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Umschalteeinrichtung für die Statorwicklung von Wechselstrom-Induktionsmotoren.
Das Patent 402165 stellt die bisher wenig beachtete physikalische Erscheinung, daß
mit dem Abschalten der Statorwicklung eines Wechselstrom-Induktionsmotors vermöge
der Dämpferwirkung der geschlossenen Läuferwicklung das Feld nicht sofort verschwindet,
sondern nur allmählich abklingend den umlaufenden Rotor vorübergehend zum Polrade
einer Synchronmaschine macht, das in den Statorwicklungen zunächst noch Spannungen
von der Größenordnung ider vor dem Abschalten bestandenen Spannungen erzeugt, in
den Dienst solcher Einrichtungen, welche im Zusammenhange mit den Umschaltevorgängen
der Statorwicklung eine Rolle spielen.
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So wird dort eine elektrische Umschalteeinrichtung beschrieben, welche
gestattet, die für den Neuaufbau des Feldes beim Wiedereinschalten sowohl hinsichtlich
des Einschaltestromstoßes (rush ) als auch hinsichtlich mechanischer Wirkungen entscheidend
wirkende Phasenlage der neu aufzuschaltenden Spannung zu der vom Asynchr onläufer-Polrade
induzierten Spannung durch geeignete Bemessung der Umschaltezeit zu beherrschen.
Die maßgebenden Merkmale erstrecken sich darauf, daß sich der Umschaltevorgang ein
wie das andere Mal mit einer bestimmten, unter Umständen auch einstellbaren Geschwindigkeit
vollzieht, so zwar, daß während der Umschaltzeit vom Asynchronläufer-Polrade räumlich
ein so großer Winkel zurückgelegt wird, daß er im Falle einer gewünschten weitgehenden
Herabminderung des Einschaltestromstoßes die Phasenverschiebung der aufeinander
zu schaltenden Spannungen in dieser Umschaltezeit gerade aufhebt. Es war dabei beispielsweise
von einem Winkel der elektrischen Phasenverschiebung von 3o° die Rede.
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Gegenstand des vorliegenden Zusatzpatentes ist nun, das Abfangen der
Phasenlage durch einen Umschalter mit bestimmt bemessener Umschaltegeschwindigkeit
nicht nur auf einen einzigen Winkel der elektrischen Phasenverschiebung zu beschränken,
sondern auf mehrere gegebenenfalls bis zur Höchstzahl der überhaupt möglichen Winkel
auszudehnen. Derartige Winkel stehen aus der Kombination der Enden der Zuleitungsdrähte
der anzulegenden Spannung gegenüber den Wicklungsenden zur Verfügung.
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Beispielsweise bestehen bei einem rotierenden Einphasen-Induktionsmotor
vom Augenblicke des Abschaltens an zweierlei Spannungen: 1. die Spannung in der
Wicklung, wie sie vom Asynchronläufer-Polrade induziert wird, und 2. .die neu anzulegende
Spannung. Die Zuführungsdrähte der neu anzulegenden Spannung lassen sich an die
Wicklungsenden entweder .im alten Sinne anlegen oder aber vertauscht anschließen.
Würde es möglich sein, das Umschalten zeitlos zu vollziehen, dann würde im ersteren
Falle die Wicklungsspannung mit der neu angelegten Spannung in Phase geblieben,
im letzteren Falle aber eine Verschiebung um 18o° eingetreten sein. Da nun in der
unvermeidlichen Umschaltezeit das Asynchronläufer-Polrad hinter der Synchrongeschwindigkeit
zurückbleibt, so verschiebt sich die Phase der von ihm in der Wicklung erzeugten
Spannung gegenüber der neu anzulegenden Spannung mehr und mehr. Im ersteren Falle
müßte der Läufer durch seine relative Bewegung gegenüber dem synchronen Feldvektor
während der Umschaltezeit einen Winkel, entsprechend einer elektrischen Phasenverschiebung,
von 36o° räumlich zurücklegen, im letztern Falle aber von 18o°, um die neue Spannung
zu dem nächst möglichen Zeitpunkte in Phasenübereinstimmung wieder aufschalten zu
können. Es bestehen hier also zwei Möglichkeiten, die Umschaltegeschwindigkeit des
Schalters der elektrischen Phasenlage anzupassen.
