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Anlage für Asynchronmotoren. Bei Betrieben, die mit negativer Belastung
arbeiten, wie z. B. Förderbetriebe beim Lastsenken oder Bahnbetriebe bei der Talfahrt,
besteht bei Verwendung von Elektromotoren, die in der üblichen Weise über Widerstände
angelassen werden, die Gefahr, daß der Antriebsmotor die normale Betriebsdrehzahl
überschreitet und durchgeht. Um dies zu verhüten, hat man bei Asynchronmotoren den
induzierten Teil in dem Augenblick, in dem
der Motor die synchrone
Drehzahl erreicht, kurzgeschlossen, wodurch die Generatorwirkung erhalten wird,
die dem der treibenden Last entsprechenden Moment bereits bei geringer Überschreitung
des Synchronismus das Gleichgewicht hält. Dabei ist es wünschenswert, daß der Kurzschluß
möglichst genau im Augenblick des Synchrondurchganges erfolgt. Wird nämlich der
Läufer vor Erreichung des Synchronismus kurzgeschlossen, so entwickelt der bis dahin
unter dem Einfluß der Trieblast nahezu unbelastete Motor plötzlich ein sehr hohes
Drehmoment, um den ganzen Förderzug auf Synchronismus zu beschleunigen, was einen
Stoß und beim Förderbetrieb Rutschen des Seiles zur Folge haben kann. Erfolgt das
Kurzschließen erst nach dem Überschreiten des Synchronismus, so setzt ein Verzögerungsstoß
ein, falls die Drehzahl, bei der das Kurzschließen .erfolgt, größer ist als die
übersynchrone Drehzahl, bei der vom Asynchrongenerator der treibenden Last das Gleichgewicht
gehalten wird. Ist aber der Synchronismus im Augenblick des Kurzschließens bereits
weiter überschritten, als der Drzhzahl für das maximale Generatorm@oment im Kurzschluß
:entspricht, so kann das Kurzschließen das Durchgehen nicht mehr verhindern.
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'Auch wenn man das Durchgehen des Asynchronmotors dadurch vermeiden
wollte, daß man seinen induzierten Teil im Augenblick des Synchronismus aus einer
Batterie oder einer Gleichstrommaschine Gleichstrom zuführt, um ihn als Synchrongenerator
auf das Netz zurückarbeiten zu lassen, stößt man auf die Forderung, den Synchronismus
genau zu erfassen. Wird nämlich dem induzierten Teil im Untersynchronismus Gleichstrom
zugeführt, so erzeugt der Motor Ströme netzfremder Frequenz von . beträchtlicher
Größe, die Schwankungen von Spannung und Drehmoment verursachen. Diese Schwankungen
wirken schädlich auf die Zentrale zurück und können bei Förderbetrieben auch Seilrutschen
zur Folge haben. Immerhin wird beim Erreichen des Synchronismus noch die Bremsung
einsetzen. Wird aber erst im Übersynchronismus umgeschaltet, so kann ein Durchgehen
nicht mehr verhütet werden.
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Gegenüber dem Kurzschlußverfahrem hat die Erzeugung der Generatorwirkung
durch Gleichstrom den Vorteil, daß die Bremsperiode an die Fahrperiode durch einfache
Umschaltung des Motors vom Netz. auf Bremswiderstände angeschlossen werden kann.
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Nach der Erfindung soll eine Anordnung getroffen werden, bei der einerseits
das Durchgehen unabhängig von der genauen Erfassung des Synchronismus verhindert
wird, anderseits der unmittelbare Anschluß der elektrischen Verzögerungsbremsung
an die Fahrperi;ode ermöglicht wird. Dies wird dadurch erreicht, daß man die Generatorwirkung
anstatt durch Kurzschluß des induzierten Teils oder durch Einführung von Gleichstromeiner
Batterieoder einer Gleichstromdynamo in den induzierten Teil des Motors durch eine
Erregung erzeugt, die durch eine Wechselstromkommutatormaschine in dem induzierten
Teil des Motors hervorgebracht wird.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Abb. i der Zeichnung veranschaulicht.
