DE255570C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT

Durch die Patentschrift 153730 ist es bekannt geworden, Mehrphasenkommutatormaschinen dadurch zu regeln, daß dem Anker eine regelbare Spannung aufgedrückt wird. Liegt diese Spannung etwa in Phase mit der im Anker durch Rotation erzeugten Spannung und ist,die Ständerspannung konstant, so ist die Abweichung der Drehzahl von der synchronen dem Betrage der dem Läufer aufgedrückten Spannung proportional und kehrt mit der Umkehrung dieser Spannung ihren Sinn, um. Dabei zeigt sich, daß die Überlastbarkeit der Maschine nicht nur in bezug auf die abgegebene Leistung, sondern auch in bezug auf das maximale Drehmoment im allgemeinen bei Übersynchronismus größer, bei Untersynchronismus kleiner wird als bei Synchronismus. Im Zusammenhang damit steht, daß der Punkt des günstigsten Wirkungsgrades

in der Regel im Übersynchronismus bei einem höheren, im Untersynchronismus bei einem niedrigeren Belastungspunkt liegt als im Synchronismus. Für viele Zwecke wird aber eine Maschine gewünscht, die auf allen Stufen gleiche Leistung oder gleiches maximales Drehmoment haben und .dabei auf allen Stufen mit möglichst gutem Wirkungsgrad und Leistungsfaktor arbeiten soll. Diese Bedingung ist mit der vorstehend beschriebenen Anordnung nur

*) Frühere Zusatzpatente: 175377,
230573, 23 ^64, 237439·

schwer zu erfüllen; denn im Ubersynchronismus rückt infolge der erhöhten Leerlaufverluste der Belastungspunkt, der den höchsten Wirkungsgrad ergibt, weit über das normale Drehmoment hinaus, während umgekehrt im Untersynchronismus im allgemeinen das normale Drehmoment in dem Bereich liegt, in welchem wegen der erhöhten Kupfer Verluste die Wirkungsgradlinie bereits abgefallen ist. Außerdem ist es wünschenswert, die Drehzahl möglichst weit über den Synchronismus hinaus zu steigern, um eine günstige Ausnutzung der Maschine zu erhalten. Diese Steigerung ist aber bei der vorbeschriebenen Anordnung nur in beschränktem Maße möglich, da durch die immer höher ansteigende Segmentspannung Schwierigkeiten bei der Kommutierung entstehen.

Die Erfindung beseitigt alle diese Übelstände gleichzeitig. Sie erreicht diesen Zweck dadurch, daß, wie in der Patentschrift 153730 gleichfalls angegeben ist, gleichzeitig mit der Läuferspannung auch die Ständerspannung geregelt wird, und zwar geschieht dies gemäß der Erfindung derart, daß der Kraftfluß der Maschine im Ubersynchronismus geschwächt, im Untersynchronismus verstärkt wird. Im Untersynchronismus wird durch diese Feldverstärkung die Überlastbarkeit der Maschine

[12, 186463, 207050, 212245, 223145, 224483, 225226,

erhöht. Gleichzeitig werden die Kupferverluste verringert, da für dasselbe Drehmoment ein geringerer Strom erforderlich ist. Das Maximum des Wirkungsgrades liegt also bei höherer Belastung als vorher. Umgekehrt werden im Übersynchronismus der Leerlaufverlust und der Leerlaufstrom durch die Schwächung des Kraftflusses verringert. Dadurch verschieben sich die Maxima des Wirkungsgrades und des Leistungsfaktors auf eine geringere Belastung als zuvor, und es kann leicht erreicht werden, daß sie bei normalem Drehmoment oder bei normaler Leistung eintreten. Andererseits ist auch bei derselben Tourenzahl die Segmentspannung geringer. Es ist möglich, die Geschwindigkeit beliebig hoch hinaufzutreiben, ohne mit der Segmentspannung einen Grenzwert, der durch die Rücksicht auf die Kommutierung gegeben ist, zu überschreiten.

