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Verfahren zur selbsttätigen Reglung und Stabilisierung von Gleichstrommotoren.
Bei der Übertragung elektrischer Energie durch Gleichstrom von konstanter Stromstärke
bei veränderlicher Spannung ergibt sich die Aufgabe der selbsttätigen Reglung der
Motoren auf eine konstante von der Belastung unabhängige Geschwindigkeit. Das ist
z:B. der Fall bei der Übertragung des Stromes mittels des sogenannten Seriensystems
für die Motoren von Umformergruppen, die in Unterstationen Stromnetze mit konstanter
Spannung speisen sollen.
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Es sind schon verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, um diese
selbsttätige Reglung zu verwirklichen. Sie vermögen aber nicht einen stabilen Lauf
zu erzielen, weil als wesentliche Organe selbsttätige Regler verwendet werden. Diese
sind stets sehr empfindlich; auch hängt von ihrer regelmäßigen Wirkung die richtige
Arbeitsweise der ganzen Anlage ab. Im Fall eines Stillstandes der Regler oder einer
Betriebsstörung derselben wird daher die Geschwindigkeit der Motoren vollkommen
unstabil. Ein regelmäßiger Betrieb läßt sich dann nicht mehr aufrechterhalten.
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Das Verfahren nach der Erfindung gestattet, ohne Verwendung von selbsttätigen
Reglern bei Gleichstrommotoren, die unter veränderlicher Spannung mit konstanter
Stromstärke laufen, völlig stabile, konstante Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten,
und zwar ohne Bürstenverstellung, so daß Wendepole und Ausgleichwicklungen benutzt
werden können, wie dies bei Motoren üblich ist, die von Stromkreisen konstanter
Spannung gespeist werden. Die Konstruktion und der Betrieb von Motoren, die unter
veränderlicher Spannung mit konstantem Strom gespeist werden, wird nunmehr ebenso
einfach, wie in dem Fall von Motoren, die von Netzen konstanter Spannung gespeist
werden.
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Das Verfahren ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der
Erregerstrom des zu regelnden Motors von einem Haupterreger geliefert wird, der
selbst mit zwei einander entgegenwirkenden Erregerwicklungen versehen ist, von denen
die eine durch einen zweiten, von dem zu regelnden Motor angetriebenen Erreger gespeist
wird, während die andere in ihrer Wirkung überwiegende Wicklung von einem, von dem
Hauptstrom des Motors abhängigen Strom gespeist wird. Ein äußerer Transformator,
dessen eine Wicklung in den Hauptstromkreis des Motors liegt und dessen andere Wicklung
in dem vom zweiten Erreger gespeisten Stromkreis oder in dem Erregerstromkreis des
zu regelnden Motors liegt, dient dazu, die schädlichen Wirkungen der gegenseitigen
Induktion der Induktorstromkreise des Haupterregers zu beseitigen.
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Zwischen Leerlauf und voller Belastung ist gewöhnlich eine geringe
Änderung der Geschwindigkeit des Motors zugelassen. Auch diese geringe Änderung
kann beseitigt werden, wenn, entsprechend der Erfindung, der Haupterreger mit einer
dritten Erregerwicklung versehen wird, die in demselben Sinne wirkt wie die vom
Hauptstrom abhängige Wicklung, und die von der Stromeintrittsklemme des Hauptmotors
und der Stromaustrittsstelle der Serienwicklung seiner Erregermaschine abgezweigt
ist. Der Ausgleich läßt
sich so einrichten, daß. die Geschwindigkeit
konstant erhalten wird oder eine gewisse Veränderung mit der Belastung erfährt.
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Auf der Zeichnung sind schematisch drei Ausführungsformen des Verfahrens
gemäß der Erfindung dargestellt.
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Bei der in Abb. r veranschaulichten Anordnung ist der -zu regelnde
Motor M mit einer Erregerwicklung Il versehen, die von einem Haupterreger G2 gespeist
wird. Dieser Erreger kann z. B. durch den zu regelnden Motor M angetrieben werden
oder durch einen Hilfsmotor mit konstanter oder annähernd konstanter - Geschwindigkeit.