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Bei einem von einem Mehrphasensystem gespeisten Motor stehen nicht
nur die Vertauschungen der Zuführungsleitungen der
betreffenden
Phasenspannungen zur Verfügung, sondern auch noch die Vertauschung der Spannungen
der einzelnen Phasen unter sich, solange nur dabei so vorgegangen wird, daß der
Drehsinn des vom Mehrphasensystein im Motor erzeugten Drehfeldes unverändert bleibt.
Dies ist dann der Fall, wenn man die Kombinationsmöglichkeiten der Wicklungsenden
mit den Anschlußdrahtenden auf die Regeln der zyklischen Vertauschung beschränkt.
So ergibt sich aus einem m-Phasensystem eine z m-fache Zahl solcher räumlich vom
Rotor in der Umschaltezeit zurückzulegender Winkel, mittels welcher die Phasenverschiebung
abgefangen werden kann. Es handelt sich also darum, daß die Enden der Statorwicklung
bei dein Wiedereinschalten andere Zuleitungsdrähte vorfinden als bei der gerade
vorher gelösten Verbindung.
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Am Beispiele eines Dreiphasen-Wechselstromsy stems erläutern die Abb.
i bis 18 an Hand des konkreten Beispieles eines Sterndreieckschalter s diese Zusammenhänge.
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Die Abb. i zeigt die bekannte Sternschaltung mit den Zuleitungsdrähten
R, S, T, welche an die Wicklungsenden U, V, f- angeschlossen sind, während die anderen
Wicklungsenden X, I", Z zum Sternpunkte vereinigt sind.
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Die Abb. z gibt als Vektordiagramm die Lage der Spannungen zwischen
den Zuleitungsdrähten gegenüber -den Spannungen an den einzelnen Wicklungen, wenn
in einem bestimmten Augenblicke zeitlos in die Dreieckschaltung gemäß der Abb. 3
übergegangen werden würde. Die unmittelbar rechts ler Abb.3 gezeigte Abb.9 bringt
als Ergebnis, daß die angelegte Spannung in diesem Falle gegenüber der Wicklungsspannung
in jeder Phase gleichzeitig eine Phasenverschiebung von 330' im nacheilenden
Sinne besitzt.
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Die Abb. q., 5, 6, 7 und 8 kennzeichnen die übrigen Kombinationsmöglichkeiten
der zyklischen Vertauschung beim Übergange zur Dreieckschaltung und die unmittelbar
rechts danebenstehenden Abb. io, 11, 12, 13 und 14. den jeweils zugehörigen, allen
drei Phasen gemeinsamen Winkel der Phasenverschiebung zwischen der neu anzulegenden
Spannung und der Wicklungsspannung im nacheilenden Sinne, Winkel, welche vom Asynchronläufcr-Polrade
entsprechend räumlich zurückzulegen sein würden bzw. welche durch entsprechende
Bemessung der Urnschaltegeschwindigkeit abzufangen sind, wenn Phasenübereinstimmung
erzielt werden soll.
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Die Abb.15 zeigt ein Beispiel der konstruktiven Verwirklichung eines
Schalters, welche in w eitgellendster Weise die sechs Kombinationsmöglichkeiten
der Spannungsanlegung beim Übergange von der Sternschalteng in die Dreieckschaltung
der Wiekhing zuläßt, in der Achsrichtung seiner schaltenden Drehbeweglichkeit gesehen.
