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Die Erfindung betrifft eine Wechselstromspeiseschaltung für einen Linearmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind Linearmotoren bekannt, bei denen je Pol und Phase eine oder mehrere Spulen vorhanden sind, die Spulen in der Reihenfolge der Phasen, sich stets wiederholend, aufeinanderfolgen und die Spulen jeder Phase zur Bildung der Wicklung der betreffenden Phase in Reihe geschaltet sind (Katalog der Firma DEMAG CP 338 L 351 KD/1 75/5T "Linearmotoren", Seiten 1-11). Die Wicklungen der be -kannten Linearmotoren dieser Art wurden durch Dreiphasenstrom gespeist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wechselstromspeiseschaltung für einen Linearmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, daß sich ein höherer Leistungsfaktor und mindestens in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich die Möglichkeit zur Verbesserung des Wirkungsgrades ergeben.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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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 gegenüber einer Speisung des Motors mit Dreiphasenstrom ermöglicht.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nun in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt
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Fig. 1: Ein Schaltschema der Motorwicklung und ihrer Schaltung in Verbindung mit der Wicklungsanordnung im Motor;
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Fig. 2: das elektrische Ersatzschaltbild der geschalteten Wicklung;
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Fig. 3: ein die Abhängigkeit des Leistungsfaktors und des Wirkungsgrades von der Geschwindigkeit des Motors zeigendes Diagramm; und
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Fig. 4: ein Diagramm, das die Veränderung der vom Motor abgegebenen Leistung als Funktion der Geschwindigkeit bei Speisung mit Einphasenwechselstrom in der erfindungsgemäßen Weise zeigt.
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Fig. 1 zeigt ein elektrisches Schaltschema der Wicklung eines Linearmotors, worin erkennbar ist, daß der Motor eine Anzahl N von Polen hat, die mit A, B . . . N bezeichnet sind. Jeder Pol enthält drei Polspulen oder ein mehrfaches von drei Polspulen je nachdem, ob eine oder mehrere Spulen pro Pol und Phase vorhanden sind. Der Pol A hat also drei Polspulen (Spulen 1 a, 2 a, 3 a), der Pol B drei Spulen 1 b, 2 b, 3 b usw. bis zum Pol N, in dem die Spulen 1 n, 2 n und 3 n enthalten sind. Die Spulen jeder Phase sind in Reihe geschaltet und bilden eine Phasenwicklung. Man sieht also in der Fig. 1, daß die Spulen 1 a, 1 b . . . 1 n in Reihe geschaltet sind und die erste Phasenwicklung 1 bilden, während die Spulen 2 a, 2 b . . . 2 n in Reihe geschaltet sind und die zweite Phasenwicklung 2 bilden und schließlich die Spulen 3 a, 3 b . . . 3 n zur Bildung der dritten Phasenwicklung 3 in Reihe geschaltet sind.
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Wie deutlicher aus der Fig. 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, das von den Phasenwicklungen 1, 2 und 3 gebildet wird, die zwischen den Phasenwicklungen 1 und 2 einerseits und den Phasenwicklungen 3 und 1 andererseits liegen, sind also mit den Klemmen 4 und 5 verbunden.
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Nach einem weiteren Merkmal ist wenigstens ein Kondensator zur Phasenwicklung 2, in der die zweite, auf die erste Teilspule 1 a folgende Teilspule 2 a enthalten ist, gesehen in Laufrichtung des Feldes, parallelgeschaltet. Ein solcher Kondensator 6 liegt in den Fig. 1 und 2 zwischen den Eckpunkten 12 und 23, d. h. parallel zur zweiten Phasenwicklung 2. Fig. 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.
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Die Speisungsquelle könnte statt wie in den Fig. 1 und 2 an die Klemmen der ersten Teilwicklung 1 auch an die Klemmen der dritten Teilwicklung 3 gelegt sein, d. h. zwischen die Eckpunkte 23 und 31. In dem Fall erhielte man eine Laufrichtung des Feldes entgegengesetzt zur Laufrichtung des dargestellten Beispiels.
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Fig. 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 6. Die durchgezogenen Linien zeigen die Kurven bei Einphasenspeisung mit einem Kondensator 6 von verhältnismäßig kleiner Kapazität (5,93 mF z. B.), die gestrichelten Linien sind das Ergebnis bei Einphasenspeisung mit einem Kondensator 6 von größerer Kapazität (z. B. 15 mF), und die strichpunktierten Kurven zeigen das Ergebnis bei Speisung des Motors in klassischer Weise mit Drehstrom.
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In der Fig. 3 sind drei Kurven a 1, a 2, a 3 dargestellt, die die Veränderung des Leistungsfaktors cos φ 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 1, b 2, b 3 in der Fig. 3 zeigen die Abhängigkeit des Wirkungsgrades η des Motors von der Geschwindigkeit. Bei Verwendung eines Kondensators von geringerer Kapazität (z. B. 5,93 mF) erreicht der Wirkungsgrad nahzu 0,8 bei einer Geschwindigkeit, die nahe der optimalen Geschwindigkeit von 50 m/s liegt.
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Das Diagramm der Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit des Schubs P, ausgedrückt in daN, 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 Konden -sator 6 (5,93 mF beispielsweise) nur eine schwache Kraft (Kurve c2) abgibt, die unterhalb derjenigen bei Dreiphasenspeisung (Kurve c1) liegt, die wieder tiefer liegt als die Kraft, welche bei Einphasenspeisung mit einem Kondensator 6 von großer Kapazität (15 mF beispielsweise) erzielt wird, was mit der Kurve c 3 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 (c&sub1;) und einphasiger Speisung mit großem Kondensator (c 3). In der Nähe dieses Wertes ergibt die Einphasenspeisung mit einem kleineren Kondensator auch den günstigeren Wirkungsgrad, was aus der Fig. 3 ersichtlich ist.
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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.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß der Induktor des Linearmotors eine Anzahl N von Polen 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 Fig. 1) unvollständig ist und nur eine oder zwei Spulen enthält. Wenn man z. B. die Wirkungsweise des Motors bei einer Geschwindigkeit von 45 m/s betrachtet, dann ergibt sich als Wirkleistung aus den Größen des Diagramms der Fig. 4 als Produkt von Geschwindigkeit und Schubkraft 45 × 3,5 = 157 kW. Betrachtet man dann das Diagramm der Fig. 3, dann entnimmt man bei 45 m/s Fahrgeschwindigkeit das Produkt aus Wirkungsgrad und Leistungsfaktor des Motors η × cosφ bei Einphasenspeisung (Kurve b 2) 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 η × cosφ 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.
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Geht man auf einen Geschwindigkeitswert des Motors von 48 m/s über, wo bei Einphasenspeisung der maximale Wirkungsgrad (0,8 in der Kurve b 2) auftritt, dann ist dort die abgegebene Wirkleistung 3,5 × 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 × 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.
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Die vorangehenden Berechnungsbeispiele zeigen die beträchtliche wirtschaftliche Bedeutung der einphasigen Speisung gemäß der Erfindung hinsichtlich des Energieverbrauchs.