Der Erreger G2 ist mit zwei einander entgegenwirkenden Wicklungen I2, J2, versehen,
von denen die eine I2 von einem Hilfserreger G3 gespeist wird; der von - dem zu
regelnden Motor M angetrieben wird, also bei Ausführung als einfache Nebenschlußdynamo
o. dgl., eine von der Drehgeschwindigkeit abhängige Spannung liefert. Ein Regelwiderstand
R2 oder irgendeine andere gleichwertige Vorrichtung gestattet, den Strom in
1, zu regeln. Die andere Wicklung TZ ist in Reihe (entweder unmittelbar oder
mittels eines induktiven oder nichtinduktiven Nebenschluß) in den Hauptstromkreis
eingeschaltet.
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Die Amperewindungen von TZ überwiegen. Wenn der Motor M infolge einer
Vergrößerung seiner Belastung langsamer läuft, wird sein magnetisches Feld sogleich
entsprechend vergrößert, weil die Verlangsamung die elektromotorische Kraft von
G3. verkleinert und infolgedessen die vorhandene Differenz zwischen den Amperewindungen
von 1, und I, vergrößert. Das Drehmoment des Motors M wird im selben Verhältnis
größer und seine Geschwindigkeit nimmt wieder zu. Das Umgekehrte `tritt ein; wenn
die Belastung -des Motors sich verringert oder gar ganz aufhört; die Geschwindigkeit
vergrößert sich in der Tat ein wenig, gleichzeitig nehmen aber auch die Amperewindungen
von I2 zu und infolgedessen verringern sich die Amperewindungen von h und das Drehmoment
des Motors M, so daß seine- Geschwindigkeit ungefähr auf ihren ursprünglichen Wert
zurückgeführt wird.
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Wenn die Erregermaschine G2 in der Weise eingerichtet ist, daß eine
mäßige Erregung genügt, um die normale Erregung von M zu bewirken, und wenn anderseits
jede der Wicklungen I2 und 1, eine verhältnismäßig sehr große Zahl von Amperewindungen
umfaßt, so braucht man nur eine schwache Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Leerlauf
und voller Belastung zulassen, um die selbsttätige Wirkung :des Reglungsverfahrens
zu sichern.
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Die gegenseitige starke Induktion zwischen den beiden Wicklungen Iz
und 1, könnte aber die Reglung verzögern und Pendelschwingungen in der Geschwindigkeit
des Motors M hervorrufen. Nach der Erfindung wird dieser Übelstand vollständig dadurch
vermieden, daß ein äußerer Transformator T zur Verwendung kommt, `dessen Wicklungen
in Reihe mit ZZ bzw. 1z liegen und solche Abmessungen haben, daß die während der
vorübergehenden Perioden in ihnen entwickelten elektromotorischen Kräfte diejenigen
elektromotorischen Kräfte aufheben, die durch gegenseitige Induktion zwischen I2
und 1, während derselben Perioden erzeugt wurden. Man kann sogar die in den
Wicklungen des Transformators T induzierten elektromotorischen Kräfte überwiegen
lassen, so daß die Veränderungen der Spannung der Erregermaschine G2 infolge der
Geschwindigkeitsänderungen des Motors M außerordentlich schnell erfolgen.
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Die Wirkung des Transformators T beschleunigt also die Reglung und
sichert vollständig die Stabilität. Um diese Wirkung zu erleichtern, würde es nützlich
sein, für die Erregermaschine G2 einen wenig gesättigten und unter Umständen geblätterten
magnetischen Stromkreis zu verwenden.
