DE224146C

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Publication number: DE224146C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

Vi 224146 -■ KLASSE 21 d. GRUPPE

in FRANKFURT a. M.

Die nebenschlußerregten bzw. fremderregten Mehrphasenkollektor- Konduktionsmotoren arbeiten bei Veränderung der Belastung ungünstig, wenn nicht eine der Belastung entsprechende Regelung des Phasenwinkels zwischen der zugeführten Spannung und der durch Rotation im Motorfelde erzeugten E. M. K. erfolgt. Da nämlich die Phase der Rotationsspannung durch die Phase des Erregerfeldes

ίο bedingt ist, so ist dieselbe unveränderlich, wenn die Phase des Erregerfeldes nicht geregelt wird.

In Fig. 2 beiliegender Zeichnung stellt a b den Vektor der zugeführten Spannung dar, die Richtung von α c soll die veränderliche Phase der Rotationsspannung bedeuten. Nimmt man an, das Spannungsabfalldreieck sei in seinen Proportionen aus dem Verhältnis von Lw zu w des Motors gegeben, so ergeben sich für die verschiedenen Belastungen folgende Arbeitszustände: Bei Stillstand ist der gesamte Spannungsabfall durch den Kurzschuß-Strom it; gleich der zugeführten Spannung a b. Das Dreieck α b d stellt demnach den Spannungsabfall bei Stillstand des Motors dar, wobei d b = 4 w und da=-- 4 L u> ist. Die Projektion von d b auf α b ist die Wattkomponente des Stromes. Geht man nun vom Stillstand zu irgendeinem anderen Betriebszustand über, so wandert die Spitze a des Dreiecks α b d auf den Geraden α c. Zu gleicher Zeit wandert der Endpunkt des Stromvektors b d auf einer Geraden d d¹, Welche gegen d b dieselbe Neigung γ hat wie α c gegen α b. Die Phasenverschiebung des Stromvektors b d, b d¹, b d² gegen die zugeführte Spannung α b ändert sich demnach jeweils mit der Belastung sehr stark und kann zwischen Leerlauf und Stillstand positive und negative Werte annehmen. Nur bei einem einzigen Belastungszustand ist der cos φ = ι; im allgemeinen aber arbeitet solch ein Motor mit großer Phasenverschiebung und großem Tourenabfall.

Als Hilfsmittel dagegen könnte man, wie oben erwähnt, die Phase des Feldes in Abhängigkeit von der Belastung dadurch regeln, daß man die Phase der Erregerspannung des Feldes etwa durch einen Phasentransformator stets entsprechend der Belastung einstellt und so für jeden Betriebszustand den günstigsten Wert der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spännung herbeiführt. Aber diese Art der Regelung erfordert komplizierte und leicht ansprechende Apparate, welche auch bei schneller oder starker Belastungsänderuiig sofort in Wirksamkeit treten müssen. Dies in vollkommener Weise zu erreichen, dürfte praktisch aber kaum möglich sein und daher ermangeln auch derartig geregelte Motoren derjenigen Zuverlässigkeit, die man von ihnen verlangen muß.

Der Gegenstand vorliegender Erfindung ist nun ein Motor, bei welchem eine besondere Regelung der Phase der Erregerspannung überflüssig ist, indem der Motor selbst in sich eine Feldkomponente in Abhängigkeit vom Arbeitsstrom erzeugt, welche die Phase des resultierenden Feldes beeinflußt.

D'es sei an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

ίο In Fig. ι bedeutet: k die Kompensationswicklung, r die Motorwicklung mit Kommutator (als Kreis gezeichnet), 5 δ δ die Kollektorbürsten, f die Feldwicklung, d eine Drosselspule, t den Haupttransformator.

Nimmt man zunächst an, der Rotor würde durch die Kompensationswicklung vollständig kompensiert, dann wäre nur das durch die Feldwicklung f erzeugte, der Sekundärspannung e des Haupttransformators t um 90 °

ao nacheilende Feld vorhanden. Dieses Feld steht wegen der zeitlichen Verschiebung auch räumlich gegen den mit e als phasengleich angenommenen Arbeitsstrom um 90 ° versetzt und ergibt so mit den Ampereleitern des Rotors das nützliche Drehmoment. Die Drosselspule d sei zunächst hierbei nicht in den Erregerkreis eingeschaltet. Wie aber einleitend bemerkt, ist für verschiedene Belastungszustände des Motors eine Phasendrehung des Feldes erforderlich, damit große Phasenverschiebung und großer Tourenabfall vermieden wird. Nun ließe sich eine zu dem von der Wicklung f erzeugten Feld senkrechte Komponente, welche proportional dem Arbeitsstrom ist, dadurch erzeugen, daß die Ankeramperewindungen durch die Kompensationswicklung nicht ganz aufgehoben werden.