Durch den Isolierkörper i voneinander getrennt sind für die beiden Schaltstellungen
»Stern« und »Dreieck« zwei verschiedene in jeweils einer Ebene befindliche Kontaktfingerreihen
angeordnet, welche durch eine Schwenkbewegung des um die Achse y drehbaren Schalt-@valzensektors
u, bestrichen «-erden. Jeder Kontaktfinger f der Kontaktfingerreihe für die Sternstellung
steht vermittels der Anschlußklemme a und der Verbindungsleitung L in unmittelbar
elektrischer Verbindung finit den Wicklungsteilen bzw. den Zuführungen und verkörpert
ein Ende U, Il, W, Y, X, Z
der Wicklung oder ein Ende der Zuführungsdränte
R, S, T. Die Kontaktfingerteile g für die Dreieckschaltung dagegen gelangen erst
unter Vermittlung einer Umschaltewalze -zc in Verbindung mit jenen Anschlußklemmen
a. Die für sechs verschiedene Schaltstellungen eingerichtete Umschaltewalze u trägt
an ihrem Umfange Kontaktklötze b, welche unter sich so verbunden sind, daß die auf
ihnen aufliegenden Kontaktklötze ia und in, je nach der Stellung der Umschaltewalze
-fit, an den Kontaktflächen d eines der sechs Schaltungsschematas der Abb.3 bis
8 verwirklichen. Bei einer Drehung des in der ausgeschalteten ,littellage dargestellten
Schaltwalzensektors w um den Winkel a berühren dessen -etwa durch
die Isolation z von ihm isolierten - Kontaktleisten k die Kontaktklötze s jener
in fester elektrischer Verbindung mit der zu schaltenden Maschine angeordneten Kontaktfinger
f und bewirken dort nach Maßgabe des linken Teiles des Schaltungsschemas der Abb.
16 die normale Sternschaltung der Abb. i. Die Kontaktgebung ist dabei beispielsweise
die eines reinen Druckkontaktes, um bei der Lösung des Kontaktes eine die Regelmäßigkeit
der Umschaltebewegung bzw. der Umschaltegeschwindigkeit störende Beeinflussung zu
vermeiden. Wind nun zum Zwecke der Umschaltung der Schaltwalzensektor w um den Winkel
a zurückgeschnellt und darüber hinaus noch zur Zurücklegung des Winkels 6 gezwungen,
dann gleitet dessen Kontaktleiste c unter die Kontaktklötzed derKontaktfinger g
und stellen damit je nach der Stellung der Umschaltewalze u eine Neueinschaltung
in Dreieckschaltung nach einer der sechs Kombinationsmöglichkeiten her. Der rechte
Teil,des Schaltungsschemas der Abb. 16 zeigt, welche Bedeutung den einzelnen Kontaktfingerklötzen
a .durch die Umschaltewalze 2c beigelegt wird und welche Phasenwinkel damit unter
geeigneter Bemessung der Umschaltegeschwindigkeit entsprechend räumlich .durch Abweichung
der Rotorgeschwindigkeit
von der synchronen Geschwindigkeit vom
Asynchrbnläufer-Polrade zurückzulegen sind, wennPhasenübereinstimmung gewünscht
wird.
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Die Abb. 17 und 18 zeigen im Schnitt und teilweisen Schnitt
eine ähnliche Umschalteeinrichtung, welche unter Vermeidung der besonderen Umschaltewalze
zc die zyklische Vertauschung der Bedeutung der »Dreieck«-Kontaktfingerklötze d
zwanglos dadurch vorzunehmen gestattet, daß die Kontaktfinger anstatt .in einer
Reihe am Kreisumfange angeordnet sind. Entsprechend den drei Phasen sind hier drei
am Umfange verteilte Gruppen geschaffen, welche auf den Isolierkörpern i wiederum
die für Stern und Dreieck getrennten Kontaktfingerteile s, f bzw. d, g aufweisen
und welche von der Schaltwalze w bzw. ihren dreifach ausgebildeten Kontaktleisten
k und c wie vordem bestrichen werden. Die Kontaktfinger der drei Gruppen sind dabei
in drei verschiedene Ebenen gelegt, so zwar, daß gleichzeitig diejenigen Kontaktfinger
g, welche in zyklischer Reihenfolge an die Zuleitungen R, S, T zu legen sind, ferner
jene, welche an die Wicklungsenden U, V, W
und endlich diejenigen,
welche an die Wicklungsenden X, Y, Z angeschlossen werden müssen, jeweils
sich in einer gemeinsamen Ebene befinden. In diesen Ebenen ragen an dem äußeren
