DE230729C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVl 230729 -KLASSE 21 d. GRUPPE

ALEXANDER HEYLAND in BRÜSSEL.

Es sind vielfache Einrichtungen vorgeschlagen worden, das Anlassen und die Geschwindigkeit normaler Induktionsmotoren mittels von dem zu regelnden Motor mechanisch unabhängiger Hilfsvorrichtungen, welche als Periodenumrichter, Umformer öder als Umformergruppen zwischen Stromkreisen verschiedener Periodenzahl arbeiten, verlustlos zu regeln.

ίο Die bekannten Verfahren der Regelung, welche allen jenen Einrichtungen zugrunde liegen, sind, zwei prinzipiell verschiedene, und alle jene Einrichtungen lassen sich hiernach in zwei Klassen zerlegen.

Das erste Verfahren besteht in der Änderung der Periodenzahl des dem Primäranker des zu regelnden Motors vom Netz aus zugeführten Stromes durch die betreffende Hilfsvorrichtung, welche zu diesem Zwecke mit ihren Primärklemmen an das Netz angeschlossen ist, an ihren Sekundärklemmen Strom veränderlicher, durch ihren Antrieb bestimmter Periodenzahl erzeugt, der dem zu regelnden Motor zugeführt wird. ·

Das zweite Verfahren besteht in der Zurücklieferung der dem Sekundäranker des zu regelnden Motors entnommenen Energie an den Primärkreis durch die betreffende Hilfsvorrichtung, welche zu diesem Zwecke einerseits an den Sekundärstromkreis des Motors, andererseits an das Netz angeschlossen ist.

Bei dem erstgenannten Verfahren hat der Motor im übrigen alle Eigenschaften, aber auch alle Nachteile des gewöhnlichen Asynchronmotors, dessen Überlastbarkeit beispielsweise sehr von der Feldstärke abhängt, die auch bei gleichzeitiger Spannungsregelung durch einen Stufentransformator doch bei Belastungsschwankungen sehr starken Schwankungen unterworfen ist.

Das zweitgenannte Verfahren bietet demgegenüber zunächst eine Anzahl verschiedener Vorteile, und die Wirkungsweise ist prinzipiell dieselbe wie die eines Wechselstrom - Kommutatormotors.

An die Stelle des mit der Ankerwicklung fest verbundenen Kommutators tritt hier die mechanisch unabhängige Hilfsvorrichtung, welche die dem Sekundäranker entnommenen Ströme auf die Netzfrequenz umformt. -

Soll also z. B. die Geschwindigkeit des Motors regelbar sein, so geschieht dieses, genau wie beim Kollektor-Nebenschlußmotor, durch Regelung der dem Sekundäranker aufgedrückten Spannung, z. B. durch einen Stufentransformator, und wird die Anordnung in Serienschaltung ausgeführt, so erhält der Motor, genau wie ein Kollektor - Serienmotor mit selbsttätiger Geschwindigkeitsregelung, Seriencharakter. ■ ■

Alle diese Einrichtungen haben dieselben Eigenschaften wie ein Wechselstrom-Kömmutator, und vor allem die, daß, wenn die Geschwindigkeit des Motors regelbar sein soll, dieses dadurch geschieht, daß der Sekundär- . anker parallel zum Primäranker geschaltet und die Geschwindigkeit durch einen Stufentransformator geregelt wird.

Nun bietet der Stufentransformator schon , beim normalen Nebenschlußmotor verschiedene

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Nachteile, die desgleichen naturgemäß in mehr oder weniger hohem Maße auch bei allen diesen Einrichtungen sich geltend machen. Da der Primäranker am Netz liegt, so ist zunächst die Feldstärke des Motors genau gegeben, damit aber auch für eine gegebene Tourenzahl des Motors die im Sekundäranker induzierte EMK, und zwar nicht nur in ihrer Periodenzahl, sondern auch in ihrer Größe und Phase,

ίο und kann von diesem Wert höchstens um einen Betrag abweichen, welcher von der Streuung im Motor abhängt. Es ist deshalb klar, daß bei etwas sprungweisem Regeln, z. B. also bei zu geringer Stufenzahl, leicht Belastungsstöße und unter Umständen.Pendelungen auftreten können. Der Transformator muß außerdem für eine Leistung bemessen sein, die mindestens dem Regulierbereich und der Schlüpfungsenergie entsprechen muß, und wird deshalb auch sehr groß.

