DE254118C - - Google Patents

Description

KAISERL4SHES

PATENTAMT.

Wird in den sekundären Stromkreis eines Asynchronmotors (in folgendem »Rotorstromkreis« genannt) eine dem Strom im Zeitdiagramm um 90 ° voreilende E. M. K. eingeführt, so wird dadurch die Stromphase gegenüber der E. M. K. der Schlüpfung vorgeschoben, und das bewirkt eine Verschiebung der Phase des primären Stromes (in folgendem »Statorstrom« genannt) und eine entsprechende Verbesserung des Leistungsfaktors. Das bisher bekannte Mittel zur Verschiebung der Phase des Rotorstromes ist eine Zusatzdynamo-

» maschine, durch deren Anker der Rotorstrom geführt wird, und deren Feldmagnet bei einem zweiphasig gewickelten Rotor durch den Strom der anderen Phase und bei einem dreiphasig gewickelten Rotor durch die Ströme der beiden anderen Phasen erregt -wird, derart, daß im Zeitdiagramm der Vektor des Kraftflusses in der Zusatzdynamo mit dem Vektor des durch ihren Anker geleiteten Rotorstromes einen Winkel von 90 ° bildet. Es ist auch bekannt, daß man bei einem dreiphasig gewickelten Rotor die drei einzelnen Zusatzdynamos durch eine einzige Maschine ersetzen kann, deren Kommutator mit drei Bürsten versehen ist, die mit den drei Schleifringen des Rotors verbunden sind, so daß alle drei Rotorströme durch ein und denselben Anker· fließ en. Das Wesentliehe bei allen diesen Methoden, den Leistungsfaktor zu verbessern, liegt in zwei Punkten. Erstens muß die Zusatzdynamo durch eine äußere Kraftquelle, etwa einen kleinen Hilfsmotor, angetrieben werden, und zweitens kann die Einführung einer voreilenden E. M. K. in einer Phase nur durch die Vermittelung der anderen Phase bei einem zweiphasig gewickelten Rotor oder der beiden anderen Phasen bei einem dreiphasig gewickelten Rotor bewirkt werden. In beiden Punkten weicht die vorliegende Erfindung von den bisher bekannten Methoden ab. Es wird keine durch Hilfsmotor angetriebene Zusatzdynamo verwendet, und die Vorschiebung der Stromphase in einem Rotorstromkreise wird unabhängig von den anderen Rotorphasen bewirkt. Nach der vorliegenden Erfindung wird vielmehr die Vorschiebung der Stromphase gegenüber der E. M. K. der Schlüpfung in jedem Rotorstromkreis durch die elektrodynamische Wirkung des Stromes selbst auf einen frei schwingenden Magneten bewirkt. Die in jede Phase eingeführte und dem Strom um ungefähr ^x/₄ Periode voreilende E. M. K. wird erzeugt durch die freie, d. h. durch keine mechanische Direktionskraft beeinflußte Schwingung eines Magneten innerhalb eines Stators, der eine in den betreffenden Rotorstromkreis eingeschaltete Wickelung trägt. Der Magnet kann ein permanenter Stahlmagnet sein; es ist jedoch vorteilhafter, einen Elektromagneten zu verwenden, weil sich dadurch ein größerer Kraftfluß und verstärkte Wirkung des Apparates erzielen lassen. Es ist dabei bekannt, daß eine unter dem Einfluß von Massenträgheit stattfindende relative Schwingbewegung zwischen einem permanenten Magnetfelde und einem von Wechselstrom durchflossenen Leiter wie ein Kondensator wirkt, und daß ein solches Äquivalent für einen Kondensator, ebenso wie ein wirklicher Kondensator, wenn in den sekundären Stromkreis

einer Asynchronmaschine eingeschaltet, eine Vorschiebung der Stromphase bewirkt. Nach der Erfindung ist nun der Stator ein aus Blechen in der üblichen Weise aufgebauter und an der inneren Mantelfläche genuteter Zylinder, wobei ein Teil der Nuten zur Aufnahme der Wechselstromwickelung und ein anderer Teil zur Aufnahme einer Erreger-Gleichstromwickelung dient. Die Gleichstromwickelung kann

