DE235040C

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KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

-Λ* 235040 -' KLASSE 21 d. GRUPPE -Λ * 235040 - ' CLASS 21 d. GROUP

Patentiert im Deutschen Reiche vom 18. März 1909 ab.Patented in the German Empire on March 18, 1909.

Die Drehzahl mehrphasiger Kollektormotoren richtet sich nach der Stärke des magnetischen Feldes und, wenn der Einfachheit wegen die Windungszahlen von Stator und Rotor als gleich angenommen werden, nach der Differenz der den Stator- und Rotorwicklungen zugeführten Spannungen. Während sich bei Serienschaltung von Stator und Rotor der Kraftfluß und damit auch die Drehzahl nachThe speed of multi-phase commutator motors depends on the strength of the magnetic Field and, if for the sake of simplicity, the number of turns of stator and rotor as be assumed equal, according to the difference between the stator and rotor windings applied voltages. While the stator and rotor are connected in series, the Power flow and thus also the speed

ίο der Belastung einstellt, so daß sie mit wachsendem Drehmomente abnimmt, bleibt sie bekanntlich bei Nebenschlußanordnung, bei der man die Stator- und Rotorspannung durch regelbare Transformatoren getrennt auf bestimmte Werte einstellen kann, nahezu unabhängig von der Belastung. Durch Regeln der Spannungen kann man hier jede beliebige Leerlaufsdrehzahl einstellen, bei Belastung tritt eine nur geringe Schlüpfung ein, entsprechend dem Ohmschen und induktiven Spannungsabfalle in den Arbeitsstromkreisen. Während dieses Verhalten für viele Verwendungszwecke sehr vorteilhaft ist, liegt doch manchmal das Bedürfnis vor, die Drehzahl bei variabler Belastung genau konstant zu halten, ähnlich wie es bei den kompoundierten Gleichstrommotoren erzielt wird. Andererseits ist es oft erwünscht, einen starken Abfall der Drehzahl bei Belastung zu erhalten, beispielsweise um die Pufferwirkung von Schwungrädern ausnutzen zu können. Das letztere Ziel läßt sich bei Wechselstrommotoren allerdings ohne weiteres erreichen, indem man Widerstände oder Selbstinduktionen (bzw. Streuung) künstlich vergrößert und da-? durch entweder die Stator- oder die Rotorspannung abhängig von der Belastung verändert. Beide Mittel sind aber sehr unwirtschaftlich, weil man bei ihrer Anwendung entweder stark vergrößerte Energieverluste erhält oder aber eine stark verminderte Belastungsgrenze des Motors.ίο the load adjusts so that they with decreases with increasing torque, it is known to remain with a shunt arrangement, in which the stator and rotor voltage are separated by controllable transformers can set certain values, almost independent of the load. By rules the voltages can be set to any idle speed here, under load only a slight slip occurs, corresponding to the ohmic and inductive voltage drop in the working circuits. While this behavior is very beneficial for many uses, it is sometimes the need to keep the speed precisely constant under variable loads hold, similar to what is achieved with the compounded DC motors. on the other hand it is often desirable to obtain a sharp drop in speed under load, for example, to be able to use the buffer effect of flywheels. The latter goal can be achieved with AC motors however easily achieved by using resistances or self-inductions (or scatter) artificially enlarged and there-? changed by either the stator or the rotor voltage depending on the load. Both means, however, are very uneconomical because their use either results in greatly increased energy losses or a greatly reduced engine load limit.

Vom Ankerstrome durchflossene Kompoundierungswindungen auf dem Stator anzubringen, ähnlich wie bei Gleichstrommaschinen, führt bei Wechselstrommaschinen nicht zu dem gewünschten Ziele, weil die Stärke des Hauptfeldes hier .doch nur von der angelegten Statorspannung abhängig wäre, ganz unabhängig von dem den Stator durchfließenden Arbeitsstrome. Es ist zwar vorgeschlagen, die Kompoundierungswindungen auf magnetisch vom Hauptstator getrennte Pole zu wickeln, um eine gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden, doch wird diese Anordnung in der Ausführung sehr teuer.To attach compounding windings through which the armature current flows to the stator, similar to DC machines, AC machines do not feed the desired goal, because the strength of the main field here .but only from the applied The stator voltage would be dependent, completely independent of the one flowing through the stator Working currents. It is suggested that the compounding turns be magnetic to wind separate poles from the main stator in order to avoid mutual interference, however, this arrangement becomes very expensive to implement.

