DE264673C

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Publication number: DE264673C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 264673 KLASSE 21 d. GRUPPE

Verfahren zur Tourenregulierung von Induktionsmotoren. Patentiert im Deutschen Reiche vom 24. Juli 1910 ab.

Bei den bis jetzt bekannt gewordenen Methoden zur Tourenregulierung von Induktionsmotoren mit Hilfe von Frequenzwandlern mußte der Frequenzwandler mit einer veränderlichen Tourenzahl, entsprechend dem Schlupfe des Rotors, angetrieben werden. Die Schlupfenergie wurde direkt an das Netz abgegeben. Hierbei war es aber notwendig, den Frequenzwandler selbst von einem Motor mit

ίο regelbarer Umdrehungszahl zu betreiben und so wandelte sich die Aufgabe der Regelung des Hauptmotors in die neue Aufgabe der Regelung des Hilfsmotors für den Frequenzwandler. Diese Regelung erfordert aber wieder komplizierte Einrichtungen, wie z. B. die Ausbildung des Hilfsmotors als Kollektormotor, die Verwendung von regelbaren Transformatoren u. dgl. mehr, und es ergeben sich hierbei alle die bekannten Nachteile, die mit der Regelung von Kollektormotoren an sich verbunden sind.

Nun ist zwar durch das Patent 161533 eine Regelungsmethode bekannt geworden, bei der ein mit dem asynchronen Hauptmotor "direkt gekuppelter Synchronmotor über einen konstant angetriebenen Frequenzwandler mit dem Hauptmotor in Kaskade geschaltet ist. Dort ist der Frequenzwandler aber ebenfalls eine Asynchronmaschine, und daher ist eine Tourenregelung durch Änderung der Erregung der Sychronmaschine nur möglich, wenn die Erregung selbst als Funktion der Tourenzahl auftritt. Eine Einstellung der Tourenzahl durch Einstellung der Erregung auf einen konstant bleibenden Wert ist dabei unmöglich, es muß vielmehr, um eine Stabilität des Betriebes zu erzielen, die Erregung der Synchronmaschine eine Funktion der Tourenzahl, z. B. dieser proportional, sein. Diese Anordnung erfordert aber gerade aus diesem Grunde äußerst komplizierte Einrichtungen, welche ihre praktische Verwendbarkeit in Frage stellen. Es ist nun Gegenstand vorliegender Erfindung, ebenfalls * ein Verfahren zur Tourenregelung eines Induktionsmotors, welcher mit einer mechanisch oder elektrisch gekuppelten Synchronmaschine über einen Frequenzwandler in Kaskadenschaltung verbunden ist, wobei aber der Frequenzwandler gemäß der Erfindung nicht nach Art einer gewöhnlichen Asynchronmaschine, sondern nach Art eines Kollektor-Frequenzwandlers ausgebildet ist. Nach diesem Verfahren wird der Kollektor-Frequenzwandler bei allen Tourenzahlen des Hauptmotors mit einer konstanten Tourenzahl, und zwar synchron mit der Frequenz des primären Netzes, angetrieben, wobei die Regelung der Tourenzahl des Hauptmotors durch Regelung der Erregung der Synchronmaschine erfolgt. Ersetzt man in dieser Weise den Asynchron(maschinen)-Frequenzwandler durch den Kollektor(maschinen)-Frequenzwandler, dann ist es nicht mehr notwendig, daß zur Erzielung eines stabilen Betriebes die Erregung der Synchronmaschine eine Funktion der Geschwindigkeit ist, und man kann eine beliebige Tourenzahl des Aggre-,

gates durch Einstellung der Erregung der Synchronmaschine auf einen konstant bleibenden Wert einstellen.

Beiliegende Zeichnung gibt ein Beispiel des Verfahrens.

