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Verfahren zum Betrieb eines Hysteresismotors.
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Hysteresismotoren sind durch Läufer gekennzeichnet, die aus magnetischem
Material mit so hoher EoerzitivSeldstärke bestehen, dass das Ständerdrehfeld gerade
noch in der Lage ist, den Läufer umzumagnetisieren, wenn er nicht synchron mit dem
Drehfeld umläuft. Das synchronisierende Drehmoment entspricht (multipliziert mit
dem Polpaarteilungswinkel) der Ummagnetisierungsarbeit des Läufers, die daher möglichst
gross gewählt wird durch entsprechende Materialwahl und in Anpassung an Fluss und
Durchflutung des Drehstromständers. Dieser unterscheidet sich im wesentlichen nicht
von der Ständerform von Käfigläufermotoren und von-Synchronmotoren mit Dauermagnetläufer.
Der Läufer des Hysteresismotors hat ungleich höhere Ummagnetisierungsarbeit wie
der des Eäfigläufermotors, dessen LäuSereisen
weichmagnetisch ist.
Er hat aber kleinere Ummagnetisierungs arbeit wie der Synchronmotor, dessen Läufereisen
auch durch die stärksten vorkommenden Ständerdurchflutungen nicht ummagnetisiert
werden soll. Sein Vorteil gegenüber diesem Synchronmotor beruht darin, dass er mit
vollem Kippmoment asynchron hochläuft und in den Synchronismus einrastet, während
der Synchronmotor prinzipiell sein dauermagnetisches Drehmoment nur im Synz.lronismus
besitzt und besondere Hilfsmittel, wie z.B. einem zusätzlichen, im bynchronlauf
unwirksamen Läuferkäfig, benötigt, um sich selbsttätig synchronisieren zu können.
Beim Einrasten in den Synchronismus hat dieser Synchronmotor mit Käfig minimales
pendelndes Antriebsmoment, das das Einrasten in den Synchronmismus, insbesondere
wenn mit dem Motor eine Arbeitsmaschine mit hohem Trägheitsmoment gekuppelt ist,
stark erschwert, so dass der Motor evtl. aus diesen Gründen überdimensioniert werden
muss.
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Obwohl dieser Nachteil beim Hysteresismotor entfällt, eine besondere
Käfigkonstruktion den Herstellungsaufwand verringert und die geschlossene Läuferbauform
sogar viel höhere Läuferuifangsgeschwindigkeiten ermöglicht als bei einem Motor
mit Säufigläufer, hat sich der Hysteresismotor für mittlere Leistungen zwischen
1 und 100 kW bisher nicht einführen können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, dem Hysteresismotor diesen
Leistungsbereich zu erschliessen.
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Nachteilig für die Einführung des Hgsteresismotors auf mittlerer Leistungsebene
hat sich erwiesen, dass optimale und mit den bei Eäfigläufermotoren vergleichbare
Werte des Leistungsfaktors erst dicht unterhalb des Kippunktes erreicht werden.
Bei Rückgang der Leistung auf Teillast oder auf Leerlauf geht die Stromaufnahme
des Hysteresismotors gegenüber den am Kippunkt erreichten Werten nur wenig zurück,
weil der Leistungsfaktor dann stark absinkt.
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Unter Vermeidung dieses Nachteils betrifft die Erfindung ein Verfahren
zum Betrieb eines Hysteresismotors. Erfindungsgemäss werden Vorrichtungen zur Erzeugung
kurzfristig überhöhter Speisespannung (Spannungswischer) vorgesehen.
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Es wird also die Speisespannung kurzzeitig, evtl. periodisch (Spannungswischer),
überhöht, und es wird dieser Spannungsstoss vorzugsweise ausgelöst, wenn der Leistungsfaktor
des Motors einen bestimmten Mindestwert unterschreitet.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Hy*eresiskurve
des Läufers mit dem Nennfluss des Ständers noch nicht bis zur Remanenz der äusseren
Hysteresiskurve ausgesteuert wird. Der Scheitelwert der Läuferinduktion wird bei
der relativ hohen Scheitelfeldstärke der ausgesteuerten (inneren) Hysteresiskurve
erreicht, die auch bei Teillast und im Leerlauf vom Ständer aufgebracht werden muss,
um diese Scheitelinduktion, die der Speisespannung entspricht, aufrecht
zu
erhalten. Durch die erfindungsgemässe kurzzeitige Spannungsüberhöhung steigt die
Remanenz des Läufers auf den Betrag dieser Scheitelinduktion, so dass danach am
Läufer kein magnetisches Potential zur Führung des der Ständerspannung entsprechenden
Flusses mehr benötigt wird, äa, dass auch die flagnetisierungsarbeit für den Luftspalt
dann von den permanentmagnetischen Eigenschaften des Läufers mit übernommen wird.
