DE2750010A1 - Wechselstromspeiseschaltung fuer einen linearmotor - Google Patents

Description

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MBR/ANV-D-16

AGENCE NATIONALE DE VALORISATION DE LA

RECHERCHE A.N.V.A.R. 13, rue Madeleine Michelis, 92200 NEUILLY-sur-SEINE

Wechselstromspeiseschaltung für einen Linearmotor

Die Erfindung betrifft eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , die zur Speisung eines Linearmotors mit Einphasenwechselstrom dient.

Es sind Linearmotoren bekannt, deren Erregerwicklung (Induktor) aus einem Magnetkreis besteht, welcher eine Aufeinanderfolge von Spulen enthält, womit ein laufendes Magnetfeld erzeugt wird. Im allgemeinen sind die Wicklungen unterteilt in eine oder mehrere Spulen je Pol und Phase bei Speisung durch Dreiphasenstrom. Bei solchen Motoren sind der Leistungsfaktor und der erzielbare Wirkungsgrad nur mittelmäßig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung anzugeben, mit der es möglich ist, den Leistungsfaktor und den Wirkungsgrad eines solchen

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Motors infolge einer speziellen Speisung mit Einphasenwechselstrom beträchtlich zu erhöhen. Zu diesem Zweck wird eine Induktorschaltung für Einphasenwechselstromspeisung bei einem Linearmotor gewählt, dessen Wicklung eine dreiphasige Spulenwicklung ist, bei der je Pol und Phase eine oder mehrere Spulen vorhanden sind und diese Spulen in der Reihenfolge der Phasen, sich stets wiederholend, aufeinanderfolgen, d.h. in der Reihenfolge der ersten, zweiten, dritten Phase und dann wieder der ersten, zweiten und dritten usw., die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Spulen jeder Phase in Reihe geschaltet sind zu der Wicklung einer Phase und die drei Phasenwicklungen im Dreieck geschaltet sind, daß an die Klemmen der die in Bewegungsrichtung des laufenden Magnetfeldes erste Polspule enthaltenden ersten Phasenwicklung die Wechselstromquelle angeschlossen ist und daß wenigstens ein Kondensator derjenigen Phasenwicklung parallel geschaltet ist, die die auf die erste Polspule folgende Polspule enthält.

Das Parallelschalten des Kondensators zu der Phasenwicklung, die die auf die erste Polspule in Bewegungsrichtung folgende Polspule enthält, dient dazu, den Anteil des vorwärtslaufenden Feldes gegenüber dem Anteil des rückwärtslaufenden Feldes zu vergrößern, welcher in Linearmotoren wegen der Randeffekte immer vorhanden ist. Dies führt dazu, daß die einphasige Speisung gemäß der Erfindung eine beträchtliche Leistungsfaktor- und Wirkungsgradverbesserung des Linearmotors ergibt gegenüber einer Speisung des Motors mit Dreiphasenstrom.

Anhand eines Ausfuhrungsbeispiels wird die Erfindung nun in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

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Figur 1: Ein Schaltschema der Motorwicklung und ihrer Schaltung in Verbindung mit der Wicklungsanordnung im Motor;

Figur 2: das elektrische Ersatzschaltbild der geschalteten Wicklung;

Figur 3: ein die Abhängigkeit des Leistungsfaktors und des Wirkungsgrades von der Geschwindigkeit des Motors zeigendes Diagramm; und

Figur 4: ein Diagramm, das die Veränderung der vom Motor abgegebenen Leistung als Funktion der Geschwindigkeit bei Speisung mit Einphasenwechselstrom in der erfindungsgemäßen Weise zeigt.

Figur 1 zeigt ein elektrisches Schaltschema der Wicklung eines Linearmotors, worin erkennbar ist, daß der Motor eine Zahl von N-Polen hat, die mit A, B ... N bezeichnet sind. Jeder Pol enthält drei Teilspulen oder ein mehrfaches von drei Spulen je nachdem, ob eine oder mehrere Spulen pro Pol und Phase vorhanden sind. Der Pol A hat also drei Spulen 1a, 2a, 3a, der Pol B drei Spulen 1b, 2b, 3b usw. bis zum Pol N, in dem die Spulen 1n, 2n und 3n enthalten sind. Die Spulen jeder Phase sind in Reihe geschaltet und bilden eine Phasenwicklung. Man sieht also in der Figur 1, daß die Spulen 1a, 1b .... 1n in Reihe geschaltet sind und die erste Phasenwicklung 1 bilden, während die Spulen 2a, 2b ... 2n in Reihe geschaltet sind und die zweite Phasenwicklung 2 bilden und schließlich die Spulen 3a, 3b ... 3n zur dritten Phasenwicklung 3 in Reihe geschaltet sind.

Wie deutlicher aus der Figur 2 erkennbar, sind die drei Phasenwicklungen 1, 2 und 3 im Dreieck geschaltet.