ίο auch anstatt in viele Nuten in einige größere Ausschnitte der inneren Mantelfläche eingebettet werden. Der Stator hat somit zwei Wickelungssysteme, eines für den Erregerstrom und eines für den Wechselstrom. Bei einer zweipoligen Anordnung stehen die magnetischen Achsen der beiden Wickelungssysteme rechtwinklig zueinander, und der schwingende Magnet hat Stabform. Bei einer mehrpoligen Anordnung kann der schwingende Magnet Ringform erhalten, und seine Erregerwickelung wird so angeordnet, daß eine symmetrische und abwechselnde Verteilung von Süd- und Nordpolarität am Umfang entsteht. Der Stator muß für dieselbe Polzahl gewickelt werden, und die Wechselstromspulen müssen symmetrisch zwischen den Gleichstrom-Erregerspulen angeordnet sein. In allen Fällen empfiehlt es sich, zwecks Erzielung eines starken Gleichstromfeldes den Luftraum zwisehen den Polflächen des schwingenden Magneten und der inneren Mantelfläche des Stators so klein zu machen, als es mechanische Rücksichten gestatten.

Der Einfachheit halber ist die folgende Be-Schreibung auf die zweipolige Anordnung bezogen.

Wird die Vorrichtung nur mit Gleichstrom erregt, so stellt sich der Stabmagnet so ein, daß seine magnetische Achse mit jener der Gleichstromwickelung am Stator zusammenfällt. Wird jedoch der Rotorstrom des Asynchronmotors durch die Wechselstromwickelung des Apparates geleitet, so wirken auf den Stabmagneten elektrodynamische Kräfte wechselnder Richtung, und der Magnet wird dadurch in Schwingung versetzt, deren Periodenzahl mit jener des Rotorstromes, also auch mit der Periodenzahl der Schlüpfung übereinstimmt.

Da die Gleichstromwickelung auf eine schmale, senkrecht zur Ruhelage des Stabes befindliche Gürtelzone beschränkt ist, so kommt sie nur dann zu starker Wirkung, wenn der Ausschlag sich einem rechten Winkel nähert. Bei kleineren Ausschlägen bleiben die Pole außerhalb des Bereiches der Gleichstromwickelung, und der Stab schwingt unter dem beinahe ausschließlichen Einflüsse der Wechselstromwickelung und daher synchron mit der Frequenz der Schlüpfung. Der Stab kann infolge seiner Massenträgheit und wechselnder Bewegung wohl periodisch Arbeit aufnehmen und abgeben, er kann aber, eben weil er frei schwingt, nicht dauernd Arbeit aufnehmen. Es muß also die Phase der durch das Vorbeistreichen der Pole vor den Windungen in diesen erregten E. M. K. gegen die Phase des Stromes um ¹Z₄ Periode verschoben sein. Bei wachsender Belastung des Motors wächst die Frequenz der Schlüpfung, und der Stab schwingt entsprechend schneller, aber mit kleinerer Amplitude; bei abnehmender Belastung des Motors schwingt der Stab langsamer, aber mit größerer Amplitude. Bei Leerlauf oder sehr kleiner Belastung des Motors kann der Ausschlag so weit anwachsen, daß die Pole in den Bereich der Gleichstromwickelung kommen, und diese verhindert dann, daß die schwingende Bewegung in eine drehende übergeht, was übrigens auch durch in der Gürtelzone angebrachte, in sich geschlossene Dämpferwickelungen verhindert werden kann. In normalem Betriebe kommt jedoch weder die Gleichstrom-, noch eine derartige Dämpferwickelung in Wirksamkeit, und der Stab schwingt frei unter dem alleinigen Einfluß des Wechselstromes. Nach einem bekannten Gesetz der Schwingungslehre ist die Geschwindigkeit beim Durchgang durch die Ruhelage ein Maximum, und es wird auch zu diesen Zeiten in der Wickelung der Scheitelwert der E. M. K. induziert. Da aber E. M. K. und Strom in Quadratur sein müssen, so ist die Stromstärke zu diesen Zeiten Null, und zu den Zeiten der größten Amplitude, wenn Umkehrung der Bewegung erfolgt, hat sie ihren Scheitelwert. Daß die durch die Schwingung dem Stromkreis aufgedrückte E. M. K. dem Strom um ¹/_i Periode voreilt, erhellt aus folgender Überlegung: Nach jedem Durchgang durch die Ruhelage muß der Stab an den Stromkreis Arbeit abgeben, und zwar den gleichen Betrag, den er vom Stromkreis vor dem Durchgang erhalten hat. Der Stromkreis empfängt also Arbeit während der Zeit, daß der Strom von Null auf seinen Scheitel wert anwächst und die E. M. K. von ihrem Scheitelwert auf Null herabsinkt. Da Arbeit empfangen wird, müssen Strom und E. M. K. das gleiche Vorzeichen haben. Betrachten wir beispielsweise den Strom am Ende des Ausschlages als positiv, so müssen wir auch die beim vorherigen Durchgang durch die Ruhelage induzierte E. M. K. als positiv ansehen. Der Durchgang findet aber ^x/₄ Periode früher statt als der Ausschlag. Mithin eilt die dem Stromkreis durch den Schwingungsvorgang aufgedrückte E. M. K. dem Strom um ¹J₄ Periode vor.

