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Kaskadenschaltung von Asynchronmotor und Kommutatorhintermaschine
Bei der Kaskadenschaltung von Asynchronmotor und Kommutatorhintermaschine kann deren
Erregerwicklung ausschließlich oder in Zusammenarbeit mit anderen Spannungsquellen
durch eine rotierende Kommutatorerregermaschine gespeist werden. Diese Erregermaschine
kann dabei eine vom Ankerstrom des Hauptmotors , durchflossene Erregerwicklung (hauptstromerregte
Erregerwicklung) und weitere fremderregte Erregerwicklungen (fremdstromerregte Erregerwicklung)
tragen. Ihre resultierende Durchflutung ist dabei gleich der geometrischen Summe
der Durchflutungen der verschiedenen Erregerwicklungen.
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Erfindungsgemäß soll nun bei dieser An= or dnung die Windungszahl
der hauptstromgespeisten Erregerwicklung der Erregermaschine so groß gewählt werden,
daß ihre Durchflutung beim Nennwert des Ankerstromes ein Mehrfaches derjenigen resultierenden
Durchflutung der Erregermaschine ist, welche zur Erregung des größten betriebsmäßig
verlangten Erregerfeldes erforderlich ist. Dadurch wird eine besonders einfache
Regelung des Hauptmotors ermöglicht. Damit nämlich trotz des großen Wertes der hauptstromerregten
Durchflutung die resultierende Durchflutung nur einen Bruchteil der erstgenannten
Durchflutung ausmacht, muß auch die fremdstromerregte Durchflutung viel größer als
die resultierende Durchflutung sein. Hauptstromerregte und fremdstromerregte Durchflutung
sind dabei annähernd entgegengesetzt gleich. Ist dies aber der Fall, so ist auch
der Ankerstrom des Hauptmotors der fremdstromerregten Durchflutung der Erregermaschiene
annähernd. proportional. Folgt die fremdstromerregte Durchflutung bei wechselnder
Schlüpfung des Hauptmotors einem bestimmten Gesetz, so folgt der Ankerstrom des
Hauptmotors ungefähr dem gleichen Gesetz, unabhängig vom Wert der resultierenden
Erregung der Erregermaschine, die sich mit -wachsender Schlüpfung des Hauptmotors
ihrerseits entsprechend der erforderlichen Erregerspannung der Kommutatorhintermaschine
ändert. Durch die fremd= stromerregte Durchflutung der Erregermaschine wird also
das Gesetz, dem der Ankerstrom bei wechselnder Schlüpfüng folgt, festgelegt, der
Hauptmotor wird also durch sie geregelt.
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Es bedeute .T" den Nennwert des Ankerströmes des Hauptmotors und AWH
die ihm entsprechende hauptstromerregte Durchflutung der Erregermaschine. Ändert
sich bei einer Schlüpfungsänderung des Hauptmotors die resultierende Durchflutung
der Erregermaschine vom Wert Null auf den größten auftretenden Wert AW, so verursacht
diese Änderung bei konstanter fremdstromerregter Durchflutung der Erregermaschine
eine Änderung des Ankerstromes des Hauptmotors
Verglichen mit dem Nennwert
des Stromes ist also die Beeinflussung
des Ankerstromes des Hauptmotors durch die wechselnde resultierende Durchflutung
der Erregermaschine gering, wenn die hauptstromerregte Erregerwicklung der Erregermaschine
erfindungsgemäß bemessen wird, der Ankerstrom des Hauptmotors ist also wirklich
der fremdstromerregten Durchflutung der Erregermaschine angenähert proportional.
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Ein Ausführungsbeispiel -zeigt -die -Abbildung. In ihr bedeuten i
das Netz, 2 den Hauptmotor, 3 die Kommutatörhintermaschine und q. deren Erregermaschine.
3 und q. werden gemeinsam durch die Hilfsmaschine 5 angetrieben, es ist aber auch
getrennter Antrieb möglich, auch können eine oder beide Maschinen mit dem Hauptmotor
gekuppelt werden. 6 ist ein mit dem Hauptmotor gekuppelter Frequenzwandler. 7 ist
die vom Ankerstrom durchflossene Kompensationswicklung der Hintermaschine, die über
die hauptstromerregte Erregerwicklung 8 der Erregermaschine an die Schleifringe
des Hauptmotors angeschlossen ist. -9 ist die Erregerwicklung der Hintermaschine,
die über die Kompensationswicklung io der Erregermaschine von deren Ankerkreis gespeist
wird. Die Kommutatorhintermaschine kann auch noch mit einer in der Abbildung nicht
gezeichneten, von ihrem Ankerstrom durchflossenen Gegenkompoundwicklung ausgerüstet
sein. i i und 12 sind zwei fremderregte Erregerwicklungen der Erregermaschine. Die
Wicklung i i ist über einen Widerstand 13 an die Schleifringe des Hauptmotors,
die Wicklung 12 über einen Widerstand 14 an die Kommutatorseite des Frequenzwandler
s 6 angeschlossen, dessen Schleifringe über den Transformator 15 mit konstanter
Spannung gespeist werden. Die Widerstände 13 und 14 sind im ganzen Regelbereich
ein Mehrfaches des Blindwiderstandes der Wicklungen i i und 12, es ist also die
Durchflutung der Wicklung i i der Schleifringspannung des Hauptmotors angenähert
proportional und die Durchflutung der Wicklung 12 angenähert konstant. Beide Durchflutungen
können in an sich bekannter Weise z. B. durch Regelung der Widerstände 13 und 14.
