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EINRICHTUNG ZUR MESSUNG DER WINKELSTELLUNG DES LÄUFERS EINES SYNCHRONMOTORS
UND STROMRICHTERMOTOR MIT EINER DERARTIGEN EINRICHTUNG Die Erfindung bezieht sich
auf Einrichtungen zur Messung der Winkelstellung des Läufers eines Synchronmotors
und auf Stromrichtermotoren, in denen diese Einrichtung Verwendung findet.
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des Die Erfindung kann für die Steuerung Kraftkommutators von Gleich-
bzw. Wechselstromrichtermotoren sowie fur die Kontrolle der Phasenübereinstimmung
des Laufs von elektrischen Synchronmotoren verwendet werden.
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Bekannt sind Einrichtungen zur Messung der Winkelstellung des Läufers
eines Synchronmotors, welche einen Sondergeber der Läuferstellung, zum Beispiel
einen transformatorischen bzw. induktiven Geber enthalten der auf der gleichen Welle
mit dem Motor sitzt. In diesen Einrichtungen wird die Größe der Hüllkurve eines
HF-Stromes gemessen, der durch die Wicklungen des Stellungsgebers fließt.
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Bekannt sind auch Stromrichtermotoren, welche einen Mehrphasen-Synchronmotor,
einen ringförmigen Kraftkoamutator für die Kommutierung des Stromes in den Phasenwicklungen
des Motors in Abhängigkeit von der Läuferstel lung und eine Einrichtung zur Messung
der Winkelstellung des Läufers enthalten, die übliche Ausfüurung hat (wse zum Beispiel
A.A. Dubensky "Kontaktlose Gleichstrommotoren", Verlag "Energija", Moskau, 1967,
S.11-20).
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Der Nachteil der genannten Einrichtungen besteht darin daß in diesen
ein Sondergeber der Läuferstellung des Motors verwendet wird, was ihre Konstruktion
komplizierter macht und die Betriebssicherheit verringert.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung des genannten
Nachteils.
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Der Erfindung ist die Aufgabe zugrunde gelegt, eine Einrichtung zur
Messung der Winkelstellung des Läufers
elektrischen Synchronmotors, welche ihrer Konstruttion nach einfacher
sowie einen Stromrichtermotor zu
schaffen, den man an schwerzugänglichen
Stellen von Gerätes zum Beispiel in Kreiseln, Elektrotiefbohrgeräten u.a.m. unterbringen
kann.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einer Einrichtung zur Messung
der Winkelstellung des Läufers eines elektrischen Synchronmotors durch die Ermittlung
der Größe der Hüllkurve eines HF-Stromes, der durch mindestens eine Phasenwicklung
des Motors fließt, die an eine HF-Spannungsquelle angeschlossen ist, in den durch
die Phasenwicklung des rotors und die 1W-Spannungs quelle gebildeten Stromkreis
erfindungsgemäß ein NF-Sperrfilter und in den durch die Phasenwicklung des Motors
und die quelle HF-Sperrfilter eingeschaltet sind.
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Es ist zweckmäßig, die Kapazität des Xondensators des NF-Sperrfilters
so zu bemessen, daß dieses In Resonanz mit der minimalen Größe der Induktivität
der Phasenwicklung im HF-3ereich ist. Dies erweitert den Bereich der Änderung des
IiF-Stroes.
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Vorteilhaft ist es, die Einrichtung mit einem Umschalter zu versehen,
der die Phasenwicklungen aufeinanderfolgende mit der HF-Spannungsquelle verbindet.
- Dadurch wird die Möglichkeit der Verwendung einer Einphasenquelle der HF-Spannung
gewährleistet.
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In einem Stromrichtermotor, den einen Mehrphasen-Synchronmotor, einem
ringförmigen Kommutator für die Kommutierung
des Stromes in den
Phasenwicklungen des Motors in Abhängigkeit von der Läuferstellung und eine Einrichtung
zur messung der Winkelstellung des Läufers des Motors, welche den ringförmigen Kraftkommutator
steuert, enthält, wird erfindungsgeinäß die vorgeschlagene Einrichtung zur Messung
der Winkelstellung des Läufers des Motors verwendet, deren Umschalter, der die Phasenwicklungen
des Motors aufeinanderfolgend mit der HF-Spannungsquelle verbindet, mit dem ringförmigen
Kraftkommutator des Motors synchron ausgeführt ist.
