Aggregat aus in Kaskade geschalteten Induktions- und Kommutatormaschine. Es sind Einrichtungen zur Regelung der Drehzahl und der Phasenverschiebung von Induktionsmotoren bekannt, bei wel chen an die Schleifringe des Induktions motors (Hauptmotors) Kommutatormaschinen angeschlossen werden, die eine dem ge wünschten Schlupf entsprechende Spannung (Gegenspannung) erzeugen. Wenn die Er regerwicklung dieser Kommutatormaschinen in der bisher üblichen Weise mit einem festen oder einstellbaren Teil der Schleif ringspannung des Hauptmotors gespeist wird, so erhält man im allgemeinen eine feste oder einstellbare Drehzahl des Hauptmotors, die mit der Belastung wenig veränderlich ist.
In vielen Fällen soll aber die Drehzahl des Hauptmotors gerade von seiner Belastung ab hängig sein, und zwar wird häufig verlangt, dass der Schlupf des Hauptmotors der Be lastung ungefähr proportional, aber grösser als sein natürlicher Schlupf sei.
Man kann einen solchen zusätzlichen Schlupf am einfachsten dadurch erreichen, dass man in den Rotorstromkreis des Haupt motors Widerstände einschaltet. Man muss aber dann den Nachteil mit in Kauf nehmen, dass die ganze Schlupfleistung des Haupt motors in diesen Widerständen vernichtet wird, und dass eine gleichzeitige Regelung der Phasenverschiebung des Hauptmotors nicht ohne weiteres möglich ist. Es ist auch möglich, den zusätzlichen Schlupf durch Kommutator maschinen zu erzeugen, die in Kaskadenschal tung an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlossen werden, indem man zum Bei spiel eine Kompoundwicklung oder einen Kompoundtransformator verwendet.
In die sem Falle kann die Schlupfleistung des Hauptmotors nutzbar gemacht werden, und es ist auch eine gleichzeitige Regelung der Pha senverschiebung des Hauptmotors möglich; doch bedingt dies eine ziemlich komplizierte Schaltung, wenn die Phasenkompensation auch schon bei Leerlauf verlangt wird.
Nach der Erfindung sollen zur Regelung des Schlupfes und der Phasenverschiebung von Induktionsmotoren ebenfalls Kommuta tormaschinen verwendet werden, die an deren Schleifringe angeschlossen sind. In der hisher üblichen Anordnung wird der Erregerkreis, der von der Schleifringspannung des Haupt motors oder einem festen oder einstellbaren Teil derselben gespeist wird, so ausgeführt, dass wenigstens in einem Teil des Regel bereiches seine Reaktanz gross ist gegenüber seinem ohmschen Widerstand.
Erfindungsge mäss soll statt dessen der ohmsche Widerstand des Stromkreises der Erregerwicklung, durch welche die dem Schlupf entsprechende Gegen spannung im Ankerstromkreis der Kommuta tormaschine erzeugt wird (Haupterregerwick lung), durch Vorschalten von ohmschem Wi derstand so stark vergrössert werden, dass er gross ist gegen die Reaktanz des Stromkreises. Dadurch wird erreicht, dass der Erregerstrom der Kommutatormaschine der Schleifring spannung und damit dem Schlupf des Haupt- lnotors proportional ist.
Das gleiche gilt, so lange Sättigungserscheinungen vernachlässigt werden können, von dem durch diesen Erre gerstrom erzeugten Feld der Kommutator maschine und solange die Drehzahl der Kom mutatormaschine konstant ist, auch von der Spannung, die durch Rotation in diesem Feld im Anker der Kommutatormaschine induziert wird. Die konstante oder annähernd kon stante Drehzahl der Kommutatormaschine kann in bekannter Weise dadurch erreicht werden, dass diese Maschine mit einer an das Netz angeschlossenen synchronen oder asyn chronen Maschine gekuppelt wird. Es kann auch der Hauptmotor selbst zum Antrieb der Kommutatormaschine verwendet werden. Der Einfluss der Sättigung der Kommutator maschine wird später noch zu erörtern sein.
Mit Rücksicht auf den ohmschen Wider stand im Ankerstromkreis der Kommutator maschine wird man den Haupterregerstrom kreis so bemessen, dass die durch ihn im An kerstromkreis der Kommutatormaschine in duzierte Gegenspannung um einen gewissen Bruchteil (ein ntel) kleiner ist als die Span nung an den Schleifringen des Induktions motors, welche den Haupterregerstromkreis speist. Die Differenz von einem ntel der Schleifringspannung muss dann dem ohm schen Spannungsabfall im Ankerstromkreis der Kommutatormaschine entsprechen, und da diese Differenz ebenfalls der Schleifring spannung proportional ist, so muss auch der Strom im Ankerstromkreis der Kommutator maschine der Schleifringspannung und somit auch dem Schlupf des Hauptmotors propor tional sein.
Die angegebene Schaltung er möglicht also tatsächlich die Erzeugung eines der Belastung proportionalen zusätzlichen Schlupfes mittelst einer Kommutatormaschine, welche die Schlupfenergie in nutzbarer Form wieder abgibt und welche gleichzeitig auch eine Phasenkompensation des Hauptmotors gestattet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. l. a ist der Hauptmotor, b die Kommutatormaschine, die an die Schleifringe c des Hauptmotors angeschlossen ist. d ist die Erregerwicklung der Kommutator maschine, welche über die ohmschen Wider stände e ebenfalls an die Schleifringe c an geschlossen ist. f ist eine Synchron- oder Asynchronmaschine, welche an das gleiche Netz g angeschlossen ist wie der Hauptmotor a und welche somit die Geschwindigkeit der Kommutatormaschine b konstant oder annä hernd konstant hält.