Umfange Kontaktknöpfe za heraus, welche an den entsprechend verlängerten Kontaktfingern
g angebracht sind. Diese Knöpfe n legen sich federnd gegen Hülsen 1z., welche
von einem über den äußeren Umfang des Schalters geschobenen Ring r gefaßt werden
und welche an die biegsam gedachten Leitungsdrähte L angeschlossen sind. Durch einfaches
Verdrehen der A..schlußringe r am Umfange, wobei die Kontaktknöpfe za in entsprechende
Aussparungen q federnd zurücktreten, können der Reihe nach in den einzelnen Ebenen
die zyklischen Vertauschungen in der Anschlußbedeutung der Kontaktfingerklötze d
für die Dreieckstellung vorgenommen werden. Wie das Schaltungsschema der Abb. 16
zeigt, lassen sich die einzelnen Gruppen, unter denen die Drahtvertauschungen vorzunehmen
sind, so einordnen, ,daß beispielsweise die Bedeutung der zur Bedienung der Wicklungsenden
U, V, W dienenden Kontaktklötze d keinerlei Veränderung erfährt und
die gesamten sechs Möglichkeiten lediglich durch die zyklische Vertauschung von
R, S, T einerseits und X, Y, Z andererseits beherrscht werden. Somit ist
es möglich, in nur zwei der drei Ebenen des Schalters nach Abb. 17 und 18 drehbare
Anschlußringe r vorzusehen, während in der dritten im Beispiele mittleren Ebene
sämtliche Anschlüsse ebenso unverändert bleiben können, wie dies für die zur Sternschaltung
dienenden Kontaktfinger f in allen drei Ebenen der Fall ist.
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Auf diese Weise werden, unbeschadet der am Schalter hervorgebrachten
und bestehenden Umschaltegeschwindigkeit, durch einfaches Verdrehen der beiden Anschlußringe
r die sechs Möglichkeiten der Phasengegenüberstellung zwischen Wicklungsspannung
und der anzulegenden Spannungen hervorgebracht.
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Die beispielsweise gezeigten Vertauschungsmöglichkeiten gehen von
der Sternschaltung aus und erstrecken sich auf Anschlußv ertauschungen bei der Dreieckschaltung.
Es läßt sich natürlich mit demselben Endergebnisse auch von der Dreieckschaltung
ausgehen und das Schaltungsschema der Abb. 16 so aufbauen, daß auf der Sternseite
die zyklischen Vertauschungen vorgenommen werden, die Dreieckseite dafür feste Anschlüsse
erhält. Zu diesem Zwecke würden z. B. die Anschlußklemmen a der Abb. 15 nach der
anderen Seite verlegt und anstatt an f an den Kontaktfingern g angeordnet werden
und die Kontaktklötze b der Umschaltewalze u unter sich in entsprechend geänderte
elektrische Verbindung zu bringen sein.
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Es ist naturgemäß nicht unbedingt notwendig, den Schalter so zu bauen,
daß an ihm stets sämtliche Kombinationsmöglichkeiten herstellbar sind, sondern es
ist auch ihre nur teilweise Anwendung möglich. So geht aus der Abb. 16 ,in ihrem
rechten Teile aus einem Vergleiche der Drahtanschlußordnung für die erste Spalte
(33o°) mit der letzten Spalte (30°) unmittelbar hervor, daß gegenüber der Sternstellung
nur die Klemmen X, Y, Z zu
vertauschen sind, um diese beiden Kombinationsmöglichkeiten
zu erfassen. Da nun in der Sternstellung ohnehin die Wicklungsenden X, Y,
Z im Sternpunkte vereinigt sind, also dasselbe Potential haben, so ließe sich deren
Vertauschung unter sich ohne jede Störung der Sternschaltung auch dort und auch
gegebenenfalls durch bloßes Umklemmen der betreffenden Leitungsenden von Hand vornehmen,
ohne dabei in die Dreieckschaltung eingreifen zu müssen. Es ließe sich somit für
den Fall, daß nur zwei der Phasenwinkel kombiniert werden sollen, dazu übergehen,
die bekannten Schaltpläne üblicher Sterndreieckschalter zu verwenden, sofern nur
der Schalter so konstruiert ist, daß er den Erfordernissen einer gleich bleibenden
bzw. einstellbaren Umschaltegeschwindigkeit gerecht wird.