unabhängig voneinander und von Hand oder in automatischer Abhängigkeit von irgendeiner
Betriebsgröße geregelt werden. Der Zweck der Wicklung 16 und des Widerstandes 17
wird später erläutert.
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Von dem geringen Fehlerstrom A I abgesehen, dessen Wert schon abgeleitet
wurde, setzt sich bei der gezeichneten Schalturig der Ankerstrom aus einer konstanten
und aus einer der Schlüpfung proportionalen Komponente zusammen, deren Größe durch
Regelung in den Erregerkreisen 13 und 14 auf jeden Wert eingestellt werden kann.
Die Phasen-Lage der konstanten und der veränderlichen Stromkomponente des Läuferstromes
des Hauptmotors ist durch die Phasenlage der Ströme der Wicklungen i i und 12 und
durch die Schaltung der Wicklungen 8, i i und 12 festgelegt. Wirkkomponente und
Blindkomponente des Läuferstromes setzen sich also je aus einer konstanten und aus
einer der Schlüpfung des Hauptmotors proportionalen Komponente zusammen.
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Bei einer bestimmten fibersynchronen oder untersynchronen Schlüpfung
des Hauptmotors ist nun die Summe aus der konstanten und aus der veränderlichen
Komponente des 'Wirkstromes Null, der Hauptmotor läuft bei dieser Schlüpfung leer.
Bei jeder anderen Schlüpfüng ist der resultierende Wirkstrom des Läufers und damit
auch die Wirkleistung, des Hauptmotors der Änderung der Schlüpfung gegenüber dem
Leerlaufwert proportional. Die Blindkomponente des Läuferstromes kann dabei jeden
Wert haben, beispielsweise kann sie unabhängig von der Schlüpfung und konstant sein.
Durch Regelung der konstanten Komponente des Wirkstromes wird die Leerlaufschlüpfung,
durch Regelung der der Schlüpfung proportionalen Komponente die Leerlaufschlüpfung
und die Schlüpfungsänderung bei- Belastung geregelt. Ist die konstante KO6nzponente
des Wirkstromes Null, so ist die Schlüpfung des Hauptstromes der Belastung proportional.
Der vom Frequenzwandler der Erregermaschine zugeführte Erregerstrom dient dabei
nur der Einstellung der konstanten Blindkomponente des Läuferstromes. Soll auch
der Blindstrom der Schlüpfung proportional sein, so fällt dabei der vom Frequenzwandler
gespeiste Erregerkreis ganz weg: Ist andererseits die ..der Schlüpfung proportionale
Wirkkomponente- des Läuferstromes dauernd Null, so ist der -resultierende Wirkstrom
konstant unabhängig von der Schlüpfung. Es ist also auch die Wirkleistung des Hauptmotors
von der Schlüpfung unabhängig und .konstant. Durch Regelung im Erregerkreis 12 bis
14 kann die Wirkleistung z. B. in. Abhängigkeit von irgendeiner Betriebsgröße auf
jeden Wert eingestellt werden, bleibt aber dabei von der Schlüpfung unabhängig.
Fehlt der Erregerkreis ii bis-13 vollständig, so ist auch der Blindstrom des Läufers
unabhängig von der Schlüpfung und konstant' Soll die fremdstromerregte Durchflutüngskömpunente
der Erregerwicklung 12 zwar im übrigen Regelbereich konstant sein, bei Schlüpfung
Null des Hauptmotors aber selbst zu Null werden, kann in an sich bekannter Weise
in der abgebildeten Schaltung vor die Wicklung 12 ein zweispuliger Transformator
geschaltet
werden, der bei Schlupffrequenz Null den Stromdurchgang verhindert, oder es kann
statt der gezeichneten Schaltung die Wicklung 1a über eine Drosselspule an die Schleifringe
des Hauptmotors angeschlossen werden. Damit die Anordnung stabil arbeitet, muß der
Wickelsinn der Wicklung 8 so gewählt werden, daß ein in der Wicklung 8 fließender
Strom auf dem Weg über die Erregermaschine in der Hintermaschine eine gegen den
Strom mehr als go° und vorzugsweise 1800 phasenverschobene Spannung induziert.