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In dem Stromrichtermotor kann der Umschalter, der die Phasenwicklungen
des Motors aufeinanderfolgend mit der HF-Spannungsquelle verbindet, mit Magnetverstärkern
ausgeführt sein
Steuerwicklungen
in den Stromkreis des ringförmigen Kraftkommutators eingeschaltet, und deren Wechselstromwicklungen
über die HF-Spannungsquelle und das NF-Sperrfilter mit ihrem einen Ende an die entsprechende
Phasenwicklung des Motors, und mit ihrem zweiten Etide an ein Referenzelement angeschlossen
sind, parallel zu welchem ein Halbleiterschalter geschaltet ist, der mit dem Kraftkommutator
verbunden ist.
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Um die Betriebsstabilität des Kraftkommutators durch die Beseitigung
von Fehlauslösungen, welche durch Schaltvorgänge in dem Stromkreis der HF-Spannungsquelle
hervorgerufen
werden, steigern zu können, ist es zweckmäßig, zwischen dem Referenzelement und
dem Kommutaborschalter des Kraftkommutators eine EC-Sperrkette einzuschalten.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, es zeigt: Fig. 1 das elekt;rische
Prinzipschaltbild der Einrichtung zur Messung der Winkelstellung des Läufers eines
elektrischen Synchronmotors, der erfindungsgemäß als kollektorloser Gleichstrommmotor
arbeitet; Fig. 2 das erfindungsgemäß Prinzipschaltbild eines Stromrichtermotors;
Fig. 3 den Verlauf. der Änderung der Hüllkurve des Stromes in den verschiedenen
Phasenwicklungen des Motors als Funktion des Drehwinkels seines Läufers.
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Die beschriebene Einri9htung zur Messung der Winkelstellung
des elektrischen Synchronmotors
enthält die Phasenwicklungen 1, 2 und 3 (Fig. 1) des Motors über Kondensatoren 4,5
und 6, welche NF-Sperrfil
ter darstellen ange Sekundärwicklungen 7, 8 und 9 eines Trenntransformators, dessen
Primärwicklung 10 an eine HF-Spannungsquelle 11 angeschlossen ist. In Reihe mit
den Sekundärwicklungen 7 - 9 des Trenntransformators
sind die Schalter
12, 13 und 14 eines Umschalters geschaltet, der die Phasenwicklungen 1, 2 und 3
des Motors aufeinanderfolg,end mit der Quelle 11 verbindet, sowie Nullorgane 15,
16 und 17 , welche den HF-Strom mit einem vorgegebenen Wert vergleichen.
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Die Kraft quelle der NF-Spannung stellt die Quelle 18 der Gleichspannung
dar, die in die Phasenwicklungen 1, 2 und 3 durch Schalter 19, 20 und 21 eines Kommutators
angeschlossen wird. In die durch die Quelle 18 der Gleichspannung und die Phasenwicklungen
1, 2 und 3 gebildeten Stromkreise sind HF-Sperrfilter 22, 23 und 24 eingeschaltet,
welche als parallel geschaltete Iunduktivitätsspule und Kondensator ausgeführt sind.
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Die Schalter 12, 13 und 14 des Umschalters und die Schalter 19, 20
und 21 des Kommutators sind paarweise, und zwar der Schalter 12 mit dem Schalter
19, der Schalter 13 mit dem Schalter 20, und der Schalter 14 mit dem Schalter 21
gekoppelt, wobei jedes Paar durch ein Signal von den Ausgangsklemmen 25, 26 und
27 der Nullorgane 15-17 synchron umgeschaltet wird.
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Um den Bereich der Änderung des 1W-Stromes zu erweitern sind die
Kapazitäten der Kondensatoren 4, 5 und 6 so ausgewählt, daß sie mit dem minimalen
Wert der Induktivität der entsprechenden Phasenwicklung 1,2 bzw. 3 in Resonanz sind.
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Am deutlichsten treten die Vorteile der vorgeschlagenen Einrichtung
zur Messung der Winkelstellung des Läufers bei ihrer Verwendung in der Schaltung
eeles Stromrichtermotors zum Vorschein, der den elektrischen Mehrphasen-Synohronmotor
mit den Phasenwicklungen 1, 2 und 3 (Fig. 2) enthält, an welche über die die NF-Sperrfilter
darstellenden Kondensatoren 4, 5 und 6 die Sekundärwicklungen 7, 8 und 9 des Trenntransformators
angeschlossen sind. Die Primärwicklung 10 dieses Transformators ist an die HF--Spannungsquelle
(auf Fig. 2 nicht wiedergegeben? angeschlossen. Der Kraftkommutator des Stromrichtermotors
enthält Kommutatorschalter, welche mit Dioden 28, 29 und 30 und Thyristoren 31,
32 und 33 mit Eommutierungskondensatoren 34, 35 und 36 ausgeführt sind.
