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Verfahren zum stufenweisen Regeln der Geschwindigkeit von Drehfeldmotoren,
die von eigenen Wechselstromgeneratoren gespeist werden. Zum Antrieb von Arbeitsmaschinen,
deren Geschwindigkeit man zu beherrschen und zu regeln wünscht, benutzt man mit
Vorteil elektrische Motoren, da ihre Drehzahl im allgemeinen leicht durch Schaltverfahren
verändert werden kann. Das einfachste und- betriebssicherste System hierfür ist
das Gleichstrom-Leonard-System, das von sehr kleinen Leistungen bis zu vielen tausend
Kilowatt angewandt werden kann und das einerseits den Vorteil besitzt, eine vollkommen
stetige Regelung der Drehzahl zu erlauben und anderseits Bliese Regelung durch leicht
ausführbare Schaltungen an schwachen Strömen in den Erregerkreisen ermöglicht.
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Will man Wechselstrom in ein- oder mehrphasiger Form zur Leistungsübertragung
zwischen Generator und Motor benutzen, so kann man bei Anwendung von Wechselstromkollektormaschinen
ebenfalls eine stetige Regelung der Drehzahl erreichen. Diese Maschinen sind jedoch
nur für kleine und mittelgroße Leistungen brauchbar.
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Das Ziel dieser Erfindung ist nun, elektrische Einzelantriebe, bei
denen Motoren oder Gruppen von Motoren unmittelbar von zugehörigen Generatoren oder
Gruppen von solchen gespeist werden, derart auszubilden, daß die Drehzahl der Motoren
gegenüber der Drehzahl der Generatoren geregelt werden kann und daß diese Regelung
durch Schaltungen in den Erregerkreisen der Generatoren erfolgt. Wenn das elektrische
Getriebe nämlich sehr große Leistungen übertragen soll und besonders, wenn die Geschwindigkeit
der Motoren unter Last verändert werden soll, so wären zum Schalten des Hauptarbeitsstromes
außerordentlich große Starkstromschalter erforderlich, die leicht zu Störungen oder
Betriebsschwierigkgiten führen. Es ist deshalb wünschenswert, die Änderung der Geschwindigkeit
durch Schaltungen in -den nur schwache Ströme führenden Erregerschwachstromkreisen
der Generatoren vorzunehmen. Wie dies erreicht werden kann, soll im folgenden gezeigt
werden: In Fig. z ist zunächst eine bekannte Anordnung gezeichnet, in der ein Motor
in von einem Generator g in Einzelantrieb gespeist wird. Sowohl der Motor wie der
Generator besitzt vier verschiedene Wicklungen im Stator oder vier derartige Anzapfungen
an die Statorwicklungen, so daß jeder wahlweise mit vier verschiedenen Polzahlen
arbeiten kann. Man kann durch geeignete Wahl der Generator- und Motorpolzahlen mit
dieser Anordnung 16 verschiedene Geschwindigkeitsstufen des Motors bei konstant
gehaltener Generatordrehzahl erreichen. Allerdings muß man zurr Übergang auf jede
andere Stufe einen Starkstromschalter betätigen. Außerdem ist es natürlich nötig,
auch die Erregerwicklung des Generators je nach der gewünschten Generatorpolzahl
umzuschalten. Die Starkstromschaltung soll nun nach der Erfindung dadurch vermieden
werden, daß durch Umschaltung der Generatoren in ihren Erregerkreisen die Stromverhältnisse
in den Wicklungszweigen der Motoren und damit deren Polzahl geändert wird. In Fig.
z ist ein Beispiel
dafür dargestellt. Sowohl vom Mehrphasenmötor
m wie von den speisenden Generatoren g ist nur die Statorwicklung einer Phase gezeichnet.