Mit a ist ein Drehstromfördermotor bezeichnet, der eine Seiltrommel b antreibt und
aus dem Netz c über den Schalter d gespeist wird. Mit ihm ist nach der Erfindung
ein Freqwenzwandler e mechanisch gekuppelt, dessen Schleifringseite über den Transformator
f mit den Klemmen des Fördermotors verbunden ist und bei eingelegtem Schalter d
vom Netz c gespeist wird. Durch einen Umschalter g werden die Schleifringe des Fördermotors
entweder mit dem Anlaßwiderstand h oder mit der Kommutatorseite des Frequ:enzwandlers
verbunden. Bei eingeschaltetem Anlaßwiderstand verläuft die Spannung des induzierten
Teiles beim Anlauf des Motors, während die Drehzahl des Motors sich dem Synchronismus
nähert, nach der in Abb. a dargestellten Kurve x. Amplitude und Frequenz
der Spannung nehmen nach dem Zeitpunkts des Synchronismus zu ab. Die Spannung an
den Kommutatorbürsten des über den Transformator vom Netz gespeisten Frequenzwandlers
hingegen verläuft gemäß der Linie y. Die Amplitude der Spannung behält hier ihre
Größe, während die Frequenz ebenfalls abnirnrnt. Die gegenseitige Lage der beiden
Kurven wird durch die Einstellung der Kupplung der beiden Läufer bestimmt. Schaltet
man nun im Punkt p, in dem beide Kurven einander schneiden, in dem also beide Spannungen
einen einander gleichen, von Null verschiedenen Wert besitzen, an Stelle des Anlaßwiderstandes
des Fördermotors die Kommutatorseite des Frequenzwandlers auf den Läufer des Motors,
so wird die Generatorwirkung mit zunehmender Geschwindigkeit allmählich .einsetzen
und anwachsen. Ein Stromstoß kann dabei nicht auftreten, da i das Motordrehmoment
durch das Umschalten bei Spannungsgleichheit nicht geändert wird. Ströme netzfremder
Frequenz können auch nicht auftreten, da die Frequenz im induzierten Teil des Hauptmotors
infolge der mechani- i scheu Kupplung jederzeit mit der Frequenz auf der Kommutatorseite
des Frequenzwandlers übereinstimmt. Auch beim Umschalten in Über- und Untersynchronismus
bei Geschwindigkeiten, bei denen keine Spannungsgleichheit besteht, ist die Erzeugung
netzfremder Frequenzen aus demselben Grunde unmöglich.
Die Generatorwirkung
kann auch dann stets hervorgerufen werden. Durch geeignete Wahl der Schleifringspannung
des Frequenzwandlers und durch die Einstellung der Relativlage beider Läufer mittels
der Kupplung hat man es in. der Hand, die Drehzahl, bei- der die maximale Generatorwirkung
auftritt, sowie den Leistungsfaktor, mit dem die Energierückgabe stattfindet, einzustellen.
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Für die Verzögerungsbremsung wird die Schleifringseite des Frequenzwandlers
über den Transformator an den Ständer des Drehstrommlotors angeschlossen, während
dieser vom Netz getrennt und auf Widerstände k geschaltet wird. Zweckmäßig wird
die Schleif= ringseite des Frequenzwandlers von vornherein an die Klemmen des Ständers
des Drehstrommotors, also zwischen diesen und seinen Netzschalter d, gelegt, so
daß ein besonderes Schalten für die Schleifringseite des Frequenzwandlers 'überhaupt
nicht erforderlich ist.
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In den beschriebenen Schaltungen wird der Frequenzwandler sowohl beim
Rückarbeiten des Drehstrommotors als auch während der Verzögerungsbremsung einen
Drehstrom sehr geringer Frequenz zur Erregung in den Läufer des Drehstrommotors
senden, der im Grenzfalle auch zum Gleichstrom werden kann.
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Bei der beschriebenen Anordnung ist indessen eine Verzögerungsbremsung
bis zum Stillstand nicht durchführbar, da die Erregung des abzubrems,enden.Asynchronmotors
mit abnehmender Drehzahl schwächer wird. Um dies zu vermeiden, wird nach der Erfindung
ein fremd angetriebener Frequenzwandler verwendet, der im Gegensatz zu der vorher
beschriebenen Anordnung während der Verzögerungsperiode des Hauptmotors mit seinen
Schleifringen am Netz liegt, während der übrigen Zeit aber von diesem abgeschaltet
ist. Dieser Frequenzwandler verwandelt während der Verzögerungsperiode den seinen
Schleifringen zugeführten Strom von Netzfrequenz auf der Kommutatorseite in einen
Strom geringer Frequenz für die Erregung des Hauptmotors. Bei konstanter Drehzahl
des Frequenzwandlers bleibt die Stärke und Frequenz dieses Erregerstromes konstant
und unabhängig von der Drehzahl des Hauptmotors. Die Stärke erreicht ihr Maximum,
wenn der Frequenzwandler entgegeng;,setzt synchron zu dem vom Netz zugeführten Drehfelde
angetrieben wird. In diesem b; sänderen Falle wird der Hauptmotor von dem Frequenzwandler
mit Gleichstrom erregt, bei allen anderen Drehzahlen mit Wechselstrom. Die Frequenz
dieses Wechselstroms hängt ab von der Abweichung des Frequenzwandlers vom Synchronismus.
