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Synchronmaschine für asynchronen Anlauf mit dreiphasiger Läuferwicklung.
Das Bestreben, Motoren zu besitzen, welche die bekannten Vorzüge der asynchronen
und synchronen Mehrphasenmaschinen in sich vereinigen, hat eine Reihe von Schaltungen
bekannt werden lassen, welche in der Hauptsache bezwecken, den Mehrphaseninduktionsmotor
in bekannter Weise unter Verwendung von Widerständen anzulassen und durch Speisen
der Rotorwicklung mit Gleichstrom zu einem brauchbaren Synchronmotor zu machen.
Soweit man sich hierzu eines normal gebauten Induktionsmotors bediente, ergab sich
der Übelstand, daß derselbe im synchronen Lauf nur eine sehr geringe Überlast-.
barkeit aufwies, da das Verhältnis Feld-Ampere-Windungen zu Anker-Ampere-Windungen,
welches die Überlastbarkeit bestimmt, hier verhältnismäßig klein ist. Da jedoch
eine bestimmte Überlastbarkeit des Motors gefordert werden muß, sinkt seine Ausnutzungsfähigkeit
ganz erheblich, so daß für eine bestimmte Leistung eine wesentlich größere Maschine
als für asynchronen Betrieb gewählt werden muß.
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Die Erfindung bezweckt, unter Benutzung des an sich bekannten dreiphasigen
Anlassens und des Synchronisierens mittels Gleichstroms durch eine besondere Ausbildung
des Läufers und der Läuferwicklungen die Ausnutzung des Motors erheblich zu verbessern
und gleichzeitig den Anlaufvorgang möglichst zu vereinfachen. Es wird dies dadurch
erreicht, daß bei dem bekannten Läufer mit nur zwei in üblicher Weise um etwa i2o°
elektrisch versetzten Phasenwicklungen und einer dritten als in sich dauernd kurzgeschlossene
Dampferwicklung ausgeführten Läuferphase die letztere mit hoher Selbstinduktion
als stromverdrängende Wicklung ausgebildet ist.
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Abb. i zeigt die Schaltung der Wicklung; a und b stellen die
zwei um etwa i2o° versetzten Phasenwicklungen, c die kurzgeschlossene, die dritte
Phase bildende Dampferwicklung dar. Das Anlassen erfolgt in bekannter Weise durch
allmä'hlic'hes Kurzschließen jeder Phase a und b für sich über die Anlaßwiderstände
d und e. Die Wicklung c wird sich, da sie mit starker Stromverdrängung
und hohem induktiven Widerstand ausgeführt ist, während des Anlaufs ähnlich verhalten
wie die Wicklungen a und b, d.. h.- sie wird, da sich ihr anfänglich hoher Gesamtwiderstand
mit abnehmender Läuferperiodenzahl allmählich vermindqrt, in ähnlicher Weise wie
a und b wirken und mit diesen beiden Phasen zur Erzeugung des Drehfeldes beitragen.
Nach beendigtem Anlauf werden die Wicklungen a und b durch Zuführung von Gleichstrom
aus einem vorhandenen Netz oder einem auf -gleicher Weile sitzenden Erregeranker
f synchronisiert. Wicklung c wirkt nunmehr als Dampferwicklung von geringem Widerstand,
während sie beim Anlauf durch hohen Widerstand zur Erzeugung des Drehmomentes beitrug.
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Die Hauptvorteile der neuen Anordnung treten besonders dann in Erscheinung,
wenn die Ausführung der Wicklung näher betrachtet wird, welche die Abmessungen und
Eigenschaften des Motors wesentlich beeinflußt.
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Abb. 2 zeigt beispielsweise eine der möglichen Ausführungen der Läuferwicklungen
im Schnitt. Die bandartige Dampferwicklung c ist in sehr schmalen und tiefen Hutschlitzen
untergebracht. Zur Erhöhung der Selbstinduktion werden vorteilhaft entweder geschlossene
Hutschlitze verwendet oder die Nuten durch Eisenkeile geschlossen. Da die Dampferwicklung
in der Hauptsache nur während des Anlaufs stromführend ist, und da ferner ein höherer
Wattverlust derselben im Vergleich zu den anderen Phasen a und b für den Anlauf
günstig ist, wird sie zweckmäßig mit erheblich geringerem Kupferquerschnitt als
die Wicklungen cr und b ausgeführt. Durch diese Maßnahme werden noch weitere Vorteile
erreicht. Zunächst wird der Eisenquerschnitt des Polkerns an der Stelle, die der
Hauptkraftfiuß durchsetzt, nur wenig durch die Nutung geschwächt, so daß der Kraftfluß
erheblich vergrößert werden kann. Der Motor erhält hierdurch die günstigen Eigenschaften
einer Maschine mit ausgeprägten Polen, insbesondere eine bedeutend größere Überlastbarkeit.
