überschalten zu können.
Als Beispiel sei genannt, dass man mit dem oben zuerst erwähnten Getriebe ausser den Geschwindig-
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Es ist prinzipiell gleichgültig, welche Art von Drehfeldmotoren man verwendet. Synchronmotoren haben den Nachteil, dass sie schwer von einer Schaltung in die andere übergehen und dass man bei Wechsel der Polzahl auch ihr Erregerfeld umschalten muss. Sie erfordern jedoch kleinere Generatoren für nur induktionsfreie Belastung. Auch Asynchronmotoren mit Phasenanker benötigen meist eine entsprechende Polumschaltung im Rotor. Am zweckmässigsten ist die Anwendung von Käfigankermotoren, da sie für jede beliebige Polzahl ohne Änderung der Schaltung richtig wirken.
Wählt man, um eine grosse Anzahl von Geschwindigkeitsstufen zu erzielen, eine Polygonschaltung, beispielsweise eine achtphasige Schaltung, so ist es möglich, die Anzahl der Verbindungsleitungen zwischen Generator und Motor zu verringern, indem man die Leiter, die zu Punkten gleichen Potentials führen, zusammenfasst. Namentlich ist dieses von Bedeutung, wenn es sich um zwei Leiter handelt, von denen der eine Ströme in der einen, der zweite in der anderen Richtung führt ; in diesem Falle verbinden die Leitungen nur spannungslose Punkte, so dass in ihnen kein Verlust an Stromwärme auftritt.
Manche Motorantriebe erfordern Drehmomente, die mit wachsender Drehzahl steigen, andere erfordern Molnente, die mit zunehmender Drehzahl sinken. Das erstere ist z. B. der Fall bei Werkzeugmaschinen und Fahrzeugen auf ebener Bahn, letzteres bei Fahrzeugen, die schnell horizontal, langsam bergan fahren sollen. In allen diesen Fällen ist es vorteilhaft, die Feldstärke des Motors und damit auch die des Generators nicht für alle Geschwindigkeitsstufen gleich zu halten, sondern sie entsprechend dem zu erzeugenden Drehmomente zu verändern. Dies lässt sich auf einfache Weise mit der sowieso notwendigen Umschaltung im Erregerkreise verbinden, wenn man die Erregerwicklungsteile zur Erzielung hoher Feldstärken in allen Maschinen in Parallele und zur Erzielung geringer Feldstärken in Serie legt, wobei noch zahlreiche Zwischenstufen möglich sind.
Man kann somit erreichen, dass für die niedrigeren Polzahlen an den Generatoren geringere Luftinduktion hergestellt wird, wie für die höheren. Für sehr schnelllaufende Generatoren mit rotierenden Innenpolen, wie sie beispielsweise für Dampfturbinenantriebe benutzt werden, hat ein derartiger Wechsel der Feldstärke, der durch die beschriebene Schaltweise selbsttätig erreicht werden kann, noch den besonderen Vorteil, dass man mit den
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fährt.
Die Jochdicke des Statoreisens, die für den beispielsweise vierpoligen Betrieb mit hoher Feldstärke sowieso notwendig ist, reicht dann nämlich auch für den zweipoligen Betrieb mit geringer Feldstärke aus, während man sie bei gleichgehaltenen Feldstärken für beide Fälle nur mit Rücksicht auf den zweipoligen Betrieb fast doppelt so gross ausführen müsste, da die Kraftlinienzahl wegen der doppelten Polteilung des zweipoligen Generators auch doppelt so gross wäre.
Je nach der Art der Abhängigkeit des Drehmoments von der Geschwindigkeit des Motors wird man die Wicklungsanordnungen so auswählen, dass der Generatorbetrieb mit der höchsten Polzahl diejenige Motordrehzahl ergibt, für die das stärkste-Drehmoment im normalen Betriebe erforderlich wird,
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Zylinderinduktor, dessen Erregerwicklung zerteilt in Nuten eingebettet ist, entsprechend der Abwicklung in Fig. 43.. Dies hat den grossen Vorteil, dass man bei allen Polzahlen eine gut trapezförmige Feldkurve und daher eine sehr gut sinusförmige Spannungskurve erhält. Die Feldkurve
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aus trapezähnlichen Stücken zusammen, die man ohne grosse Zwischenräume ineinander übergehen lassen kann, so wie es z.
B. an Fig. 4b und c für eine Umschaltung von vier auf zwei Pole gezeigt ist. Bei Schenkelpolmaschinen erhielte man nur für die höchste Polzahl günstige Spannung kurven, weil sich bei den niedrigen Polzahlen ein tiefer Sattel in der Feldkurve zwischen je zwei gleichnamigen Einzelpolen ausbildet.
Bei allen Betriebsweisen, die'die Umschaltung der Erregerfelder der Generatoren benutzen, entstehen während der Umsteuerzeit starke Ausgleichsströme in den Wechselstromleitungen, weil die in den verschiedenen Systemteilen erzeugten Spannungen nicht mehr im Gleichgewicht sind. Um ihre schädlichen Einwirkungen möglichst gering zu halten, ist es zweckmässig, Schnellerregungsmethoden zur Feldänderung zu verwenden, bei denen die magnetische Zeitkonstante der Maschinen tunlichst verkleinert wird, beispielsweise durch geeignete Einschaltung von Widerstand in die Gleichstromkreise.
PATENT-ANSPRÜCHE : I. Einrichtung zum stufenweisen Regeln der Geschwindigkeit von Drehfeldmotoren, die
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zweigen gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, dass durch Umschaltung der Generatoren in ihren Erregerkreisen die Stromverhältnisse in den Wicklungszweigen und damit deren Polzahl geändert werden.