Während nun bei Reihenschaltung der felderzeugenden Ständerwicklung mit der Läuferwicklung, also bei denjenigen Fällen, wo die Gleichheit oder Proportionalität der Ständer- und Läuferströme erzwungen wird, ein Überschuß an Rotoramperewindungen durch Wahl der Windungszahl in einfacher Weise erzielt werden kann, werden jedoch im Falle es sich um Nebenschluß bzw. fremderregte Motoren handelt und besondere Vorkehrungen nicht getroffen sind, die Uberschußamperewindungen des Ankers durch einen Strom kompensiert, der in der Wicklung f infolge gegenseitiger Induktion der resultierenden Arbeitswicklung auf die Feldwicklung f auftreten wird. In diesem Falle wäre demnach die Erzeugung eines kompensierenden Feldes in der Achse der Arbeitsströme nicht erreicht. Schaltet man nun aber die Drosselspule d in den Erregerkreis ein, dann ändert sich an der Phase des Erregerstromes nichts, da sich die Selbstinduktion der Drosselspule zu der der Feldwicklung f einfach addiert, während das Zustandekommen eines kompensierenden Stromes in der Feldwicklung f fast vollständig verhindert wird. Natürlich muß die Erregerspannung entsprechend hoch gewählt werden, um nunmehr das Feld des Motors zu erzeugen. Die erhöhte scheinbare Leistung wird aber durch die voreilende E. M. K. mit ausgeglichen, die durch Rotation -des Läufers in dem Feld des Arbeitsstromes erzeugt wird. ■

Es ist hierbei nicht notwendig, daß die Erregerwicklung f mit der Wicklung k und r gleichachsig ist, da es nur auf die Phase der Erregerspannung ankommt, welche Achse man der Wicklung f zu geben hat. Selbst bei rechtwinkliger Lage zueinander üben Drehfeldwicklungen eine gegenseitige Induktion in dem Sinne aufeinander aus, daß sie dem vorhandenen Feld entgegenwirkt. An Stelle der Drosselspule kann auch ein Serientransformator Verwendung finden, der der gegenseitigen Induktion der resultierenden Arbeitswicklung auf die Feldwicklung, entgegenwirkt. Eine derartige Anordnung ist in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 dargestellt.

Die Bedeutung der Bezeichnungen ist die gleiche wie in Fig. 1, nur bedeutet hier E die Arbeitsspannung, e die mit E phasengleiche Erregerspannung, s den Serientransformator. Wenn man den Stromkreis der Erregerwicklung betrachtet, so ist leicht zu erkennen, daß 3 E. M. Ke. in ihm wirksam sind.

1. die E. M. K. der zugeführten Erregerspannung e,

2. die E. M. K. der gegenseitigen Induktion der Wicklungen k und r auf f und

3. die im Serientransformator s erzeugte E. M. K. der sekundären Wicklung. Die

E. M. Ke. unter 2 und 3 sind miteinander phasengleich und proportional dem Hauptstrom des Motors. Werden diese E. M. Ke. einander entgegengeschaltet, so wirken sie einander entgegen und heben sich in ihrer Gesamtwirkung mehr oder weniger vollständig auf. Der Serientransformator s verhindert in diesem Falle das Auftreten kompensierender Ströme in der Wicklung f und ermöglicht also erst die Erzeugung einer voreilenden E. M. K. durch Rotation des Läufers in einem dem Strom proportionalen Feld in der Arbeitsachse.

Wie die voreilende E. M. K. imstande ist, die Phase des Stromes zu verbessern und den Tourenabfall des Motors zu verhüten, ist aus dem Diagramm der Fig. 4 ersichtlich. Es bedeutet wieder:

α b den Vektor der zugeführten Spannung E, d b den Ohmschen Spannungsabfall des

Motors,

d c den induktiven Spannungsabfall des Motors,

α c den Vektor der durch Rotation des Ankers im Hauptfeld hervorgerufenen E. M. K., γ den Phasenwinkel zwischen Feld und Motorspannung.

Der Motorspannung E — ab wird das Gleichgewicht gehalten durch den Spannungsabfall b c und der Rotations-E. M. K. α c. Es

ίο ist d b hierbei proportional und in Phase mit dem Motorstrom /. Winkel d b α ist der Phasenwinkel φ zwischen Strom / und Spannung E; demnach ist b f proportional der Wattkomponente von J. ■

Um φ == 0 zu erhalten, muß demnach Vektor b d übergehen in Vektor b f.

Da aber das Spannungsabfalldreieck sich stets ähnlich bleiben muß, geht Vektor b c in b g und Vektor de in f g über. Nun

ao geht aber der Vektor der Rotations-Ε. M. K. nicht durch den Punkt g, sondern schneidet f g in h. Die Lage des Dreiecks b f g ist ohne weiteres demnach nicht zu erreichen, wenn man nicht den <L γ my¹ überführt.