In Fig. ι stellt α den asynchronen Hauptmotor dar, an dessen Schleifringen der Kollektor des Frequenzwandlers f liegt. Die Schleifringe des Frequenzumformers sind mit

ίο der Wicklung der synchronen Maschine s₂ direkt verbunden, welche mit dem Hauptmotor α direkt gekuppelt ist. Der Frequenzwandler f wird durch einen kleinen synchronen Motor s¹, der direkt am Netze liegt, angetrieben. Die Erregerwicklungen der beiden synchronen Maschinen werden durch die Gleichstrom-Erregermaschine e gespeist, die

. ihrerseits durch den Hilfsmotor h angetrieben wird. Zur richtigen Wirkungsweise der ganzen Anordnung ist es notwendig, daß die Schleifringperiodenzahl des Hauptmotors = der Kollektorfrequenz des Frequenzwandlers f ist. Diese Bedingung wird durch die angegebene Schaltung immer erfüllt. Bezeichnen wir mit v_s die Periodenzahl der synchronen Maschine S₂, mit V₁ die Periodenzahl des primären Netzes, mit V₂ die Schlupfperiodenzahl des Hauptmotors, so gilt die Gleichung

Da der Frequenzwandler synchron mit der Tourenzahl läuft, die der Periodenzahl des Netzes entspricht, und seine Schleifringperiodenzahl v_s, seine Kollektorperiodenzahl z. B. Vf ist, so gilt für ihn die Gleichung

Vf = V₁-V₁.

Aus diesen beiden Gleichungen folgt,

^{Vz v}f'

d. h. die Bedingung für die richtige Periodenzahl ist durch die Anordnung immer erfüllt. Die Einstellung der Tourenzahl erfolgt dadurch, daß man die Erregung der Maschine S₂ reguliert. Dadurch wird die Spannung an den Schleifringen des Frequenzwandlers und damit auch die E. M. K., welche dem Rotor des Motors aufgedrückt wird, verändert. Um nun gleichzeitig auf Phasenkompensation einstellen zu können, muß die Möglichkeit vorhanden sein, auch die vektorielle Richtung der aufgedrückten E. M. K. zu verändern. Dieses kann auf verschiedene Weise geschehen. So kann man durch die Verstellung der Bürsten des Frequenzwandlers der aufgedrückten E. M. K. jede beliebige Richtung geben. Ein anderes Verfahren besteht darin, daß die Kupplung zwischen dem Hauptmotor a und der synchronen Maschine S₂ verstellbar gemacht wird, wodurch es möglich ist, die E. M. K. der synchronen Maschine eine beliebige zeitliche Verschiebung gegenüber der Spannung des Netzes zu geben. Ebenso kann man zwischen den Frequenzwandler f und die Maschine S₁ eine verstellbare Kupplung legen. Zu dem gleichen Zwecke kann man auch die Statoren der Maschinen S₂ oder S₁ mechanisch verstellen. Die Regulierung der Erregung der Maschine S₁ gibt ebenfalls ein Mittel, die Phasenkompensation richtig einzustellen; durch Veränderung dieser Erregung ändert sich die Verschiebung zwischen der Gegen-E. M. K. der Maschine S₁ und der Netzspannung. Damit ändert sich auch ferner die Stellung des Magnetrades der Maschine S₁ gegenüber dem primären Drehfeld; dieses ist aber gleichbedeutend mit einer Verschiebung der Anschlußpunkte der Schleifringe gegenüber den Bürsten. Eine weitere Methode zur Regulierung der Phasenverschiebung besteht darin, daß man die Maschine s₂ mit einer verteilten Erregerwicklung versieht, welche in zwei aufeinander senkrecht stehenden Achsen gespeist werden kann. Durch entsprechende Regulierung der Ströme der beiden Achsen kann man dem Felde jede beliebige Größe und Richtung geben und dadurch auch die Klemmspannung an den Schleifringen des Induktionsmotors nach Größe und Richtung beliebig einstellen.

Die ganze Anordnung kann auch mit Vorteil für Puffermaschinen verschiedener Art verwendet werden, indem der Hauptmotor mit einem Schwungrad gekuppelt wird und die Regulierung entweder von Strom und Spannung des Netzes oder des Hauptmotors selbst veranlaßt wird. Die Regulierung der Erregung der Maschine s₂ erfolgt dann automatisch durch entsprechende Relais. Führt man die Maschine mit zwei Achsen in der Erregerwicklung aus, so kann man durch Verwendung - zweier Relais, von denen das eine auf Wattstrom, das andere auf wattlosen Strom anspricht, außer der Konstanthaltung der Leistung auch eine automatische Phasenkompensation erreichen.

Das beschriebene Verfahren gestattet es, den Hauptmotor stetig von Untersynchronismus über den synchronen Punkt auf Ubersynchronismus zu bringen, indem im synchronen no Punkt der Frequenzwandler Gleichstrom abgibt.