Beim Wiederanstieg des Drehmomentes stellt sich dann wieder die dem Nennmoment bzw.
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Kippunkt zukommende Läuferdurchflutung ein. Lediglich zum Reduzieren
des Stromes auf kleinere Werte bei Leistungsrückgang ist vorübergehende Spannungssteigerung
zur Einprägung höherer Remanenz im Läufer erfindungsgemäss vorgesehen.
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Zur Erzeugung des ßpannungswischers (wie die vorübergehende Spannungsstetprung
bezeichnet werden kann) wird eine Kondensatorentladeschaltung mit Sperrdioden und
Thyristoren vorgeschlagen, ähnlich der für zwangskommutierte Wechselrichter- und
Gleichstromschaltungen bekannten iorm.
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Es kommen aber auch einfache Sehützenschaltungen infrage in Verbindung
mit Transformatoren, insbesondere Spartransformatoren, zur Erzeugung überhöhter
Speisespannung, die nur während der Spannungs-2berhöhungs-Impulsdauer belastet werden
und daher entsprechend ihrer Stossüberlastbarkeit klein gebaut werden können.
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Anhand einer Zeichnung sei ein schamatisches Ausführungsbeispiel
der
Erfindung erläutert.
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Fig. 1 veranschaulicht die magnetischen Zustände des Läufermaterials.
Kurve 1 ist die Scheitelwertkurve der inneren Hysteresiskurven. Kurve 2 ist die
im Nennbetrieb ausgesteuerte innere Hysteresiskurve mit den Scheitelwerten B1 und
H1, deren Fläche multipliziert mit dem aktiven Läufereisenvolumen das Nennmoment
multipliziert mit dem Polpaar-Teilungswinkel ergibt. Kurve 3 ist die vollausgesteuerte
Hysteresisschleife mit den Scheitelwerten B2 und H2. Der Induktion B ist bei konstanter
Speisefrequenz die durch den Läuferfluss im Ständer induzierte Spannung proportional.
Die jeweilige Klemmenspannung ist wegen des Spannungsabfalles an der primären Streureaktanz
und der primären Eupfer- und Eisenverluste noch um einen, dem Strom und somit der
Scheitelfeldstärke H proportionalen Betrag grösser. Die Klemmenspannung ergibt sich
daher proportional dem Ordinatenabschnitt der Geraden 11, die durch den Punkt BlEl
gelegt wird. Wenn aus dem Nennarbeitspunkt heraus die Maschine bis zum Leerlauf
entlastet wird, geht der Polradwinkel zwischen Läuferfluss und Läuferdurchflutung
auf den Wert Null zurücund damit auch der Leistungsfaktor.
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Bei beibehaltener Klemmenspannung bleibt aber der Scheitel-B1H1 punkt
BlHl als Schnittpunkt der Geraden 11 mit der Scheitelwertkurve 1 des Hysteresismaterials
erhalten, also auch A die zur Erzeugung von H1 erforderliche NennstromauSnahte.
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Der Rückgang des Polradwinkels auf, Null stellt sich für
die
Arbeitspunkte der verschiedenen Volumenanteile des aktiven Läufermaterials so dar,
dass die Hysteresiskurve 2 auf die gestrichelte Linie 4 oder einen Linienzug reduziert
wird, dessen positive und negative Flächenelemente sich zu Null ergänzen, weil das
dieser Fläche proportionale resultierende Moment im Leerlauf auf Null absinkt.
