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Drehzahlregeleinrichtung für Asynchronmaschinen Die Erfindung bezieht
sich auf die Drehzahlregelung von Asynchronmaschinen und insbesondere solchen Asynchronmaschinen,
deren Drehzahl sowohl beim Betrieb als Motor als auch beim Betrieb als Bremse geregelt
werden muß, wie dies beispielsweise bei Hebezeugen, Winden u. dgl. erforderlich
ist.
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Es ist an sich bekannt, daß normale Asynchronmaschinen nur bei übersynchronen
Drehzahlen als Bremse benutzt werden können und daß die Drehzahlregelung durch Widerstandsregelung
nur bei positiven Motorbelastungen wirksam ist und bei Leerlauf unwirksam wird.
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Zur Erzielung stabiler Drehzahlen bei untersynchronem Lauf unter allen
Betriebsbedingungen, d. h. sowohl beim Betrieb als Motor als auch beim Betrieb als
Bremse, wurde bereits ein Prinzip vorgeschlagen, das auf der gleichzeitigen Verwendung
von zwei im Polzahlverhältnis 1:2 stehenden Wicklungssystemen beruht. Eine der Statorwicklungen
ist hierbei mit der Wechselstromquelle und die andere Wicklung mit einem Gleichstromerzeuger
verbunden, wobei das erste System als Motor und das zweite als Bremsgenerator in
Verbindung mit seinen im Rotor liegenden Sekundärwicklungen arbeitet.
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Bei der Drebzahlregeleinrichtung für Asynchronmaschinen gemäß der
Erfindung ist die Maschine ebenfalls mit zwei Systemen von Ständer- und Läuferwicklungen
versehen, deren Polzahlverhältnis geradzahlig ist und von denen das eine von einer
Wechselstromquelle für den Betrieb der Maschine als Asynchronmaschine gespeist wird
und das andere zur gleichzeitigen Widerstandsbremsung gleichstromerregt ist. Erfindungsgemäß
ist die an die Wechselstromquelle angeschlossene Wicklung im Ständer und die gleichstromerregte
Wicklung im Läufer untergebracht.
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Es ist an sich bekannt, bei einem polumschaltbaren Induktionsmotor
mit regelbarer Arbeitswicklung für hohe Drehzahl und einer nicht regelbaren Wicklung
mit kurzgeschlossenem Sekundärteil für niedere Drehzahl den Primärteil der Arbeitswicklung
und den Sekundärteil der_ Wicklung für die niedere Drehzahl im Läufer und dn Sekundärteil
der Arbeitswicklung und den Primärteil -der Wicklung für die niedere Drehzahl im
Ständer des Motors anzuordnen Die in den Zeichnungen schematisch dargestellten Beispiele
der Schaltanordnungen gemäß der Erfindung zeigen das der Erfindung zugrunde liegende
Prinzip, dessen Ausführung und das erzielte Ergebnis.
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In dem in Abb. 1 dargestellten Beispiel bezeichnet S8 die mit einer
Dreiphasenquelle verbundene und für acht Pole gewickelte Ständerwicklung einer Asynchronmaschine.
R8 ist die Läuferwicklung, die ebenfalls für acht Pole gewickelt und mit den drei
Schleifringen 1, 2 und 3 verbunden ist. Die Schleifringe sind mit einem Dreiphasenwiderstand
Res verbunden, der durch Bewegen des Sternpunktes, wie mit voll ausgezogenen und
gestrichelten waagerechten Linien gezeigt, veränderlich ist.
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Vierpolige Wicklungen S4 und R4 sind jeweils in den gleichen Nuten
angeordnet wie die Wicklungen S8 und R8. Die dreiphasige Läuferwicklung R4 ist in
dem dargestellten Beispiel im Stern geschaltet, wobei zwei Phasen parallel an einen
Schleifring 4 und die dritte Phase an den Schleifring 3 angeschlossen sind, der
ferner mit einer Phase der Achtpolwicklung R8 verbunden ist.
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Die Schleifringe 3 und 4 sind mit einem Gleichrichter Re verbunden,
der über einen Tränsformator T von einer Wechselspannungsquelle gespeist wird.
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In den Gleichrichterkreis ist ein Regelwiderstand Res a eingeschaltet.
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Die vierpolige Ständerwicklung S4 ist mit den entgegengesetzten Enden
des Widerstandes Res verbunden, so daß beim Ändern der Sternverbindung der Widerstand
im Stromkreis der Wicklung S4 verkleinert wird, während gleichzeitig der Widerstand
im Stromkreis der Wicklung R$ vergrößert wird, und umgekehrt. Es können jedoch auch
zwei getrennte Sternpunkte vorgesehen werden, um eine voneinander unabhängige Einstellung
der Widerstände in den beiden Stromkreisen zu ermöglichen.
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Mit der in Abb. 1 gezeigten Anordnung mit einem Sternpunkt erreicht
der Widerstand einer der beiden
Wicklungen dann seinen Höchstwert,
wenn die andere Wicklung kurzgeschlossen ist.