Fig. ι zeigt beispielsweise eine dreiphasige Ausführungsform der Erfindung, wobei für Ständer und Läufer ein gemeinsamer Transformator in Sparschaltung verwendet ist. Die Läuferbürsten sind mit A, B₁C, die drei Phasen des Ständers mit S_a, S_b, S_c bezeichnet. Der Transformator t ist hier in Stern geschaltet, unS' es^smcl~seine bei L_a, L_b, L_c an das Netz angeschlossenen Wicklungen über den Verkettungspunkt hinaus verlängert. Dadurch wird es möglich, durch einfache Schaltung Untersynchronismus und Übersynchronismus zu erhalten. Beispielsweise sei die Anordnung so getroffen, daß sich beim Anlegen der Läuferbürsten an die Anschlüsse 1 und 2 Untersynchronismus, beim Anlegen an die Anschlüsse 4 und 5 Ubersynchronismus ergibt. Zur Regelung der Ständerspannung dienen die Anschlüsse I, II, III, IV und V. Für die unterste Geschwindigkeitsstufe werden die Anschlüsse I benutzt, für die oberste die Anschlüsse V. Die zugehörigen Schalter können gleichzeitig bzw. gemeinsam mit den Schaltern für den Anker bedient werden oder unabhängig von ihnen. Diese sowie die meisten folgenden Figuren zeigen der Übersichtlichkeit wegen nur die durch das Bezugszeichen a näher bezeichneten Anschlüsse und Schalter für die Phase, welche S_a und A speist. Die Anordnung in den anderen Phasen ist analog. Für die einzelnen Transformatoranzapfungen und für die zugehörigen Schalter ist im folgenden dieselbe Bezeichnung gewählt.

Man kann die Wicklungsverhältnisse des Ständers und des Läufers so wählen, daß die Beträge, um welche die Ständerspannung und die Läuferspannung jeweils zu ändern sind, gleich groß sind. Dann ist es möglich, beim Ständer und Läufer dieselben Wicklungsteile des Transformators zuzuschalten bzw. abzuschalten und dazu die nämlichen Schaltorgane zu verwenden. Derselbe Zweck kann bei festliegenden Wicklungsverhältnissen der Maschine durch Zuhilfenahme eines Transformators erreicht werden. Fig. 2 zeigt beispielweise eine Anordnung, bei welcher für Ständer und Läufer gemeinsame Schaltorgane verwendet sind. Jede Bürste ist an ein Ende einer Ständer- ■ phase und an die Schaltergruppe einer Läuferphase angeschlossen. Für die erste untersynchrone Geschwindigkeitsstufe werden die Schalter τ_α, z_b, i_c geschlossen. Dann liegt z. B. die erste Läuferphase an i_a, 3_Λ, die Ständerphase an x_a, L_a. Für die nächsthöhere Stufe werden die Schalter I_n, i_b, i_c wieder geöffnet und die Schalter 2_a, 2_b, 2_C geschlossen. Damit sind sowohl Ständer- als auch Läuferspannung beispielsweise der ersten Phase um den gleichen Betrag τ_α, 2_a verringert worden. Stufe 3 (Sternpunkt) gibt, da hierbei die dem Läufer aufgedrückten Spannungen gleich Null sind, Synchronismus. Von nun an muß die Läuferspannung wieder ansteigen, aber im umgekehrten Sinne, die Ständerspannung dagegen weiter abnehmen. Beides wird gleichzeitig erreicht, indem der Reihe nach um die Spannungsbeträge 3-4 und 4-5 weitergeschaltet wird.

Die Fig. 3 und 4 zeigen, wie man z. B. bei festliegenden Wicklungsverhältnissen in der Maschine dennoch mit der in Fig. 2 gezeigten Anordnung die jeweils gewünschten Verhältnisse einstellen kann. Bei Fig. 3 ist beispielsweise der Ständer nicht unmittelbar an das Netz L_a, L_b, L_c gelegt, sondern an geeignete Punkte des Regelungstransformators t; in Fig. 4 wird dagegen die Ankerspannung mittels eines weiteren Transformators t' umgeformt, welcher mit dem Ständer in gleicher Weise verbunden ist wie der Läufer bei Fig. 2.

Der Grundgedanke der Erfindung kann auch auf Maschinen ausgedehnt werden, bei denen zur Geschwindigkeitsregelung kein besonderer Transformator verwendet, sondern die Ständerwicklung selbst gleichzeitig als Regelungstransformator benutzt wird.