Die vorliegende Erfindung besteht nun darin, einen Energieaustausch zwischen Stator- und Rotorströmen mit Hilfe eines Serientransformators zu bewirken, derart, daß die übertragenen Spannungen nahezu proportional den Belastungsstromstärken und daher auch dem Drehmomente sind. Eine Schaltungsanordnung, die beispielsweise für Dreiphasen-Kollektor - Nebenschlußmotoren geeignet ist, zeigt Fig. i. Stator- und Rotorströme des Motors m durchfließen die beiden Wicklungen eines Serientransformators s, der zur bequemenThe present invention consists in effecting an energy exchange between stator and rotor currents with the aid of a series transformer in such a way that the transmitted voltages are almost proportional to the load currents and therefore also to the torques. A circuit arrangement which is suitable, for example, for three-phase collector shunt motors, is shown in FIG. Stator and rotor currents of the motor m flow through the two windings of a series transformer s, which is used for convenient

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Regelung als verstellbarer Drehfeldtransformator ausgeführt sein kann. Stellt man ihn derart ein, daß die beiden Magnetfelder seines Stators und Rotors sich räumlich aufheben, was sich bei allen Belastungen bei derselben Stellung fast genau erreichen läßt, wenn die Amperewindungen der Transformatorwicklungen proportional denen im Motor ausgeführt werden, so werden keine wesentlichen Spannungen in ihm induziert, und die Stromkreise wirken daher auch nicht aufeinander ein. Die Drehzahl des Motors m ist also in reiner Nebenschlußschaltung durch die Spannung am Haupttransformator η regelbar.Control can be designed as an adjustable rotating field transformer. If you set it in such a way that the two magnetic fields of its stator and rotor cancel each other out, which can be achieved almost exactly with all loads in the same position, if the ampere-turns of the transformer windings are made proportional to those in the motor, no significant voltages are created in it induced, and the circuits therefore do not affect each other. The speed of the motor m can therefore be regulated in a pure shunt circuit by the voltage at the main transformer η.

Verdreht man nun aber die Wicklungen des Transformators s gegeneinander, so entsteht in ihm ein resultierendes Feld Φ₅, das, wie das Diagramm Fig. 2 zeigt, Spannungen e_s erzeugt, die eine große Komponente in Richtung der Ströme selbst haben und daher eine Energieübertragung zwischen Stator- und Rotorarbeitsströmen bewirken. Eine geringe induktive Spannungskomponente ist unvermeidlich, da sie. zur Erzeugung des magnetisehen Feldes notwendig ist. Die Stärke des Feldes und damit die Stärke der Kupplung zwischen den beiden Stromkreisen läßt sich durch Verstellen des drehbaren Transformators bequem ein regulieren. Da das magnetischeIf you now twist the windings of the transformer s against each other, a resulting field Φ ₅ arises in it, which, as the diagram in FIG. 2 shows, generates voltages e _s which have a large component in the direction of the currents themselves and therefore energy transfer cause between stator and rotor working currents. A small inductive voltage component is inevitable as it. is necessary to generate the magnetic field. The strength of the field and thus the strength of the coupling between the two circuits can be easily regulated by adjusting the rotating transformer. Since the magnetic

Feld direkt proportional den Strömen ist, sofern man die Transformatorstellung nicht verändert, so gilt dasselbe auch von der Spannung e_s an den Klemmen des Serientransformators. Natürlich ist man nicht auf die Anwendung eines Drehfeldtransformators angewiesen, sondern kann auch einen gewöhnlichen Spulentransformator mit festen Wicklungen gebrauchen, nur muß man dann durch eine geeignete, etwa durch eine gemischte Wicklung der Phasen dafür sorgen, daß der . gewünschte magnetische Fluß entsteht.Field is directly proportional to the currents, provided that the transformer position is not changed, the same applies to the voltage e _s at the terminals of the series transformer. Of course you do not have to use a rotating field transformer, you can also use an ordinary coil transformer with fixed windings. desired magnetic flux is created.

