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Vorrichtung zum Regeln und Einstellen der Geschwindigkeit von Wechselstrommotoren
Die Erfindung bezieht sich auf dynamoelektrische Maschinen und besonders auf eine
Vorrichtung zum Regeln der Geschwindigkeit von Synchron- und Induktionsmotoren.
Die Regelungsvorrichtung ist so eingerichtet, daß ihre Geschwindigkeit verändert
und so eingestellt werden. kann, daß die Motoren bei den verschiedenen Geschwindigkeiten
mit Strom von der richtigen Frequenz und Voltzahl (Spannung) gespeist werden. Des
weiteren besteht die Erfindung in der Anordnung des Zusammenarbeitens der Regelungsvorrichtungen
mit Motoren verschiedener Art und für verschiedene Zwecke.
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Die Erfindung ist auf der Zeichnung in einer Ausführungsform dargestellt,
die jedoch abgeändert werden kann, ohne von dem Wesen der beanspruchten Erfindung
abzuweichen. Fig. x ist ein schematischer senkrechter Schnitt, der mit einem mechanischen
Antrieb versehenen Vorrichtung; Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt der Vorrichtung,
und Fig. 3 ist ein Schaltungsschema für die Vorrichtung und verschiedene Arten von
Motoren, die an sie angeschlossen und durch sie geregelt werden; Fig. q. ist eine
schematische Darstellung eines Schiffsantriebes, bei dem die Vorrichtung verwendet
wird; Fig. g ist eine gleiche Darstellung eines Eisenbahn- oder Straßenbahnantriebes;
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung sowie der geregelten Motoren;
in der Mittel zum Anzeigen einer gleich dauernden Bewegung der Rotoren des Reglers
und der Motoren veranschaulicht sind.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung weist einen Anker 2 auf, der mit
einer Wicklung 3 und einem Kommutator q. geeigneter Art versehen und von einem Stator
5 umgeben ist. Dieser trägt eine Wicklung 6 und ein drehbares Feldelement 7, das
zwischen Stator und Anker angeordnet und durch einen Gleichstrom von einer geeigneten
Quelle, z. B. einer Batterie 8, erregt wird. Mit der Statorwicklung ist ein Satz
vielphasiger gegen den Kommutator liegender Bürsten verbunden, die den Strom von
dem Anker nach dem Stator leiten. Der Anker kann durch einen Primärmotor, z. B.
den Motor 12 in Fig. x, oder durch die elektrische Energie einer geeigneten Wechselstromquelle
13 angetrieben werden, deren Strom durch die Schleifringe 14 (Fig. 3) dem Anker
zugeführt wird.
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Wenn der Anker 2 durch den Primärmotor (Fig. z) mit im wesentlichen
konstanter Geschwindigkeit angetrieben und das Feld erregt wird, wird irr ihm ein
Strom erzeugt, der durch die Bürsten 9 gesammelt und in die vielphasige Statorwicklung
6 geführt wird, wodurch die Drehung des Feldelements 7 veranlaßtwird. Der Stromanden
Bürsten, der, solange das Feld stillstand, gleichgerichtet war, wird bei Beginn
der Drehung sogleich alternierend, und die Frequenz dieses Stromes hängt ab von
der Geschwindigkeit des Feldelements und ist ihr proportional. Der Anker ist daher
in diesem Fall der Generator für eine veränderliche Frequenz, während der Stator
und das Feld wie ein mit veränderlicher Frequenz gespeister Synchronmotor arbeiten.
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Die Feldgeschwindigkeit sowie die entsprechende Frequenz, die die
Regelvorrichtung erzeugt, wird erfindungsgemäß geregelt und festgelegt durch eine
Ausbalancierung der
erzeugten Ankervoltzah1 und der elektromotorischen
Gegenkraft der Statorwicklung. Diese hat zweckmäßig Dreiphasen- und Sternschaltung,
und damit die Ausbalancierung der erzeugten Voltzahl und der elektromotorischen
Gegenkraft zur Erzeugung einer Veränderung in der gelieferten Frequenz variiert
werden kann, ist jede Phase der Statorwicklung mit Abzweigungen 15 versehen, so
daß die zu den Ankerbürsten in Reihe geschalteten Windungen variiert werden können.