Die Einrichtung, welche den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, arbeitet nach dem zweiten Verfahren. Sie besteht zunächst darin, die Regelung durch eine Hilfsvorrichtung zu bewirken, welche regelbar angetrieben wird und zwischen Sekundäranker des zu regelnden Motors und das Netz in Serie zum Primäranker geschaltet wird.

Ein derartiger Motor erhält die interessante Eigenschaft, daß ohne Nebenschlußregelung seine Tourenzahl beliebig regelbar gemacht werden kann, beispielsweise wie die eines Nebenschlußmotors; außerdem bietet er den Vorteil, infolge der Serienschaltung die Überlastbarkeit des Serienmotors zu besitzen.

Die zunächstliegende und allgemeinste Ausführungsform besteht darin, den zu regelnden Motor selbst als Kommutator - Serienmotor auszuführen, wobei jedoch der Kommutator nicht mit der Achse fest verbunden, sondern um einen gewissen Winkel drehbar angeordnet wird, so daß er regelbar angetrieben werden kann. Dieses kann beispielsweise dadurch ermöglicht werden, daß die Verbindungen von Kommutator und Anker aus biegsamen Kabeln bestehen.

Der Kommutator sei durch irgendeinen unabhängigen Motor mit einer bestimmten Geschwindigkeit angetrieben, dann bestimmt diese Tourenzahl auch die Tourenzahl des Hauptmotors. Man kann also in dieser Anordnung die Tourenzahl eines Motors dadurch regelbar machen, daß man den zwangläufigen Antrieb des Kommutators durch einen regelbaren Antrieb ersetzt. Der Kommutator könnte auch durch den Motor selbst angetrieben werden, und zwar statt durch eine zwangläufige durch eine elastisch wirkende Verbindung, und die Regelung könnte durch irgendeine regelbare Beeinflussung, z. B. durch einen besonderen Antriebsmotor oder durch Bremsung des Kommutators von Hand oder selbsttätig bewirkt werden.

In derselben Weise, wie hier zunächst für einen Kommutatormotor, dessen Sekundär-. anker in entsprechender Weise durch den Kommutator an das primäre Netz angeschlossen ist, beschrieben, läßt sich das Verfahren bei Schleifringmotoren benutzen, deren Sekundäranker durch andere Hilfsvorrichtungen, welche als Periodenumrichter, Umformer oder Umformergruppen arbeiten, an das Netz angeschlossen ist.