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Der Umschalter, der die Phasenwicklungen des Motors aufeinanderfolgend
mit der RF-Spannungsquelle verbindet, ist mit Magnetverstärkern 37, 38 und 39 ausgeführt,
die zwischen den Sekundärwicklungen 7 bis 9 des Transformators und i Referenzelementen
eingeschaltet sind, die aus Dioden 40, 41 und 42 mit parallel geschalteten iransistoren-43,
44 und 45 ausgeführt sind. Der Stromwert der Dioden 40 bis 42 wird durch Widerstände
46, 47 und 48 vorgegeben.
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Zwischen den Dioden 40 bis 42 und den Dioden 28 bis 30 sind in jeder
Phase die Sperrstromkreise in Form von in Reihe geschalteten Kondensatoren 49, 50
und 51 und
Widerständen 52, 53 und 54 eingeschaltet.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung zur Messung der Winkelstellung
des Läufers beruht auf der Anderung des induktiven Widerstandes der Phasenwicklung
des elektrischen tynchronmotors für die HF-Ströme als Funktion des Läuferdrehwinkels
gegenüber der Phasenwicklung.
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Es sei nun, daß die schalter 12 und 19 (Fig. 1) eingeschaltet sind.
Dann fließt durch die Phasenwicklung 1 des Motors der NF-Strom von der Quelle 18
der Gleichspannung dnd unter Einwirkung der Spannung an der Sekundärwicklung 7 des
Transformators der HF-Strom.
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Der NF-Strom ist viel größer als der HF-Strom, das elektromagnetische
Moment des Motors wird daher durch die Zusammenwirkung des Feldes des Motorläufers
(auf der Zeichnung nicht wiedergegeben) mit der NF-Komponente des Stromes der Phasenwicklung
1 des Motors bestimmt.
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Der Motorläufer wird sich unter Binwirkuag dieses Momentes
drehen infolgedessen sich die Induktivität der Motorphase und entsprechend der durch
das Nullorgan 15 fließende HF-Strom. Bedingt durch das Vorhandensein des HF-Sperrfilters
22 geht der HF-Strom durch die Quelle
18 der Gleichspannung nicht durch, sondern wird durch den Wert des induktiven Widerstandes
der Phasenwicklung 1 des Motors bestimmt. 5e größer die Differenz zwischen den induktiven
Widerständen in der Längs- Xd und der Querachse
des des Motors
ist, desto größer wird der Änderungsbereich des HF-Stromes sein. Um diesen Bereich
zu erweitern, ist die Kapazität des Kondensators 4 des NF-Sperrfiters so ausgewählt,
daß dieses auf Resonanz mit dem minimalen Wert der Induktivität der Phasenwicklung
1 des Motors abgestimmt ist.
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Die Änderung des HF-Stromes kann £ur die Änderung der Läuferstellung
ausgenutzt werden. Die Drehung des Läufers um eine Polteilung entspricht einer Periode
der Anderung des H2-Stromes.
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Um in Signal zu erhalten, das den Zeitpunkt des Passierens des Motorläufers
durch eine vorgegebene Winkelstellung charakterisiert, vergleicht man den HF-Strom
mit einem vorgegebenen Stromwert, wobei man die Zeitpunkte ihrer Gleichheit mit
Hilfe des Nullorgans 15, zum Beispiel den Zeitpunkt t3 (Fig. 3) der Überschreitung
des vorgegebenen Stromwertes Io durch den HF-Strom 11 der Phase fixiert.
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Man kann also bei der Zuführung der HF-Spannung zu einer Phase des
Motors das Passieren des Läufers durch nur einen Punkt auf der Polteilung der Maschine
fixieren.
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Bei der Verwendung eines beliebigen Verfahrens zur Messung der Winkelstellung
des Läufers braucht man für die Steuerung des Kraftkommutators des Stromrichtermotors
zwischengelagerte Punkte auf der Polteilung, die um 600 bzw. 1200 verschoben sind.
Dazu werden die Wicklungen
anderer Phasen des Motors ausgenutzt,
die über die entsprechenden den auf Fig. 1 gezeigten ähnlichen Filter und Null organe
an eine Mehrphasen- HF-Spannungsquelle angeschlossen sind.