Die Schlüpfung zwischen dem Anker und dem Feld ist am größten, und die Voltzahl
an den Bürsten ist am höchsten, wenn das Feld stillsteht, in welchem Fall keine
relative Bewegung zwischen dem Feld und der Statorwicklung vorhanden. und die Gegenvoltzahl
der Sfatorwicklungen gleich Null ist. Daher zirkuliert durch diesen die Anker- und
Statorwicklungen einschließenden Stromkreis ein starker Strom, der die Drehung des
Feldes herbeiführt. Diese Drehung verringert die Schlüpfung und die Ankervoltzahl
und erzeugt gleichzeitig in der Statorwicklung eine Gegenvoltzahl, bis die Geschwindigkeit
des Feldes einen Punkt erreicht, wo sich die Gegenvoltzahl der Ankervoltzahl nähert,
worauf der Strom so weit abnimmt, wie er "genügt, um die Reibung des sich drehenden
Feldelements zu überwinden.
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Die Feldgeschwindigkeit kann nicht zunehmen, nachdem diese Ausbalancierung
erreicht und auf die-e Weise die Frequenz an den Bürsten festgelegt ist, jedoch
wird die Frequenz bei einer Störung der Ausbalancierung sogleich geändert, was durch
Verbindung der Bürstenleitungen 16 mit den anderen Abzweigungen 15 der Statorwicklung
bewirkt wird. Findet dies statt, so wird die Gegenvoltzahl erhöht oder verringert,
was gleichzeitig eine Abnahme oder Erhöhung der Feldgeschwindigkeit sowohl als eine
Änderung der Frequenz an den Bürsten herbeiführt.
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Als Ergänzung zu den Frequenzabstufungen, die durch Veränderung der
Zahl der zu den Bürsten in Reihe geschalteten Windungen der Stätorwicklung erzielt
werden, können durch Veränderung der Stärke des Feldes mittels Einschaltung eines
veränderlichen Widerstandes 17 noch Zwischenstufen erhalten werden: In dem vorstehenden
ist gezeigt worden, wie beim Antrieb der Vorrichtung durch einen I Primärmotor von
konstanter Geschwindigkeit j verfahren werden kann, um bis zu einer gewissen Grenze
Strom von irgendeiner beliebigen Frequenz zuzuführen. Diese veränderliche I Frequenz
kann zum Antreiben von Wechsel-Strommotoren entweder des Synchron- oder Induktionstyps
mit fester oder einstellbarer Geschwindigkeit unabhängig von der Belastung verwendet
werden. In Fig.3 ist die Verbindungsanordnung zwischen der Vorrichtung und den zu
regelnden Motoren, einem Induktionsmotor 18, einem Synchronmotor ig und einem Neulandmotor
21 gezeigt, welch letzterer in dem U.-St.-Patent =178q.55 beschrieben ist. Es -itt
zu verstehen, daß die Vorrichtung mit hoher Geschwindigkeit oder mit einer solchen
arbeiten kann, wie sie am besten geeignet oder wirksam ist, während die Motoren
für eine verschiedene Polzahl gebaut und so eingerichtet sein können, daß sie mit
einer von der des Reglers abweichenden Geschwind=gkeit laufen - können. In vielen
Fällen, wie z. B. bei Antrieben von-Walzwerken und Schiffen, ist es nötig, daß die
Motoren mit wirklich geringer Geschwindigkeit laufen, in welchen Fällen die Verwendung
des Nenlandmotors empfehlenswert ist. Dieser in Fig. 3 veranschaulichte Motor hat
ein zweipoliges Feld und einen vierpoligen Anker und pro Umdrehung eine Frequenz,
die durch die Zahl der Rotorzähne bestimmt wird und ihn zum Arbeiten mit geringer
Geschwindigkeit und großer Zugkraft besonders geeignet macht. Die Bürstenleitungen
16 der Vorrichtungen sind mit der Dreiphasenwicklung des Stators und die Motorklemmen
mit den äußersten Leitungen der Statorwick lungen verbunden.
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Die Motoren können mit einem ungefähr konstanten Potential bei variierender
Frequenz und Geschwindigkeit gespeist .werden. Dies ist der Fall, wenn die Schaltung
der Fig. 3 entspricht und das Feld der Vorrichtung konstant bleibt, was den Kreislauf
von Strömen durch die Motoren zur Folge hat, die bei geringer Geschwindigkeit sehr
kräftig sind und beim Steigen der Geschwindigkeit abnehmen, so daß in diesem Fall
beim Inbetriebsetzen des Motors seine Geschwindigkeit gering, seine Zugkraft aber
sehr groß ist und beim Wachsen der Geschwindigkeit abnimmt. Eine solche Charakteristik
des Motors ist für gewisse Anwendungen sehr nützlich.