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Wenn nun die Klemmenspannung vorübergehend gesteigert wird, so werden
nacheinander die Geraden 11, 12, 13 und 14 für die steigenden Scheitelwerte H als
Schnittpunkte mit der Scheitelwertkurve 1 erreicht. Wenn aber anschliessend beim
Abbau des Spannungswischers die Geraden 15, 16, 17 und 18 massgebend sind, so bewirkt
die Hysteresieigenschaft des Läufers, dass die Scheitelwerte nach Massgabe der Schnittpunkte
dieser Geraden mit dem absteigenden Hystereseast der äusseren Hgsteresiskurve 3
auf die Werte B15, 216 usw, bis zum Remanenzpunkt gr zurückgehen und die Scheitelfeldstärke
entsprechend bis auf Null zurückgeht. Da die Gerade 18 mit der Geraden 11 zusammenfällt,
wenn der Spannungswischer ganz abgeklungen ist, bleibt dieser Remanenzpunkt im Leerlauf
nun beliebig lange erhalten. Es ist verständlich, dass, wenn die Gerade 11 die Ordinate
noch unterhalb des Remanz-A punktes Br der äusseren Hysteresiskurve trifft, nach
dem 8pannungswischer sich sogar eine negative Scheitelfeldstärke einstellt, so dass
das magnetische Läuferpotential dann sogar den Nagnetisierungsstrom für den Luftspalt
ersetzt. Der Primär strom wird dann ganz zu Null, oder es kann sogar der
Hysteresismotor
im Leerlauf nach erfolgtem Spannungswischer Blindleistung kompensieren wie eine
übererregte Synchronmaschine. Wird der Motor erneut belastet, so entwickelt sich
wieder eine steigende Scheitelfeldstärke mit der Geraden 11 als geometrischem Ort
der 2-Punktpaare und einer für das Moment massgeblichen Hysteresiskurvenform mit
relativ grosser Arbeitsfläche und hohem Leistungsfaktor entsprechend z.B. Kurve
5.
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Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemässe Schaltung, bei der der Spannungswischer
durch die Betätigung eines Schaltschützes 21 erzeugt wird, das die Speisespannung
des Motors 22 von direkter Speisung durch das Drehstromnetz 23 auf eine mit dem
Spartransformator 24 überhöhte Speisespannung umschaltet.
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Die Erregerwicklung 25 des Schaltschützes 21 wird über die Taste 26
betätigt und vom Gleichrichter 27 gespeist. Die Taste 26 kann in nicht dargestellter
Weise mit kurzen Einschaltzeiten und langen Pausen laufend periodisch betätigt werden
oder abhängig von dem mit einer nicht dargestellten Leistusngsfaktor-Messeinrichtung
erfassten Leistungsfaktor beim Unterschreiten eineqkritischen (evtl. einstellbaren)
Wertes.
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Fig. 3 zeigt eine elektronische Schalteinrichtung zur Erzeugung eines
Spannungswischers, der so kurzzeitig sein kann, dass es genügt, nur einePhase des
speisenden Netzes zu steigern, der gerade in der Nähe des Strommaximums Strom führt.
Zwei Phasen des Motors 22 liegen direkt am.
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Drehstromnetz 23. Die dritte Phase wird über einc antiprallel geschaltete
Diode 30 und den Thyristor 28 gespeist.
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Der Impulskondensator 29 wird über die Ladeimpedanz 31 auf eine Wechselspannung
gebracht, die etwa phasengleich mit dem Strom der geschalteten Motorpliase sein
möge. Die Wahl des Anschllasses 32 der Ladeimpedanz 31 am Drehstromnetz kannso erfolgen,
dass diese Bedingung erfiillt ist.
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Eine Schaltung, bei der der Impulskondensator über eine in Fig. 3
gestrichelt dargestellte Ladediode 37 auf eine Gleichspannung aufgeladen wird, ist
ebenfalls möglich.
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Der Impulskondensator 29 wird mit dem Schaltthyristor ä" auf die geschaltete
Motorphase entladen, wenn ein Spannungswischer erzeugt werden soll, und zwar in
einer Ehasenlege, in der die Diode 30 den Phasenstrom führt und nachdem <er Thyristor
28 gesperrt ist. Der Impulakondensator 9 29 macht dann die Diode 30 stromlos und
entlädt; sich, da der Thyristor 28 gesperrt ist, mit seiner spannung, die sich zur
Phasenspannung addiert, auf die Motorphase. Kondensatorspannung und Kapazität lassen
sich so anpassen, dass die gewünschte Remanenzverschiebung des Läufers in ausreichendem
Mass mit kleinstmöglicher Impulsenergie hinreichend schnell vorgenommen wird.
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8 S. Beschreibung 6 Patentansprüche 1 B1. Zeichng.m.3 Fig.