Um die Stabilität der Anordnung zu erhöhen, kann es auch vorteilhaft sein, die ErregermasQhine
noch zusätzlich von ihrem Ankerstrom derart zu erregen, daß im Anker eine dem Strom
entgegengerichtete Spannung induziert wird.
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Je größer bei der größten verlangten Schlüpfung die resultierende
erregende Durchflutung der Erregermaschine ist, desto größer ist auch der Betrag
0 T, um den sich der Läuferstrom von dem durch die fremdstromerregte Durchflutung
vorgeschriebenen Wert entfernt. Dieser Fehlbetrag kann dadurch bis annähernd auf
Null verkleinert werden, daß die Erregermaschine noch mit einer weiteren in der
Abbildung gestrichelt eingetragenen Erregerwicklung 16 ausgerüstet wird, die über
den konstanten Widerstand 17
an die Ankerklemmen der Erregermaschine angeschlossen
ist. Beträgt der Widerstand 17 das Mehrfache des Blindwiderstandes der Wicklung
16, so ist sein Strom der Ankerspannung der Erregermaschine proportional. Da bei
ungesättigter Maschine und konstanter Drehzahl die Ankerspannung der resultierenden
Durchflutung proportional ist, ist also die Dürchflutung der Wicklung 16 bei jedem
Wert der Ankerspannung der resultierenden Durchflutung der Erregermaschine proportional,
bei entsprechender Bemessung des Widerstandes und der Wicklung ist sie ihr nach
Größe und Phasenlage annähernd gleich. Wenn nun die Durchflutung der Wicklung 16
gleich der verlangten resultierenden Durchflutung der Maschine ist, ist die Summe
der Durchflutungen der Wicklungen 8, 1r und i- -bei jedem Wert der Ankerspannung
Null, der Fehlbetrag des Ankerstromes des Hauptmotors also Null. Der Ankerstrom
der Erregermaschine ist dabei gleich der geometrischen Summe der Ströme der Wicklungen
9 und 16. Da nun die Wirkungsweise der Anordnung unabhängig vom Ankerstrom der Erregermaschine
ist, wird sie durch die Überlagerung der beiden Ströme nicht beeinflußt.
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Die Ankerspannung und die erregende Durchflutung der Erregermaschine
können dadurch verkleinert werden, daß in Reihe zur Erregerwicklung der Hintermaschine
eine weitere Spannungsquelle geschaltet wird, welche einen Teil der erforderlichen
Erregerspannung liefert. Diese Spannung kann die Schlefr ingspannung des Hauptmotors
sein. Dabei ist es oft zweckmäßig, sie durch einen Transformator konstanten oder
auch veränderlichen Übersetzungsverhältnisses auf kleineren Wert zu transformieren.
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Die Ankerspannung der Kommutatorhintermaschine ist angenähert der
Schlüpfung, ihre Erregerspannung also dem Quadrat der Schlüpfung proportional. Ebenso
ist der Induktionsfluß der Erregermaschine der Schlüpfung proportional. Die von
ihm dureh Pulsation in den kurzgeschlossenen Spulen der Läuferwicklung induzierte
Transformatorspannung ist also der dritten Potenz der Schlüpfung proportional. Soll
diese Transformatorspannung durch Rotation in einem Wendefeld aufgehoben werden,
so muß dieses Feld ebenfalls der dritten Potenz der Schlüpfung proportional sein.
Eine teilweise Aufhebung der Transformator spannung erfolgt auch schon, wenn der
das Feld erregende Strom der Schlüpfung proportional ist, wobei =der größte nicht
aufgehobene Restbetrag der Transformatorspannung wesentlich kleiner als der größte
auftretende Wert der Transformatorspannung gehalten werden kann. Wird nun eine Erregerwicklung
der Wendepole über eine Drosselspule, deren Blindwiderstand das Mehrfache des Blindwiderstandes
der Wicklung beträgt, an die Ankerklemmen der Erregermaschine angeschlossen, so
fließt in .der Wicklung ein der Sehlüpfung proportionaler Strom, auch wenn die Wendepole
noch zusätzlich von weiteren Strömen, z. B. vom Ankerstrom der Erregermaschine,
erregt werden.
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Schließlich können die Erregerwicklungen 8,
11, 1a und 16 auch
auf einer Hilfs.erregermaschine angeordnet werden, deren Ankerkreis in an sich bekannter
Weise die Haupterregermaschine erregt.