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Drehzahlgesteuerte Stromrichtermaschine Ein aus einer Gleichspannungsquelle
mit Gleichstrom betriebener Stromrichtermotor ist bekanntlich ein Gleichstrommotor
mit umlaufendem Polrad und feststehendem, mit einer Gleichstromwicklung bewickelten
Anker, dessen Stromwenderanschlüsse anstatt über feststehende Stromwendersegmente
und mit dem Polrad umlaufende Bürsten mittels gittergesteuerter elektrischer Ventile
in Antiparallelschaltung an die Gleichspannung angeschlossen sind, wobei die Frequenz
der Steuerung von der Polradwelle abgegriffen werden kann. Die Energiequelle kann
bekanntlich auch ein ein- oder mehrphasiges Wechselstromnetz sein, das über Stelltransformator
und Gleichrichter einen Gleichstromzwischenkreis speist. Baut man in einen solchen
Ständer in ebenfalls bekannter Weise anstatt eines Polrades einen Kurzschluß- oder
Schleifringläufer ein und steuert die Ventile fremd oder mittels einer von der Spannung
des Gleichstromzwischenkreises oder der Sekundärspannung des Stelltransformators
unmittelbar abhängigen Frequenz, so hat man einen Induktionsmotor, dessen Blindleistung
mittels zwischen die Stromwenderanschlüsse geschalteter Kondensatoren aufgebracht
werden kann.
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Die in der Ankerwicklung fließenden Ströme bilden ein Feld der Ankerstromdurchflutung,
dessen Achse sich nicht mit stetiger Drehgeschwindigkeit um die Drehachse der Maschine
dreht, sondern in Rucken oder »Pulsen«, deren Anzahl P bei einer Drehung um zwei
Polteilungen um so größer ist, je mehr Stromwenderanschlüsse A je Polpaar vorhanden
sind. Würden die Ventile für die Hin- und Rückleitung des Ankerstromes gleichzeitig
geschaltet, so wäre beispielsweise bei A = 8 auch P = B. Nach einer bereits vorgeschlagenen
Anleitung zur Durchführung der Schaltung gilt unter Zugrundelegung der schematischen
Schaltskizze in F i g. 1 c für Rechtslauf entsprechend F i g. 1 a, in der mittels
der schraffierten Rechteckflächen nach dieser Anleitung die Reihenfolge der Ströme
in den einzelnen Ventilen und ihre Ablösungsfolge dargestellt ist, die Schaltfolge:
1/10, 3/10, 3/12, 5/12, 5/14 usw. und für Linkslauf: 1/10, 15/10, 15/8, 13/8, 13/6
usw. Man erkennt, daß die Achse der Ankerdurchflutung zwischen zwei benachbarten
Stromwenderanschlüssen zwei Sprünge macht, die Maschine ist also nicht acht- sondern
sechzehnpulsig. Bei dieser Schaltregel wird also P = 2A. Die Öffnungszeit
jedes Ventils entspricht dabei dem Weg der Ankerdurchflutungsachse zwischen zwei
benachbarten Stromwenderanschlüssen.
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Man kann die Pulszahl der Maschine nochmals verdoppeln, wenn man die
Öffnungszeit jedes Ventils so verlängert, daß sie dem eineinhalbfachen Weg zwischen
zwei Stromwenderanschlußpunkten entspricht, wie das beispielsweise bei acht Stromwenderanschlüssen
je Polpaar in F i g. 1 b dargestellt ist. Erfindungsgemäß wird dies bei einer Maschine
der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß der mit der Drehung der Durchflutungsachse
der Ankerströme um den elektrischen Winkel zwischen benachbarten Stromwenderanschlüssen
verbundene Kommutierungsvorgang sich in folgender Reihenfolge abspielt: 1. Zündung
des nächstfolgenden stromzuführenden oder stromableitenden Ventils, 2. Zündung des
nächstfolgenden stromableitenden bzw. stromzuführenden Ventils, 3. Löschung des
abzulösenden stromzuführenden oder stromableitenden Ventils, 4. Löschung des abzulösenden
stromableitenden bzw. stromzuführenden Ventils, daß ferner die einzelnen Kommutierungsabschnitte
in gleichem Abstand aufeinanderfolgen und gleichzeitig je ein bis zwei stromzuführende
und je ein bis zwei stromableitende Ventile Strom führen.
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Die schraffierten Flächen in F i g. 1 b bedeuten die Stromstärken
in den einzelnen Ventilen, und man ersieht daraus im Vergleich zu F i g. 1 a, daß
die einzelnen Ventile nur während einem Drittel der Brennzeit mit vollem Strom und
während zwei Dritteln nur mit dem halben Strom belastet sind. Man erkennt auch,
daß gleichzeitig mindestens ein stromzuleitendes und ein stromableitendes Ventil
Strom führt, daß aber die Zahl der stromführenden Ventile bis auf vier ansteigt.