Man kann beispielsweise auch die beiden Stromkreise in Sternschaltung gegeneinander wirken lassen und das magnetische Feld, das um 90⁰ versetzt sein muß, von Zusatzwindungen erzeugen lassen, die in Dreieckschaltung verbunden sind.One can for example, the two circuits can act and can be produced by additional turns the magnetic field, which must be offset by 90 ^0, which are connected in a delta connection in a star configuration against each other.

Will man nun einen Abfall der Drehzahl des Motors m bei Belastung erzielen, so muß der Transformatorfluß eine solche Richtung haben, daß in der an den Stator geschlossenen Wicklung des Serientransformators Energie erzeugt, in der an den Rotor geschlossenen Energie verbraucht wird. Bei untersynchronem Laufe des Motors m, der beispielsweise . betrachtet werden soll, liefert der Rotor aus dem Kollektor heraus Energie zurück. Diese wird zum Teil in dem Serientransformator aufgezehrt und auf den Statorkreis übertragen, zum anderen Teile gelangt sie durch den Regeltransformator η in das Netz zurück.If one wants to achieve a decrease in the speed of the motor m under load, the transformer flux must have such a direction that energy is generated in the winding of the series transformer that is closed to the stator, and energy is consumed in the winding of the series transformer that is closed to the rotor. In the case of sub-synchronous running of the motor m, for example. should be considered, the rotor returns energy from the collector. This is partly consumed in the series transformer and transferred to the stator circuit, while the other part is returned to the network through the regulating transformer η.

Es wird demnach durch die Wirkung des Serientransformators sowohl die Rotorspannung als auch die wirksame Statorspannung um denselben Betrag erhöht, so daß ihre Differenz unverändert bleibt. Wegen der erhöhten Statorspannung steigt aber auch der Motorkraftfluß, und die Folge davon ist ein Sinken der Drehzahl gegenüber dem Leerlaufswerte. Die Stärke des Abfalles der Dreh- zahl läßt sich auf Grund des früher Erläuterten am Serientransformator auf einen gewünschten Betrag einstellen.It is therefore through the action of the series transformer both the rotor voltage as well as the effective stator voltage increased by the same amount, so that their Difference remains unchanged. Because of the increased stator voltage, however, the also increases Motor power flow, and the consequence of this is a decrease in speed compared to the idling value. The strength of the fall of the turning number can be set to a desired one on the basis of what was explained earlier on the series transformer Set the amount.

Will man eine von der Belastung des Motors unabhängige oder gar mit ihr steigende Drehzahl erhalten, so muß man dem Felde des Serientransformators die entgegengesetzte Richtung geben, so daß die Statorspannung und damit das Motorfeld mit zunehmenden Strömen sinkt. Bei Übersynchronismus ändert sich an der gesamten Wirkungsweise gar nichts, es werden nur im Rotorkreise die Richtungen der resultierenden Spannungen vertauscht. Die Leerlaufsdrehzahl läßt sich natürlich jederzeit am Nebenanschluß-Regeltransformator η einstellen.If you want to obtain a speed that is independent of the load on the motor or even increases with it, you have to give the field of the series transformer the opposite direction so that the stator voltage and thus the motor field decrease with increasing currents. In the case of oversynchronism, nothing changes in the overall mode of operation, only the directions of the resulting voltages are reversed in the rotor circuit. The no-load speed can of course be set at any time on the auxiliary connection control transformer η .

Nennt man die Netzspannung E, das Übersetzungsverhältnis des Regeltransformators ü, die Netzfrequenz w, die der Drehzahl entsprechende Frequenz v, den Kraftfluß im Motor Φ, die Windungszahl, die im Stator und Rotor dieselbe sein möge, w, und schließlich die Spannung am Serientransformator e_s, dann ergeben sich für die Statorspannung die WerteIf one names the mains voltage E, the transformation ratio of the regulating transformer ü, the mains frequency w, the frequency v corresponding to the speed, the power flow in the motor Φ, the number of turns, which may be the same in the stator and rotor, w, and finally the voltage at the series transformer e _s , then the values for the stator voltage result

e_st = E -f- e_s = ω w Φ
und für die Rotorspannung e _st = E -f- e _s = ω w Φ
and for the rotor tension

e,- = üE -(- e_s = (w — v) w Φ. e, - = üE - (- e _s = (w - v) w Φ.

