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Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen elektrischer Maschinen. Die wichtigste
der Prüfungen einer elektrischen Maschine ist die Vollast- oder Temperaturprüfung,
bei der man die Maschine so lange unter Vollast laufen läßt, wie es mit Rücksicht
auf die beabsichtigte Verwendung nötig ist, um die höchste normal vorkommende Erwärmung
zu erzielen. Diese Prüfung bezweckt, hauptsächlich die Eigenschaften der Maschine
in bezug auf Erwärmung festzustellen, kann aber auch zur Feststellung ihrer übrigen
Belastungseigenschaften dienen.
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Die" vollständige Vollastprüfung erfordert jedoch nach den bisher
bekannten Verfahren das Vorhandensein einer anderen Maschine derselben Größenordnung
wie die der zu prü fenden Maschine, die damit mechanisch gekuppelt werden kann,
um die letztere entweder als Generator anzutreiben oder von der anderen Maschine
als Motor antreiben zu lassen. Besonders bei größeren Maschinen hat man verhältnismäßig
selten eine solche Hilfsmaschine, und selbst wenn es so ist, so kann die mechanische
Kupplung auf unüberwindliche Schwierigkeiten stoßen, z. B. bei senkrechten Maschinen.
Man mußte sich daher in solchen Fällen mit teilweisen Belastungsaufnahmen begnügen,
z. B. mit einerLeerlaufaufnahme, gegebenenfalls bei etwas erhöhter Erregung, in
Verbindung mit einer Kurzschlußaufnahme bei normalem Strom. Solche Aufnahmen können
jedoch nur unter gewissen Voraussetzungen eine genaue Vorstellung der Maschineneigenschaften
bei Vollast geben und nehmen außerdem bedeutende Zeit in Anspruch.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, durch das eine Maschine von
praktisch jeder Größenordnung ohne mechanische Kupplung mit einer anderen Maschine
einer gültigen Vollastprüfung unterworfen werden kann. Das Verfahren besteht allgemein
darin, daß die Maschine abwechselnd als Motor und als Generator in so schneller
Wechselfolge angetrieben wird, daß die darin aufgespeicherte Bewegungsenergie die
elektrische Energie aufnehmen bzw. liefern kann, die im Durchschnitt der gewünschten
Strombelastung entspricht. Beim Lauf als Motor ohne äußere Last hat die Maschine
die Neigung, sich zu beschleunigen und ihre Bewegungsenergie zu vermehren. Bevor
die Geschwindigkeit in dieser Weise einen bestimmten Wert überschritten hat, wird
die aufgedrückte Spannung derart in bezug auf Größe, Frequenz oder Phase geändert,
daß die Maschine als Generator zu arbeiten anfängt und ihre Geschwindigkeit vermindert
wird, worauf man die Spannung aufs neue verändert usw. Die Verhältnisse- in der
Maschine können natürlich je nach deren Art wechseln, ob sie eine synchrone oder
asynchrone Wechselstrommaschine, eine Gleichstrommaschine usw. darstellt, aber das
Verfahren bleibt im Grunde dasselbe.
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Die periodische Änderung der aufgedrückten Spannung kann auf verschiedene
Weise erfolgen.