Die Schaltfolge beispielsweise für acht Stromwenderanschlüsse je Polpaar ergibt
sich für Rechtslauf mit 1/10, 1-I-3/10, 1-f-3/10-1--12, 3/10-i--12, 3/12, 3-I-5/12,
3-f-5/12-1-14 usw. und für Linkslauf mit:
1/10, 1-I-15/10, 1-f-15/10-1-8,
15/10-f-8, 15/8 usw. Man sieht, daß zur Erzielung dieser Wirkung die Ventile für
die Stromzuleitung stets um eine Zeit, die dem Viertel des Abstandes zweier benachbarter
Stromwendersegmente entspricht, früher als die Ventile für die Stromableitung geöffnet
und geschlossen werden müssen. Man erkennt auch, daß in diesem Fall auf dem Weg
zwischen zwei Stromwenderanschlüssen vier Pulse stattfinden. Die Maschine des Beispiels
wird also jetzt zweiunddreißigpulsig. Vergleicht man beispielsweise diese Maschine,
die vierpolig sein möge, mit einer vierpoligen Gleichstrommaschine der gewöhnlichen
Art, so müßte letztere 64 Stromwendersegmente besitzen, was in beiden Fällen einen
sehr ruhigen Lauf ergeben würde.
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Dieses neue Schaltverfahren erfordert aber eine zwangsweise Löschung
der Ventile beim Ablauf, also eine sogenannte »Zwangskommutierung«. Bekanntlich
verlischt ein »brennendes«, d. h. stromführendes Ventil der hier betrachteten Art
erst dann, wenn die Stromstärke in ihm Null geworden ist und auf dasselbe keine
neue Zündspannung einwirkt. Beim alten Schaltverfahren nach Fig.1 a geht die Ablösung
glatt vor sich, weil beim Einschalten des in der Drehrichtung des Motors folgenden
Ventils infolge des Einschaltstromstoßes ein sehr kurzzeitiger Spannungsstoß auftritt,
der gegen die Stromrichtung im ablaufenden Ventil wirkt und dieses löscht. Beim
Schaltverfahren nach F i g. 1 b gibt es beim Einschalten des Folgeventils 3 einen
schwachen Spannungsstoß auf das noch nicht ablaufende Ventil 1, der aber im Augenblick
des Ablaufens von Ventil 1 längst abgeklungen ist. In diesem Augenblick muß ein
Spannungsstoß erzeugt werden, der das ablaufende Ventil löscht. Für eine solche
Zwangslösung, genannt »Zwangskommutierung«, gibt es heute mehrere Einrichtungen,
von denen eine der ältesten und wirksamsten die in F i g. 2 dargestellte, mit Z1
bzw. Z2 bezeichnete und in der ETZ 1938, S. 357 bis 360, beschriebene ist. Sie ist
auch einstellbar auf einen beliebigen Löschaugenblick und kann daher auch durch
Verschiebung des Löschzeitpunktes zur Erzeugung von Blindleistung verwendet werden.
Sie kann also wie ein Kondensator wirken. Diese Einrichtung besteht aus einem Schwingkreis,
der sich aus einem Kondensator C und einer Induktivität L, zusammensetzt und mittels
eines Hilfsventils Vh aufgeladen werden kann, sowie einem Ventil V, zur Entladung
des Kondensators. Der elektrisch aufgeladene Kondensator C sendet über das mit der
A-fachen Stromrichterfrequenz der Maschine gesteuerte Ventil V, rhythmische Spannungsstöße
in das jeweils zu löschende Ventil. Jeder solche Spannungsstoß hebt das Potential
an der Kathode eines Ventils über das Potential an dessen Anode und sperrt damit
den Stromfluß in ihm. Da abwechselnd die stromableitenden und die stromzuleitenden
Ventile gelöscht werden müssen, werden zwei solcher Geräte in etwas abweichender
Schaltung benötigt, von denen Z1 die stromableitenden und Z_, die stromzuleitenden
Ventile löscht.