In der bisher beschriebenen Form hat die Einrichtung noch folgenden Nachteil. Der natürliche ohmsche Widerstand des Anker stromkreises der Kommutatormaschine ist im allgemeinen klein, d. h. der ohmsche Span nungsabfall in diesem Stromkreis beträgt nur einen kleinen Bruchteil der gesamten, in die sem Stromkreis erzeugten oder verbrauchten Spannung. Die durch die Haupterregerwick lung im Ankerstromkreis induzierte Span nung muss also bis auf einen kleinen Bruch teil mit der den Erregerstromkreis speisen den Schleifringspannung übereinstimmen. Diese Übereinstimmung ist nur schwer mit einer genügenden Genauigkeit zu erreichen.
Sättigungserscheinungen oder Änderungen des Widerstandes der Erregerwicklung etwa durch Erwärmung können auch dann, wenn diese Übereinstimmung für eine bestimmte Belastung und einen bestimmten Zustand der Maschine mit vollkommener Genauigkeit er- reicht ist, bei einer andern Belastung oder einem andern Erwärmungszustand der Ma schine Abweichungen zur Folge haben, wel che die Wirkung der Einrichtung erheblich beeinträchtigen, d. h. einen andern als den beabsichtigten, der Belastung proportionalen Schlupf erzeugen. Es kann nun diese Fehler quelle dadurch verkleinert werden, dass der wirksame Widerstand des Ankerstromkreises der Kommutatormaschine künstlich vergrö ssert wird.
Diese Vergrösserung kann dadurch bewirkt werden, dass in den Ankerstromkreis der Kommutatormnaschine ohmsche Wider stände eingeschaltet werden; sie kann aber auch dadurch bewirkt werden, dass das mag netische Feld der Kommutatormaschine etwa durch eine Kompoundwicklung oder einen Kompoundtransformator oder durch Bürsten verschiebung vom Ankerstrom abhängig ge macht wird, so dass die im Ankerstromkreis der Kommutatormaschine induzierte Spannung einen vom Ankerstrom abhängigen Anteil enthält, welcher wie ein Spannungsabfall in einem ohmschen Widerstand wirkt.
In jedem Fall hat diese Vergrösserung des wirksamen Widerstandes zur Folge, dass eine gegebene Abweichung der durch die Haupterreger wicklung im Ankerstromkreis der Kommu tatormaschine induzierten Gegenspannung von ihrem Sollwert eine kleinere Abweichung des Ankerstromes vom Sollwert zur Folge hat, als ohne diese künstliche Widerstands vergrösserung. Bei gegebener Einstellung der Haupterregerwicklung und gegebener Be lastung bewirkt dieser vergrösserte wirksame Widerstand natürlich eine Vergrösserung des Schlupfes des Hauptmotors.
Da die Schleifringspannung des Haupt motors das n-fache des ohmschen Spannungs abfalles im Ankerstromkreis der Kommuta tormaschine betragen muss, wenn die in die sem Stromkreis induzierte EMK um ein ntel kleiner als die Schleifringspannung des Hauptmotors ist, so wird die Schlupfspan nung des Hauptmotors um das n-fache dieses Spannungsabfalles vergrössert. Der Schlupf des Hauptmotors besteht zum Teil aus dem natürlichen Schlupf, welcher dem ohmschen Spannungsabfall im Rotor des Hauptmotors, also bei gegebener Belastung dem Rotor widerstand des Hauptmotors proportional ist, und aus dem zusätzlichen Schlupf, welcher dem n-fachen des ohmschen Spannungsabfal les im Ankerstromkreis der Kommutator maschine, also bei gegebener Belastung dem n-fachen des Widerstandes dieses Stromkrei ses proportional ist.
Wenn die Grösse der im Ankerstromkreis der Kommutatormaschine induzierten EMK bei gegebener Schleifring spannung geändert wird, wenn also die Zahl n sich ändert, dann ändert sich damit auch der zusätzliche Schlipf des Hauptmotors. Es wird also eine Regelung des zusätzlichen Schlupfes dadurch ermöglicht, dass der in den Haupterregerstromkreis der Kommutator maschine eingeschaltete Widerstand verän derlich gemacht wird. Eine Verkleinerung dieses Widerstandes bedingt bei gegebener Schleifringspannung eine Vergrösserung der im Ankerstromkreis der Kommutator maschine induzierten Gegenspannung oder bei gegebener Belastung, also gegebener Diffe renz zwischen Schleifringspannung und EMK, im Ankerstromkreis der Kommutatormaschine eine Vergrösserung der Schleifringspannung, also des Schlupfes.
Durch diese Möglichkeit, den zusätzlichen Schlupf nach Belieben zu regeln, wird der Vorteil erreicht, dass Über lastungen des Hauptmotors, der Regulierein richtung und vor allem des Netzes verhindert werden können. Steigt nämlich die Belastung des Hauptmotors über einen Grenzwert hin aus, so kann man durch das angegebene Mittel den zusätzlichen Schlupf vergrössern und dadurch die bei solchen Einrichtungen im allgemeinen vorhandenen Schwungmassen in verstärktem Masse zur Leistungsabgabe mit heranziehen.