Nach einer Weise erfolgt eine Regelung im Felde
der Antriebsmaschine, nach einer anderen wird mit der eigentlichen Antriebsmaschine
eine Zusatzmaschine in Reihe geschaltet, deren Spannung abwechselnd in beiderlei
Sinn gerichtet werden kann. Bei einer einfachen, in der Praxis besonders bewährten
Weise zur Ausführung des letzterwähnten Grundsatzes wird die als Wechselstrommaschine
ausgeführte Züsatzmaschine mit solcher Geschwindigkeit angetrieben, daß ihre Periodenzahl
etwas von der der Hauptmaschine -bzw., falls die Hauptmaschine Gleichstrom liefert,
von Null - abweicht. Wenn es sich z. B. um die Prüfung einer 5o periodigen Wechselstrommaschine
handelt, so wird in Reihe mit einer 5o periodigen Antriebsmaschine eine kleine Maschine
geschaltet, die z. B. mit 55 Perioden angetrieben wird. Die Spannung der ersteren
Maschine soll der normalen Leerlaufspannung der zu prüfenden Maschine gleich sein,
während die Spannung der Zusatzmaschine bei einer synchronen Prüfungsmaschine derselben
Größenordnung wie der normale Spannungsabfall der Maschine von Leerlauf bis Vollast
sein soll. Die zu prüfende Maschine wird im angegebenen Beispiel fünfmal in der
Sekunde von Motor- zum Generatorbetrieb und ebenso oft umgekehrt übergehen. -Die
Periodenzahl der Zusatzmaschine soll bei Wechselstrom zweckmäßig höher als die der
Hauptmaschine sein. Ist die zu prüfende Maschine eine Gleichstrommaschine, so soll
die Hauptantriebsmaschine Gleichstrom und die Zusatzmaschine eine niedrigperiodige
Wechselspannung liefern, beispielsweise in Zusammenhang mit dem eben erwähnten Beispiel
eine fünfperiodige, in welchem Falle das Ergebnis für die zu prüfende Maschine entsprechend
wird.
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Ist die zu prüfende Maschine eine asynchrone Wechselstrommaschine.
so soll die Frequenz der aufgedrückten Spannung um eine Zahl schwanken, die im gewissen
Verhältnis zur normalen * Schlüpfung der Maschine steht, während die Größe der Spannung
dann von weniger Bedeutung ist. Die gewünschte Schwankung der Frequenz kann beispielsweise
durch den Antrieb der Maschine mittels eines Gleichstrommotors erzielt werden, dessen
Erregung bei gleichbleibender, aufgedrückter Spannung periodisch geändert wird.
Die für synchrone Maschinen beschriebene Anordnung mit zwei in Reihe geschalteten
Antriebsmaschinen mit etwas verschiedener Frequenz kann jedoch auch hier verwendet
werden, obgleich ihre Wirkungsweise etwas abweichend wird.
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Hat die Hauptmaschine beispielsweise 5o Perioden und die Zusatzmaschine
56 Perioden und etwa ein Drittel der Spannung, so kann man die sich ergebende Spannung
als zwischen 52 und 48 Perioden schwankend auffassen. Ihre Größe schwankt gleichzeitig
ziemlich bedeutend; aber dies wird in erheblichem Maße durch den Spannungsabfall
in Maschinen und Leitungen ausgeglichen und spielt übrigens bei asynchronen Maschinen
eine nicht allzu bedeutende Rolle. Es ergibt sich hieraus, daß die Asynchronmaschine
abwechselnd mit positiver und negativer Schlüpfung, d. h. abwechselnd als Motor
und als .Generator läuft.
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Die Periodenzahl der Belastungsschwankungen der zu prüfenden Maschine,
d. h. der Unterschied zwischen den Periodenzahlen der beiden in Reihe geschaltetenAntriebsmaschinen,
hängt gewissermaßen von der Größe der zu prüfenden Maschine, dem Gewicht ihrer Schwungmasse
usw. ab, kann aber im übrigen für dieselbe Maschine innerhalb ziemlich weiter Grenzen,
z. B.- von r bis 1o in der Sekunde schwanken. Bei der Wahl der Grenzen kann man
auch auf scharfe Ablesbarkeit der Geräte, deren Zeiger im allgemeinen mit der doppelten
Periodenzahl schwingen, Rücksicht nehmen. Falls die Periodenzahl zu niedrig ist,
wird das Ablesen erschwert; aber schon bei wenigen Perioden in der Sekunde bietet
es praktisch gar keine Schwierigkeiten dar. Andererseits darf die Periodenzahl nicht
so hoch sein, daß dadurch beträchtliche Zusatzverluste infolge Hysteresis, Wirbelströme
u. dgl. in der zu prüfenden Maschine entstehen. Als ein zweckmäßiger 1Vlittelwert
für mittelgroße Maschinen kann das oben angegebene Beispiel 5 in der Sekunde dienen.
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Auf der Zeichnung sind die Abb. r und 2 Vektordiagramme, die das gegenseitige
Verhältnis der Spannungen bei einer für Wechselstrom bestimmten Schaltung der letztbeschriebenen
Art darstellen sollen. Abb. 3 zeigt ein Beispiel der Schaltung selbst, einschließlich
der Anordnung der Meßgeräte. Abb. q. ist ein Stromdiagramm für die zu prüfende Maschine.
