Verfahren zur Drehzahlregelung von Asynchronmotoren mit ständererregter Kollektorhintermasehine, Bauart Scherbius. Sogenannte Scherbiusregulierungen für An triebe, die bei veränderlicher Drehzahl ein konstantes Drehmoment erfordern, eignen sich nur für beschränkte Regelbereiche; diese soll ten nicht grösser sein als etwa 2: 1. Die Be messung der Scherbiusgruppe samt Zubehör ist in der Hauptsache durch die Schlupf leistung gegeben; bei grösseren Regelbereichen wird diese Gruppe zu teuer und die Anlage unwirtschaftlich.
Anders liegen die Verhältnisse bei Antrie ben von Ventilatoren und Gebläsen, bei denen das Drehmoment etwa quadratisch mit der Drehzahl zurückgeht. In solchen Fällen bleibt die Schlupfleistung auch bei grossen Regel bereichen verhältnismässig gering, so dass die Leistung der Scherbiusmaschine im Verhältnis zur Leistung des asynchronen Vordermotors ebenfalls gering bleibt. Für solche Antriebe ist deshalb die Scherbiusregulierung auch bei grossen Regelbereichen sehr geeignet. Solche Antriebe für sehr grosse Regelbereiche, bei denen das Drehmoment beispielsweise propor- tional dem Quadrat der Drehzahl ist, kommen z. B. in Frage für Windtunnelgebläse, für welche oft Regelbereiche von 5 :1 oder mehr verlangt werden.
Bei Drehzahlregelung in mässigen Grenzen, z. B. zwischen 30 % übersynchron und 30 % untersynchron, genügt normalerweise im gan zen Bereich ausschliesslich die Regelung im Erregerkreis der Scherbiusmaschine. Dieser Bereich soll hier als normaler Regelbereich bezeichnet werden. In diesem pflegt man das Feld der Scherbiusmaschine durch einen regel baren, von den Schleifringen des Vordermotors gespeisten Erregertransformator zu regeln; nur für die Erregung im Synchronismus wird zusätzlich ein kleiner Frequenzumformer ver wendet; die Hauptklemmen der Scherbius- maschine sind unmittelbar mit den Schleif ringen des Vordermotors verbunden.
Von ausschlaggebender Bedeutung für die Kommutierung der Scherbiusmaschine ist be kanntlich die vom pulsierenden Feld herrüh rende Transformatorspannung et zwischen be- nachbarten Lamellen der Kommutierungs zone. Sie ist proportional dem Schlupf und dem Feld, et = honst. f, worin f, die Schlupffrequenz und 0, den Fluh pro Pol der Scherbiusmaschine bedeutet. Da im normalen Regelbereich dieser Fluss A pro portional der Schlupffrequenz fs ist, so ist et = Rollst. f'!'.
Mit Rücksicht auf die gute Kommutierung soll erfahrungsgemäss et einen gewissen Grenz wert Et nicht überschreiten, durch den der normale Regelbereich festgelegt ist. Will man, von der untern Grenze des normalen Regel bereiches (et = Et) ausgehend, die Drehzahl noch weiter herabregeln, dann ist, weil eine weitere Feldverstärkung der Scherbiusma- schine unzulässig ist, dies nur dadurch mög lich, dass mittels eines zwischen Vordermotor und Hintermaschine liegenden regelbaren Transformators, der. als Läuferkreistransfor mator bezeichnet werden soll, die Klemmen spannung der Scherbiusmaschine leerabgesetzt wird.
In dem so erweiterten Regelbereich kann entweder abwechselnd oder gleichzeitig mit dem Läuferkreistransformator und dem Erregertransformator geregelt werden.
Erfindungsgemäss sollen nun im erweiter ten Regelbereich Erregerspannung und Klein- menspannung der Scherbiusmaschine derart voneinander abhängig gemacht werden, dass die Transformatorspannung et praktisch kon stant bleibt und dabei mindesten, angenähert die Grösse des zulässigen Grenzwertes 1;t hat.
Diese Art der Regelung weist einige wesentliche Vorteile auf.
Die Regelung im erweiterten Regelbereich auf angenähert konstante Transformatorspan nung et lässt sich mit einer sehr einfachen Schaltung verwirklichen, wobei die Drehzahl regelung nur durch Änderung des Übersetzungs verhältnisses des als Regeltransformator aus gebildeten Läuferkreistransformators bewirkt wird; die richtige Erregung der Scherbius- maschine stellt sich bei der betreffenden Schaltung selbsttätig ein, ohne dass eine gleich zeitige Regelung im Erregerkreis erforderlich ist.