Zum Anlassen des Hauptmotors benötigt man auch bei Einrichtungen nach der Erfin dung ohmsche Widerstände, welche an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlossen werden. Nun können diese Widerstände auch beim Betrieb parallel. zum Ankerstromkreis der Kommutatormaschine an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlossen bleiben. Man erreicht dadurch den Vorteil, dass die Kom mutatormaschine bedeutend kleiner werden kann. Durch entsprechende Bemessung der Widerstände im Ankerstromkreis und im Haupterregerstromkreis der Kommutator maschine hat man es in der Hand, die Schlupfleistung des Hauptmotors in einem beliebigen Verhältnis auf den Ankerstrom kreis der Kommutatormaschine und die zu diesem Stromkreis parallel geschalteten Wi derstände zu verteilen.
Man wird diese An ordnung dann verwenden, wenn die Vernich tung der Schlupfenergie oder eines Teils der zulässig ist. Eine Regelung des zu sätzlichen Schlupfes ist in diesem Fall auch dadurch möglich, dass man die zum Anker stromkreis der Kommutatormaschine parallel geschalteten ohmschen Widerstände veränder lich macht.
Bei den in der Einleitung erwähnten be kannten Einrichtungen ist die Reaktanz das Erregerstromkreises der Kommutatormaschine nicht klein gegen den ohmschen Widerstand dieses Stromkreises, ja unter Umständen überwiegt sie sogar diesen ohmschen Wider stand. Hier ist daher der Schlupf des Haupt motors durch die Einstellung der Erregung der Kommutatormaschine gegeben. Eine Pa rallelschaltung veränderlicher ohmscher Wi derstände zum Hauptmotor ist also nicht ohne weiteres zulässig.
Bei der hier beschriebenen Einrichtung dagegen ist die Gegenspannung der Kommutatormaschine der Schlupfspan nung proportional, die Kommutatormaschnre kann sich also jeder Änderung des Schlupfes, die durch Änderung der parallel geschalteten ohmschen Widerstände verursacht wird, an passen, ohne dass eine Verstellung irgend welcher Schalteinrichtungen in ihrem Er regerstromkreis notwendig wäre. Hierin liegt ein ganz besonderer Vorteil der Erfindung. Wird die Kommutatormaschine parallel zu den Widerständen geschaltet, durch die ein Teil der Schlupfenergie aufgenommen wer den soll, so ist ihr Ankerstromkreis unmit telbar an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlossen.
Er kann aber auch an An- zapfpunkte dieser Widerstände angeschlos sen werden, wobei der zwischen Hauptmotor und den Anzapfpunkten liegende Teil des Widerstandes wie eine Vergrösserung des Rotorwiderstandes des Hauptmotors wirkt, also den natürlichen Schlupf des Motors ver grössert. Auch der Erregerstromkreis der Kommutatormaschine muss nicht unmittellbar an die Schleifringe des Hauptmotors ange schlossen sein, sondern er kann ebenfalls von beliebigen Anzapfpunkten der Wider stände abgenommen werden.
Wenn die Kommutatormaschine nicht nur zur Regelung des Schlupfes, sondern auch zur Phasenkompensation dienen soll, so muss in ihrem Ankerstromkreis ausser der dem Schlupf proportionalen Gegenspannung auch eine in erster Annäherung vom Schlupf un abhängige und gegen die Schlupfspannung phasenverschobene Kompensationsspannung erzeugt werden. Man kann diese Kompen sationsspannung mit Hilfe eines zweiten Er regerstromkreises (Kompensations-Erreger- stromkreis) erzeugen, welcher vom Haupt erregerstromkreis magnetisch unabhängig ist, d. h. dessen Erregerstrom sich bei einer Än derung des Haupterregerstromes nicht oder nicht wesentlich ändert und umgekehrt.
Die magnetische Unabhängigkeit kann dadurch gegeben sein, dass die Kompensa tionsspannung in einer besonderen Kommu tatormaschine erzeugt wird.
Es kann aber auch die Gegenspannung und die Kompensationsspannung in derselben Kommutatormaschine erzeugt werden. In die sem Fall kann die Kommutatormaschine zwei getrennte Magnetsysteme enthalten, die gegeneinander in Richtung der Maschinen achse versetzt sind und die auf einen einen- samen Anker einwirken. Dabei wird man zweckmässig den Teil des Ankers, der sich in der Lücke zwischen den beidem Magnet systemen befindet, ohne Eisen ausführen.
Eine Kompensationswicklung, welche die magnetische Wirkung des Ankerstromes ganz oder teilweise aufhebt, kann rnan in diesem Fall so anordnen, dass sie ebenso wie die Ankerwicklung mit beiden Magnetsystemen magnetisch verkettet ist.
Eine andere Möglichkeit ist die, dass die Kommutatormaschine ein gemeinsames Mag netsystem mit mehreren Polpaaren oder Pol sätzen enthält, wobei ein Teil der Erreger pole die Haupterregerwicklung, ein anderer Teil die Kompensationserregerwicklung trägt. Der Anker muss in diesem Fall bekanntlich mit Wellenwicklung ausgeführt sein, damit durch die verschieden stark erregten Pole keine Ausgleichströme hervorgerufen werden.
Wenn den beiden Erregerwicklungen grosse ohmsche oder induktive Widerstände vorgeschaltet sind, so dass die in den Wick lungen induzierten EMK klein sind gegen über den Gesamtspannungen der Stromkreise, kann die Vereinigung der Magnetsysteme unbeschadet ihrer magnetischen Unabhängig keit noch weiter getrieben werden. Es kön nen nämlich dann beide Erregerwicklungen auf einem gemeinsamen Magnetsystem (auf denselben Polen dieses Systems) angeordnet sein, ja sie können sogar ganz oder teilweise zu einer Wicklung vereinigt werden, auf welche zwei Stromkreise parallel arbeiten.