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Infolge des Verhältnisses von 2:1 der Polzahlen der beiden Wicklungssysteme
S8, R8 einerseits und R4, S4 anderseits wird wie bei der bereits bekannten Anordnung
keine Spannung in den Wicklungen des einen Polsystems durch eine an irgendeine der
Wicklungen des anderen Polsystems gelegte Spannung induziert.
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Bekanntlich kann durch ein vierpoliges Drehfeld keine Spannung in
einer achtpoligen Wicklung induziert werden, und umgekehrt ist ein achtpoliges Drehfeld
gegenüber einer Vierpolwicklung unwirksam.
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Die beiden Wicklungssysteme sind daher voneinander unabhängig, so
daß es möglich ist, die Vierpolwicklung R4 an eine Gleichstromquelle, im dargestellten
Beispiel an den Gleichrichter Re, anzuschließen, während die Achtpolwicklung S8
mit der Wechselstromquelle verbunden ist.
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Bei stillstehender Maschine ist das von dem umlaufenden Achtpolfeld
entwickelte Drehmoment das einzige wirksame Drehmoment in der Maschine, und seine
Größe wird von dem Wert des in den Läuferstromkreis R8 eingebrachten Widerstandes
Res bestimmt.
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Bei zunehmender Drehzahl wird in an sich bekannter Weise durch den
durch die Gleichstromerregung in der Vierpolwicklung R4 erzeugten Fluß in der Vierpolwicklung
S4 eine EMK induziert, deren Frequenz und Größe der Umlaufgeschwindigkeit des Läufers
proportional ist.
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Durch Änderung des im Stromkreis der Vierpolwicklung S4 wirksamen
Widerstandes von Res kann der unter dem Einfluß der induzierten EMK fließende Strom
verändert werden und damit bei jeder beliebigen Drehzahl in bekannter Weise jedes
erforderliche Bremsmoment erzielt werden.
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Durch die bei dieser Schaltanordnung vorgesehene Kombination, nämlich
der Widerstandsregelung in der Sekundärwicklung des Achtpolsystems mit der Widerstandsregelung
in der Sekundärwicklung des Vierpolsystems und/oder der Einstellung der Gleichstromerregung
in der Primärwicklung des Vierpolsystems können in bekannter Weise stabile Drehmomentkennlinien
sowohl in der Hebe- als auch in der Senkrichtung bei allen untersynchronen Drehzahlen
sowie in der Senkrichtung bei übersynchronen Drehzahlen erzielt werden, wie dies
für den Betrieb von Hebezeugen, Winden u. dgl. erforderlich ist.
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Die Stabilität und Überlastungsfähigkeit einer derartigen Maschine
hängt von den Streuungsverhältnissen nicht nur unter Belastung, sondern auch im
Leerlauf ab, und in dieser Beziehung zeigt die Wicklungsanordnung nach der Erfindung,
wie weiter unten ausführlich gezeigt wird, erhebliche Vorteile gegenüber bekannten
Anordnungen.
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Abb. 2 zeigt an einem Beispiel die Drehzahl-Moment-Kennlinien einer
nach der Erfindung ausgeführten Maschine.
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Es sind sowohl in der Heberichtung als auch in der Senkrichtung sechs
Stufen verfügbar, von denen die Stufen 1 bis 4 in der Heberichtung und 2 bis 5 in
der Senkrichtung durch die beschriebene Überlagerung des durch das Achtpolsystem
erzeugten Motordrehmoments und des durch das Vierpolsystem erzeugten Bremsmoments
mit verschiedenen Einstellungen des Sekundärwiderstandes sowohl in der Asynchronmaschine
als auch im Bremskreis, kombiniert mit Einstellungen der Gleichstromerregung, erzielt
werden. Die Stufen 5 und 6 in der Heberichtung und die Stufe 6 in der Senkrichtung
werden durch den Betrieb des Achtpolsystems als Asynchronmaschine erzielt und die
Stufe 1 beim Senken, dadurch, daß nur das Bremssystem mit Gleichstromerregung benutzt
wird.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der Wicklungen der beiden Systeme ermöglicht
den wirtschaftlichen Entwurf von Motoren mit den bestmöglichen Betriebseigenschaften
in bezug auf die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien (wie in Abb. 2 dargestellt), Überlastungsfähigkeit,
erforderliche Gleichstromerregung, und Erwärmung der Maschine, a11 dies im Zusammenhang
mit anderen die Wirtschaftlichkeit der Anordnung beeinflussenden Umständen, wie
die erforderliche Anzahl von Schleifringen, die Anordnung und Auslegung der externen
Widerstände und der Schaltapparatur.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen gegenüber der bekannten Anordnung,
bei der die wechselstromgespeiste und die gleichstromerregte Wicklung im Ständer
liegen, ist zunächst, daß die Kupferverteilung im Ständer und Läufer erheblich verbessert
wird, da nur je eine der hochbelasteten Wicklungen im Ständer (Primärwicklung des
Arbeitssystems) bzw. im Läufer (Erregerwicklung des Bremssystems) liegen.
