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Antrieb nach Axteiner elektrischen Welle mit einem Drehfeldmotor als
Empfängermaschine Allgemein werden mehrphasige Synchron- und Induktionsmotoren in
der Weise betrieben, daß durch Speisung ihrer Ständerwicklungen mit einem Mehrphasenwechselstrom
an deren Ankerumfang eine mit der Frequenz des speisenden Systems umlaufende sinusförinige
Feldverteilung - ein sogenanntes Drehfeld - erzeugt wird. Die Drehzahl
ist dabei im wesentlichen konstant und von der Umlaufgeschwindigkeit des Drehfeldes
bestimmt. Das Stillsetzen des Motors erfolgt dabei in aller Regel zunächst dadurch,
daß das Drehfeld entweder durch Abtrennen des speisenden Mehrphasenwechselstroinsysteins
zum Verschwinden gebracht oder die Wirkung des Drehfeldes auf den Läuferkreis unterbunden
wird. Nach dem Durchführen beider dieser Maßnahmen bleibt der Motor bzw. der Antrieb
ohne die Anwendung weiterer Mittel sich selbst überlassen und läuft entsprechend
den vorhandenen Reibungswiderständen mehr oder weniger langsam aus. In vielen Fällen
besteht jedoch neben der Forderung nach der Regelbarkeit der Drehzahl auch noch
vor allem die, zum schnellen Stillsetzen ein zusätzliches Bremsmoment bereitzustellen,
und insbesondere darüber hinaus bei Synchronmotoren ein Haltemoment, das dem Läufer
eine definierte einstellbare Lage vorschreibt. Dies ist jedoch mit der eingangs
geschilderten Betriebsweise ohne weiteres nicht möglich.
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Die vorgenannten Forderungen werden dann erfüllt, wenn von der Beschränkung
der stets umlaufenden sinusförmigen Feldverteilung abgegangen und statt dieser durch
die Ständerwicklungen eine solche erzeugt wird, die zum Stillsetzen des Motors auch
räumlich fixiert werden kann. In diesem Fall wird der sich drehende Induktionsmotor
durch die Wirkun(7 C
der in seinem Läufer induzierten Ströme abgebremst und
der Läufer eines Synchronmotors darüber hinaus in ziner durch die räumliche Orientierung
der sinusförmigen Feldverteilung bestimmten Lage festgehalten. Die Erfindung, geht
daher aus von einem bekannten Verfahren bei m-phasigen Synchron- und Induktionsmotoren
zur Erzeugung einer sinusförinigen Ständerfeldverteilung längs des Ankerumfanges,
die eine zeitlich konstante Amplitude aufweist und räumlich längs der Ständerbohrung
um einen Winkel #x bewegt werden kann. Die jeweils räumlich um den Winkel
g ,egeneinander versetzten Ständerwicklungen der m Phasen werden dabei mit m Gleichspannungen
gespeist, die sich zueinander verhalten z# wie die Werte der Sinus- oder Kosinusfunktion
für den Winkel oc sowie m - 1 weiterer Winkel, die sich untereinander
um jeweils
unterscheiden. oc kann dabei zeitlich konstant oder beliebig veränderbar sein.
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Zur Erläuterung des grundsätzlichen Prinzips des Verfahrens zur Erzeugung
der Ständerfeldverteilung sei zunächst mit einem dreiphasigen Beispiel auf F i
g. 1 bis 3 Bezug genommen. In F i g. 1 sind mit 1, 2
und 3 die drei räumlich um 120' gegeneinander versetzten Ständerwicklungen
eines Synchron- oder Induktionsmotors dargestellt. Diese sollen mit den Gleichspannungen
Ul, U2 und U, beaufschlagt sein, so daß die Gleichflüsse 01,
023 (D3 erzeugt werden. Die Pfeile F, F, und F, geben jeweils die
räumliche Achsenlage der von den betreffenden Flüssen 01 bis 0 3 bewirkten
Felder an. Bekanntlich wird durch ein Gleichfeld eine räumlich und zeitlich konstante
sinusförmige Feldverteilung längs der Ständerbohrung 4 bzw. des Ankerumfangges bewirkt.