Die Kompensationserregerwicklung muss, wie bereits erwähnt, mit einem Erregerstrom gespeist werden, welcher in erster Annähe rung vom Schlupf und somit von der Be lastung des Hauptmotors unabhängig ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Kompensationserregerstromkreis ebenfalls an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlos sen wird, wobei jedoch der ohmsche Wider stand dieses Stromkreises klein ist gegen seine Reaktanz. Die Gesamtimpedanz des Stromkreises wird dann wegen der überwie genden Reaktanz der Frequenz des speisen den Stromes (Schlupffrequenz) proportional sein, und die der Schlupffrequenz propor tionale Schleifringspannung des Hauptmotors wird in dieser ebenfalls der Schlupffrequenz proportionalen Impedanz einen angenähert konstanten Strom erzeugen.
Ein Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 2. In dieser Figur haben die Buchstaben a bis g dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1. h ist die zweite Erregerwicklung (Kompensationserre gerwicklung) der Kommutatormaschine, wel che über die vorgeschalteten Drosselspulen i an die Schleifringe c des Hauptmotors ange schlossen ist. Die Vorschaltdrosselspule kann natürlich auch fehlen, wenn die Kompensa tionserregerwicklung so ausgeführt ist, dass ihre Eigenreaktanz bereits gross ist gegen ihren ohmschen Widerstand, und wenn die beiden Erregerwicklungen nicht auf einem gemeinsamen Magnetsystem angeordnet sind.
Eine andere Möglichkeit der Speisung des Kompensationserregerstromkreises ist die, ihn an eine Stromquelle der Schlupffrequenz mit angenähert konstanter Spannung anzu schliessen und den ohmschen Widerstand die ses Stromkreises gross zu machen gegen seine Reaktanz. Die Stromquelle, welche eine kon stante Spannung der Schlupffrequenz lie fert, kann zum Beispiel ein Frequenzumfor mer sein, welcher mit dem Hauptmotor di rekt oder indirekt gekuppelt ist und primär aus demselben Netz gespeist wird wie dieser.
Zwei Ausführungsbeispiele hierfür zei gen die Fig. 3 und 4. In Fig. 3 ist die Kom pensationserregerwicklung lt über die ohm schen Widerstände k an die Kommutator bürsten m des Frequenzumformers l ange schlossen, dessen Schleifringe n aus den Netz g Bespeiet werden und der mit dem Hauptmotor a direkt gekuppelt ist. In Fig. A besitzt die Kommutatormaschine b nur eine einzige Erregerwicklung d, welche von den Schleifringen c des Hauptmotors über die ohmschen Widerstände e mit dem Haupt erregerstrom, von den Kommutatorbürsten m des Frequenzumformers über die ohmschen Widerstände k mit dem Kompensations erregerstrom gespeist wird. Die übrigen Be zeichnungen sind in diesen beiden Figuren dieselben wie in Fig. 1 und 2.
Der Frequenzumformer kann in bekann ter Weise anstatt mit der Umdrehungsfre quenz des Hauptmotors auch reit der Netz frequenz angetrieben werden (etwa durch einen an das Netz angeschlossenen Synchron- motor). Seiner Primärseite ist in diesem 'Fall eine Spannung von der Umdrehungsfrequenz des Hauptmotors zuzuführen, die etwa durch eine Synchronmaschine geliefert werden kann, welche direkt oder indirekt mit dem Hauptmotor gekuppelt ist. An Stelle der ohmschen Widerstände k (Fig. 3 und 4) im Kompensationserregerstromkreis können auch Vorschaltwiderstände im Primärstromkreis des Frequenzumformers verwendet werden, wenn der Frequenzumformer keine Stator wicklung (Kompensationswicklung) hat.
Da die Frequenz in diesem Stromkreis konstant ist (Netzfrequenz), so können hier an Stelle ohmscher Widerstände auch induktive Wi derstände verwendet werden.
Bei den bisher betrachteten Anordnun gen war zur Erzeugung der Kompensations spannung entweder eine besondere Erreger wicklung oder doch ein besonderer Erreger stromkreis vorhanden. Es ist aber auch mög lich, mit einem einzigen Erregerstromkreis (dem Haupterregerstromkreis) auszukommen, welcher zur Erzeugung der dem Schlupf ent sprechenden Gegenspannung über ohmsche Widerstände an die Schleifringe des Haupt motors angeschlossen ist, indem zur Eirzeu- gung der Kompensationsspannung eine be sondere Stromquelle in diesen Stromkreis ein- gesehaltet wird. Die von dieser Stromquelle gelieferte Spannung muss natürlich ebenfalls mit der Schlupffrequenz pulsieren.
Der Grösse nach muss sie in erster Annäherung konstant sein (unabhängig vom Schlupf des Haupt motors), der Phase nach muss sie geben die Schleifringspannung im Sinne der Nach- eilung verschoben sein. Eirre solche Span nung wird in dem Haupterregerstromkreis, dessen ohmscher Widerstand seine Reaktanz weit überwiegt, einen Strom erzeugen, der ebenfalls in erster Annäherung konstant ist und der sich dem von der Schleifringspan nung des Hauptmotors in dem gleichen Strom kreis erzeugten Strom überlagert.
Die Stromquelle, welche diese angenähert konstante Spannung liefert, kann ein Fre quenzumformer sein, der entweder mit den Hauptmotor direkt oder indirekt gekuppelt und aus demselben Netz wie dieser gespeist wird, oder mit Netzfrequenz angetrieben und mit einer Spannung von der Umdrehungs frequenz des Hauptmotors gespeist wird. Ein Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 5, in wel cher alle Buchstaben dieselbe Bedeutung ha ben wie in den früheren Figuren.