Abb. 5 und 6 zeigen vereinfachte Schaltungs_chemas für die Messung der Wirkleistung
und der Blindleistung und Abb. 7 und 8 die entsprechenden Vektordiagramme. Abb.
9 zeigt ein Schaltungsschema für die gleichzeitige Prüfung zweier Maschinen von
etwa derselben Größe und Abb. zo ein entsprechendes Spannungsdiagramm.
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In Abb. x ist 0"0, der Spannungsvektor der Hauptmaschine, der als
stillstehend aufgefaßt werden kann, während die Zeitlinie mit einer der Periodenzahl
entsprechenden Geschwindigkeit umläuft. Die Spannung der Zusatzmaschine wird dann
durch einen Vektor dargestellt, der um den Punkt 02 entgegengesetzt der Zeitlinie
mit einer dem Unterschied zwischen ihrer Periodenzahl und der der Hauptmaschine
entsprechenden Geschwindigkeit
umläuft. Falls die beiden Periodenzahlen
55 und 5o sind, nimmt der letztgenannte Vektor also während 1/5 Sekunde nacheinander
die Stellungen 02 A, 02 B, 02 C und 02 D ein. Der sich ergebende,
auf die Maschine aufgedrückte Spannungsvektor würde also, falls kein Spannungsabfall
in Generatoren und Leitungen stattfände, nacheinander dieWerte 01A, 01
B, 01 C und 01 D in Abb. i annehmen. Mit Rücksicht auf
die eintretenden Spannungsabfälle erhalten die Vektoren aber tatsächlich die durch
die in gleicher Weise bezeichneten Linien in Abb. 2 angegebenen Werte. Die auf die
zu prüfende Maschine aufgedrückte Spannung erhält also eine annähernd bcstimmte
Größe, während ihre Phase und ihre Umlaufsfrequenz schwanken. Die Schwankungen der
ersteren werden besonders bei einer synchronen und die Schwankungen der letzteren
bei einer asynchronen Maschine von Bedeutung, wie oben beschrieben wurde.
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In dem in Abb. 3 dargestellten Schema einer Schaltung zur Ausführung
des Verfahrens ist i der Hauptgenerator und 2 der Zusatzgenerator. 3 ist ein zwischen
diesen Generatorzn und der zu prüfenden Maschine q. eingeschalteter Transformator,
der oft nötig ist, um einen geeigneten Mittelwert der aufgedrückten Spannung zu
erhalten. 5 ist Spannungswandler und 6 Stromwandler für die Einschaltung der Meßgeräte,
die zweckmäßig aus zwei Stromzeigern 7 und 8, zwei Leistungszeigern 9 und i0, einem
Spannungszeiger 1i und einem Frequenzzeiger 12 bestehen. Zwischen den beiden letzteren
und den Spannungsspulen der Leistungszeiger einerseits und den Spannungswandlern
anderseits ist ein Umschalter 13 vorgesehen. Der Zweck dieser Anordnung wird im
folgenden näher beschrieben.
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Wie schon erwähnt, schwankt die zu prüfende Maschine zwischen Motor-
und Generatorwirkung. Da ihre Erregung während der ganzen Zeit etwa gleich erhalten
wird - sei sie in der Maschine selbst erzeugt, wie in einer synchronen Maschine,
oder von außen genommen, wie in einer asynchronen Maschine -sieht das Stromdiagramm
etwa wie das nach Abb. q. aus. 0E ist hier die E. M. K. der Maschine und 0I, die
darauf senkrechte, unveränderliche Komponente dcs Stromes. Der Stromvektor schwingt
mit seiner Spitze an einer mit dem Spannungsvektor parallelen Geraden entlang zwischen
den beiden Grenzlagen Oh und OId. Sein wirksamer Mittelwert wird durch OIb
dargestellt.