Infolge der Reakta,nz des Teiles des Hauptmotors, den der Erreger-Strom durchfließt,
wird daher mit zunehmender Frequenz der Erregerstrom und damit die Bremskraft des
Hauptmotors trotz gleichbleibender Spannung am-Frequenzwandler abnehrren. Dies wird
nach der Erfindung zur Veränderung des Bremsmoments cles Haupttnotors verwendet,
indem man die Geschwindigkeit des den Frequenzwandler antreibenden Motors ändert.
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Für das Rückarbeiten auf das Netz zur Verhütung des Durchgehems des
Hauptmotors wird der Frequenzwandler nur mit seiner Kommutatorseite an den induzierten
Teil des Hauptmotors ;angeschlossen, seine Schleifringseite bleibt vom Netz abgeschaltet.
Der Schlupfstrom des Hauptmotors muß dann über den Kommutator den Läufer des Frequenzwandlers
durchfließen und ihn dabei magnetisieren. Durch Rotation in dem vom Schlupfstrom
im Frequenzwandler hervorgebrachten Felde kommt in bekannter Weise wie bei einem
Phasenkompensator der Magnetisierungsstrom für den Hauptmotor zustande, der im vorliegenden
Falle zum Rückarbeiten des Hauptmotors auf das Netz zwecks Verhüten. des Durchgehens
verwendet wird.
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Auch wenn Synchronismus nicht erreicht wird, wie dies bei positiver
Belastung der Fall ist, kann es vorteilhaft sein, den vom Netz abgeschalteten Frequenzwandler
am Ende der Anlaufperiode an den induzierten Teil des Hauptmotors anzuschließen.
Er wirkt dann während der untersynchronen Fahrperiode als Phasenkompensator. Dies
ist besonders vorteilhaft beim Bahnbetrieb, weil hier durch Entlastung der Strecke
von wattlosen Strömen eine stärkere Ausnutzung bestehender Strecken ermöglicht wird
und bei Entnahme reinen Wattstromes die Überlastungsfähigkeit der Lokomotiven erhöht
wird. I ! Ein Ausführungsbeispiel mit Fremdantrieb des Frequenzwandlers ist für
Förderbetrieb in Abb. 3 der Zeichnung dargestellt. Hier wird der Frequenzwandler
,e von einem Antriebsmotor m unabhängig vom Hauptmotora angetrieben, die Anschlußleitungen
von der Schleifringseit@e des Frequenzwandlers sind über :einen Schalter jt und--
einen Transformator f an das Drehstromnetz geführt. Für die dargestellte Bremsschaltung
ist der Schalter tt geschlossen, während der übrigen Zeit hingegen wird er geöffnet.
Er wird zweckmäßig mit dem Umschalter d gekuppelt.
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Auch bei Verwendung des fremdangetriebenen Frequenzwandlers braucht
der Synchronismus zur Verhütung des Durchgehens nicht scharf erfaßt zu werden, weil
einmal beim Umschalten des induzierten Teiles des Hauptmotors von dem Anlaßwiderstand
auf
die Kommutatorseite des Frequenzwandlers der Stromstoß infolge
des Widerstandes des Frequenzwandlers nicht so groß wird wie beim unmittelbaren
Kurzschließen des Anlaßwiderstandes nach dem bekannten Verfahren, und zum anderen
netzfremde Frequenzen nicht auftreten können, da das Feld im Frequenzwandler erst
vom Schlupfstrom erzeugt wird und infolgedessen der vom Frequenzwandler gelieferte
Magnetisierungsstrom immer die gleiche Frequenz wie der Schlupfstrom selbst besitzt.
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Man kann auch den Frequenzwandler den Nullpunkt des Anlassers bilden
lassen. Dann ist ein Umschalten am Ende der Fahrperiode nicht erforderlich, da nach
Abschaltung des Anlaßwiderstandes der Frequenzwandler ohne weiteres unmittelbar
an den Schleifringen des Hauptmotors liegt. Sind bei einer treibenden Last die Anlaßwiderstände
noch nicht ausgeschaltet, wenn der Synchronismus erreicht wird, so ist zur Verhütung
des Durchgehens nur noch eine Überbrückung der Restwiderstände nötig.