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F i g. 2 zeigt zunächst prinzipiell den Verlauf der drei Gleichflüsse
über dem abgewickelten, sich von x = 0 bis x = 2 ur erstreckenden
Ankerumfang. In den Gleichungen 1 ist dieser Verlauf mathematisch formuliert.
Es bedeutet dabei c eine Proportionalifätskonstante. Diese drei Gleichflüsse überlagern
sich zu einem resultierenden Fluß 0. Bemißt man nun die drei Gleichspannungen
U:, bis U, entsprechend den Gleichungen U, so folgt durch geometrische
Addition der Flüsse (»" 023 03 der Flußverlauf (P nach F i g. 3
bzw. durch
mathematische Addition der Flußverlauf nach Gleichung M. Dies bedeutet eine sinusförmige
Verteilung des Gleichfeldes 0, dessen Achse gegenüber beispielsweise der
des Feldes #D, um den Winkel x
verschoben ist und die bei Einhaltung der Bedingungen
nach Gleichung II jeder Veränderung von oc unmittelbar
folgt. In
dem durch die F i g. 2 und 3 vert2 anschaulichten Beispiel ist a zu
gewählt. Bei laufender Änderung des Winkels entsteht ein mit entsprechender Geschwindigkeit
umlaufendes Drehfeld. Das Polrad eines Synchronmotors folgt diesem Winkel
a exakt, der Läufer eines Asynchronmotors bleibt hinter der Winkeländerung
entsprechend seinem Schlupf zurück.
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Das zuvor geschilderte Verfahren läßt sich mit Vorteil bei Antrieben
nach Art einer elektrischen Welle anwenden. Bei den bekannten elektrischen Wellen
können zwei Gruppen unterschieden werden. Die eine Gruppe weist entweder zwei oder
mehrere Drehstromschleifringläufermotoren auf, deren Ständerwicklungen vom Netz
gespeist und deren Läuferwicklungen phasenrichtig miteinander verbunden werden,
oder zwei Drehtransformatoren, die läuferseitig vom Netz gespeist werden und deren
Ständerwicklungen ebenfalls phasenrichtig miteinander verbunden werden (Drehmelder).
Die Wirkungsweise dieser Art von elektrischen Wellen beruht auf dem Zustandekommen
von Ausgleichströmen bei einem Unterschied in den Läuferstellungen von Geber- und
Empfängermaschine. Geber und Empfänger sind hier einander vollkommen gleichwertig,
und ein vom Empfänger abgegebenes Moment muß mechanisch an der Geberseite aufgebracht
werden. Nachteilig, bei dieser Art von elektrischen Wellen ist, daß sie mechanisch
nicht rückwirkungsfrei sind und das genaue Analogon zu einer mechanischen Welle
bilden mit der grundsätzlichen Möglichkeit der unerwünschten mechanischen Verstellung
des Gebers von der Empfängerseite her.