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Nach einem Merkmal der Erfindung ist nun die erste Phasenwicklung 1, d.h. diejenige, in der die in der Folge der Spulen an erster Stelle liegende Spule enthalten ist, gesehen in Richtung der Feldbewegungsrichtung, an die Klemmen 4,5 einer Einphasenwechselstromquelle angeschlossen. Die Eckpunkte 12 und 31 des Schaltungsdreiecks also, das von den Wicklungen 1, 2 und 3 gebildet wird, die zwischen den Teilwicklungen 1 und 2 einerseits und den Teilwicklungen 3 und 1 andererseits liegen, sind also mit den Klemmen 4 und 5 verbunden.

Nach einem weiteren Merkmal ist wenigstens ein Kondensator zur Teilwicklung 2, in der die zweite 2a, auf die erste Teilspule 1a folgende Teilspule enthalten ist, gesehen in Laufrichtung des Feldes, parallelgeschaltet. Ein solcher Kondensator 6 liegt in den Figuren 1 und 2 zwischen den Dreieckpunkten 12 und 23, d.h. parallel zur zweiten Wicklung 2. Figur 2 zeigt noch einen zweiten Kondensator 7, der zum ersten Kondensator 6 parallel liegt und mit Hilfe eines Schalters 8 aus später noch zu erläuternden Gründen zu- und abschaltbar ist.

Die Speisungsquelle könnte statt wie in den Figuren 1 und 2 an die Klemmen der ersten Teilwicklung 1 auch an die Klemmen der dritten Teilwicklung 3 gelegt sein, d.h. zwischen die Dreieckspunkte23 und 31. In dem Fall erhielte man eine Laufrichtung des Peldes entgegengesetzt zur Laufrichtung des Feldes, wenn die Schaltung in der dargestellten Weise ausgeführt wird.

Figuren 3 und 4 zeigen praktische Ergebnisse von einem Linearmotor, der einmal mit Dreiphasenwechselstrom und einmal mit Einphasenwechselstrom gespeist worden ist und im letzteren Fall mit zwei verschiedenen Werten des Kondensators

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6. Die durchgezogenen Linien zeigen die Kurven bei Einphasenspeisung mit einem Kondensator 6 von verhältnismäßig kleiner Kapazität (5,93 mP z.B.), die gestrichelten Linien sind das Ergebnis bei Einphasenspeisung mit einem Kondensator 6 von größerer Kapazität (z.B. 15 mi¹), und die strichpunktierten Kurven zeigen das Ergebnis bei Speisung des Motors in klassischer Weise mit Drehstrom.

In der Figur 3 sind drei Kurven a.,a_2>a^ dargestellt, die die Veränderung des Leistungsfaktors cos L darstellen und zwar bei dreiphasiger Speisung, bei einer einphasigen Speisung mit einem kleinen Kondensator und einer einphasigen Speisung mit einem größeren Kondensator. Man sieht, daß bei gewöhnlicher Fahrgeschwindigkeit, die in der Größenordnung von 50 m/s liegt, die Leistungsfaktoren in den beiden Fällen der einphasigen Speisung sehr nahe an den Wert 1 herankommen, während der Wert bei Dreiphasenspeisung nur in der Größenordnung von 0,7 liegt. Die Kurven b^,b2»b^ in der Figur 3 zeigen die Abhängigkeit des Wirkungsgrades Ip des Motors von der Geschwindigkeit. Bei Verwendung eines Kondensators von geringerer Kapazität (z.B. 5,93 mF) er- · reicht der Wirkungsgrad nahezu 0,8 bei einer Geschwindigkeit, die nahe der optimalen Geschwindigkeit von 50 m/s liegt.

Das Diagramm der Figur 4 zeigt die Abhängigkeit des Schubs P, ausgedrückt in daN, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit V in Meter pro Sekunde für gleiche Spannungen. Daraus wird deutlich, daß bei niedriger Geschwindigkeit der Motor bei Einphasenspeisung und einem kleinen Kondensator 6 (5,93 mF beispielsweise) nur eine schwache Kraft (Kurve Cp) abgibt, die unterhalb derjenigen bei Dreiphasenspeisung (Kurve c^) liegt, die wieder tiefer liegt als die Kraft, welche bei Einphasenspeisung mit einem Kondensator

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6 von großer Kapazität (15 mP beispielsweise) erzielt wird, was mit der Kurve C₅ dargestellt ist. Im Gegensatz dazu zeigt sich bei Geschwindigkeiten im Bereich von 50 m/s, daß die einphasige Speisung mit kleinem Kondensator eine größere Schubkraft liefert als die Fälle von dreiphasiger Speisung (cJ und einphasiger Speisung mit großem Kondensator, (cj. In der Nähe dieses Wertes ergibt die Einphasenspeisung mit einem kleineren Kondensator auch den günstigeren Wirkungsgrad, was aus der Figur 3 ersichtlich ist.