An Stelle der Widerstände im Erreger stromkreis, die in diesem Beispiel zwischen die Schleifringe des Hauptmotors und die Er regerwicklung geschaltet sind (Widerstände e in Fig. 5), können auch hier wieder ohmsche oder induktive Vorschaltwiderstände im Pri märstromkreis des Frequenzumformers ver wendet werden, vorausgesetzt, dass der Fre quenzumformer keine Statorwicklung (Kom pensationswicklung) trägt.
Wenn der Kompensationserregerstromkreis an die Schleifringe, des Hauptmotors ange schlossen ist wie in Fig. 2, so muss, wie oben gezeigt, der ohmsche Widerstand dieses Krei ses klein sein gegen seine Reaktan2, wenn der Kompensationserregerstrom konstant, also unabhängig vom Schlupf, sein soll. Dabei war vorausgesetzt, dass die Schleifringspan nung des Hauptmotors dem Schlupf propor tional sei. Nun kann aber die Reaktanz des Kompensationserregerstromkreises mit der Schlupffrequenz bis auf Null abnehmen, während der ohmsche Widerstand stets end lich bleibt. Bei sehr kleinem Schlupf kann also der Widerstand nicht mehr klein sein gegen die Reaktanz, und der Strom in der Kompensationserregerwicklung wird nicht mehr durch die Reaktanz allein, sondern auch durch den ohmschen Widerstand bestimmt.
Er kann also nicht konstant bleiben, wenn die den Stromkreis speisende Spannung dem Schlupf proportional ist. Soll der Kompensa tionserregerstrom konstant bleiben, so muss vielmehr die den Stromkreis speisende Span nung aus einer dem Schlupf proportionalen Komponente und einer dagegen phasenver schobenen, vom Schlupf unabhängigen Kom ponente bestehen, wobei die erste dem induk tiven Spannungsabfall, die zweite dem ohm- schen Spannungsabfall im Kompensations- erregerstromkreis entspricht.
Nun ist aber auch die Schleifringspannung nicht propor tional mit der Spannung, welche im Rotor des Hauptmotors induziert wird, also mit dem Schlupf, sondern sie enthält ausser einer dem Schlupf proportionalen Komponente eine da gegen phasenverschobene Komponente, wel che dem ohmschen Spannungsabfall des Mag netisierungsstromes im Rotor des Haupt motors entspricht, der Grösse nach also kon stant ist, wenn die Kompensationsspannung und damit der Magnetisierungsstrom im Ro tor des Hauptmotors konstant ist.
Man kann aus diesem Grunde einen konstanten (vom Schlupf unabhängigen) Strom in der Kom- perisationserregerwicklung erhalten, wenn der ohmsche Spannungsabfall im Kompensations erregerstromkreis gleich dem ohmschen Span nungsabfall des Magnetisierungsstromes rim Rotor des Hauptmotors gemacht wird.
Solange der Schlupf des Hauptmotors nicht zu klein ist, ist die Grösse des Kom pensationserregerstromes durch die Schleif ringspannung und die Impedanz des Kom- pensationserregerstromkreises eindeutig be stimmt. Bei synchronem Lauf des Haupt motors dagegen gilt dieses nicht mehr.
In diesem Fall ist nämlich die Schleifringspan nung gleich dem ohmschen Spannungsabfall des im Rotor des Hauptmotors fliessenden Magnetisierungsstromes, und wenn der ohm sche Spannungsabfall im Kompensations erregerstromkreis ebenfalls gleich dem ohm schen Spannungsabfall des Magnetisierungs stromes im Rotor des Hauptmotors, also in diesem Fall gleich der Schleifringspannung, ist, so ist damit die bekannte Selbsterregungs- berlingung für Gleichstrom erfüllt, d. h. der ohmsche Widerstand des Kompensations- erregerstromkreises hat gerade den kritischen Wert, bei welchem die Kommutatormaschine sich unter Berücksichtigung der gleichzeitig wirkenden Haupterregerwicklung mit Gleich strom selbst irregen kann.
Dies gilt dann aber unabhängig von der Grösse des Magne tisierungsstromes im Rotor des Hauptmotors, und eine Begrenzung dieses Magnetisierungs stromes auf einen bestimmten gewünschten Wert ist, wie bei selbsterregten Gleichstrom- maschinen allgemein bekannt, nur durch die Sättigung der Maschine möglich. Es soll da her die Gleichstromselbsterregung der Kom mutatormaschine durch Ktttigurig auf den Wert begrenzt werden, welcher dem ohm schen Spannungsabfall des gewünschten Magnetisierungsstromes im Rotor des Haupt motors entspricht. In vielen Fällen wird es nicht verlangt, dass der Hauptmotor den Synchronismus er reichen kann.
In solchen Fällen ist auch die Phasenkompensation bei Synchronismus, also die Gleichstroms.elbsterregung, nicht notwen dig, und man kann die eben erwähnte Schwie rigkeit dadurch umgehen, dass man den ohm schen Spannungsabfall im Kompensations erregerstromkreis etwas grösser macht als den ohmschen Spannungsabfall des Magnetisie rungsstromes im Rotor des Hauptmotors. Dann ist nämlich eine Selbsterregung der Kommutatormaschine mit Gleichstrom nicht möglich. Wenn aber der Unterschied zwi schen dem ohmschen Spannungsabfall im Kompensationserregerstromkreis und dem ohmschen Spannungsabfall des Magnetisie rungsstromes im Rotor des Hauptmotors nicht allzugross ist, wird der Kompensationserreger strom doch bis zu sehr kleinem Schlupf des Hauptmotors angenähert konstant bleiben.