Fig. 5 zeigt beispielsweise eine dreiphasige Ausführungsform dieser Anordnung. Die drei Ständerwicklungen sind in einem Sternpunkt 3λ> 3i» 3c verkettet und über diesen Stern- no punkt hinaus verlängert. An der Ständerwicklung sind Anzapfungen für die Läuferregulierung angebracht, die z. B. bei der ersten Phase mit i_a, 2_a, 3,, 4_a, 5^ bezeichnet sind. Legt man z. B. die drei Bürsten entsprechend an 3_α, 3_έ, 3_C, so läuft der. Motor nahezu synchron, an x_a, J_bl i_c läuft er beispielsweise untersynchron und an 5_a, 5_έ, 5_t. übersynchron. Es läßt sich aber die Anordnung auch so treffen, daß die Verlängerung der Ständerwicklung über den Sternpunkt hinaus für Untersynchronismus, die andere Seite für

Obersynchronismus gilt, wenn dies in besonderen Fällen eine günstigere Ausnutzung der Wicklung ergeben sollte. Die Änderung des Kraftflusses wird dadurch bewirkt, daß die Netzleitungen L_a, L_b, L_c an verschiedene Anzapfungen der Ständerwicklung gelegt werden. Bei der ersten Phase sind diese Anzapfungen z. B. mit I_a, II_a, III.,, IV_a, V₁₃ bezeichnet. Bei konstanter Netzspannung, ist, wie leicht einzusehen ist, der Kraftfluß am stärksten, wenn das Netz an l_a, l_b, l_e, also an die geringste Windungszahl angeschlossen ist, am schwächsten, wenn es an V_a, V₄, V_c angeschlossen ist. Gemäß der Erfindung werden daher mit zunehmender Geschwindigkeit der Reihe nach die Anschlüsse I, II, III, IV und V verwendet. Dabei soll die Erfindung nicht auf den Fall beschränkt sein, daß bei jeder Umschaltung am Läufer auch gleichzeitig die Netzanschlüsse verlegt werden; in vielen Fällen genügt es, für mehrere Geschwindigkeitsstufen einen gemeinsamen Netzanschluß zu verwenden.

Auch für Maschinen mit Ständeranzapfungen kann man, wie vorbeschrieben, die Wicklungsverhältnisse so wählen, daß man für beide Regelungen gleiche Windungszahlen zu schalten hat. Dann ergibt sich auf Grund der Erfindung noch eine ganz besondere Vereinfachung der Schaltung. Man kann dann nämlieh sowohl die Anschlußpunkte des Läufers an dem Ständer als auch die des Netzes an dem Ständer unverändert lassen und braucht nur den Verkettungspunkt der Ständerphasen zu verlegen. Fig. 6 erläutert diesen Gedanken an einer dreiphasigen Ausführungsform. Das Netz L._v L_b, L_c ist dauernd an bestimmte Punkte der Ständerwicklung angeschlossen, z. B. an die äußeren Wicklungsenden, der Läufer ist dauernd an mittlere Punkte, beispielsweise 3_α, 3_έ, 3_C, angeschlossen. Für die Verkettung der Ständerwicklung sind an jeder Ständerphase eine Anzahl Anzapfungen x_a, 2_a . . ., x_b, 2_b. . ., x_c, 2_C . . . angebracht. Werden beispielsweise die Schalter x_a, x_b, i_c geschlossen, so wird dem Läufer eine Spannung aufgedrückt, die der Windungszahl zwischen i_a und 3_a entspricht. Der Kraftfluß des Motors ist bestimmt durch die Netzspannung und die zwischen L_a und τ_α (bzw. L_b und x_b, L_c und 1^.) liegende Windungszahl. Schließt man dagegen die Schalter 3_Λ, 3₄ und 3_C, so läuft die Maschine nahezu synchron, da dem Läufer keine Spannung aufgedrückt wird. Für den Kraftfluß ist jetzt die zwischen L₁ und 3_a (bzw. L_b und 3_Ä, L_c und 3_C) liegende Windungszahl bestimmend, und da diese gegen vorher vermehrt worden ist, ist der Kraftfluß schwächer geworden. Werden die Schalter ζ_α, 5b' 5c geschlossen, so wird der Kraftfluß des Motors weiter geschwächt. Gleichzeitig kehrt die Läuferspannung ihre Richtung um. Man wird die Anordnung nun nach der Erfindung so treffen, daß die Anschlüsse x_a, x_b, x_c, bei denen der Kraftfluß verstärkt wird, Untersynchronismus, die Anschlüsse 5_a, 5 _b, 5_C, bei denen er geschwächt wird, Ubersynchronismus ergeben.