Da hierbei et angenähert konstant bleibt, wird die Schaltung des Hilfspolkreises zur Kompensation der Transformatorspannung et ebenfalls sehr einfach - es genügt, die betref fende Wendewicklung über Vorschaltdrossel spulen von den Schleifringen des Hauptmotors mit einem konstanten Strom zu speisen. Inn erweiterten Regelbereich wird die Scherbius- maschine mit der mit Rücksicht auf die Kom mutierung höchst zulässigen Spannung und demnach möglichst geringem Strom betrieben.
Da bei der Scherbiusmaschine die stromab hängigen Verluste bei weitem überwiegen, ergehen sich für die neue Schaltung die kleinsten Verluste und der beste Wirkungs- grad..
Die Erfindung sei nunmehr an Hand eini ger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei sind die Schaltungen einphasig darge stellt; selbstverständlich sind sie mehrphasig, und zwar im allgemeinen dreiphasig aufzu fassen.
Fig. 1. stellt eine allgemeine grundsätzliche Schaltung einer Scherbiuskaskade für erwei terten Regelbereich dar. An die Schleifringe des asynchronen Vordermotors A, der die Ar- beitsinascliine finit grossem Regelbereich an treibt, ist über den Läuferkreistransformator T die Seherbinsmaschine r angeschlossen, die z. ss. mit einer weiteren Asynchronmaschine gekuppelt ist und praktisch mit konstanter Drehzahl läuft. Ihre Feldwicklung e wird über den Erregertransformator t gespeist. Das Über setzungsverhältnis des Transformators T werde finit c, dasjenige des Transformators t finit ü bezeichnet.
Es ist (laut)
EMI0002.0032
und
EMI0002.0033
Darin bedeuten . r = Schleifringspannung des Vordermo tors, e, = Klemmenspannung der Hinterma schine, @e = Erregerspannung der Hinterma- schirre. Ferner ist @ = -_ Schlupf des Vordermotors.
-Bei den ein folgenden verwendeten Bezeich- llun-en deuten kleilie ssuclistahen variable, grosse ssuelistaben feste Werte. Beim Übergang von der blossen Feld regelung, also vom normalen auf den erwei terten Regelbereich sei zunächst a=1 und ss=I., was der obern Grenzdrehzahl des erweiterten Regelbereiches entspricht. Hierfür ergeben sich die festen Werte Er, S und<I>Et;</I> dann ist auch e, und es = Er.
)Wird nun der Läuferkreistransformator T herabgeregelt, so dass a < 1 wird, dann bleibt entsprechend der Nebenschlusscharakteristik der Scherbiusmaschine E die Drehzahl des Hauptmotors 11 im wesentlichen unverändert, aber die Klemmenspannung e, der Maschine K, ihr Fluss sowie die Transformatorspamiung et gehen im Verhältnis a : 1 zurück. Es wird, wenn immer noch 13 =1 bleibt, e e - a , Er s = 5' <I>et - a . Et.</I>
Wird dann auch noch der Transformator t geregelt und ( > 1 gemacht, dann vergrössern sich Schlupf und Schleifringspannung im Ver hältnis 1, wie folgt S = ss - 8 er - 1'3 . Er - a # P # Er e, <I>a .</I> R2 <I>.</I> E,, und <I>et = a .</I> 13 # <I>Et.</I>
Da nun erfindungsgemäss et konstant gleich Et gehalten werden soll, so sind a und @ gleich zeitig so zu regeln, dass
EMI0003.0018
und diesem Verhältnis entsprechend sind die Regelorgane der beiden Transformatoren T und t miteinander zu kuppeln.
Eine Möglichkeit, in scheinbar einfacher Weise die gewünschte Abhängigkeit von er, e. und e, zu bewirken, zeigt Fig. 2. TI und T2 sind hier zwei identische Transformatoren, die in Kaskade geschaltet sind, beide für die gesamte Schlupfleistung zu bemessen sind und gleichzeitig auf gleiche Übersetzung
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ge regelt werden. Die Schaltung hat jedoch kaum praktische Bedeutung, weil die Reihenschal- tung zweier Transformatoren von der Grösse des Läuferkreistransformators viel zu kost spielig wird.
Dagegen lässt sich mit grosser Annäherung die gleiche Wirkung mit der sehr einfachen und praktisch brauchbaren Schaltung nach Fig. 3 erzielen. Die Erregerwicklung e der Scherbiusmaschine K wird hier von einer festen Anzapfung des Erregertransformators t' gespeist, der primär an der Spannung e, -e" liegt. Wird das Übersetzungsverhältnis il des Transformators t' richtig gewählt - und zwar soll ü etwa die Grössenordnung 3:1 haben -, dann bleibt bei Drehzahlregelung durch den Regeltransformator T die Trans formatorspannung et mit grosser Annäherung konstant, ohne dass irgendeine weitere Rege lung im Erregerkreis der Kollektormaschine vorgenommen werden muss.