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Soll die Maschine mit Rücksicht auf Erwärmung mit Vollast laufen,
so muß offenbar OIb gleich ihrem normalen -Strom sein. Da OIb den auf den Stromzeigern
gelesenen Wert darstellt, bietet es keine Schwierigkeiten dar, eine solche Einstellung
vorzunehmen, daß dieser Strom die richtige Größe erhält. Es ist aber auch wichtig,
die wattlose Komponente des Maschinenstromes zu kennen, um die Eigenschaften der
Maschine mit Rücksicht auf Erregung festzustellen, und zu diesem Zweck ist der Spannungsumschalter
13 angeordnet. Die Wirkungsweise dieser Anordnung geht am besten aus den Abb. 5
bis 8 hervor.
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Abb. 5 zeigt ein vereinfachtes Schema für die Einschaltung der beiden
Leistungszeiger zum Netz bei ausgezogener Lage des Umschalters 13. 14 und 15 sind
hier die Stromspulen, 16 und 17 die Spannungsspulen. Die Spannungen und Ströme werden
im Diagramm Abb. 7 dargestellt. Die Phasenspannungen d--s Netzes sind 0E1, 0E2,
0E3, die Ströme 01,1 0I2 und 01, Die verket' eten Spannungen El,.- E2 und
E2, E3 wirken auf die Spulen 16 und 17, während die Strcme 01, und 01, die -Spulen
14 und 15 durchlaufen. Der Ausschlag des einen Stromzeigers wird der Projektion
von 01, auf El, E2, der Ausschlag des anderen der Projektionen von 01, auf E2, E3
proporticnal. Die Summe der beiden Ausschläge wird, wie man .leicht findet, gleich
der gesamten Wirkleistung, d. h. im vorliegenden Falle der Leistung, die zugeführt
werden muß, um die Maschinenverluste zu decken. Dies ist das gewöhnliche Zwei-Wa;ttmeter-Verfahren,
das hier nur zum Vergleich mit dem in Abb. 6 und, 8 dargestellten Verfahr<n beschrieben
wurde.
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Die Schaltung nach Abb. 6 entspricht der punktierten Lage des Spannungsumschalters
13 in Abb. 3 und z< igt im Vergleich mit Abb. 5 den Unterschied, daß die äußeren
Spannungsverbindungen gekreuzt sind. 'Hierdurch werden die Ausschläge proportional
der Projektion von 01, auf E2, E3 und von 01, auf El, E2. Da E2, E3 auf OEl und
El, E2 auf 0E3 senkrecht stehen, so werden die eben genannten Projektionen offenbar
jede für sich proportional dem Blindstrom in der betreffcnden Phase. Hierdurch kann
man die gesamte Blindleistung unmittelbar ablesen, die, wie man leicht findet, gleich
der Summe dieser beiden Wattablesungen mal
(bei symmetrischer Belastung) wird.
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Durch die beschriebene Schaltung kann man also teils den Mittelwert
der Strombelastung der Maschine, die für die Erwärmung maßgebend ist, teils ihre
aufgenommene oder abgegebene Blindleistung bei gewisser Eiregung und gewisser aufgedrückter
Spannung, teils endlich ihre Gesamtverluste unter diesen Verhältnissen feststellen.-
Man erhält also vollständige Kenntnis der Haupteigenschaften der Maschine.
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Es ist besonders zu beachten, daß in einer asynchronen Maschine, wo-die
Kurve, auf der sich die Spitze des Stromvektors bewegt, im
allgemeinen
mehr von der Geraden als bei synchronen Maschinen abweicht (beide Kurven sind tatsächlich
Kreisbögen, und die der asynchronen Maschine hat im allgemeinen den kleineren Durchmesser),
der auf dem Leistungszeiger abgelesene Wert der Blindleistung in der Tat einen Zwischenwert
zwischen den während einer vollständigen Belastungsperiode herrschenden Werten darstellt.
In der Praxis wird dieser Mittelwert' fast genau gleich der Blindleistung bei Vollast,
weshalb der normale Leistungsfaktor der Maschine auf diese Weise leicht gemessen
werden kann.