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Der Frequenzwan'dler mit Fremdantrieb kann auch mit Vorteil zur Erzielung
kleiner Fahrgeschwindigkeiten, wie sie im Förderbetrieb, z. B. bei Seilrevisionsfahrten,
notwendig sind, verwendet werden. Zu diesem Zweck wird der Fördermotor mit seinem
Ständer oder Läufer an den Bremswiderstand angeschlossen und seinem Läufer oder
Ständer durch den Frequenzwandler, dessen Schleifringe vom Netz gespeist werden,
Wechselstrom geringer Periodenzahl zur Erregung zugeführt. Im Gegensatz zu der gebräuchlichen
Gegenstromschaltung des Motors, bei dem eine dem Gegendrehmoment tentsprechende
Leistung dem Netz entnommen wird, braucht das Netz in diesem Fall nur die sehr geringe
Energie zu liefern, die den Strom-Wärmeverlust des Erregerstromes der Anlage deckt.
Die im Bremswiderstand vernichtete Energie entspricht nur dem Arbeitsinhalt der
niedergehenden Last, der Bremswiderstand kann daher wesentlich kleinere Abmessungen
erhalten als bei dem bekannten Gegenstrom-fahren.
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Eine Änderung der Senkgeschwindigkeit kann bei gegebenem Bremswiderstand
und gebebener negativer Belastung wiederum in sehr einfacher -Weise dadurch herbeigeführt
werden, daß die Drehzahl des Frequenzwandlers geändert wird. Die kleinste Senkgeschwindigkeit
erhält man, wenn der Frequenzwandler entgegengesetzt synchron zu dem ihm zugeführten
Felde angetrieben wird, er also am Kammutator Gleichstrom liefert.
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Der fremd angetriebene Frequenzwandler kann nach der Erfindwig auch
dazu verwendet werden, um dein Hauptmotor für niedere Fahrgeschwindigkeiten Wechselstrom
niederer Periodenzahl zuzuführen, mit dessen Hilfe dieser mit geringer Drehzahl,
also sehr langsam, bewegt werden kann. Dieser langsame Antrieb ist bei Förderantrieben
sehr wichtig für das Umsetzen des Förderkorbes sowie für Seilrevisionsfahrten, `die
dann Nicht mehr mit einer toten. Last ausgeführt zu werden brauchen. Im Bahnbetrieb
ist er vortellhaft für das Rangleuen. War läßt in diesen Fällen den Frequenzwandler
zusammen mit dein Motor in der Bremsschaltung arbeiten, indem man den Frequenzwandler
mit geringem Schlupf, je nach der gewünschten Drehrichtung, untersynchron oder übersynchron
antreibt. Der Frequenzwandler, der iln Synchronlauf Gleichstrom an den Hauptmotor
liefert, also kein Drehmoment 'm diesem erzeugt, wird dann Drehstrom niederer Frequenz
in den Hauptmotor senden und diesen langsam in der einen oder anderen Richtung antreiben.
Um :das erforderliche Drehmoment zu liefern, ist auch noch eine Regelung der Spannung
des Frequenzwandlers erforderlich. Die Geschwindigkeitsregelung erfolgt zweckmäßig
allmählich, um die Bewegung des angetriebenen Förderkorbes oder der Lokomotive stoßfrei
einzuleiten. Dieser Zweck kann aber auch dadurch erreicht werden, daß der Bremswiderstand
des Hauptmotors allmählich verändert wird. Durch dieses Mittel die langsame Fahrt
zu erzielen, wird erreicht, daß die Anlage auch für langsame Fahrt ständig in Bremsschaltung
bleibt, und daß für das Umsteuern keine Schaltung von Starkstromkreisen erforderlich
ist. Beides bedeutet Beine wesentliche Vereinfachung der ganzen Steueranlage. Insbesondere
wird aber für die langsame Bewegung nur so viel Energie aus dem Netzentnommen, wie
nach Abzug der unvermeidlichen Verluste zur Arbeitsleistung verwendet wird und nicht
Energie, die in den Anlaßwiderständen nutzlos verzehrt wird.
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Im übrigen können für die Regelung der Kollektormaschine, sei es,
däß sie als Frequenzwandler oder ,als Phasenkompensator arbeitet, auch die übrigen
bekannten Regelungsmittel, wie Bürstenverschiebung, Parallelschaltung von -Ohmschen
oder induktiven `Viderständen benutzt werden.