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Bei der zweiten Art von elektrischen Wellen werden einem dreiphasigen
Drehfeldmotor auf der Empfängerseite die zur Erzeugung einer sinusförinigen Ständerfeldverteilung
erforderlichen Spannungen direkt mittels Einrichtungen vorgeschrieben, welche nach
Größe und Richtung zeitlich veränderbare Gleichs annungen liefern. Als derartige
Gebereinrichp C C tun,-en sind beispielsweise gleichstromgespeiste Spannungsteiler
vorgeschlagen worden, an die ein Stromwender mit in Abhängigkeit von der vorzunehmenden
Bewegung beweglichen Bürsten angeschlossen ist. Neben dem Erfordernis einer separaten
Gleichspannungsquelle nicht unbeträchtlicher Leistung sind hier auch noch die Stromwendennaschinen
eigentümlichen Kommutierungsprobleme zu beherrschen. Zwar können diese mit einer
anderen bekannten Einrichtun- zur Fernsteuerung von Synchronmotoren dadurch umgangen
werden, daß jeder Phasenwicklung zwei antiparallel geschaltete, jeweils mit
dem Plus-bzw. dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle an-,eschlossene steuerbare
Entladungsstrecken zugeordnet werden, die von einer am Geberort angeordneten Steuerapparatur
so beaufschlagt werden, daß der Stromdurchgang durch die Phasenwicklungen in zyklischer
Reihenfolge abwechselnd in beiden Richtungen erfolgt, jedoch ist auch hier eine
separate Gleichspannungsquelle zur Speisung der Phasenwicklungen des Empfängermotors
erforderlich und zudem eine relativ aufwendige Steuereinrichtung für die Entladungsstrecken,
welche ja die bekannte Schwierigkeit der Sperrung einer mit Gleichspannung betriebe-C
im
nen Entladungsstrecke zu meistem hat. Ein weiterer Nachteil ist darin zu
sehen, daß diese bekannte Fernsteuereinrichtung grundsätzlich nur in der Lage ist,
drei diskrete, jeweils um 120' versetzte räumliche Ständerfeldverteilungen zu erreichen,
da die Ausgangsspannungen der Entladungsstrecken grundsätzlich nur zweier Werte
- nämlich des eingeschalteten und des ausgeschalteten Zustandes
- fähig sind und deshalb bei Gleichspannungsspeisung der Entladungsstrecken
keine Zwischenstellungen, also keine feinstufigen Veränderungen der Ständerfeldverteilung
möglich sind.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die vorgenannten Nachteile
der bekannten Fernsteuereinrichtungen zu vermeiden. Sie bezieht sich auf einen Antrieb
nach Art einer elektrischen Welle mit einem Drehfeldmotor als Empfängermaschine,
dessen m Ständerphasenwicklungen in Abhängigkeit von einem Geber über steuerbare
Schaltmittel im Zuge der Ständerphasenzuleitungen der Empfängermaschine derart mit
ni Gleichspannungen gespeist sind, daß längs des Ankerumfanges des Drehfeldmotors
eine sinusförmige, um einen Winkel a bewegbare Ständerfeldverteilung mit
zeitlich konstanter Amplitude auftritt. Das Kennzeichen der Erfindung besteht darin,
daß als Gebermaschine ein ni-phasiger Drehtransformator dient, dessen um den Winkelx
verdrehbarer Läufer eine einphasig erregte Primärwicklung trägt und dessen m Sekundärwicklungen
im Ständer mit den steuerbaren Schaltmitteln verbunden sind, und daß die Schaltmittel
jeweils für die Dauer einer Halbwelle der einphasigen Erregerspannung des Drehtransformators
durchgeschaltet sind.
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Die Erflndung läßt sich auch gegebenenfalls mit Vorteil dort einsetzen,
wo bisher Leonardantriebe zur Drehzahlregelung verwendet wurden. Derartige Antriebe
bestehen bekanntlich aus drei Maschineneinheiten, dem Antriebsmotor, der üblicherweise
als Drehstromasynchronmotor ausgeführt ist, dem Leonardgleichstromgenerator und
dem zu regelnden Gleichstromnebenschlußmotor. Alle drei Maschineneinheiten müssen
bezüglich ihrer Nennleistung gleich bemessen werden. Bei Verwendung des Erfindungs--
enstandes beispielsweise zur Drehzahlregelung zIeg eines Drehstromkurzschlußläufermotors
beträchtlicher Leistung braucht dagegen die Gebermaschine nur für diese Leistung
ausgelegt zu sein, während der ihren Läufer verstellende, in seiner Drehzahl veränderbare
Antriebsmotor für eine wesentlich geringere Leistung bemessen werden kann, da er
ja, wie schon ausgeführt, nur das mechanische Reibungsmoment der Gebermaschine aufbringen
muß. Es können sich dadurch bedeutende Ersparnisse ergeben, ganz abgesehen davon,
daß bei den Einheiten, die Leistung übertragen, einfache und robustere, kommutatorlose
Maschinen verwendet werden können.