Für ü = 3 : 1 ergibt sich
EMI0003.0028
In Fig. 4 sind die nach diesen Formeln berechneten Grössen von s und et in Abhängig keit von a aufgetragen. Eine Regelung des Transformators t im Bereich<I>a = 1</I> bis ss = 0,18 entspricht einer etwa 2,5-fachen Ver grösserung des Schlupfes s; dabei bleibt<I>et</I> praktisch gesprochen konstant. (Die Abwei chung beträgt ca. + 10 /o).
Die Fig. 1 bis 4 beziehen sich nur auf die Drehzahlregelung im erweiterten Regelbereich; dagegen enthält das Schaltbild nach Fig. 5 die Schaltvorrichtungen sowohl für den nor malen wie auch für den erweiterten Regel bereich. Der mit dem Hauptmotor A gekup- pelte kleine Frequenzumformer F ist bekannt lich erforderlich für der Erregung der Scher- biusmaschine 11 beim Durchgang durch den Synchronismus. Diese hat im Stator ausser der Erregerwicklung e noch die Kompensa tionswicklung k und die Wendewicklung w. Mit dieser in Reihe geschaltet ist die Drossel spule d. Zum Reversieren der Feldwicklung e beim Durchgang durch den Synchronismus dient der Reversierschalter r.
Für die erfor derliche Schaltungsänderung beim Übergang von dem normalen auf den erweiterten Regel bereich oder umgekehrt sind die Umschalter ui na u3 vorgesehen.
Im normalen Regelbereich, z. B. von 30 % übersynchron bis 30 (/o untersynchron, liegen die -Umschalter uI u2 u3 nach rechts, während der Reversierschalter r nach oben oder nach unten eingelegt ist, je nachdem übersynchron oder untersynchron geregelt wird. Im norma len Regelbereich erhält die Scherbiusmasclline .K die volle Schleifringspannung des Vorder motors A; ihre Erregerwicklung e ist dann am Regelkontakt des Regeltransformators T angeschlossen; den Nullpunkt des Erreger kreises bildet gewissermassen der Frequenz umformer F; die Wendewicklung w, ist über die Drosselspule d ebenfalls am Regelkontakt des Regeltransformators<B>1</B> angeschlossen.
Ab gesehen vom Stromkreis der Windewicklung w, der weiter unten erläutert wird, entspricht die Schaltung im wesentlichen der bekannten Scherbiusscllaltung für über- und untersyn chrone Drehzahlregelung.
Im erweiterten Regelbereich, z. B. voll 30% untersynchron bis 75 % untersynchron, wird im Prinzip die Schaltung nach Fig. 3 hergestellt. Dabei liegen die Umschalter uI uz u3s nach links, und der Reversierschalter r ist nach unten gelegt. Somit ist die Scherbius- maschine k an den Regelkontakt des Transfor mators T angeschlossen, so dass ihre Spannung einen regelbaren Bruchteil der Schleifringspan nung des Vordermotors 3 beträgt; die Erreger wicklung ist jetzt an der mittleren Anzapfung des Transformators t' und die Wendewicklung w an den Schleifringen des Vordermotors :1 an geschlossen. Infolge des Scheinwiderstandes der Drossel d fliesst in diesem Kreis im ganzen erweiterten Regelbereich ein praktisch konstan- ter Strom.
Dies ist auch erwünscht, denn die Wendepole sollen ja die im erweiterten Bereich nahezu konstante Transformatorspannung et kompensieren.
Im normalen Regelbereich erhält der Kreis der Wendewicklung nahezu die gleiche Span nung wie die Erregerwicklung. Bei ungesättigter Drossel (l ergibt sich dann in diesem Kreis ein dem Schlupf proportionaler Strom. Erwünscht wäre ein Strom, der dem Quadrat des Schlupfes proportional ist; durch Sättigung der Drossel spule cl lässt sich dies wenigstens angenähert erreichen.
Der Transformator T lässt sich als Stufen transformator oder als stufenloser Transforma tor ausführen, je nachdem die Regelung in Stufen oder stufenlos verlangt wird. Sämtliche Schaltorgane lassen sich in bekannter W eise auf einem gemeinsamen Kontroller unter bringen, so dass dann die ganze Regelung nur durch Betätigung dieses Kontrollers bewirkt werden kann. Auch eine Fernsteuerung, sei es in Verbindung mit einem Kontroller oder mit Schützen, ist möglich.
Es kann erwünscht sein, besonders in der -Nähe des Synchronismus, den ohmschen Wider- stand des Erregerkreises zu ändern, oder die Phasenlage der Frequenzumformer-Spannung zu beeinflussen; auch dies kann durch be sondere Kontakte des Kontrollers bewirkt werden.