In Fig. 1 z. B. sei α der zu regelnde Hauptmotor, der mit seinem Primärstromkreis an die Stromzuführungen 1-2-3 angeschlossen sei, b sei die Hilfsvorrichtung, beispielsweise ein aus einem Kommutatoranker bestehender Periodenumrichter, c sei der Antriebsmotor der letzteren. Die zwischen Sekundäränker und Netz eingeschaltete Hilfsvorrichtung soll erstens nicht zwangläufig vom Hauptmotor aus angetrieben sein, sondern durch die Regelung ihres eigenen Antriebes die Tourenzahl des Hauptmotors bestimmen. Gleichzeitig soll diese Hilfsvorrichtung, um diesen Zweck zu erreichen und auch ohne Spannungsregelung eine selbsttätige Einstellung der Sekundärspannung zu erzielen, in Serienschaltung zum Primäranker an das Netz angeschlossen sein. Dieses ist hier z. B. dadurch geschehen, daß sie durch einen im Primärstromkreis des Hauptmotors liegenden Serientransformator d an das Netz angeschlossen ist. Der Antriebsmotor c kann hierbei irgendein Asynchronmotor sein, z. B. auch ein Gleichstrommotor, der von einer Gleichstromquelle aus gespeist würde, oder irgendein anderer Antrieb, oder ein Kommutatormotor oder, wie hier gezeichnet, ein anderer Asynchronmotor, der von derselben oder einer anderen Kraftquelle aus gespeist wird. Der Antrieb kann auch, wie in der Patentschrift 223872, durch eine doppelseitig angeschlossene Schleifringmaschine bewirkt werden, nur ist dann gleichzeitig eine Anordnung'vorzusehen, welche die Zwangläufigkeit dieses Antriebes wieder aufhebt und denselben regelbar macht, denn anderenfalls würde der Motor in diesem Falle Seriencharakter erhalten. Diese Möglichkeit ist dadurch gegeben, daß auch bei fester Einstellung die Taktgebung dieses Antriebes nicht genau durch die Phasen der beiderseitigen Anschlüsse gegeben ist, sondern um einen gewissen, durch die Reibung bestimmten Korrektionswinkel nacheilend, also gewissermaßen wie beim Kommutatormotor, wenn man den Kommutator nicht starr, sondern elastisch mit der Achse verbinden würde. Man kann deshalb auch hier die Zwangläufigkeit aufheben und den Antrieb regelbar machen, indem man die Hilfsvorrichtung gleichzeitig mit einem besonderen regelbaren Motor verbindet oder

durch irgendeine von Hand zu bedienende oder selbsttätig wirkende Bremsvorrichtung beeinflußt.

In Fig. 2 ist die Hilfsvorrichtung in der S Weise in Serie zum Primärstromkreis des Motors an das Netz angeschlossen, daß der neutrale Punkt des ersteren aufgeschnitten und an sie angeschlossen ist. Die Regelung des Antriebsmotors für dieHilfsvorrichtungkann auch

ίο gleichzeitig in verschiedener Weise von der Belastung des Hauptmotors abhängig gemacht werden, beispielsweise indem sie durch den Strom, hier z. B. durch Benutzung eines Serientransformators e, bewirkt wird, welcher den Motor speist oder seine Regelung irgendwie beeinflußt.

Das Verfahren gestattet eine große Anzahl Ausführungsformen, die sich alle aus der hier erläuterten Maßnahme der Serienschaltung von Sekundär- und Primäranker zum Netz durch eine nicht zwangläufig·, sondern frei bzw. regelbar angetriebene Hilfsvorrichtung ergeben.

Der Motor erhält hierdurch Eigenschaften, •welche weder den normalen Nebenschluß- noch Serienmotoren eigen sind, und es sei hier außer den bisher erläuterten zunächst noch auf sehr interessante Erscheinungen '. bezüglich einer Selbstregelung der Feldstärke des Motors hingewiesen, welche, ohne den Motor normal mit großem Feld arbeiten zu lassen, eine große Überlastbarkeit, insbesondere bei niederer Tourenzahl, zur Folge ihat.

Diese Eigenschaften seien an der zuerst genannten Ausführungsform erläutert, einem Serienmotor, dessen Kommutator zum Anker beweglich ist, und die sich ohne weiteres auf die übrigen Ausführungen übertragen läßt.

Der Kommutator sei durch irgendeinen unabhängigen Antriebsmotor mit einer bestimmten Gesch\vindigkeit angetrieben, dann bestimmt diese Tourenzahl auch die Tourenzahl des Hauptmotors. Im Motor stellt sich dann ein gewisses Feld ein, welches im Sekundäranker 'eine gewisse, seiner Schlüpfung entsprecliende EMK induziert, die sich mit der EMK des Stators zu der gegebenen Netzspannung zusammensetzt, und das Feld des Motors wird sich immer so einstellen, daß die Resultierende aus der EMK des Stators und des Rotors durch die Netzspannung gegeben ist. Der Hauptmotor sei zunächst unbelastet. Der Rotor muß sich dann so zum Kommutator einstellen, daß seine Zugkraft Null wird und seine EMK in gleiche Richtung mit .der EMK des.