Die Kompensation der Phasenverschiebung kann in bekannter Weise dadurch bewirkt werden, daß in den Ankerstromkreis pro y₀ Phase eine Spannung eingeschaltet wird, die in der Phase von der durch Rotation im Anker erzeugten Spannung abweicht. Die in der Phase um 90 ° von der Rotationsspannung abweichende Komponente der aufgedrückten Spannung wirkt kompensierend. Es ist nicht immer wünschenswert, diese Kompensationsspannung für alle Geschwindigkeitsstufen konstant zu halten. Vielmehr sollte man, um auf allen Stufen die günstigste Kompensation zu erhalten, diese Spannung für Ubersynchronismus allmählich abnehmen, für Untersynchronismus allmählich zunehmen lassen. Eine derartige Regelung der Kompensationsspannung würde aber im allgemeinen die Regelungsapparate derartig umfangreich machen, daß man sie aus wirtschaftlichen Rücksichten kaum ausführen kann. Die Erfindung gibt aber ein Mittel, diese Spannung selbsttätig zu regeln. Da die Spannung zwischen festen Punkten der Ständerwicklung bei allen Anordnungen zur Ausführung dieser Erfindung mit zunehmender Drehzahl abnimmt, wird der vorerwähnte Zweck dadurch erreicht, daß die Kompensationsspannung in einem Tran&formator erzeugt wird, dessen Primärwicklung an geeignete feste Punkte der Ständerwicklung angeschlossen wird. In. Fig. 7 ist dies an einem dreiphasigen. Ausführungsbeispiel erläutert. Die Primärwicklung des vor die Bürste A geschalteten Transformators t" ist beispielsweise an die Enden der Ständerphase S_b angelegt. Die drei für den Läufer erforderlichen Kompensationstransformatoren können selbstverständlich zu einem einzigen Drehstromtransformator vereinigt sein. Fig. 8 zeigt eine weitere Vereinfachung, bei welcher auch dieser Transformator gespart ist, indem die Kompensationsspule k unmittelbar auf den Ständer gelegt ist.

Die Phasenkompensation kann ohne besondere Kompensationswicklung dadurch erreicht werden, daß die Phasen der Trans formator-

wickkmgbzw. der Ständerwicklung nicnTTwie

"uBhch mit je*~eine"ffl"i£n-de""*"z"a-"emem Sternpunkt verkettet ""smclfscfndern" daß," "wie jfie Fig 9 bis 11 zeigen, je zwei mittleie Anzapfungen jeder Phase oder je eine Anzapfung und je em Ende in zyklischer Reihenfolge zu einem" Polygon verbunden sind. Durch Veremigung ^dieses Verfahrens "'mit dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ergeben

sich besonders einfache Schaltapparate. Wie vorher nach Fig. 6 der Sternpunkt des Systems verlegt wurde, so wird je±z±_die_Lage.-des. Polygons gegenüber der Ständerwicklung verändert., inclemTvon ~StuTe~zü~"Stufe andere Anzapfungen der Ständerwicklung zur Bildung des Polygons benutzt werden. Damit ist gleichzeitig ein weiteres Mittel gegeben, den Betrag der Kompensationsspannung für die