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Schaltungstechnisch ist es einfach, ein stromableitendes Ventil zu
löschen, weil dessen Kathode auf der Gleichspannungsseite, also außerhalb des Stromrichters
liegt. Dagegen liegt die Kathode eines stromzuleitenden Ventils auf der Wechselspannungsseite,
und seine Löschung, d. h. die Potentialerhöhung an seiner Kathode, muß also von
der Ankerwicklung aus geschehen. Diese Aufgabe kann damit gelöst werden, daß man
an zwei einander gegenüberliegende, also um 180 elektrische Winkelgrade voneinander
entfernte Stromwenderanschlüsse die Klemmen einer Spannungsteilerdrossel (0D in
F i g. 2) anschließt, deren Mittelpunkt den Nullpunkt der Ankerwicklung bildet,
von dem ein Nullpunktleiter nach außen geführt werden kann. Man schaltet dann das
Löschgerät Z1 zwischen Nullpunktleiter und negative Gleichstromleitung und Z2 in
umgekehrter Richtung zwischen positive Gleichstromleitung und Nullpunktleiter, wie
in F i g. 2 dargestellt ist. Z1 und Z, arbeiten dann unabhängig voneinander, und
der Nulleiter führt nur den sehr kleinen Strom für die Aufladung der Kondensatoren
der beiden Löschgeräte. Die Resonanz der Schwingkreise muß bei jeder Drehzahl der
Maschine, also jeder Frequenz des Stromrichters, gewahrt bleiben, was in verschiedener
Weise, beispielsweise durch Einstellung der Induktivität der Drosseln L, mittels
einer von der Steuerfrequenz des Stromrichters betätigten Einrichtung, die die Stellung
der Drosseln bewirkt, geschehen kann.
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Bei einer Induktionsmaschine kann die beschriebene Einrichtung zur
Löschung der brennenden Ventile dadurch zur Erzeugung von Blindleistung verwendet
werden, daß man die Phasenlage des Löschungsaugenblicks gegenüber der Phasenspannung
der Maschine so verschiebt, daß der Strom beispielsweise voreilt und dadurch die
zur Magnetisierung und Überwindung der Streuspannungen erforderlichen Stromkomponenten
kompensiert, so daß nur reiner Wirkstrom fließt. Damit ist die Möglichkeit gegeben,
große Kondensatoren einzusparen. Um bei jeder Drehzahl die erforderliche Blindleistung
aufzubringen, muß der Löschzeitpunkt von der Maschinenfrequenz abhängig eingestellt
werden. Eine selbsttätige überwachungs- und Stelleinrichtung kann beispielsweise
abhängig von der Frequenz oder von einer von der Frequenz abhängigen Spannung eingerichtet
werden. In F i g. 2 ist das Schaltbild des Ständers einer Stromrichtermaschine mit
Gleichstrom-Ankerwicklung und beispielsweise sechs Stromwenderanschlüssen, also
12 Stromtoren des Stromrichters S dargestellt. Die SpannungsteilerdrosselOD ist
zwischen die Stromwenderanschlüsse 3/4 und 9/10 geschaltet. Die Löschgeräte für
die Zwangskommutierung Z1 und Z2 sind zwischen den Nullpunktleiter und die beiden
zwischen den Gleichstrom-Sammelschienen und dem Stromrichter liegenden Verbindungsleitungen
der Maschine eingebaut. Dieser Ständer kann sowohl für einen Gleichstrommotor mit
gleichstromerregtem Polrad, als auch für einen Induktionsmotor mit Kurzschluß- oder
Schleifringläufer verwendet werden. Im letzten Fall kann in der bereits beschriebenen
Weise auch die erforderliche Blindleistung mittels der Löschgeräte eingestellt werden.
Die Spannungsteilerdrossel kann auch dreiphasig, beispielsweise hier an die Stromwenderanschlüsse
1/2, 5/6 und 9/10 angeschlossen werden, was eine ruhigere Lage des Nullpunktes der
Abwicklung bedeutet und damit die Wirkung der Löschgeräte Z1 und Z2 verbessert.
Die Steuerfrequenz der Ventile des Stromrichters kann in bekannter Weise verhältnisgleich
zur Spannung des Gleichstromzwischenkreises bzw. zur Sekundärspannung des Stelltransformators
erzeugt werden. Bei einem Stromrichter-Gleichstrommotor geschieht das auf dem Weg
über die Drehzahl des
Polrades von der Polradwelle aus, die mittels
eines Geräts zur Umsetzung der Drehzahl, beispielsweise über Hallgeneratoren die
Steuerfrequenz für die Ventile in der Phasenlage so einstellt, daß der erforderliche
Winkel von 90° elektrisch zwischen Durchflutungsachse und Polachse dauernd besteht.
Die Anfahrt geschieht, wie bei jedem Gleichstrommotor. Ein Stromrichter-Induktionsmotor
mit Kurzschluß-oder Schleifringläufer erhält die Steuerfrequenz für den Stromrichter
über ein Steuergerät, das unmittelbar von der Spannung des Gleichstromzwischenkreises
gelenkt wird. Der Anfahrvorgang vollzieht sich wie bei einem gewöhnlichen Asynchronmotor,
nur mit dem Unterschied, daß hier Spannung und Frequenz stets verhältnisgleich bleiben.