Die Motorwicklung ist, wie bei den bekannten Motoren mit Polumschaltung, in zwei
Teile gespalten, von denen jeder von einem besonderen Generator gespeist werden
soll. Diese beiden Generatoren g1, g2 sind miteinander gekuppelt gezeichnet. Die
Richtung des Erregerstromes in einem Generator, z. B. g, kann durch einen Umschalter
geändert werden. Während bei gleichsinniger Erregung beider Generatoren in den beiden
Wicklungsteilen des Motors Ströme im Sinne der in die Leitungen gezeichneten Pfeile
fließen, die bei der dargestellten Anord-nung ein 16poliges Feld im Motor hervorrufen,
kann man nach dieser Erfindung durch Umkehren der Erregung, z. B. des Generators
g., den Stromlauf in dem dickgezeichneter Zweige umkehren, so daß er die Richtung
der neben die Leitung gezeichneten Pfeile erhält, wobei im Motor ein 8poliges Feld
entsteht. Mit dieser Anordnung ist man also in der Lage, durch einfache Umschaltung
der relativ sehwachen Erregerströme des halben Generatorteiles ohne jeg-
liche
Anwendung von Starkstromschaltern die Drehzahl eines beliebig großen Wechselstrommotors
im Verhältnis 1:2 zu regeln. Wählt man andere Wicklungsanordnungen für den Motor,
so kann man auch- jedes beliebige andere Polzahl- und Geschwindigkeitsverhältnis
erzielen. Man kann dabei bei Mehrphasenstrom auch solche Wicklungsanordnungen auswählen,
daß sich bei der Veränderung der Polzahl gleichzeitig der Umlaufsinn des Drehfeldes
umkehrt, so daß man eine Geschwindigkeit für Vorwärtsgang und eire andere für den
Rückwärtsgang erhält, was für den Antrieb mancher Werkzeugmaschinen erwünscht ist.
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Das erläuterte Prinzip läßt sich beliebig verallgemeinern, -indem
man mehr als zwei Wicklungszweige in den Motoren und mehr als zwei schaltbare Generatoren
anwendet. Man kann dann je nach der Zahl der Zweige und Phasen der Motoren und je
nach der Zahl der angewandten Generatoren mit Erregerumschaltung jede beliebige
Stufenzahl füi die Geschwindigkeit der Motoren im Vorwärts- oder Rückwärtsgang erzielen.
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Bei sehr großen Leistungen bietet eine derart starke Unterteilung
der Generatoren in einzelnen Maschinen, wie sie zur Erzielung zahlreicher Stufen
erforderlich ist, keine unüberwindlichen Schwierigkeiten. Im allgemeinen wird -man
es jedoch vorziehen, mit einer möglichst geringen Zahl von Generatoren auszukommen,
]nies läßt sich mit einem Prinzig erreichen, für das als Beispiel in Fig. 3 eine
Schaltung dargestellt ist. Es ist auch hier zur leichteren Übersicht nur eine Phase
der Statorwicklungen des Motors und Generators gezeichnet, die bei. dem Stromlauf
der Fig.3a ein vierpoliges Feld im Motor erzeugt. Die beiden Zweige der Motorwicklung
werden nun von zwei ebensolchen Zweigen der Wicklung eines einzigen Generators gespeist,
dessen Polzahl jedoch durch Um-Schaltung im Erregerkreise verändert werden kann.
In Fig. 3a ist der Generator zunächst vierpolig erregt angenommen, so daß seine
diametral gegenüberliegenden Statorleiter und daher die beiden Wicklungszweige gleichsinnig
induziert werden. Schaltet man nun zwei nebeneinanderliegende - Pole des Generatorfeldmagneten
um, so daß sich eine Polfolge wie in Fig. 3b ergibt, so entsteht in ihm ein resultierendes
nur noch zweipoliges Magnetfeld, bei dem außerdem die einander diametral gegenüberliegenden
Statorzweige im entgegengesetzten Sinne induziert werden. Die Folge dieser Umschaltung
ist also, -daß erstens die Frequenz des vom Generator erzeugten Stromes auf die
Hälfte gesunken ist, und daß zweitens die Polzahl des Motors durch die Umkehrung
der Stromrichtung auf das Doppelte gestiegen ist, wie man an dem Stromlauf der Fig.
31) ohne weiteres erkennt. Es gelingt also mit einer derartigen Anordnung,
durch einfache Urischaltung der Hälfte des Erregerkreises eines einzigen Generators
ohne jegliche Verwendung von Schaltern im Weckselstromstarkstromkreis bei konstant
gehaltener Generatordrehzahl die Motorgeschwindigkeit im Verhältnis 1:4 zu verändern.