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Dadurch werden nicht nur die Nutenquerschnitte einander angenähert,
die Erwärmung des Ständers herabgesetzt und die Streuung beider Systeme verringert.
Ebenso wichtig ist, daß die sehr erheblichen Streuflüsse der primären Wicklungen
sich nicht gegenseitig überlagern und die Ständerzähne übersättigen. Diese primären
Streuflüsse stellen einen erheblichen Prozentsatz des Gesamtflusses beider Systeme
bereits im Leerlauf dar, und diese Leerlaufstreuung vermindert die Überlastungsfähigkeit,
d. h. das maximale Drehmoment jedes Systems, entsprechend, welches dem Quadrat des
mit der Sekundärwicklung verketteten Differenzflusses proportional ist.
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Die Herabsetzung dieses Effekts durch die erfindungsgemäße Anordnung
ermöglicht daher eine erheblich höhere Leistungsausnutzung einer gegebenen Motorgröße.
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Ein weiterer Vorteil der neuen Anordnung ist, daß die Zahl der erforderlichen
Schleifringe von sechs bei der bekannten Anordnung auf vier reduziert ist, wie aus
Abb. 1 ersichtlich.
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Trotz der reduzierten Anzahl von Schleifringen ist es möglich, einen
gemeinsamen Widerstand für beide Systeme zu verwenden, da die Sekundärwicklung des
Bremssystems erfindungsgemäß im Ständer untergebracht ist.
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Das Wicklungssystem mit der für die Widerstandsbremsung durch Gleichstromerregung
benutzten Polzahl kann auch betriebsmäßig mit dem Netz verbunden werden, um eine
andere Drehzahl der Asynchronmaschine zu erzielen, die dann auf der diesem Wicklungssystem
zugrunde liegenden synchronen Drehzahl beruht. Dies ist besonders in den Fällen
von Vorteil, in welchen das erwähnte Hilfswicklungssystem eine geringere Polzahl
hat als das Hauptwicklungssystem, wodurch bei Betrieb des Hebezeugs bei geringer
oder ohne Belastung eine hohe Drehzahl ermöglicht wird.
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Abb. 3 zeigt ein Beispiel einer solchen Schaltanordnung, die wiederum
im wesentlichen auf der in Abb.1 gezeigten Schaltung beruht.
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Die Vierpolläuferwicklung R4 ist jedoch mit drei Schleifringen 3,
4 und 5 verbunden, woraus sich eine Gesamtzahl von nur fünf Schleifringen ergibt.
In
Abb. 3 sind ferner gesonderte Schalter C1, C2 gezeigt, von denen der letztere ein
Umschalter ist, und die entweder Schütze oder im Kontroller (Steuerschalter) eingebaut
sein können.
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Die in Verbindung mit Abb.1 beschriebene Arbeitsweise wird erzielt
durch das Schließen von C1, wodurch die Ständerwicklung S8 mit dem Netz verbunden
wird, und durch das Anschließen des Gleichrichters Re an die Läuferwicklung R8,
was durch Umlegen des Schalters C2 in seine linke Stellung geschehen kann. Um einen
Betrieb mit hoher Drehzahl zu erzielen, muß sowohl der Schalter C2 in seine rechte
Stellung gebracht werden, wodurch die Läuferwicklung R4 mit dem Netz verbunden wird,
als auch der Schalter C1 geöffnet werden.
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Diese beiden Schalter können jedoch zum Zwecke der Umschaltung von
der Achtpol- zur Vierpoldrehzahl gleichzeitig geschlossen bleiben oder sogar geschlossen
gehalten werden, um eine Zwischendrehzahlstufe zu erzielen, da, entsprechend den
vorangehenden Darlegungen, die beiden Systeme wegen ihres Polverhältnisses von 2:1
sich nicht gegenseitig beeinflussen.
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Für die Schaltanordnung nach Abb. 3 kann ebenfalls eine Einphasenwicklung
statt der Läuferwicklung R4 verwendet werden, da zu dem Zeitpunkt, in dem diese
mit dem Netz verbunden wird, der Motor bereits halbe Drehzahl hat und daher auch
als Einphasenmotor auf volle Drehzahl kommt, insbesondere bei leichter Belastung,
beispielsweise für das rasche Anheben oder Senken des leeren Hakens, für welchen
Zweck eine solch hohe Arbeitsgeschwindigkeit erwünscht sein kann. In diesem Fall
kann die Anzahl der Schleifringe auf vier vermindert werden. Es ist ferner möglich,
Wicklungen mit Anzapfungen, wie sie bei polumschaltbaren Motoren verwendet werden,
gleichzeitig für beide Polsysteme zu benutzen.