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Bei Kernreaktoranlagen wird die Stellung der RegelstäbeinAbhängigkeitvonverschiedenenGrößen,
insbesondere der Temperatur, geregelt. Es ist hier z. B. zweckmäßi- und oft notwendig,
den entsprechenden, in Form einer bestimmten Winkeldrehung vorliegenden Stellbefehl
kontaktlos zu übertragen. Hierzu wird erfindungsgemäß der Synchronmotor mit einem
als Permanentmacrnet ausgebildeten Läufer ausgerüstet. Der Läufer kann daher die
Verstellung einer oder mehrerer Regelstäbe bewirken.
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Die Schaltmittel, welche die Ausgangsspannungen des Drehtransformators
für die Dauer einer Halbwelle der Erregerspannung an die Ständerwicklungen des zu
steuernden Motors legen, können in bekannter Weise gesteuerte Ventile sein, die
über einen Gittersteuersatz
von der positiven Halbwelle der Erregerspannung
leitend gesteuert werden. Es können auch entsprechend beaufschlagte Schalttransisteren
oder, falls die Forderung nach einer kontaktlosen übertragung nicht besteht, elektroniechanische
Schaltmittel, wie Relais oder Schütze, Verwendung finden. Weiterhin kann sich die
Polpaarzahl von Geber- und Empfängermaschine unterscheiden, wodurch eine über- bzw.
Untersetzung der diesbezüglichen Drehzahlen auf elektrische Weise realisiert -wird.
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Die Ständerwicklungen von Geber- und Empfängermaschine können sowohl
in Stern- als auch in Polygonschaltung miteinander verkettet sein. Besonders vorteilhaft
hat sich die beidseitige Sternschaltung mit verbundenen Sternpunkten erwiesen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung z. B. bei Kernreaktoranlagen
zeigt F i g. 4. Es soll bei diesem Beispiel eine Nachlaufsteuerung zwischen
dem Läufer 11 einer Gebermaschine 5 und dem Läufer 20 einer Empfängermaschine
6 erfolgen, wodurch der Regelstab 7 gehoben, gesenkt oder in einer
stationären Lage gehalten wird. Bei Verdrehung des Läufers der Geberrnaschine
5 um den Winkel o# soll der Läufer der Empfängerniaschine ebenfalls um den
Winkel a gedreht werden. Die Gebermaschine 5 ist ein Drehtransformator mit
drei räumlich um 120' gegeneinander versetzten Ständerwicklungen 8, 9, 10,
deren
eine Wicklungsenden im gemeinsamen Sternpunkt 0, der vorteilhaft herausgeführt
wird, verbunden sind und deren andere Wicklungsenden mit den Klemmen R,
S und T in Verbindung stehen. Anaetrieben wird der Läufer 11 über
das Getriebe 12 von dem Stellglied einer nicht weiter dargestellten Regeleinrichtung,
deren Reggelgröße sich mit der Stellung des Regelstabes 7 ändert. Der Läufer
11
wird mit einer Wechselspannung UL einphasig erregt, die ihm über die Schleifringe
13 zugeführt wird. C C Die Klemmen R, S, T sind über
die Stromrichter 14 bis 19 mit den entsprechenden Klemmen U, V, W
der
Ständerwicklung des als Empfängermaschine dienenden Synchronmotors 6 verbunden,
dessen als Permanentmagnet ausgebildeter Läufer 20 den Regelstab 7 hebt,
senkt oder hält. Die Gitter-Kathoden-Strecken der vorteilhaft zu einer Baueinheit
25 zusammengefaßten Stromrichter 14 bis 19 werden mit einem Gittersteuersatz
21 für die Dauer einer Halbwelle der Speisewechselspannung UL leitend gesteuert,
so daß die Verbindungen R-U, S-V und T-W für beide Stromilußrichtungen während
dieser Zeit durchgeschaltet sind. Die Primärerregerspannung UL induziert in den
Ständerwicklungen des Drehtransformators Wechselspannungen, die abhängig vom Windungsverhältnis
und proportional dem Kosinus des Winkels zwischen den Achsen von Läufer und der
betreffenden Ständerwicklung sind.