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Anstatt der Polzahlen 2, q. und 8, die in dem Beispiel der Fig. 3
der leichteren Übersicht wegen dargestellt sind, kann man sowohl für den Generator
wie für den Motor jedes beliebige Polumschaltungsverhältnis anwenden. Wünscht man
beispielsweise zwei Geschwindigkeitsstufen zu erhalten, die nicht im Verhältnis
1:4 stehen, sondern nur im Verhältnis 2:3, so kann man dies -mit einem Getriebe
erreichen, dessen Generatorpolzahl wie 1:2 und dessen Motorpolzahl wie 3:4 umschaltbar
ist oder auch mit einem Getriebe, dessen Generatorpolzahl wie 1:3 und dessen
Motorpolzahl wie 1:2 umzuschalten ist. Wie man die entsprechenden Wicklungen für
den Generator und Motor anordnet, ist im Prinzip bekannt und braucht hier nichtausgeführt
zu werden. Wendet man, was zweckmäßig ist, Mehrphasenstrom zur Leistungsübertragung
an, so kann man auch hier je nach Auswahl der Wicklungen erreichen, daß mit der
Änderung der Polzahlen und Geschwindigkeiten gleichzeitig ein Wechsel in der Drehrichtung-des
Motorfeldes eintritt.
Es ist nicht unbedingt nötig, daß man bei
der Veränderung der Polzahl im Generator die Phasenzahl des Systems beibehält. Es
kann vorteilhaft sein; die Spulen am Umfange des Generators und Motors so zu verteilen,
daß sie für jede Polzahl ein anderes Mehrphasensystem bilden, beispielweise bei
8 Polen ein 3-Pllasen-, bei 1a Polen ein 2,-Phase 11-System.
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Die vorstehend beschriebenen Schaltungsarten zur Regelung@der Motordrehzahl
können natürlich in beliebiger Kombination miteinander verwandt werden. Man kann
z. B. bei geeigneter Unterteilung der' Wicklungen in den Motoren und Generatoren
und bei gleichzeitiger Teilung der Generatoren durch wahlweises Umkehren von Erregerströmen
sowohl eine Änderung der Polzahl nur eines der Generatoren als auch der Stromrichtung
mehrerer oder sämtlicher Generatoren erzielen und kann auf diese Weise eine sehr
große Mannigfaltigkeit von Drehzahlen der Motoren herstellen. Man kann dabei auch
solche Ge-'neratorumschaltungen, die zur Veränderung der Drehrichtung der Motoren
ohne Änderung der Polzahl führen, in Kombination mit den eben erläuterten Methoden
mit Vorteil anwenden.
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Es kann auch nützlich sein, sich nicht allein auf die Geschwindigkeitsstufen
zu beschränken, die ohne Starkstromschaltung erreichbar sind, sondern für gewisse
Zwecke noch weitere Stufen hinzuzugewinnen, indem man außer der Regelung an den
Generatoren auch eine Vertauschung der Motorleitungen durch Schalter vornimmt. Man
kann dann häufig den Betrieb so einrichten, daß diejenigen Geschwindigkeitsveränderungen
des Motors, die unter Last erfolgen müssen, durch Regeln des Erregerstromes zu erzielen
sind, während diejenigen Geschwindigkeitsstufen, die durch Umschaltung mit Kontakten
erzielt werden, mit geringer Belastung des Motors hergestellt werden, wobei man
keine so großen Ströme zu unterbrechen braucht oder wobei man die Erregung des Generators
zeitweise abschalten kann, um stromlos überschatten zu können. Als Beispiel sei
genannt, daß man mit dem oben zuerst erwähnten Getriebe außer den Geschwindigkeiten
1h und 2/3, die durch die Erregung des Generators eingestellt werden, noch die Geschwindigkeiten
4/3 und I]2 durch Starkstromumschaltung erzielen kann.
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Es ist prinzipiell gleichgültig, welche Art von Drehfeldmotoren man
verwendet. Synchronmotoren haben den Nachteil, daß sie schwer von einer Schaltung
in die andere übergehen und daß man beim Wechsel der Polzahl auch ihr Erregerfeld
umschalten muß. Sie erfordern jedoch kleinere Generatoren für nur induktionsfreie
Belastung. Auch Asynchronmotoren mit Phasenanker benötigen meist eine entsprechende
Polumschaltung im Rotor. Am zweckmäßigsten ist die Anwendung von Käfigankermotoren,
da sie für jede beliebige Polzahl ohne Änderung der Schaltung richtig wirken.
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Bei allen Schaltweisen mit zerteilten Wicklungszweigen kann es zweckmäßig
sein, mehrere der Leitungen zwischen Generator und Motor, die leitend sonst nicht
zusammenhängenden Stromkreisen angehören, zusammenzufassen, besonders solche, die
bei einigen der Geschwindigkeitstufen entgegengesetzte Ströme führen. Die Stromwärmeverluste
in diesen Leitungen, die alsdann nur spannungslose Punkte verbinden, kommen dann-
in Fortfall.