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Der erwähnte Geschwindigkeitsabfall läßt sich verkleinern oder aufheben,
wenn man gemäß der Erfindung den .Erreger G2 noch mit einer dritten Erregungswicklung
i2 versieht, die von der Stromeintrittsklemme des Motors M und der Stromaustrittsstelle
der Wicklung T2 abgezweigt ist, und diesen Erreger proportional der Belastung von
M in demselben Sinne wie die Wicklung J2 erregt. Die Geschwindigkeit kann übrigens
immer, bei allen Belastungen genau konstant gehalten %", erden, indem man die Reglung
mittels eines Geschwindigkeitsreglers beendet, der auf die eine oder die andere
der Erregerwicklungen 1, TZ oder selbst I, einwirkt. Dieser Regler, der die kleinen
Änderungen verbessert, die von der Erwärmung der Wicklungen und den Charakteristiken
der Erreger und des Motors herrühren, wird ein durchaus zusätzliches Organ der Anlage,
dessen zufälliger Stillstand oder Beschädigung nur einen sehr geringen und durchaus
erträglichen Einfluß auf die Wirkungsweise des Motors hat.
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Wenn man die Kurve des Drehmoments als Funktion der Geschwindigkeit
(ohne Verwendung des Geschwindigkeitsreglers) aufzeichnet, bemerkt man, daß diese
Kurve beim Anlassen sehr schnell ansteigt, dann ein Maximum entsprechend der Sättigung
der Feldmagnete erreicht und darauf sehr schnell abfällt, um bei der Maximalgeschwindigkeit
auf Null zu sinken. Das Drehmoment beim Anlassen ist also sehr schwach, da anfänglich
die Geschwindigkeit des Erregers G2,
wenn er von dem Motor M angetrieben
wird, gleich Null ist. Wird der Erreger G. aber von einem Hilfsmotor angetrieben,
so kann das Drehmoment im Gegenteil seinen Höchstwert beim Anlassen erreichen. Der
Wert :des Drehmomentes beim Anlassen läßt sich nach Belieben regeln, indem man den
Hauptinotor M teilweise durch eine direkte Serienwicklung J, (Abb. 2) erregt. Wenn
z. B. die Wicklung Jl die Hälfte der Gesamterregung des Motors 111 liefert, so wird
das Drehmoinent beim Anlassen ein wenig größer sein als die Hälfte des Maximaldrehmoments.
Die Reglung erfolgt also in der Weise, daß bei Leerlauf die Amperewindungen von
I1 denen von J1 entgegenwirken. Die Amperewindungen von I1 vermindern sich in dem
Maße, wie die Belastung zunimmt, werden Null bei einer Belastung, die von der Bedeutung
abhängt, die man J1 gegeben hat, kehren dann ihre Richtung um und wirken in demselben
Sinne wie die Amperewindungen von J1, wobei sie mit der Belastung wachsen. Dies
erfordert, daß für den Leerlauf die Amperewindungen von I, größer sind als die von
I ,ihnen gleichkommen bei einer Belastung, bei der die Polarität des Erregers
G. sich umkehrt, und alsdann fortfahren sich zu verringern, wobei die Amperewindungen
von J, mehr und mehr das Übergewicht bekommen, in dem Maße wie die Belastung zunimmt.
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Abb. 3 zeigt schematisch eine Abänderung des in Abb. 2 dargestellten
Falles, bei der die Erregerwicklungen I, und 1, des Motors 11T zu einer einzigen
Wicklung J vereinigt sind, wobei der Erreger G., um dies zu ermöglichen, von den
Klemmen der Feldwicklung J abgezweigt ist. Der Erreger G, wirkt so als Motor bei
schwachen Belastungen und liefert bei starken Belastungen einen Strom, der in der
Feldwicklung J zu dem Hauptstrom hinzutritt.
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Die in Abb. i, 2 und 3 dargestellten Schaltungen dienen natürlich
nur als Beispiele und können durch andere gleichwertige ersetzt werden.
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Die entsprechend der Erfindung geregelten .Totoren können finit Wendepolen
und Kompensationswicklungen versehen sein. Die Verwendung von selbsttätigen zusätzlichen
Reglern gestattet nach Belieben den mit Bezug auf die Konstruktion günstigsten Sättigungsgrad
zu wählen. Die verschiedenen Stromkreise können natürlich Regelwiderstände -)der
irgendwelche anderen Reglungsvorrichtungen enthalten, die gestatten, den Geschwindigkeitsbereich
zu ändern und die Einschaltung und Ausschaltung des Motors erleichtern.