Dabei sind, um einen einfachen Überblick über die Wirkungsweise zu erhalten, sowohl die Ohmschen Widerstände als auch die Magnetisierungsströme und Streuungen, die alle nur sekundäre Wirkungen ausüben, vernachlässigt. In order to get a simple overview of the mode of action, both the ohmic resistances as well as the magnetizing currents and scatter, all only have secondary effects, neglected.

Für die Drehzahl des Motors erhält man darausThis gives the engine speed

ι — ü
y = w . r-—· ι - ü
y = w . r-— ·

Fig. 3 gibt die Kurvenschar wieder, die man für die Drehzahl bei verschiedenen Belastungen und verschiedenen Übersetzungen des Regeltransformators erhält. Es muß dabei beachtet werden, daß die Spannung e_s am Serientransformutor nahezu proportional der Belastung ist, und daß der Proportionalitätsfaktor beliebig wählbar ist. Fig. 3 shows the family of curves that are obtained for the speed at different loads and different translations of the regulating transformer. It must be noted that the voltage e _s on the series transformer is almost proportional to the load, and that the proportionality factor can be selected as desired.

Ganz ebenso wie bei Kollektormotoren läßt sich auch bei Mehrphasenmotoren, deren Ro-Just as with commutator motors, multiphase motors whose rotor

toren durch Frequenzwandler hindurch an das j primäre Netz angeschlossen sind, durch Energieübertragung zwischen Rotor- und Statorkreise die Drehzahl selbsttätig in Abhängigkeit von der Belastung regeln. Eine hierzu geeignete Schaltung, bei der der mechanische Antrieb des Frequenzwandlers durch einen Drehfeldmotor bewirkt wird, zeigt Fig. 4. Da der Antriebsmotor m des Frequenzwandlers f mit allen Stromkreisen parallel dem Hauptmotor h liegt und beide somit dieselbe Abhängigkeit von Spannung und Drehzahl .besitzen, so unterscheidet sich diese Anordnung elektrisch nicht von der Schaltung der Fig. 1, und die oben hergeleitete Beziehung für die Drehzahl gilt auch hierfür, solange Frequenzwandler f und Hauptmotor h beide über oder beide unter Synchronismus laufen.gates are connected to the primary network through frequency converters, regulate the speed automatically depending on the load by transferring energy between the rotor and stator circuits. A suitable circuit for this, in which the mechanical drive of the frequency converter is effected by a rotating field motor, is shown in FIG. 4. Since the drive motor m of the frequency converter f with all circuits is parallel to the main motor h and both therefore have the same dependence on voltage and speed, so this arrangement does not differ electrically from the circuit of FIG. 1, and the relationship derived above for the speed also applies here as long as the frequency converter f and the main motor h both run over or both under synchronism.

Läuft dagegen der Frequenzwandler übersynchron, der Hauptmotor untersynchron oder umgekehrt, dann stimmen die Richtungen der Energieflüsse im Hauptmotor h und Antriebsmotor m nicht mehr überein, und um im Serientransformator s wieder primär und sekundär die gleichen Stromstärken zu erhalten, muß man eine besondere Wicklung für die Ströme des Motors m im entgegengesetzten Sinne wie für den Motor h auf dem Transformator anbringen, wie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist.If, on the other hand, the frequency converter runs oversynchronously, the main motor subsynchronously or vice versa, then the directions of the energy flows in the main motor h and drive motor m no longer match, and in order to obtain the same primary and secondary currents in the series transformer s, a special winding must be used for the Apply currents of the motor m in the opposite sense as for the motor h on the transformer, as shown for example in FIG. 5.

Es ist natürlich nötig, den Serientransformator stets zwischen solche Stromkreise zu schalten, die nicht nur dieselbe Frequenz, sondern auch bei allen Leerlaufsdrehzahlen dieselben Stromstärken besitzen, damit seine Wirkung bei allen Stellungen des Nebenschlußregeltransformators richtig bleibt und keine schädlichen Drosselwirkungen eintreten.It is of course necessary to always connect the series transformer between such circuits switch that not only have the same frequency, but also at all idle speeds have the same currents so that it works in all positions of the shunt regulating transformer remains correct and no harmful throttling effects occur.