Es ist also die Bedingung zur Vorschiebung der Stromphase gegenüber der E. M. K. der Schlüpfung erfüllt, und wenn in jeden Rotor-

Stromkreis ein derartiger Apparat eingeschaltet wird, so wird dadurch auch die Phase sämtlicher Statorströme vorgeschoben. Der Vorschiebungswinkel kann bei richtiger Ausführung des Apparates genau jenen Wert erhalten, welcher nötig ist, um Strom und Spannung im Stator gleichphasig zu machen. Der Motor arbeitet dann mit einem Leistungsfaktor = i. Fig. ι. ist eine schematische Darstellung des

ίο Apparates nach vorliegender Erfindung, in folgendem »Vibrator« genannt. Rein konstruktive Einzelheiten sind nicht gezeichnet. R ist der Statorring, welcher die Wechselstromwickelung W und die Gleichst rom Wickelung G₁ enthält. M ist der in O gelagerte Magnet in seiner Ruhelage. G₂ ist seine Erregerwickelung, die mit G₁ in Reihe geschaltet sein mag. Die Klemmen der Gleichstromwickelung sind mit k k und jene der Wechselstromwickelung

P sind mit K K bezeichnet. Die Klemmen k k werden mit einer beliebigen Gleichstromquelle verbunden, wobei zwecks Regulierung der Erregung ein Rheostat oder ein anderer Regulierapparat in den Erregerstromkreis eingeschaltet werden kann. Von den Klemmen K K wird die eine mit der Bürste auf einem Schleifring des Rotors und die andere mit der entsprechenden Anschlußklemme des gewöhnlichen Anlassers verbunden. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, wie die drei Vibratoren bei Verwendung in Verbindung mit einem dreiphasig gewickelten Rotor geschaltet sind. Der Asynchronmotor ist mit m bezeichnet und seine Schleifringe mit sss. A ist ein Anlasser gewöhnlicher Bauart. VVV sind die drei Vibratoren, einer für jeden Rotorstromkreis. Q ist die Gleichstromquelle zur Erre- »gung der Vibratoren, und r ist ein Rheostat zur Regulierung der Erregung, die entweder

von Hand oder, wie in Fig. 2 angegeben, durch ein Solenoid erfolgen kann, das in eine der primären Zuleitungen des Motors m einge-

' schaltet ist. Die Schaltung ist derart, daß bei steigender Belastung des Motors der Kern des Solenoides in die Höhe gezogen und so der Vorschaltwiderstand des Rheostaten vermindert wird. Dadurch wird die Erregung der Vibratoren verstärkt, und die in die Rotorstromkreise eingeführte E. M. K. vergrößert.