Es kann vorkommen, dass die Einhaltung der angegebenen Bedingung, wonach der ohm sche Spannungsabfall im Kompensations erregerstromkreis gleich dem ohmschen Span nungsabfall des Magnetisierungsstromes im Rotor des Hauptmotors sein muss, auch nicht angenähert möglich ist. In diesem Fall wird der Kompensationserregerstrom nicht mehr konstant sein, sondern er wird mit der Schlupffrequenz abnehmen und gleichzeitig seine Richtung im Vektordiagramm ändern, so dass unterhalb eines gewissen Schlupfes keine genügende Phasenkompensation mehr möglich ist.
In vielen Fällen ist der kleinste vorkommende Schlupf, welcher durch die kleinste mögliche Belastung des Hauptmotors (Leerlauf der angetriebenen Arbeitsmaschine) gegeben ist, noch gross genug, so dass auch bei dieser kleinsten Belastung eine genügende Phasenkompensation erreicht wird. Ist dies nicht der Fall, so kann man den Drehzahl bereich, in welchem keine genügende Phasen kompensation mehr möglich ist, vermeiden, indem man die Leerlaufsdrehzahl des Haupt motors herabsetzt. Dies kann dadurch be wirkt werden, dass der Kompensationserreger strom gegenüber dem Haupterregerstrom in der Phase derart verschoben wird, dass die durch ihn im Ankerstromkreis der Kommu tatormaschine induzierte Spannung eine mit der Gegenspannung phasengleiche Kompo nente enthält.
Eine solche mit der Gegen spannung phasengleiche Spannungskompo nente im Ankerstromkreis der Kommutator maschine entsteht schon dadurch, dass infolge des ohmschen Widerstandes im Kompen sationserregerstromkreis bei abnehmender Schlüpfung eine Verdrehung des Kompen sationserregerstromes eintritt.
Wenn diese Verdrehung des Kompensationserregerstromes durch den ohmschen Widerstand nicht ge nügt, um die Leerlaufsdrehzahl auf den er forderlichen Wert herabzusetzen, so kann eine Verstärkung der mit der Gegenspannung phasengleichen, durch die Kampensations- erregerwicklung induzierten Spannungskom ponente durch entsprechende Wahl der Phase der den Kompensationserregerstromkreis spei senden Spannung erreicht werden, eventuell durch Phasenkombination, d. h. durch Auf teilung der auf einem Erregerpol befind lichen Kompensationserregerwicklung in zwei Teile, die an zwei verschiedene Phasen der speisenden Stromquelle angelegt werden.
Um bei allen Belastungen des Haupt motors eine vollkommene Phasenkompensa tion zu erreichen, ist bekanntlich eine von der Belastung bezw. vom Schlupf unabhängige Kompensationsspannung nur in erster An näherung ausreichend. Die von der Belastung abhängigen induktiven Spannungsabfälle im Hauptmotor bewirken, dass die erforderliche Kompensationsspannung mit wachsender Be lastung des Motors zunimmt. Diese Zunahme der Kompensationsspannung kann dadurch erreicht werden, dass die Kompensations- erregerwicklung mit einem Strom gespeist wird, der mit wachsender Belastung des Hauptmotors zunimmt. Je nach der Art der Speisung der Kompensationserregerwicklung kann diese Zunahme auf verschiedene Weise bewirkt werden.
Ist der Kompensationserregerstromkreis mit kleinem ohmschen Widerstand ausgeführt und an die Schleifringe des Hauptmotors an geschlossen, so kann man eine weitere Strom quelle in diesen Stromkreis einschalten, deren Spannung stärker als proportional mit dem Schlupf des Hauptmotors anwächst.
Wird der Kompensationserregerstromkreis über ohmsche Widerstände aus einer Strom quelle mit angenähert konstanter Spannung gespeist, wie bei den Anordnungen gemäss Fig. 3 bis 5, so kann man eine weitere Strom quelle in diesen Stomkreis einschalten, deren Spannung mit der Belastung oder dem Schlupf des Hauptmotors zunimmt, wie zum Beispiel die Schleifringspannung des Haupt motors oder die Sekundärspannung eines in den Primärstromkreis des Hauptmotors ein geschalteten Kompoundtransformators.
Ein anderes Mittel, die Kompensations spannung mit der Belastung anwachsen zu lassen, besteht darin, dass die Haupterreger wicklung mit einem Strom gespeist wird, der eine mit wachsender Belastung des Haupt motors zunehmende Komponente enthält, wel che gegen den zur Erzeugung der Gegenspan nung notwendigen Erregerstrom im Sinne der Nacheilung verschoben ist. Diese phasen verschobene Komponente ist nämlich phasen gleich mit dem Kompensationserregerstrom und unterstützt also diesen. Wenn auf Phasen kompensation bei Leerlauf verzichtet wird, kann diese Phasenverschiebung des Haupt erregerstromes auch allein zur Phasenkom pensation des Hauptmotors benutzt werden.
Die Phasenverschiebung des Haupterreger stromes kann durch eine entsprechende Pha senverschiebung der den Haupterregerstrom- kreis speisenden Spannung erreicht werden, also etwa. durch Phasenkombination der Haupterregerwicklung. In diesem Fall wird die gegen die Gegenspannung phasenverscho bene Komponente der durch die Haupt erregerwicklung induzierten EMK der Kom mutatormaschine der Belastung proportional sein; die Phasenverschiebung des Haupt erregerstromes gegenüber dem zur Erzeugung der Gegenspannung allein notwendigen ist also konstant.