Gleichzeitig kann mehr Raum zur Unterbringung der Feldwicklung a und
b geschaffen werden, so daß auch die für den erhöhten Kraftfluß erforderliche
größere Amperewindungszahl untergebracht
werden kann. DieV erwendung
einesderartigen Läufers ergibt also bedeutend höhere Ausnutzungsfähigkeit und größere
Überlastbarkeit als die eines normalen Asynchronläufers bei gleich günstigen Anlaufbedingungen.
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Bei der Schaltung Abb. i ist es nötig, den richtigen Zeitpunkt für
das Umschalten und Synchronisieren zu ermitteln. Um dies zu vermeiden, 'hat man
den Anker der Erregermaschine schon beim Anlassen in Reihe mit der Phasenwicklung
des Läufers geschaltet. Bei Verwendung eines dreiphasigen Läufers gibt es nun verschiedene
Möglichkeiten. Zunächst kann ohne Herausführung des i\ullpunktes ein dreiphasiger
Anlaßwiderstand verwendet werden. Da eine Reihenschaltung des Erregerankers mit
einer Anlasserphase wegen Kurzschließens nicht möglich ist, muß er in die Zuleitung
einer Phase zum Anlasser verlegt werden. Die Stromverteilung ist dann außerordentlich
ungünstig, da nur eine Phase vollen Strom, die anderen Phasen aber den halben Strom
führen. Man hat diesem Übelstand dadurch begegnet, daß die eine Phase in sich parallel
geschaltet oder mit kleinerer Windungszahl und größerem Querschnitt ausgeführt wurde.
Die resultierende Feldform ist jedoch wegen ihrer spitzen Gestalt wenig günstig,
und die Maschine ist wegen Fehlens einer dämpfenden Wicklung gegen Überlastungstöße
empfindlich. Eine andere bekannt gewordene Schaltung mit dreiphasigem Läufer und
herausgeführtem Nullpunkt gestattet ein Anlassen jeder Phase für sich, gibt aber
keine Lösung für eine zweckmäßige Anschaltung des Erregerankers. Eine solche ist
in der Verwendung zweier Erregeranker für zwei Phasen des Läufers oder eines Spannungsteilers
gefunden worden. Diese Lösung erscheint jedoch nicht genügend einfach und verteuert
die Anordnung ganz erheblich.
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Die Schaltung nach Abb. 3 ermöglicht nun ein sicheres Synchronisieren
auf einfachere Weise. Der Erregeranker f ist zunächst nur mit einer, a, der beiden
. Phasenwicklungen :n Reihe geschaltet. Die andere Phase, b, liegt nur am Anlaßwiderstand.
Das Anlassen erfolgt durch allmähliches Kurzschließen der Widerstände
d und e. Der Regler h der Erregermaschine kann hierbei auf normale
Detriebstellung gebracht werden, so daß sich die Erregermaschine auf volle Spannung
erregen kann. Durch Überlagerung von Gleichstrom gegen Ende der Anlaßperiode erfolgt
das Synchronisieren der Maschine nur durch die eine Phase a der Feldwicklung.
b und r wirken kurzgeschlossen als Dämpferwick-Jung. Nach erreichtem Synchronismus
wird der Schalter i. geöffnet, wodurch die beiden Erregerphasen in Reihe an den
Gleichstromanker gelegt werden. Dieses Anlaßverfahren hat den großen Vorteil, daß
das Synchronisieren mit einem verstärkten überlagerten Gleichstromfeld vor sich
geht. Wie die Abb. 3 zeigt, wird bei konstanter Erregerspannung durch die Phase
a beim Synchronisieren die doppelte normale Stromstärke fließen, da ja Phase b zunächst
kurzgeschlossen ist. Da die Windungsza'hl jedoch nur die Hälfte der Gesamtwindungszahl
ist, ist die Zahl der Amperewindungen die normale. In Abb: 4. ist das durch die
Wicklung a allein erzeugte Gleichstromfeld mit A
bezeichnet (ohne Berücksichtigung
der Ankernutung und Sättigung). Nach Aufheben des Kurzschlusses der Wicklung b sinkt
die Stromstärke in beiden Wicklungen a und b auf die normale zurück. Das erzeugte
Gleichstromfeld besitzt nun die Form B. Aus dem Vergleich der Felder A und
B geht hervor, daß bei gleicher Amperewindungszahl der Kraftfluß beim Synchronisieren
um etwa z5 Prozent größer ist als der normale, mithin das Synchronisieren erleichtert
wird. Beim Lösen des Kurzschlusses der zweiten Wicklung b schlüpft der Rotor einfach
in die neue Feldachse zurück.