Stators fällt, d. h. sich mit. dieser direkt zu der Netzspannung addiert. Die EMK des Stators und damit das Feld des Motors erreichen deshalb im unbelasteten Zustande ein Minimum. Wird jetzt der Hauptmotor belastet, so bleibt der.Rotor zum Kommutator um einen Winkel zurück, welcher sich der Belastung anpaßt und theoretisch zwischen ο bis i8o° der Polteilung variieren kann. Flierdurch verschiebt sich die Phase der vom Rotor dem Stator zugeführten EMK zur EMK des Stators allmählich aus der gleichen bis, bei weiter zunehmender Belastung, in die entgegengesetzte Richtung; und da beide sich zu der konstanten Netzspannung zusammensetzen, so muß die EMK des Stators und damit das Motorfeld in sehr weiten Grenzen zunehmen, so daß der Motor stark überlastbar wird. D. h. wir haben einen Motor, dessen Feld nicht, wie beim Serienmotor, nur in gewissen Grenzen von der Tourenzahl abhängt, und nicht, wie beim Nebenschlußmotor, bei variabler Belastung konstant bleibt, sondern sich ganz selbsttätig der Belastung anpaßt, und infolgedessen z. B. so entworfen werden kann, daß er selbst bei niederer Tourenzahl im unbelasteten Zustande mit ganz niedrigem Felde und niederen Eisenverlusten arbeitet und bei zunehmender Belastung auch ohne Tourenänderung sein Feld selbsttätig der jeweiligen Belastung anpaßt.

Das Verfahren bietet gegenüber den bekannten prinzipiell analoge Vorteile bei Benutzung irgendwelcher vom zu regelnden Motor getrennten Hilfsvorrichtungen, die als Periodenumrichter, Umformer oder Umformergruppen arbeiten. Gegenüber den Anordnungen mit getrennten Hilfsvorrichtungen, die durch doppelseitig angeschlossene Schleifringmaschinen elektrisch zwangläufig zum Hauptmotor angetrieben werden, bietet es auch den weiteren Vorteil, daß Pendelungen, die dort eventuell auftreten können, hier durch die asynchron einsetzende Steuerung vermieden werden. Auch hier können die Hilfsvorrichtungen naturgemäß entweder so angetrieben werden, daß ihre Tourenzahl sich in dem gleichen oder entgegengesetzten Verhältnis ändert und hierdurch verschiedene Belastungsausgleiche erzielt werden.

Der zu regelnde Motor kann in allen Fällen unter- und übersynchron betrieben werden, auch auf jede Tourenzahl eingestellt werden, wobei diese Einstellung gegenüber der Nebenschlußregelung den weiteren Vorteil bietet, daß diese Regelung auch beim Durchgang durch den Synchronismus ohne Umschaltung und in jedem Sinne stoßfrei erfolgen kann.

Die Verhältnisse lassen sich auch leicht so wählen, daß, von Leerlauf und sehr niederer Tourenzahl abgesehen, also innerhalb des normalen Betriebsbereiches die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung gänzlich oder annähernd kompensiert wird. Zu diesem Zwecke ist das Verhältnis zwischen Rotor- und Statoramperewindungen so einzustellen, daß die Rotoramperewindungen um einen gewissen Teil größer sind. Die selbsttätige Verstellung zwischen Rotor- und Statorphasen bietet hierbei den weiteren Vorteil, daß mit zunehmender

Belastung die Kompensierung zunimmt, so daß man dieselbe z. B. so einstellen kann, daß bei niederer Belastung eine Nacheilung, bei höherer Belastung eine Voreilung des Stromes eintritt, was gleichfalls bei der Nebenschlußregelung nicht möglich ist.

Das Verhältnis zwischen Rotor- und Statoramperewindungen kann hierbei auch nachträglich noch am fertigen Motor durch einen einstellbaren Transformator eingestellt werden.