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F i g. 6 zeigt in Abhängigkeit vom Winkel a
C
im
zwischen der Achse der Läuferwicklung und der der betreffenden Ständerwicklung
Größe und Richtung der Amplituden der in den letzteren erzeugten Wechselspannungen.
Werden nun die Stromrichter 14 bis 19, wie schon ausgeführt, jeweils für
die Dauer einer Halbwelle der Erregerspannung UL, welche in F i cr. 5 dargestellt
ist, leitend gesteuert, dann wird von den induzierten Wechselspannungen genau eine
Halbwelle unterdrückt, da deren Phasenlage bezüglich der Erregerspannungen entweder
0 oder 1801
beträgt. Durch diese phasenrichtige Gleichrichtung (Demodulation)
entsteht an den Klemmen U, V, W
die in F i g. 7 veranschaulichte
Abhängigkeit der Gleichstrommittelwerte der die Ständerwicklungen 22,
23 und 24 beaufschlagenden Spannungen. Diese Gleichspannungen entsprechen
den schon erwähnten Gleichungen II in F i g. 3, so daß längs der Ständerbohrung
des Synchronmotors 6 eine zeitlich und bei einem unveränderten Winkel oc
auch räumlich konstante sinusförmige Feldverteilung entsteht. Der als Permarientniagnet
ausgebildete Läufer 19 stellt seine Nord-Südpolachse in die Lage maximaler
Feldverteilung, d. h., er verdreht sich um den Winkel a und folgt danach
jeder Veränderung des Winkels oc auf der Geberseite entsprechend. Die aus den Ventilen
14 bis 19 bestehende Gleichrichteranordnung 25 treibt durch die Ständerwicklungen
22 bis 24 einen einen großenteils durch deren Induktivität geglätteten Gleichstrom.
Diese Glättung kann gegebenenfalls durch geeignete zusätzliche Glättungsmittel noch
verbessert werden.
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Die, Anwendung der Erfindung ist nicht auf dreiphasige Maschinen beschränkt.
Die Polpaarzahl kann beliebig gewählt werden, sie hat keinen Einfluß auf die prinzipielle
Wirkungsweise der Erfindung. Da sich die Drehwinkel der Läufer beider Maschinen
umgekehrt wie deren Polpaarzahlen verhalten, besteht weiterhin die Möglichkeit,
durch Wahl verschiedener Polpaarzahlen bei Geber- und Empfängermaschine die Drehzahlen
bzw. die Drehwinkeländerung zwischen Geber- und Empfängermaschine zu unter- bzw.
zu übersetzen.
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Ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung ist durch F i
g. 8 veranschaulicht. An Stelle des Synchronmotors ist hier ein Kurzschlußläuferrnotor
26
verwendet. Die übrige Darstellung der Anordnung entspricht unter Beibehaltung
der entsprechenden Bezugszeichen der nach F i g. 4. Der Läufer des Drehtransforinators
5 wird mit der veränderbaren Drehzahl des Leitmotors 27 angetrieben
und nimmt den Läufer des Motors 26 in der bereits geschilderten Weise mit.
Da der Motor 27 lediglich Reibungswiderstände zu überwinden hat und deshalb
nur entsprechend klein bemessen zu werden braucht, kann der Antrieb nach der Erfindung
besonders bei großen Maschinensätzen die bisher verwendeten Leonardantriebe mit
Vorteil ersetzen.
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Hervorzuheben wäre noch, daß bei der Anwendung der Erfindung zur Winkelübertragung,
also bei Verwendung eines Synchronmotors als Empfänger-C maschine, dessen Läuferstellung
nicht von Span-C nungsschwankungen der Speisespannung beeinflußt wird, da das Verhältnis
der Ständerspannungen der C
Empfängermaschine davon unberührt bleibt.