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In diesem Falle werden am Ausgang der Nullorgane 15, 16 und 17 Signale
in den Zeitpunkten auftreten, die bei der Läuferdrehung des Motors um 600 bzw. 1200
verschoben sind. Die Mehrphasen- HF-Spannungsquelle hat jedoch eine komplizierte
Schaltung. Die gleichzeitige Verbindung der Phasenwicklungen des Motors mit der
Einphasen-HF-Spannungsquelle (die Schalter 12, 13 und 14 sind gleichzeitig geschlossen)
fLihrt bei gegenläufiger Richtung der magnetomotorischen Kräfte der drei Phasen
zum Verschwinden der Modulation des Phasenstromes bei Änderung der Winkelstellung
des Läufers und bei gleichsinniger Richtung der magnetomotorischen Kräfte der drei
Phasen erfolgt eine Verschiebung der Hüllkurve des HF-Stromes I2' und I3' (Fig.
3) in zwei Phasen des Motors um 300. Dies ist dadurch hervorgerufen, daß die Achse
der Phasenwicklunten 2 und 3 (Fig. 1) im letzteren Fall in einem Winkel von 60°
gegenüber der Achse der Resutierenden der magnetomotorischen Kraft des Motors steht.
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Um dies zu vermeiden wird vorgeschlagen, die HF-Spannung aufeinanderfolgend
den Phasenwicklungen des Motors zuzuführen,
wozu die Schalter 12,
13 und 14 nacheinander geschlossen werden. In diesem Falle werden sich bei vorgegebenem
Strom 10 (Fig. 3) die Zeitpunkte seiner Gleichheit mit dem HF-Strom dreier Phasen
11, I2 und I3 nach dem Drehwinkel des Läufers über 600 verteilen. Bei der Verwendung
der vorgeschlagenen Einrichtung zur Messung der Winkelstellung des Läufers in der
Schaltung ems Stromrichtermotors ist es notwendig, die Umschaltung der Schalter
12, 13 und 14 (Fig. 1) mit der Umschaltung der Schalter 19,20 und 21 des Kraftkommutators
des Motors zu synchronisieren, da in diesem Falle die Voraussetzung zur Gewährleistung
des maximalen elektromagnetischen Momentes des Motors beschaffen wird.
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Die Läuferdrehung wird in diesem Balle von einer Verschiebung des
HF-Meßfeldes und von einer Verschiebung des elektromagnetisches NF-Kraftfeldes begleitet.
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In Fig. 1 ist die Schaltung der Einrichtung zur Messung der winkelstellung
des Läufers eines kollektorlosen Gleichstrommotors dargestellt, in der der induktive
Widerstand Xd in der Längsachse kleiner als der induktive Widerstand der Phasenwicklung
in der Querachse Xq (xd < xq) ist, zum Beispiel eines Motors mit einem Läufer
mit Dauermagneten in Sternschaltung mit Aluminiumfüllung.
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Es sei, daß die Einschaltung der Schalter 12 und 19 in dem Zeitpunkt
tl (Fig. 3) erfolgt Unter Einwirkung des
elektromagnetischen Momentes
wird sich der Motorläufer
drehen und das Moment vergroßern una seinen Maximalwert dann erreichen, wenn sich
die Leiter der Phasenwicklung i (Fig. 1) unter der Polachse befinden. werden, also
in der Stellung, welche der Messung des induktiven Widerstandes in der Querachse
Xq des Motors entspricht. Da Xd < Xq, kommt es zur Stromverminderung im Reihenmeßkreis:
Motorwicklung 1, Kondensator 4, Transformatorwicklung 7, Nullorgan 15.
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Infolge der Resonanzabstimmung des Kondensators 4 und des induktiven
Widerstandes Xd in der Längsachse wird sich der HF-Strom beträchtlich verkleinern
und der Strom I1 viel kleiner als der vorgegebene Wert des Stromes 10 sein.
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Nach dem Passieren des Läufers durch den Zeitpunkt t2 beginnt sich
der HF-Strom I1 wiederum zu vergrößern und in dem Zeitpunkt t kommt es zur Uberschreitung
des vorgegebenen Stromes Io durch diesen HF-Strom I1, am Ausgang 25 des Nullorgans
15 wird das Signal auftreten, das die Schalter 13 und 20 ein- und die Schalter 19
und 12 ausschaltet, woraufhin das elektromagnetische Moment des Motors wieder ansteigt,
der Läufer sich in der gleichen Richtung
g dreht und Arbeitvorange in der Phasenwicklung 2 sich solange wiederholen, bis
das Signal am Ausgang 26 des Nullorgans 16 die Schalter 14 und 21 ein- und die Schalter
13 und 20 ausschaltet.
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Bei der Verwendung eines elektrischen Motors, in dem
Xd
> Xq, werden für die Konstanthaltung des elektromagnetischen Momentes die Schalter
19 und 13, 20 und 14, 21 und 12 gleichzeitig eingeschaltet und der Ausgang 25 des
Nullorgans 15 muß mit dem Schalterpaar 19, 19, der Ausgang 26 des Nullorgans 16
mit dem Schalterpaar 20, 14 und der Ausgang 27 des Nullorgans 17 mit dem Schalterpaar
21, 12 verbunden werden.