D ist der Drehpunkt des Schalthebels und g ein- einstellbares Gegengewicht. Das Solenoid kann auch in einen der Rotorstromkreise gelegt werden. Bei Belastungsschwankungen innerhalb mäßiger Grenzen ist eine Nachregulierung der Erregung der Vibratoren entbehrlich, da auch ohne solche Nachregulierung die Vibratoren den Leistungsfaktor nahe der Einheit erhalten. Die Verwendung einer selbsttätigen Nachregulierung ist aber in solchen Fällen zweckmäßig, wo der Motor starken Überlastungen ausgesetzt ist. Würde man die Erregung ein für allemal so einstellen, daß auch bei starker Überlastung der Leistungsfaktor I erreicht wird, so würde bei schwacher Belastung die Stromphase übermäßig weit vorgeschoben werden und dadurch eine Voreilung des Statorstromes gegenüber der den Primärleitungen zugeführten E. M. K. eintreten, also der Leistungsfaktor wieder verschlechtert werden.

In dem Schaltschema (Fig. 2) ist ein dreipoliger Schalter 5 eingezeichnet. Dieser dient dazu, die Vibratoren beim Anlassen des Motors kurzzuschließen und so außer Betrieb zu setzen. Wenn der Motor auf Touren gekommen ist, wird der Schalter geöffnet, und die Vibratoren treten in Tätigkeit. Der Schalter kann auch während der Anlaßperiode offen bleiben, wenn das Anlassen unter kleiner Belastung stattfindet.

Eine mathematische Untersuchung des Schwingungsvorganges und auch der Versuch zeigen, daß die Geschwindigkeit, mit der der Magnet durch die Ruhelage schwingt, ungefähr direkt proportional ist dem Produkt aus Rotorstromstärke und dem gesamten im Vibrator durch die Gleichstromerregung erzeugten Kraftfluß, und daß diese Geschwindigkeit ungefähr umgekehrt proportional ist dem Produkt von Trägheitsmoment und Schlüpfungsfrequenz. Nun ist bei Asynchronmotoren bekanntlich das Verhältnis von Schlüpfungsfrequenz und Rotorstrom über ziemlich weite Belastungsgrenzen nahezu konstant, so daß angenähert die Geschwindigkeit der Schwingung bei Durchgang des Magneten durch die Ruhelage dem Kraftfluß direkt und dem Trägheitsmoment umgekehrt proportional ist. Die E. M. K. ist aber dem Produkt von Kraftfluß und Geschwindigkeit proportional; sie ist mithin gegeben durch das Produkt einer von den konstruktiven Einzelheiten des Vibrators abhängigen Konstanten, multipliziert mit dem Quadrat des Kraftflusses und dividiert durch das Trägheitsmoment. Bei konstanter Erregung ist die E. M. K. mithin auch bei verschiedener Belastung des Motors nahezu konstant. Sie kann auf bestimmte Werte eingestellt werden, entweder durch Änderung des Trägheitsmomentes, etwa durch Verwendung einer zusätzlichen einstellbaren Schwungmasse, oder bequemer, durch Änderung der Erregung. Wird weder die eine noch die andere Reguliermethode angewandt, so bleibt die eingeführte E. M. K. so ziemlich die gleiche bei kleiner und bei voller Belastung des Motors. Der Vorschiebungswinkel der Stromphase ist also kleiner bei größerer und größer bei kleinerer Belastung, wodurch die Wirkung erzielt wird, daß auch bei kleiner Belastung der Leistungsfaktor ziemlieh hoch bleibt. In dieser Beziehung besteht ein grundsätzlicher Unterschied zwischen der

vorliegenden Erfindung und denjenigen bisher bekannten Methoden zur Verbesserung des Leistungsfaktors, bei denen die eingeführte E. M. K. proportional der Rotorstromstärke ist. Da die E. M. K. der Schlüpfung auch der Rotorstromstärke proportional ist, so bleibt der Vorschiebungswinkel der Stromphase bei allen Belastungen konstant. Da aber der ursprüngliche Phasen Verzögerungswinkel im Motor selbst

ίο bei abnehmender Belastung größer und durch die Zusatzdynamo immer nur um den gleichen Betrag korrigiert wird, so weicht bei kleiner Belastung der Leistungsfaktor erheblich von I ab. Bei Verwendung von Vibratoren ist diese Abweichung kleiner, d. h. der Leistungsfaktor kann bis herab auf sehr kleine Belastungen ziemlich hoch gehalten werden, weil die Vergrößerung des Vorschiebungswinkels so ziemlich Schritt hält mit der ursprünglich im Motor selbst auftretenden Phasenverzögerung.