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Die beschriebene Einschaltung der Leistungszeiger kann natürlich derart
abgeändert werden, daß die Stromspulen anstatt der Spannungsspulen umgeschaltet
werden, obgleich dies im allgemeinen infolge der höheren Stromstärke in den umgeschalteten
Verbindungen etwas umständlich wird. Selbstverständlich muß man, falls eine derartige
Umschaltung vorgenommen wird, die gewöhnliche Vorsichtsmaßregel beachten, die Sekundärkreise
der Stromwandler nicht zu unterbrechen, weshalb der Umschalter dann ohne Unterbrechung
ausgeführt werden muß.
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Um nur die Blindleistung zu messen, ist es bei symmetrischer Verteilung
(die im allgemeinen vorhanden ist) offenbar nicht notwendig, beide Leistungszeiger
zu verwenden, da sie ja, wie aus dem obigen hervorgeht, den gleichen Ausschlag geben.
Wesentlich ist nur, daß der oder die verwendeten Leistungszeiger mit der Stromspule
in einer Zuleitung zur Maschine und mit der Spannungsspule zwischen die beiden übrigen
eingeschaltet sind.
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Können zwei Maschinen von genau oder beinahe derselben Größe gleichzeitig
geprüft werden, so kann eine Schaltung nach Abb. g verwendet werden. i ist hier
die Hauptantriebsmaschine und 2 die Hilfsmaschine, wie vo:her, während i und 42
die zu prüfenden Maschinen sind. Die Wicklung der Hilfsmaschine 2 ist in zwei gleiche,
in Reihe geschaltete Teile 21 und 22 unterteilt. Die Klemmen der Maschine i schließen
zwischen den genannten Teilen an. Das entsprechende Vektordiagramm ist in Abb: io
gezeichnet. 0l 0. ist hier die Spannung der Hauptantriebs-Maschine. 0., P, und 0.,
P2 sind die Spannungen der beiden Teile der Hilfsmaschine. Diese Schaltung ergibt,
daß, wenn die Maschine 41 eine verminderte (nacheilende oder niedrigperiodige) aufgedrückte
Spannung erhält und also als Generalor arbeitet, die Maschine 42 glei--hzeitig eine
erhöhte voreilende oder hochperiodige Spannung erhält und als Motor arbeitet. Der
Belastungsstrom wird zwischen den Maschinen 41 und 42 pendeln und die Maschine i
praktisch unberührt lassen. Diese kann also in diesem Falle von bedeutend niedrigerer
Stromkapazität sein, als bei Schaltung nach Abb. 3 erforderlich ist.
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Beim Beginn der Prüfung geht man zweckmäßig so vor, daß die Zusatzmaschine,
die während des Anlassens der beiden Hauptmaschinen in Synchronismus mit der größeren
Antriebsmaschine getrieben (bzw. bei Gleichstrom stillstehend erhalten) wurde, zunächst
auf die höhere Geschwindigkeit gebracht und danach vorsichtig erregt wird, indem
man beachtet, daß ihre Geschwindigkeit annähernd gleich gehalten wird.
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Außer dem Vorteil, eine 'VoIlastprüfung von Maschinen zu ermöglichen,
an denen dies bisher unmöglich war, bietet das Erfindungsverfahren noch den, auch
die Prüfung solcher Maschinen bedeutend zu erleichtern, bei denen eine Vollastprüfung
mit den bisher bekannten Verfahren möglich wäre. Eine derartige Prüfung macht nämlich,
wie schon erwähnt, die mechanische Verbindung der zu prüfenden Maschine mit einer
anderen Maschine derselben Größenordnung notwendig. Diese Verbindung muß wenigstens
bei größeren Maschinen im allgemeinen durch unmittelbare Kupplung erfolgen, da man
gewöhnlich nicht über Riemenscheiben und Riemen von hinreichenden Abmessungen verfügt.
Die unmittelbare Kupplung erfordert sehr zeitraubende Aufrichtung der Maschinen,
und es muß immer genügender Raum für die gleichmittige Aufstellung der Maschine
vorhanden sein. Die Erfindung bietet deshalb auch in den Fällen, in denen sie nicht
die einzige Möglichkeit zur Vollastprüfung darstellt, so große Ersparnis an Zeit,
Raum und Kosten, daß sie auch in diesen Fällen einen erheblichen technischen Vorteil
bedeutet.