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Anstatt den Schalter mit für beide Schaltstellungen getrennten Kontaktfingeranordnungen
zu bauen, welche von unverändert bestehenden Kontaktschienen k, c seines beweglichen
Teiles
berührt werden, ließen sich die Vertauschungen auch so vornehmen, daß die Schaltungen
an den Kontaktschienen verändert werden bzw. Kontaktschienen mit veränderten Schaltungen
zur Berührung gelangen, während die Anschlüsse an den Kontaktfingern fest bleiben,
wobei auch mit nur einer Kontaktfingerreihe ausgekommen werden könnte. Je nach der
gewünschten Vertauschung würden dann die Kontaktfinger durch die gerade in Betracht
kommende Schaltung der sie berührenden Kontaktleisten unter sich andere Bedeutungen
erlangen. Auch eine beliebige Kombination unter den betrachteten Ausführungsarten
ist möglich.
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Es ist für die Arbeitsweise des Schalters nicht wesentlich, daß die
Vertauschungen der Wicklungs- und Zuleitungsanschlüsse durch irgendwelche einfach
zu bedienenden besonderen Einrichtungen hergestellt werden. Es ließen sich vielmehr
ohne weiteres die Vertauschungen auch durch Umklemmen von Hand herstellen.
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Es bleibt ferner unbenommen, entweder die am Schalter herrschende
Umschaltegeschwindigkeit unverändert zu belassen und den räumlich vom Asynchronrotor-Polrade
relativ gegenüber dem synchron rotierenden Feldvektor in der Urnschaltezeit zurückgelegten
Winkel durch entsprechendes Herausgreifen eines Winkels aus den in sechs Stufen
einstellbaren Phasenwinkeln gegenüberzustellen oder aber auch außerdem noch gleichzeitig
d#e Umschaltegeschwindigkeit mit zu variieren. Die Umschaltegeschwindigkeit selbst
und ihre Veränderung wird beispielsweise mit Hilfe der in der Patentschrift 405468
beschriebenen Schaltevorrichtung eingestellt und erreicht. Es besteht also die 3Zöglichkeit,
das Aufschalten der neuen Spannung in bestimmter Phasenlage gegenüber der «icklungsspannung
geschehen zu lassen und somit entscheidende Einflüsse für die beim Neuaufbau des
Feldes in Betracht kommenden Vorgänge teils elektrischer, teils mechanischer Natur
auszuüben. Es schreibt also gewissermaßen der gerade gewählte Phasenwinkel nach
Maßgabe der am Asynchronläufer-Polrade in der Umschaltezeit bestehenden Abweichung
von der Synchrongeschwindigkeit die Umschaltegeschwindigkeit vor.
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ES bleibt freigestellt, sich zur weiteren Verfeinerung der Wirkungsweise
der Umschalteeinrichtung der bekannten Mittel der Vorkontaktwiderstände (Schutzwiderstände')
in beliebiger Anordnung außerdem noch zu bedienen.
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Die Anwendung der Umschalteeinrichtung bleibt nicht darauf beschränkt,
einen Umschaltevorgang beim Anlaufen des Motors einmal zu vollziehen, sondern läßt
sich in beliebig häufiger Umschaltefolge verwirklichen. Es steht frei, außerdem
die Umschalteeinrichtung mit allen möglichen zusätzlichen Konstruktionen selbsttätiger
oder nicht selbsttätiger Art zu Bedienungs- und Sicherungszwecken zu vereinigen.
Es kann auch ohne weiteres dazu übergegangen werden, sowohl den Umschalter selbst
als auch die besondere Vorrichtung zur Herstellung der zyklischen Vertauschungen
anstatt unmittelbar von Hand zu betätigen durch die Vermittlung beliebiger, besonders
gesteuerter Zwischenorgane betätigen zu lassen.