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Beim Weiterschalten der Ventile des Stromrichters treten Unsymmetrien
in den Scheinwiderständen der beiden Ankerwicklungshälften der Maschine auf. Je
geringer die Anzahl A der Stromwenderanschlüsse je Polpaar, um so größer ist diese
Unsymmetrie. Eine Verbesserung dieser Verhältnisse kann damit erreicht werden, daß
man den Ständer der Maschine mit zwei gleichen und parallelen Gleichstromwicklungen
bewickelt, von denen die eine einerseits mit den Stromwenderanschlüssen, andererseits
leitend mit der anderen Wicklung an allen solchen Stellen verbunden ist, die genau
in den Mitten zwischen den benachbarten Stromwenderanschlüssen liegen. In F i g.
3 ist die Ausführung dieses Vorschlags am Beispiel eines zweipoligen Motors mit
sechs Stromwenderanschlüssen dargestellt. Fließt der Strom durch die Ventile 1 und
8 und wird Ventil 3 zugeschaltet, so würde ohne die zweite Wicklung eine Unsymmetrie
2 : 3 = 0,67 auftreten. Sind die beiden Wicklungen, wie vorgeschlagen, vorhanden
und in der beschriebenen Weise miteinander verbunden, so verringert sich die Unsymmetrie
auf 3 : 4 = 0,75, weil sich die Widerstände rechts von 3 bis 8 und links von 1 bis
8, also im Verhältnis 3 : 4, verhalten.
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Bekanntlich wird die Leistungsfähigkeit einer Gleichstrommaschine
dadurch vergrößert, daß man ihre Ankerrückwirkung mittels einer Kompensationswicklung
aufhebt. Dadurch wird die Schwächung des Erregerfeldes bei Belastung verhindert
und die 90°-Lage zwischen Ankerdurchflutungs- und Erregerfeldachse erzwungen, so
daß immer das größtmögliche Drehmoment erreicht wird. Eine überkompensation in der
Wendezone bewirkt auch eine gute Stromwendung. Diese Erkenntnis kann man sinngemäß
auch auf die Stromrichtermaschine mit Gleichstrom-Ankerwicklung anwenden, soweit
sie eine Gleichstrommaschine ist. Legt man auf das Polrad einer solchen Maschine
außer der Gleichstrom-Erregerwicklung auch eine Kompensationswicklung, so wird die
Belastungsfähigkeit dieser Maschine vergrößert. Eine überkompensation in der Achse
der Ankerdurchflutung bewirkt eine Wendefeldspannung in der Ankerwicklung, die die
Ablösung der Ventile begünstigen und unter Umständen die besonderen Löschgeräte
entbehrlich machen kann. Die Ausführung der Kompensationswicklung und Wendepolwicklung
kann über eine geeignete Nutung des Polrades geschehen, wie sie beispielsweise in
F i g. 4 a für eine vierpolige Maschine dargestellt ist. In die großen viereckigen
Nuten wird die die Hauptpole HP
umschließende Erregerwicklung EW eingelegt,
in den äußeren rechteckigen Teilen dieser Nuten liegt die Wendepolwicklung, die
die Wendepole WP umschließt; die übrigen rechteckigen Nuten sind mit der
Kompensationswicklung KW belegt. Die Herstellung eines solchen Polrades ist teuer.
In F i g. 4 b ist eine einfachere und leichter herstellbare Ausführung beispielsweise
dargestellt, bei der in den tieferen Nuten innen die Erregerwicklung und außen ein
Teil der Kompensationswicklung und die Wendepolwicklung liegen, in den seichten
Nuten dazwischen liegt der Rest der Kompensationswicklung. Eine Wendefelderregung
kann auch mittels übererregung der Kompensationswicklung erreicht werden. Die Nuten
kann man mit metallenen Keilen verschließen, die mit den ebenfalls metallenen Stirnplatten
zu einer Dämpferwicklung zusammengefügt und gelötet oder geschweißt werden können.
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Soll der Motor als Gleichstrom-Reihensehlußmotor ausgeführt werden,
so muß die Polradwelle zwei Schleifringe für die Erregerwicklung, falls das Polrad
auch Kompensationswicklung trägt, sogar vier Schleifringe tragen und außerdem die
Einrichtung zur Abnahme der Drehzahl bzw. Frequenz der Polradwelle.
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Als Induktionsmaschine mit beispielsweise einem Kurzschlußläufer mit
Käfigwicklung arbeitet die Maschine ebenso gut, und der Läufer benötigt keine Schleifringe
und keine Frequenzabnahme. Man erkennt, daß bei richtiger Einstellung der Zwangskommutierungseinrichtungen
auf Blindleistungskompensation der Induktionsmotor weitaus im Vorteil ist.