Eine mit dem Schlupf bezw. der Be lastung des Hauptmotors zunehmende Phasen verschiebung des Haupterregerstromes gegen über dem zur Erzeugung der Gegenspannung allein notwendigen, also eine geben die Gegen spannung phasenverschobene Komponente der durch die Haupterregerwicklung induzierten EMK der Kommutatormaschine, welche stärker als proportional mit der Belastung zunimmt, tritt schon durch die unvermeidliche Reaktanz des Haupterregerstromkreises auf.
Diese Phasenverschiebung bewirkt eine mit wachsendem Schlupf zunehmende Unter stützung der Kompensationserregerwicklung Es soll daher das Verhältnis zwischen ohm schen Widerstand und Reaktanz des Haupt erregerstromkreises so gewählt werden, dass die mit dem Schlupf zunehmende, gegen die Spannung phasenverschobene Komponente des Erregerstromes bei Vollast des Hauptmotors eine so grosse Kompensationsspannung im Ankerstromkreis der Kommutatormaschine erzeugt, dass die Phasenverschiebung des aus dem Netz entnommenen Stromes bei Vollast nicht grösser ist als bei Leerlauf. Die Fig. 6 und 7 zeigen beispielsweise zwei Vektordiagramme der Ströme und Span nungen in den Erregerstromkreisen. In Fig. 6 sind i1-i5 die Haupterregerströme bei fünf verschiedenen Schlüpfungen des Hauptmotors. i1 gilt für die kleinste Schlüpfung, i5 für eine fünfmal so grosse.
Bei vernachlässigbarer Reaktanz des Haupterregerstromkreises ist die Schleifringspannung, die diesen Strom kreis speist, proportional und phasengleich mit i1-i5, ihre Richtung fällt also in die Gerade 0-E8. Durch entsprechende Phasen kombination kann erreicht werden, dass die durch diesen Erregerstrom im Anker der Kommutatormaschine induzierte EMK um einen beliebigen Winkel, z. B. den Winkel a, gegen die Ströme i1-i5 nacheilen. Sie sollen durch die Vektoren e1-e5 dargestellt sein. Der Kompensationserregerstrom ist durch Grösse und Phase durch den Vektor ic dar gestellt. Der gleiche Vektor kann auch die im Anker der Kommutatormaschine induzierte Kompensationsspannung e@ darstellen.
Die gesamte, im Anker der Kommutatormaschine induzierte EMK ist gleich der Summe von ec und e1-e5, also durch die Vektoren E1-E5, gegeben, deren Endpunkte sich auf der geraden Linie E-E bewegen. Die auf Phasenkompensation wirkende (mit ec phasen gleiche) Komponente der EMK E nimmt also mit wachsendem Schlupf bezw. wachsender Belastung des Hauptmotors zu.
In Fig. 7 ist angenommen, dass die Reak tanz des Erregerstromkreises gegenüber sei nem ohmschen Widerstand nicht zu vernach lässigen sei. 0-E8 sei wieder die Richtung der Schleifringspannung. Die Haupterreger ströme werden dann eine mit wachsender Schleifringspannung, also mit wachsendem Schlupf, zunehmende Phasenverschiebung gegen die Linie 0-E8 aufweisen, sie seien durch die Vektoren i1-i5, dargestellt. Es ist hier angenommen, dass keine Phasenkombina tion im Erregerstromkreis angewendet wurde. Die Vektoren i1-i5 können dann zugleich die im Anker der Kommutatormaschine durch die induzierte EMKe e1-e5 darstellen. Durch Hinzufügen der Kompensationsspan nung ec ergibt sich die gesamte im Anker der Kommutatormaschine induzierte EMK zu E1-E5. Die Endpunkte dieser Vektoren bewegen sich auf der Linie E-E.
Die auf Phasenkompensation wirkende (mit ec phasen gleiche) Komponente der EMK E nimmt also ebenfalls mit wachsendem Schlupf bezw. wachsender Belastung zu, jedoch bei kleinem Schlupf weniger, bei grossem Schlupf stärker als in dem Beispiel der Fig. 6.
Es wurde bereits erwähnt, .dass durch die dem Schlupf des Hauptmotors proportionale Haupterregung der Kommutatormaschine nur dann eine ebenfalls dem Schlupf propor- tionale EMK in dieser Maschine induziert wird, wenn die Sättigung vernachlässigt wer den kann. Es ist im allgemeinen möglich, die Kommutatormaschine so zu entwerfen, dass diese Vernachlässigung bei der normalen Be lastung des Hauptmotors noch zulässig ist. Bei einer Überlastung aber steigt mit der Last auch die von der Kommutatormaschine verlangte Gegenspannung an, und es würde in den meisten Fällen eine erhebliche Verteue rung der Maschine bedeuten, wenn man sie so entwerfen wollte, dass sie auch bei diesem Betriebszustand noch nicht gesättigt wäre.
Durch die Sättigung wird aber die im An ker der Kommutatormaschine induzierte Ge genspannung verkleinert, bei gegebenem Schlupf also die Stromaufnahme der Kom mutatormaschine vergrössert. Ist die Kommu tatormaschine allein an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlossen, so hat dies zur Folge, dass der Schlupf vom Eintritt der Sättigung an weniger rasch als vorher mit der Belastung anwächst. Ist ein ohmscher Widerstand parallel zur Kommutatormaschine geschaltet, so wird die Kommutatormaschine ausserdem vom Eintritt der Sättigung an einen grösseren Bruchteil des gesamten Stro mes aufnehmen und dadurch überlastet wer den.