Es ist somit besonders vorteilhaft, die Einphasenspeisung in der erfindungsgemäßen Weise einzusetzen und dabei den Kapazitätswert des Kondensators 6, der zum zweiten Wicklungsabschnitt 2 parallelgeschaltet ist, zu verändern. Dies ist der Grund, weshalb dem Kondensator 6 ein weiterer Zusatzkondensator 7 parallelgeschaltet ist, der wahlweise nach Bedarf hinzugeschaltet oder abgeschaltet wird, je nachdem, in welchem Geschwindigkeitsbereich gefahren wird. Damit erhält man bei allen Betriebsbedingungen die maximal mögliche Schubkraft und schließlich auch den günstigsten Wirkungsgrad über den ganzen Geschwindigkeitsbereich·

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß der Induktor des Linearmotors eine Anzahl N Pole hat und in jedem Pol drei Spulen oder ein mehrfaches von drei Spulen untergebracht sind. Diese Anordnung soll jedoch die Erfindung nicht einschränken, die sich auch auf den Fall anwenden läßt, daß der letzte Pol der Reihe (Pol N in Figur 1) unvollständig ist und nur eine oder zwei Spulen enthält. Wenn man z.B. die Wirkungeweise des Motors bei einer Geschwindigkeit von 45 m/s betrachtet, dann ergibt sich als Wirkleistung aus den Größen des Diagramms der Figur 4 als Produkt von Geschwindigkeit und Schubkraft 45 x 3,5 =

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157 kW. Betrachtet man dann das Diagramm der Figur 3, dann entnimmt man bei 45 m/s Fahrgeschwindigkeit das Produkt aus Wirkungsgrad und Leistungsfaktor des Motors η χ cos la bei Einphasenspeisung (Kurve bp) zu 0,68. Daraus läßt sich eine zugeführte Scheinleistung von 2.31 kVA errechnen. Wenn man unter den gleichen Bedingungen den Motor dreiphasig speist, ist das Produkt yx cos (? für dieselbe Geschwindigkeit nur 0,55, so daß man eine elektrische Scheinleistung von 286 kVA zuführen muß. Man erkennt daraus die wirtschaftliche Bedeutung der Erfindung im Hinblick auf den Verbrauch an elektrischer Energie.

Geht man auf einen Geschwindigkeitswert des Motors von 48 m/s über, wo bei Einphasenspeisung der maximale Wirkungsgrad (0,8 in der Kurve bp) auftritt, dann ist dort die abgegebene Wirkleistung 3,5 x 48 = 168 kW, während die Verlustleistung 42 kW beträgt und die Größe der installierten Scheinleistung 222 kVA ist. Wenn man dagegen bei derselben Geschwindigkeit den Motor dreiphasig speist, wird die abgegebene Wirkleistung 3,15 x 48 = 151 kW. Bei einem Wirkungsgrad von 0,71 ist die Verlustleistung dann 62 kW, und es muß eine Scheinleistung von 296 kVA installiert sein.

Die vorangehenden Berechnungsbeispiele zeigen die beträchtliche wirtschaftliche Bedeutung der einphasigen Speisung gemäß der Erfindung hinsichtlich des Energieverbrauchs .

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Leerseite

Claims (3)

1. Patentansprüche

   V 1. JWechselstromspeiseschaltung für einen Linearmotor, dessen Erregerwicklung eine dreiphasige Spulenwicklung ist, bei der je Pol und Phase eine oder mehrere Spulen vorhanden sind und diese Spulen in der Reihenfolge der Phasen, sich stets wiederholend, aufeinanderfolgen, wobei der letzte Pol evtl. unvollständig ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Spulen(1a, 1b... 1n; 2a,2b ...2n; 3a, 3b... 3n) jeder Phase zur Bildung der Wicklung (1,2,3) der betreffenden Phase in Reihe geschaltet sind, daß die drei Phasenwicklungen (1,2,3) im Dreieck geschaltet sind, daß die Phasenwicklung (1) ,welche die in Bewegungsrichtung des laufenden Magnetfeldes erste Polspule (1a) enthält, an die Klemmen (4,5) einer Einphasenwechselstromquelle angeschlossen ist, und daß wenigstens ein Kondensator (6) zu derjenigen Phasenwicklung (2) parallelgeschaltet ist, die die auf die erste Polspule (1a) folgende Polspule (2a) enthält.
2. 2.) Schaltung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Kondensator (6) und der zweiten Phasenwicklung (2) wenigstens ein Zusatzkondensator (7) wahlweise mittels eines Schalters (8) parallelschaltbar ist.
3. 3.) Schaltung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet , daß der letzte Pol (N) nur eine oder zwei Polspulen enthält.

   809820/0848 ^OR/QINA<-