Dies geschieht aber von selbst, wenn in der Arbeitsachse ein Feld in Richtung der Rotoramperewindung von "der Phase des Stromes besteht. Durch Rotation in diesem Felde wird nämlich eine E. M. K. in Richtung f g

30. erzeugt. Hat diese E. M. K. den Wert hg, so addiert sich h g geometrisch zu α h, und man erhält als resultierende E. M. K. durch Rotation den Vektor α g. Also ist durch das Feld in der Arbeitsachse bewirkt worden, daß bei gleicher Wattkomponente des Stromes φ = 0 wird, und daß die Tourenzahl von dem Wert α c auf α h erhöht wird.

Die Tourenregelung dieses Motors kann nun dadurch erfolgen, daß entweder das Feld oder die Arbeitsspannung oder beide geregelt werden. Die Regelung des Feldes kann durch Änderung der 'Größe oder der Phase der Erregerspannung, ferner durch Zu- bzw. Abschalten von Windungen der Feldwicklung f geschehen. Als Hilfsmittel hierbei können auch Transformatoren, Drosselspulen, Widerstände u. dgl. Verwendung finden. Die Regelung der Arbeitsspannung kann in bekannter Weise z. B. mittels Transformatoren erfolgen.

Zugleich mit der Regelung der Tourenzahl kann auch eine Regelung des die Kompensation bewirkenden Feldes erfolgen. Zu diesem Zwecke ist die Drosselspule (der Fig. 1), die Kompensationswicklung k oder der Serientransformator (der Fig. 3) mit Regulierkontakt oder ähnlich wirkender Einrichtung zu versehen.

Die Verwendung von Wendepolen ist um so mehr geboten, da ein Feld in der Achse des Arbeitsstromes vorhanden ist. Die Erregung der Wendepole geschieht von einer Wendepolerregerspannung aus, deren Phase und Größe so gewählt ist, daß die Summe der auf die kurzgeschlossenen Windungen des Rotors wirkenden elektromotorischen Kräfte gleich Null ist.

Die Maschine kann auch als Generator betrieben werden, wenn sie mit einer Tourenzahl angetrieben wird, welche höher als die Leerlaufstourenzahl ist.

Bezüglich des Anlassens ist folgendes zu beachten:

Während beim laufenden Motor infolge der Rotations-E. M. K. eine Kompensierung bewirkt wird, tritt beim stillstehenden Motor diese Kompensation nicht ein. Beim Stillstand ist also eine große Phasenverschiebung zwischen Strom i_k und der zugeführten Spannung vorhanden. Dabei kann ein erhebliches Drehmoment nicht zustande kommen, wenn die Phase des Feldes nicht entsprechend geregelt wird. Denn es muß zur Erzielung des Drehmomentes stets ein zur Achse des Arbeitsstromes räumlich senkrecht stehendes Feld vorhanden sein. Bei vorliegendem Motor kann der Anlauf mit großem Drehmoment in verschiedener Weise bewirkt werden. Unter anderem seien folgende Mittel erwähnt:

1. Änderung der Zeitkonstante des Erregerstrom- oder Arbeitsstromkreises.

2. Änderung der räumlichen Achse der Erreger- oder Arbeitswicklungen.

3. Änderung der Phase der zugeführten Erreger- oder Arbeitsspannungen.

Wie diese Änderungen zu erzielen sind, ist hinreichend bekannt und bedarf keiner weiteren Erläuterung.

Selbstverständlich kann der Motor auch als Induktionsmotor, als Serienmotor oder doppelt gespeister Motor usw. angelassen und als Nebenschlußmotor betrieben werden.

Schließlich sei noch bemerkt, daß man ein dem Arbeitsstrom proportionales Feld in der Achse der Arbeitsamperewindungen, welches auf die Erregerwicklung f nicht induzierend wirkt, auch dadurch schaffen kann, daß man der Rotorwicklung große Streuung gibt. Würde man z. B. die Rotornuten ganz geschlossen ausführen, so würde das entstehende Rotorstreufeld die angestrebte Richtung haben, eine gegenseitige Induktion auf die Wicklung f ■' würde jedoch nicht stattfinden.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Fremd- oder nebenschlußerregter Mehrphasenkollektor - Konduktionsmotor mit Kompensationswicklung auf dem Ständer, bei welchem in der Achse der Arbeitsströme ein dem Belastungsstrom proportionales

Feld, welches den Richtungssinn der Rotorarbeitsamperewindungen hat, erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitige Induktion der resultierenden Arbeitsamperewindungen auf die Feldwicklung möglichst aufgehoben ist.
2. Motor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Herabminderung der gegenseitigen Induktion durch Einschaltung von Drosselspulen im Erreger-Stromkreis bewirkt ist.
3. Motor nach Anspruch 1, dadurch ge- . ■ kennzeichnet, daß die Herabminderung bzw. Unterdrückung der gegenseitigen Induktion durch Verkettung des Erreger-Stromkreises mit dem Arbeitsstromkreis vermittels eines Serientransformators bewirkt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.