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Der Stromrichtermotor (Fig. 2) arbeitet wie folgt: Bei der Einschaltung
des Motors kommt der Auslöseimpuls zu einem beliebigen Thyristor des Kraftkommutators
von der Anlaßvorrichtung (in der Schaltung nicht gezeigt).
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Es wird eine Phase des Motors, zum Beispiel die erste, eingeschaltet.
Dabei sättigt sich der Magnetverstärker 37, dessen Steuerwicklung in den Stromkreis
des Thyristors 31 eingeschaltet ist. Der Motorläufer ist bestrebt, die Stellung
einzunehmen, wo die Achsen der magnetomotorischen Kraft des Ständers und des Läufers
zusammenfallen, Beim Erreichen dieser Stellung - Zeitpunkt t3 (Fig. 3) -übersteigt
jedoch der HF-Strom des Meßkreises der Motorphase die Stromgröße I0 des Stromes,
der durch die Diode 40 (Fig. 2) fließt und fängt an, durch den Emitter-Basis--Ubergang
des Transistors, 43 zufließen, wobei er diesen öffnet und einen Steuerimpuls an
den Thyristor 32 der benachbarten Phase gibt. Der Thyristor öffnet sich, sein Strom
sättigt den Magnetverstärker 38, der Thyristor 31
schaltet sich
vermittels des Kommut ierungskondensators 34 ab. Das Motormoment hat dasselbe Vorzeichen
wie früher und die Drehung erfolgt in der gleichen Richtung. Im ersten Augenblick
nach der Einschaltung des Thyristors 32, vergrößer der Lade strom des aus Widerstand
53 und Kondensator 50 bestehenden Sperrkreises den Strom der Diode 41, was eine
Fehlöffnung des Transistors 44 verhindert. Es erfolgt e also eine ringförmig Umschaltung
der Kraft- und Steuerstrom kreise. Die Zeitpunkte der Umschaltung des Kraftkommutators
des Umschalters der Einrichtung zur Messung der Winkelstellung des Läufers werden
durch den Strom der Dioden 40 bis 42 filiert. Das Referenzelement dient hier gleichzeitig
als Leistungsverstärker. Die Regelung der Motordrehzahl erfolgt durch die Änderung
der Gleichspannung bzw. des Stromes
des Referenzelementes durch Änderung der Widerstände 46 48, Bei einer wirtschaftlichen
Regelung der Drehzahl des Motors kann der Steuerblock mit einem zusätzlichen Referenzelement,
das gegenüber dem Hauptreferenzelement eine umgekehrte Einschaltung aufweist, und
der Kraftkommutator mit einem zusätzlichen den Motor von dem Netz abschaltenden
Schalter (in der Zeichnung nicht wiedergegeben) versehen werden.
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In diesem Fall wechseln die Zeitpunkte der Einschaltung
der Phasenwicklungen 1 bis 3 des Motors mit den Zeitpunkten
ab,
in denen sich der rotor ganz von dem Stromnetz abschaltet Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit
der Regelung muß die Mitte der Zeitspanne, während der die Phase abgeschaltet ist,
auf die Zeitpunkte tl, t3, t4 fallen, wo die Phasen-und Läuferpolachse senkrecht
zueinander stehen. In diesem Falle erfolgt die Einschaltung der Motorphasen in den
Zeitpunkten t5, t7, t9 (Fig. durch das zusätzliche Referenzelement? und die Abschaltung
des Motors von dem Stromnetz und die Umschaltung des Umschalters der Einrichtung
zur Messung der Winkelstellung des Läufers durch das Hauptreferenzelement in den
Zeitpunkten t6, ta.
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Bei einer solchen Regelung des Motors werden der Eraftkommutator
und der Umschalter der Einrichtung sur Messung der. Winkelstellung des Läufers getrennt
ausgeführt, da die Meßkreise der Einrichtung zur Messung der Winkelstellung des
Läufers nicht ganz von dem Motor abgeschaltet werden dürfen.
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Bei Verwendung der vorgeschlagenen Einrichtung zur Messung der Winkelstellung
des Läufers werden dem Motor keine zusätzliche Leiter zugeführt, es sind nur drei
be vier Leiter vorhanden. Synchronmaschinen mit ungleichen Widerstandswerten in
der Längs- Xd und Querachse Xq sind weitverbreitet, und die Verwendung in diesen
der vorgeschlagenen Einrichtung gestattet es, ihre konstruktion zu vereinfachen.