Der Ausschlag des schwingenden Magneten ist der Geschwindigkeit beim Durchgang durch die Ruhelage direkt und der Schlüpfungsfrequenz umgekehrt proportional. Bei Leerlauf des Motors ist aber die Schlüpfung sehr klein, und der entsprechende Ausschlagwinkel könnte 90 ° übersteigen. Dadurch würde aber der schwingende Magnet aus dem Takt kommen und der Vibrator unwirksam werden. Diese Gefahr wird vermieden durch die auf dem Stator angebrachte Erregerwickelung G₁. Wächst der Ausschlag bis auf nahezu 90 °, so kommt der Magnet unmittelbar unter den Einfluß dieser Wickelung, und eine Vergrößerung des Ausschlages bis zu dem Punkt des Außertrittfallens wird verhindert. Allerdings wird durch diese Begrenzung des Ausschlages auch der Vorschiebungswinkel verkleinert, so daß der Motor bei Leerlauf keinen hohen Leistungsfaktor haben kann. Immerhin wird durch die Verwendung von Vibratoren die primäre Leerlaufstromstärke erheblich vermindert. Die in Fig. 2 schematisch dargestellte automatische Regulierung der Erregung ist zweckmäßig bei

Motoren, die starken Überlastungen ausgesetzt sind. In diesem Falle ist die eingeführte

E. M. K. nicht konstant, sondern steigt mit der

. Belastung. Die Folge davon ist, daß nicht nur der Leistungsfaktor auch bei Überlastung hoch bleibt, sondern auch, daß die Grenze der Überlastbarkeit bedeutend gesteigert wird. Wird der Rotor des Asynchronmotors durch eine äußere Betriebskraft auf übersynchrone Geschwindigkeit gebracht, so wirkt, wie bekannt, die Maschine als Generator. Auch in diesem Falle bewirken die in die Rotorstromkreise geschalteten Vibratoren eine Verbesserung des Leistungsfaktors.

Claims (2)

Pate nt-An Sprüche:

1. Vorrichtung zur Verbesserung des Leistungsfaktors von Asynchronmaschinen durch Vibratoren, bei denen unter der dynamischen Wirkung des mit der Periodenzahl der Schlüpfung fließenden Wechselstromes ein permanentes Magnetfeld in Schwingung gleicher Periodenzahl versetzt wird und m seinerseits in der Wechselstromwickelung ™ eine elektromotorische Kraft induziert, welche infolge der Wechselwirkung zwischen Massenträgheit des Magneten und den auf ihn einwirkenden elektrodynamischen Kräften dem Strom um ungefähr eine viertel Periode voreilt, dadurch gekennzeichnet, daß der in jedem Rotorstromkreis eingeschaltete Vibrator mit einem an der Innenfläche genuteten Stator versehen ist, der in einer Achse mit einer Erregergleichstromwickelung und in der dazu senkrechten Achse mit einer in den Rotorstromkreis der Asynchronmaschine eingeschalteten Wechselstrom Wickelung versehen ist und dabei einen im Mittelpunkt des Stators gelagerten frei drehbaren, mit einer Erregergleichstromwickelung versehenen Stabmagneten besitzt. fl

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerstromstärke regelbar ist, zum Zweck, der in den sekundären Stromkreis der Asynchronmaschine eingeführten elektromotorischen Kraft immer genau jenen Wert zu zu geben, welcher zur Verbesserung des Leistungsfaktors, z. B. bei verschiedener Belastung, nötig ist.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.