Es ist bereits oben ein Mittel angegeben worden, welches gestattet, diese Nachteile erheblich zu verkleinern. Es besteht in der Vergrösserung des wirksamen Widerstandes cl es Ankerstromkreises der Kommutator maschine. Diese Vergrösserung kann auch erst beim Eintritt der Sättigung, eventuell auto matisch, vorgenommen werden. Ein weiteres Mittel, den angegebenen Nachteil zu vermin dern, besteht darin, dass beim Überschreiten einer gewissen Belastung des Hauptmotors, nämlich beim Eintritt der Sättigung der Kommutatormaschine, eine Umschaltung im Erregerstromkreis der Kommutatormaschine vorgenommen wird, durch welche die Erre gung der Kommutatormaschine verstärkt wird. Diese Umschaltung kann natürlich ebenfalls automatisch geschehen.
Sie kann zum Beispiel in einer Verkleinerung des ohm- sehen Widerstandes im Haupterregerstrom kreis oder in einer Vergrösserung der diesem Stromkreis zugeführten Spannung mit Hilfe eines regelbaren Transformators oder anderer an sich bekannter Mittel bestehen.
An die Stelle der Umschaltung im Haupt erregerstromkreis kann auch eine solche im Kompensationserregerstromkreis treten, in dem beim Überschreiten einer gewissen Be lastung des Hauptmotors ein ohmscher Wi derstand in den Kompensationserregerstrom kreis eingeschaltet wird. vorausgesetzt, dass dieser, wie zum Beispiel in Fig. 2 dargestellt, vorher einen überwiegenden induktiven Wi derstand enthält. Durch das Einschalten eines ohmschen Widerstandes wird dann der Kom pensationserregerstrom in der Phase verscho ben, und eine solche Phasenverschiebung wirkt, wie bereits oben gezeigt, wie eine Ver grösserung des Haupterregerstromes.
Eine andere Möglichkeit, den Einfluss der Sättigung zu verkleinern oder aufzuheben. besteht darin, dass der Haupterregerstrom kreis ausser mit der dem Schlupf proportiona len Schleifringspannung noch mit einer wei teren Spannung gespeist wird, welche stärker als proportional mit dem Schlupf anwächst.
Diese Spannung, die natürlich ebenfalls mit der Schlupffrequenz pulsieren muss, kann aus der Schleifringspannung des Haupt motors durch zweimalige Umformung mit- telst eines Frequenzumformers und einer asynchronen Hilfsmaschine erzeugt werden. Wenn nämlich die Schleifringspannung des Hauptmotors einem Frequenzumformer zuge führt wird, welcher mit der Umdrehungs frequenz des Hauptmotors angetrieben wird, so entsteht auf der Sekundärseite des Fre quenzumformers eine Spannung, welche der Grösse nach der primär zugeführten Span nung gleich, also dem Schlupf proportional ist, und deren Frequenz beispielsweise (bei entsprechender Drehrichtung) gleich der Summe von Schlupffrequenz und Umdre hungsfrequenz, also gleich der Frequenz des den Hauptmotor speisenden Netzes ist.
Wird diese Spannung einer asynchronen Hilfs- maschine zugeführt, welche ebenfalls mit der Umdrehungsfrequenz des Hauptmotors ange trieben wird, so entsteht (bei entsprechender Drehrichtung auch dieser Maschine) im Se kundärstromkreis der asynchronen Hilfs maschine eine Spannung von der Schlupf frequenz, welche im Verhältnis Schlupf frequenz zu Netzfrequenz kleiner ist als die vom Frequenzumformer gelieferte Spannung. Diese Spannung ist also dem Quadrat des Schlupfes proportional.
Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 8. In dieser Figur bedeutet, wie in den früheren Figuren, a den Hauptmotor, b die Kommuta- tormaschin, c die Schleifringe des Haupt motors, d die Haupterregerwicklung der Kommutatormaschine, e die dieser Wicklung vorgeschalteten ohmschen Widerstände, f die synchrone oder asynchrone Maschine, mit welcher die Kommutatormaschine b gekup pelt ist, und g das Netz, an welches die Ma schine f und der Hauptmotor a angeschlossen sind. Ferner bedeutet o einen Frequenzumfor mer mit dem Kommutator p und den Schleif ringen q, r eine asynchrone Hilfsmaschine mit den Schleifringen s. Die in diesem Bei spiel angewendete Schaltung bedarf nach dem vorstehenden keiner weiteren Erläuterung.
Die durch die Kombination von Fre quenzumformer und asynchrone Hilfsma schine erzeugte Spannung, welche dem Qua drat des Schlupfes proportional ist und mit der Schlupffrequenz pulsiert, kann ebenso wie zur Speisung der Haupterregerwicklung auch zur Speisung der Kompensationserreger wicklung dienen, um dadurch die schon oben als notwendig erkannte Zunahme des Kom pensationserregerstromes mit der Belastung des Hauptmotors zu erreichen.
Eine andere Möglichkeit, dem Erreger stromkreis eine Spannung zuzuführen, wel che stärker als proportional mit dem Schlupf des Hauptmotors anwächst, besteht darin, dass in den Erregerstromkreis die Sekundär wicklung eines Kompoundtransformators eingeschaltet wird, dessen Primärwicklung vom Rotorstrom des Hauptmotors gespeist wird. Das Feld dieses Kompoundtransforma- tors ist dann dem Rotorstrom, also dem Schlupf, proportional und seine Sekundär spannung dem Feld und der Frequenz, also dem Quadrat des Schlupfes.