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Manche Motorantriebe erfordern Drehmomente, die mit wachsender Drehzahl
steigen, andere erfordern Momente, die mit zunehmender Drehzahl sinken. Das erstere
ist z. B. der Fall bei Werkzeugmaschinen und Fahrzeugen auf ebener Bahn, letzteres
bei Fahrzeugen, die schnell horizontal, langsam bergan fahren sollen. In allen diesen
Fällen ist es .vorteilhaft, die Feldstärke des Motors und damit auch die des Generators
nicht für alle Geschwindigkeitsstufen gleich zu. halten, sondern sie entsprechend
dem zu erzeugenden Drehmomente zu verändern. Dies läßt sich auf einfache Weise mit
der sowieso notwendigen Umschaltung im Erregerkreise verbinden, wenn man die Erregerwicklungen
zur Erzielung hoher Feldstärken in allen 3"Iaschinen nebeneinander und zur Erzielung
geringer Feldstärken -hintereinander legt, wobei noch zahlreiche Zwischenstufen
möglich sind. Für sehr schnellaufende Generatoren mit rotierenden Innenpolen, wie
sie beispielsweise für Dampfturbinenantriebe benutzt werden, hat ein derartiger
Wechsel der Feldstärke, der durch die beschriebene Schaltweise selbsttätig erreicht
werden kann, noch den besonderen Vorteil, daß man mit den geringsten Dimensionen
des Statormagnetjoches für alle Geschwindigkeitsstufen gleich gut fährt. Die Jochdicke
des Statoreisens, die für den beispielsweise vierpoligen Betrieb mit hoher Feldstärke
sowieso notwendig ist, reicht dann nämlich auch für den zweipoligen Betrieb mit
geringer Feldstärke aus, während man sie bei gleichgehaltenen Feldstärken für beide
Fälle nur mit Rücksicht auf den zweipoligen Betrieb fast doppelt so groß ausführen
müßte, da die Kraftlinienzahl wegen der doppelten Polteilung des zweipoligen Generators
auch doppelt so groß wäre. Je nach der Art der Abhängigkeit des Drehmomentes von
der Geschwindigkeit des Motors wird man die Wicklungsanordnungen so auswählen, daß
der.: Generatorbetrieb mit der höchsten Polzahl diejenige Motordrehzahl ergibt,
für die das
stärkste Drehmoment im normalen Betriebe erforderlich
wird.
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Man führt die hier beschriebenen Generatoren für Polumschaltung zweckmäßigerweise
nicht mit ausgeprägten Schenkelpolen aus, wie sie in Fig. 3 angedeutet sind, sondern
reit einem Zylinderinduktor, dessen Erregerwicklung über den ganzen Umfang verteilt
in Nuten eingebettet ist entsprechend der Abwicklung in Fig. d.ä. Dies hat den großen
Vorteil, daß man bei allen Polzahlen eine gut trapezförmige Feldkurve und daher
eine sehr gut sinusförinige Spannungskurve erhält. Die Feldkurve eines derartigen
Zylinderläufers setzt sich nämlich ganz unabhängig von der Polschaltung stets aus
trapezähnlichen Stücken zusammen, die man ohne große Zwischenräume ineinander übergehen
lassen kann, so wie es z. B. an Fig. 41) und q.c für eine Umschaltung von vier auf
zwei Pole gezeigt ist. Bei Schenkelpolmaschinen erhielte man nur für die höchste
Polzahl günstige Spannungskurven, weil sich bei den niedrigen Polzahlen ein tiefer
Sattel in der Feldkurve zwischen je zwei gleichnamigen Einzelpolen ausbildet.
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Bei allen Betriebsweisen, die die Umschaltung der Erregerfelder der
Generatoren benutzen, entstehen während der Umsteuerzeit starke Ausgleichsströme
in den Wechselstromleitungen, weil die in den verschiedenen Systemteilen erzeugten
Spannungen nicht mehr im Gleichgewicht sind. Um ihre schädlichen Einwirkungen möglichst
gering zu halten, -ist 'es zweckmäßig; Schnellerregungsmethoden zur Feldänderung
zu verwenden, bei denen die magnetische Zeitkonstante der Maschinen tunlichst verkleinert
wird, beispielsweise durch geeignete Einschaltung von Widerstand in die Gleichstromkreise.