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Für gewöhnliche Anwendungen ist es zweckmäßig, zu variieren, d. h.
die dem Motor gelieferte Voltzahl annähernd im Verhältnis zu der erhöhten Frequenz
und Motorgeschwindigkeit zu steigern, woraus ein im wesentlichen konstanter Strom
in dem Motor und infolgedessen eine konstante Zugkraft bei allen Geschwindigkeiten
resultieren.
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Dies wird bei Verwendung der in Fig. 2 gezeigten besonderen Feldkonstruktion
erreicht, bei der die äußeren Polflächen 22 durch ein Joch 23 mit den angtenzenden
inneren Polflächen 24 verbunden sind. Die Spulen 25 der inneren Polschuhe z6 bilden
einen Stromkreis, und die Spulen 27 der äußeren Polschuhe 28 bilden ebenfalls einen
Stromkreis, so -daß der Strom in jedem Kreise für sich
variiert
und die Stärke des Ankerfeldes ohne Verminderung des Statorfeldes vermindert werden
kann. Auf diese Weise wird, wenn der Motor in Betrieb gesetzt wird, das Ankerfeld
geschwächt, so daß an den Bürsten nur eine geringe Voltzahl erzeugt wird und Stromstöße
nach dem Motor beim Anlassen und bei geringen Geschwindigkeiten beschränkt werden.
Beim Zunehmen der Geschwindigkeit wird das Ankerfeld des Hauptreglers durch Veränderung
des Widerstandes 17 proportional verstärkt, bis bei hoher Ge:.chwindigkeit der volle
Wert erreicht ist.
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Die Energie wird dem Motor durch den Anker der Vorrichtung allein
bei seinem Stillstand, durch die Statorwicklung der Vorrichtung allein bei der höchsten
Geschwindigkeit des Motors und durch den Anker und Stator bei irgendeiner Zwischengeschwindigkeit
zugeführt. In- dem ersten Falle sind die Bürstenleitungen mit den äußersten Abzweigen
an der Statorwicklung verbunden, so daß sie direkt mit den Motorleitungen in Verbindung
stehen. In dem zweiten Falle sind die Bürstenleitungen nach innen auf der Statorwicklung
zu den innersten Abzweigen bewegt worden, wodurch die Ankerbürsten kurzgeschlossen
werden, in welchem Fall der Anker das Feldelement wie eine Kupplung treibt und die
Drehung des Feldes gegen den Stator die dem Motor zugeführte Energie erzeugt. In
dem dritten Falle sind die Bürstenleitungen mit anderen. Stellen auf der Statorwicklung
als mit den äußersten Abzweigen verbunden, so daß die zunehmende Feldgeschwindigkeit,
während die Voltzahl in dem Anker sich verringert, auch dazu dient, sie in der Statorwicklung
hinauf zu transformieren, die als Autotransformator wirkt und so die Motorklemmenspannung
hält oder erhöht, so daß ein Teil der Energie durch den Anker und ein Teil durch
die Statorwicklung erzeugt wird. _ In der vorhergehenden Beschreibung ist angenommen,
daß die Vorrichtung zur Erzeugung von Strom' für - den Motor durch einen Primärmotor
angetrieben wird. Verwendungsart und Zweckbestimmung derselben sind aber sehr mannigfach
und können hier nur zum Teil beschrieben werden. Z. B. kann die Vorrichtung anstatt
durch einen Primärmotor auch von einer Stromquelle 13 angetrieben werden und als
Umformer arbeiten. In Fig. 3 ist gezeigt, wie der Voriichtung Dreiphasenwechselstrom
(Drehstrom) von konstanter Frequenz durch Schleifringe 1q. zugeführt werden kann,
die auf der Ankerwelle sitzen und mit der Ankerwicklung verbunden sind. In diesem
Falle muß der Anker, bevor die Vorrichtung Strom nach den Motoren liefern kann,
zuerst auf Geschwindigkeit gebracht und durch Anwendung äußerer Kraft o. dgl. mit
dem Feld synchronisiert werden, worauf der Motorstromkreis geschlossen wird. Beim
Inbetriebsetzen ist das Feldelement feststehend, wodurch direkter Strom an die Kommutatorbürsten
geliefert wird, der in den Stator gelangt und die Drehung des Feldelements bewirkt.