ίο verschiedenen Geschwindigkeitsstufen nach irgendeinem Gesetz zu ändern, ohne daß hierzu neue Kontaktorgane notwendig werden. Zu diesem Zwecke braucht man nur den Abstand der Ständeranzapfungen so zu wählen, daß die Kompensationsspannung den jeweils gewünschten Betrag erhält. Auch für die Umkehr der Drehrichtung bei kompensierten Maschinen ergibt die vorliegende Erfindung neue Vereinfachungen der Schaltung. Kompensierte Maschinen mit Geschwindigkeitsregelung mittels Ständeranzapfungen können nicht ohne weiteres dadurch umgekehrt werden, daß zwei Phasen der Netzleitung miteinander \'ertauscht werden. Es müssen vielmehr auch noch die ■ 25 Kompensationsspannungen umgeschaltet werden, weil infolge der Umkehrung des Drehfeldes aus phasenvoreilenden Spannungen phasennacheilende geworden sind. Bei der Kompensation mittels des in Fig.,Q... dargestellten WisMHSSSBoligons geschieht diese Umschaltung dadurch, daß die Phasen in umgekehrter zyklischer Folge verkettet werden. Dazu sind aber im allgemeinen besondere Schaltorgane erforderlich. Bei der Anordnung gemäß der Erfindung werden aber die Punkte der Wicklung, welche zwecks dieser Umschaltung zu Schaltorganen geführt werden müssen, bereits zur Regelung der Drehzahl verwendet. Fig. 12 erläutert die Schaltung einer solchen Maschine und den erforderlichen Schaltapparat an einem dreiphasigen Ausführungsbeispiel. Dabei ist beispielsweise eine Schaltwalze zur Steuerung der Maschine benutzt; die feststehenden Kontaktfinger sind wie die Punkte bezeichnet, an die sie angeschlossen sind. Die Kontaktfinger 5;,, S_c, L_b, L₀ dienen zum Einschalten und gleichzeitig zur Umschaltung der Maschine. Für die unterste Geschwindigkeit?stufe und Vorwärtslauf werden durch die Walze folgende Verbindungen hergestellt: τ_α mit 2_b, i_b mit 2_C, i_c mit 2_a. Für die nächsthöhere Stufe sind zu verbinden: 2_a mit 3_Ä, 2_b mit 3_C, 2_C mit 3_Λ. Für die andere Drehrichtung ist lediglich die zyklische Reihenfolge bei der Verkettung umzukehren, man hat also z. B. für die unterste Stufe zu verbinden: i_a mit 2_C, i_c mit 2_b, i_b mit 2_a. Fig. 10 zeigt schematisch die Verbindungen der Ständerwicklung und das Spannungsdiagramm für die zweite Stufe bei Vorwärtsgang, Fig. 11 für die erste Stufe bei Rückwärtsgang.

Claims (6)

Patent-An Sprüche:

1. Verfahren zur Regelung von Mehrphasenkommutatormaschinen durch AnIegen veränderlicher Spannungen an den Ständer und den Läufer nach Patent 153730, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftfluß der Maschine im Untersynchronismus verstärkt, im Übersynchronismus geschwächt wird, zum Zwecke, im Untersynchronismus eine bessere Überlastbarkeit bei höherem Wirkungsgrad und im Ubersynchronismus einerseits einen besseren Verlauf der Wirkungsgrad- und Leistungsfaktoren, andererseits eine Verringerung der Segmentspannung zu erzielen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Kraftflusses durch Anlegen der Netzan-Schlüsse an verschiedene Wicklungsteile des Ständers oder durch Verlegen seines Verkettungspunktes bewirkt wird, während die Läuferspannung von geeignet gewählten Punkten der Ständerwicklung oder eines Transformators abgezweigt wird.

3. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsverhältnisse des Regelungstransformators und des Motors so gewählt sind, daß die bei jeder Geschwindigkeitsänderung zur gleichzeitigen Erzielung einer bestimmten Änderung des Kraftflusses erforderliche Spannungsänderung an Ständer und Läufer gleich groß ist, und daß dieselben Wicklungsteile und Schaltorgane gleichzeitig die gewünschte Änderung des Kraftflusses und der Tourenzahl bewirken.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3 für Maschinen mit Anzapfungen an der Motorwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten des Läufers an feste Punkte der Ständerwicklung angeschlossen sind und lediglich der Verkettungspunkt der Ständerwicklung verstellbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 für Maschinen mit Phasenkompensation, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem Kraftfluß des Motors auch die von geeigneter Phase abgeleitete Kompensationsspannung in demselben Verhältnis geändert wird, indem sie entweder mittels eines Reduktionstransformators von festen Punkten der Ständerwicklung oder von einer auf dem Ständer selbst liegenden Kompensationswicklung abgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 für Maschinen mit Ständeranzapfungen und Phasenkompensation, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Phasen der Ständer-

wicklung in zyklischer Reihenfolge in einem Spannungspolygon verkettet sind, und daß zur Geschwindigkeitsregelung die Verkettungspunkte der Ständerwicldung verschoben werden, so daß die Anschlüsse des Läufers und des Netzes ihren Abstand vom ideellen Spannungsmittelpunkt des Verkettungspolygons ändern, zum Zwecke, ohne besondere Schaltorgane für die Kompensation letztere doch von Stufe zu Stufe beliebig ändern und beim Wechsel der Drehrichtung umschalten zu können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.