Der Vorgang in allen diesen Fällen ist also der, daß einerseits infolge der Serienschaltung, ebenso wie beim normalen Serienmotor, keine besondere Schaltvorrichtung, wie Stufentransformator u.dgl., erforderlich ist, um dem Rotor eine seiner Tourenzahl' entsprechende Spannung aufzudrücken, sondern diese sich selbsttätig einstellt; und trotzdem z. B. ähnlich wie beim Nebenschlußmotor die Tourenzahl des Motors regelbar gemacht werden kann, dadurch, daß die zwischen Rotor- und Stator He-. gende Hilfsvorrichtung nicht zwangläufig mit dem Rotor verbunden ist, sondern frei oder regelbar oder selbstregelnd angetrieben wird, so daß durch ihren Antrieb die Tourenzahl des Motors bestimmt wird, indem die aus der selbsttätig sich einstellenden Verstellung zwischen Hilfsvorrichtung und Rotor bzw. zwischen Stator- und Rotorphasen die hieraus und

30. dem resultierenden Feld und Strom resultierende Zugkraft sich selbsttätig entsprechend der Belastung einstellen kann.
' Natürlich können gleichzeitig mit der vorliegenden auch andere Regelungen benutzt werden, z. B. weitere Regelung durch Stufentransformatoren und Kompoundi erungsschaltungen o. dgl.

Schließlich kann eine gewisse Regelung bei Serienschaltung von Stator und Rotor auch dadurch noch bewirken, daß man die in Frage kommende Hilfsvorrichtung, wie beim normalen Serienmotor, zwar mechanisch mit dem Motor fest verbindet oder durch elektrische Kupplung im Takt durch den Motor antreibt,

z. B. durch eine doppelseitig angeschlossene Schleifringmaschine, diesen Antrieb aber einstellbar, d. h. um einen einstellbaren Winkel verstellbar macht. Der Motor erhält dann allerdings für jede Einstellung wieder reinen Seriencharakter, nur jedesmal unter anderen Beziehungen zwischen Tourenzahl und Belastung. Alan könnte aber die Regelbarkeit auch noch dadurch vergrößern, daß man hier dann die betreffende Einstellung üurch irgendeine selbsttätig wirkende Anordnung, z. B. einen Zentrifugalregulator, ein Relais 0. dgl, bewirken ließe.

Es sei erwähnt, daß diese letztgenannte Regelung im Prinzip dem Resultat entsprechen würde, das man erhält, wenn man einen normalen Serienmotor durch Bürstenverstellung regelbar macht. Gleichzeitig gestattet sie aber andere Resultate, welche der Serienmotor nicht besitzt, und welche deshalb beim Serienmotor die Regelung durch Bürstenverstellung praktisch unausführbar machen. Um bei Wechselstromkommutatorankern im normalen Betriebe ein Arbeiten ohne schädliches Bürstenfeuer zu ermöglichen, versieht man im allgemeinen den . zugehörigen Stator mit einer Kompensationswicklung, deren Lage relativ zur Bürstenachse genau gegeben ist. Verstellt man nun bei einem normalen Serienmotor die Bürsten, so ändert sich hiermit auch deren Lage zur Kompensationswicklung, wodurch die Wirkung der letzteren eine direkt schädliche wird. Dieses ist jedoch bei Benutzung einer besonderen Hilfsvorrichtung nicht der Fall, da die Lage der betreffenden Kommutatorbürsten zur zugehörigen. Statorwicklung unverändert bleiben kann.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch :

   Einrichtung zum Anlassen und Regeln der Geschwindigkeit von Wechselstrommotoren, bei der zwischen den Sekundäranker und das Netz eine Hilfsvorrichtung, die als Periodenumrichter, Umformer oder Umformergruppe arbeitet, geschaltet ist, welche nicht zwangläufig von dem zu go regelnden Motor, sondern einstellbar, regelbar oder selbstregelnd angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsvorrichtung direkt oder indirekt in Serienschaltung zur Primärwicklung des Motors verbunden ist, so daß durch ihre Tourenzahl die Tourenzahl des Motors bestimmt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.