Ohne Verwendung eines Serientransformators zur Kupplung von Stator- und Rotorströmen besitzt das Maschinenaggregat, bestehend aus Drehfeld - Induktionsmotor, Frequenzwandler und Nebenschlußregeltransformator, im Rotorkreise die Eigenschaften eines gewöhnlichen Nebenschlußmotors, der Hauptmotor erleidet einen nur geringen Abfall der Drehzahl bei Belastung. Verwendet man andererseits die hier beschriebenen Anordnungen, so kann man dem Hauptmotor die oft erwünschte Eigenschaft eines reinen Serienmotors verschaffen. Es ist dazu nur erforderlich, den Nebenschlußtransformator η ganz fortzulassen und Stator- und Rotorkreise allein durch einen Serien transformator s von passender Größe zu kuppeln, wie in Fig. 5 dargestellt ist.. Die Drehzahlkurve des Motors wird angenähert durch Fig. 3 für ü = 0 dargestellt; es muß aber beachtet werden, daß für geringe Belastungen die Spannung e_s am Serientransformator nicht mehr proportional der Belastungsstromstärke ist, weil dann auch der Magnetisierungsstrom eine erhebliche Rolle spielt. Dadurch kommen die Werte für geringe Belastungen auf die negative Seite von e_s zu liegen, so daß man vollkommene Seriencharakteristik erhält.Without the use of a series transformer for coupling stator and rotor currents, the machine unit, consisting of a rotating field induction motor, frequency converter and shunt regulating transformer, has the properties of a normal shunt motor in the rotor circuit, the main motor suffers only a slight drop in speed under load. If, on the other hand, the arrangements described here are used, the main engine can be given the often desired property of a pure series engine. It is only necessary to omit the shunt transformer η entirely and to couple stator and rotor circuits solely through a series transformer s of the appropriate size, as shown in Fig. 5. The speed curve of the motor is approximated by Fig. 3 for ü = 0 shown; It must be noted, however, that for low loads the voltage e _s on the series transformer is no longer proportional to the load current, because the magnetizing current then also plays a significant role. As a result, the values for low loads are on the negative side of e _s , so that perfect series characteristics are obtained.

Bei reiner Serienschaltung kann man auch einen Transformator ganz vermeiden, wenn man die Statorwicklung des Hauptmotors offen ausführt und die Statorströme, wie in Fig. 6, direkt durch den Frequenzwandler hindurch in den Rotor sendet. Man muß dann nur darauf achten, daß die Drehzahl des Frequenzwandlers sich selbsttätig richtig einstellen kann, was bei der Schaltung des Antriebsmotors nach Fig. 6 der Fall ist. Selbstverständlich kann man in allen Fällen statt des gesonderten Antriebsmotors für den Frequenzwandler auch einen Selbstantrieb durch Statorerregung anwenden.With a pure series connection, a transformer can also be avoided altogether, if the stator winding of the main motor is made open and the stator currents, as in Fig. 6, sends directly through the frequency converter into the rotor. One must then just make sure that the speed of the frequency converter is automatically correct can set, which is the case with the circuit of the drive motor according to FIG. Of course, you can in all cases instead of the separate drive motor for the Frequency converters also use a self-propulsion system through stator excitation.

Claims

Patent Claims:

1. Procedure for automatic speed control of multiphase motors, the stator and rotor working windings of which are connected to external circuits, characterized by such an energy transfer which is dependent on the load on the motor between stator and rotor circuits that their working voltages are influenced by the transmitted energy.

2. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized by a series transformer, whose windings from the stator and rotor working currents are flowed through.

3. Device according to claim 2, characterized in that the series transformer is designed as an adjustable rotating field transformer, for the purpose of the strength of the magnetic flux and so that the energy transfer can be adjusted.

4. The method according to claim 1 for rotating field motors without a collector, their slip energy is converted to the number of periods of the stator currents by frequency converters, characterized in that the total slip energy of the stator winding in series. - immediately or transformer - is supplied for the purpose of the rotary field motor series character to rent.

1 sheet of drawings.