Da die Ankerwicklungen mit den Statorwicklungen verbunden sind und der Strom in
den letzteren Wicklungen die Drehung des Feldelements bewirkt, so steht der Anker
immer in synchroner Beziehung zu dem Feld. Gleich den meisten anderen elektrischen
Maschinen kann auch die vorher als Umformer für .eine konstante Drehgeschwindigkeit
oder einen Strom von konstanter Frequenz in eine veränderliche Geschwindigkeit oder
veränderliche Frequenz beschriebene Vorrichtung zur Erzielung einer umgekehrten
Wirkung verwendet werden, d. h. zum Ändern einer veränderlichen Frequenz in eine
konstante. Wenn die Vorrichtung in diesem Sinne arbeiten soll, wird der in Fig.3
veranschaulichte primäre Induktionsmotor 18 an eine Stromquelle 31 konstanter Frequenz
und der Rotor des Motors an die Statorwicklungen der Vorrichtung angeschlossen,
die, nachdem ihr Anker beschleunigt und durch dieselbe oder eine andere Quelle von
konstanter Frequenz mit dem Feld synchronisiert ist, derart wirkt, daß sie die Ströme
von veränderlicher Frequenz des Induktionsmotors in eine konstante Frequenz umformt
und die Rückkehr des Stromes zu der Quelle ermöglicht.
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In der bisher beschriebenen Weise können Änderungen in der Geschwindigkeit
des Induktionsmotors durch Änderungen der Statorwicklungen und Feldstücke der Vorrichtung
bewirkt werden. Neben vielen anderen Zwecken ist die Vorrichtung besonders geeignet
zum Antrieb von Werkzeugmaschinen, wo die einmal eingestellte Geschwindigkeit ungeachtet
der verschiedenen Belastungen konstant bleiben muß. Sie kann des weiteren, wie in
Fig. 5 gezeigt, für elektrische Lokomotiven verwendet werden, wo jede Achse mit
einem gewöhnlichen Kurzschluß-Induktionsmotor 32 versehen sein kann, welche sämtlich
durch die Vorrichtung 34 gespeist werden, die in diesem wie in dem vorhergehenden
Fall als Umformer von einem Strom von konstanter ein- oder vielphasiger Frequenz
betätigt oder, wenn vorgezogen, durch einen von einer Stromquelle gespeisten Motor
oder wieder durch irgendeinen anderen Betriebsmotor, z. B. einen Verbrennungsmotor,
angetrieben werden kann. Des weiteren können die Anhängewagen ebenfalls mit Induktionsmotoren
versehen werden, die sämtlich an die Vorrichtung angeschlossen, von ihr gespeist
und
durch sie geregelt werden. Ein wichtiger Vorteil dieses Systems für elektrische
Eisen- oder Straßenbahnen besteht darin, daß es zum regenerativen Bremsen verwendet
werden kann, und zwar nicht nur beim Abwärtsfahren von Steigungen, sondern auch
beim Langsamfahren zwecks Haltens, da die Bremsung sehr allmählich wirkt, zum Unterschied
von der mit dem gewöhnlichen Induktionsmotor erzielten. Bei dem System nach der
Erfindung ist die volle Bremskraft bei jeder Geschwindigkeit der Motoren ausnutzbar,
die so wirken, daß die Energie durch die Vorrichtung nach der Quelle zurückkehrt.
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Für Schiffsantriebe (Fig. q.), wo die Vorrichtung 34 durch eine Dampfturbine
36 mit hoher Geschwindigkeit angetrieben werden kann, wird Strom einem oder. mehreren
Synchron- oder Induktionsmotoren 37 zugeführt, die die Propeller 38 antreiben. Hier
kann die Regelung von der Schiffsbrücke bewirkt und die Propeller können an einer
Überschreitung der für sie bestimmten Geschwindigkeit gehindert werden.
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Eine andere wichtige Verwendung der Vorrichtung 34 besteht in der
Verbindung mit einem oder mehreren Motoren 39 und q,=, die von einer Zentrale
aus einer größeren oder geringeren Entfernung auf eine genau gleiche Geschwindigkeit
geregelt werden müssen, derart, daß die Vorrichtung 34 durch ihre Drehung einen
Ze=ger 42 auf einer Skala 43 bewegt, so daß er die genaue Beziehung der 141otorwellen
oder der Zeiger 44. oder der sie betätigenden Anordnungen anzeigt, wie z. B. beim
Signalisieren oder Richten von Geschützen an Bord von Kriegsschiffen, wenn man wünscht,
gleichzeitig eins oder eine Anzahl von einer Zentralstelle aus zu richten.
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Für eine solche Regelung von Signalen oder Geschützen sind die Motoren
zweckmäßig Synchronmotoren, so daß sie zweckmäßig eine genaue Beziehung zu der Vorrichtung
herstellen würden, wenn sie auch für eine verschiedene Polzahl gewickelt oder verschieden
angetrieben wären.