In dem Diagramm der Fig. 2 sind die Spannungen als Funktion der Geschwindigkeit des Aggregates aufgetragen. Es bedeutet

E,- die Spannung an den Schleifringen des asynchronen Hauptmotors,

E'_s die Spannung an den Klemmen der Synchronmaschine,

Ef die Spannung an den Schleifringen bzw. am Kollektor des Kollektor-Frequenzwandlers, η₀ die synchrone Tourenzahl des Hau.ptmotors, n_x die Tourenzahl des Aggregates.

Claims

Die Schleifringspannung E,- ist ein Maximum bei Stillstand des Aggregates. Sie fällt nach einer Geraden mit steigender Tourenzahl ab und erreicht den Wert ο bei der Tourenzahl n₀. Die Spannung an den Klemmen der Synchronmaschine E₀ ist = ο bei Stillstand des Aggregates. Sie steigt mit wachsender Tourenzahl nach einer Geraden, deren Neigung von der Stärke der Erregung der Sychromaschine abhängt. Je nach der Feldstärke der Synchronmaschine erhält man als Klemmenspannung die Gerade E_s oder E/ oder E_s". Denkt man sich nun die Spannung E_s den Schleifringen (bzw. dem Kollektor) des mit konstanter (synchroner) Geschwindigkeit angetriebenen Kollektor-Frequenzwandlers zugeführt, dann herrscht die gleiche Spannung auch an dem Kollektor (bzw. den Schleifringen) dieser Zwischenmaschine. Ist also Ef die Freqenzwandlerspannung, so ist stets Ef = E_s. Die Spannung Ef wird nun aber den Schleifringen des Hauptmotors zugeführt, und es zeigt sich, daß es nur jeweils eine einzige Tourenzahl des Aggregates gibt, bei der sich E,- und Ef das Gleichgewicht halten. Diese Tourenzahl n_x ergibt sich als Abszisse des Schnittpunktes der Geraden E₁- und Ff. Stellt man die Erregung der Synchronmaschine auf einen anderen Wert ein, dann geht die Gerade E_x in E,/ (oder in E_s") über, und die Tourenzahl des Aggregates nimmt entsprechend dem neuen Schnittpunkte den Wert n_x (oder n_x") an. Für die Erreichung einer bestimmten Tourenzahl genügt also jedesmal eine einmalige Einstellung der Feldstärke der Synchronmaschine auf einen konstant bleibenden Wert.

Paten τ-Ansprüche:

i. Verfahren zur Tourenregulierung von Induktionsmotoren, mit denen eine Synchronmaschine mechanisch gekuppelt und über eine synchron mit der Periodenzahl des Netzes angetriebene Zwischenmaschine in Kaskade geschaltet ist, wobei die Regelung der Tourenzahl durch Änderung der Erregung der Synchronmaschine erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenmaschine ein Kollektor-Frequ en zwandler verwendet wird, zum Zwecke die Regelung der Tourenzahl lediglich durch Einstellen der Erregung der Synchronmaschine auf einen für die Erreichung einer bestimmten Tourenzahl konstant bleibenden Wert zu erzielen.
2. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwandler durch einen synchronen Motor angetrieben wird, welcher vom primären Netze gespeist wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Phasenkompensation die Bürsten des Frequenzwandlers verstellt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Phasenkompensation die Achsen des Hauptinduktionsmotors und des mit ihm gekuppelten synchronen Motors oder die Achsen des Frequenzwandlers und seines Antriebsmotors auf mechanischem Wege gegeneinander verstellt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Veränderung der Erregung des Antriebsmotors des Frequenzwandlers die Regulierung der Phasenverschiebung erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Statoren der synchronen Maschinen gedreht werden, um auf Phasenverschiebung einzustellen.
7. Verfahren nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Hauptmotor gekuppelte synchrone Maschine zwei zueinander senkrechte Erregerachsen besitzt, mit Hilfe deren Größe und Richtung des Feldes verändert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß automatische Vorrichtungen zur Regulierung der Tourenzahl und Phasenverschiebung benutzt werden, die entweder durch Ströme und Spannungen des Netzes oder des Hauptmotors beeinflußt werden.
9. Verfahren ' nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung als Ausgleichmaschine für Belastungsschwankungen benutzt wird, wobei der Hauptmotor mit einem Schwungrad gekuppelt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.