DE577269C - Einrichtung zum selbsttaetigen Anlassen von kompensierten Asynchronmaschinen - Google Patents

Description

Um den selbsttätigen Anlauf von Induktionsmotoren unter Vermeidung eines großen Stromstoßes zu ermöglichen, hat man vorgeschlagen, in jede Phase des sekundären Teils eine Selbstinduktion mit geringem Widerstand und parallel dazu einen rein Ohmschen Widerstand zu schalten. Da der Widerstand und die Reaktanz unveränderlich in dem Stromkreis liegen, ergibt sich hieraus die Folge, daß im Betriebe die Überlastbarkeit, der Leistungsfaktor und der Wirkungsgrad erheblich vermindert sind, ein Umstand, der dazu führte, daß man diese Anordnung wieder verlassen hat.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Einrichtung zum selbsttätigen Anlauf von Asynchronmaschinen zu schaffen, ohne die Überlastbarkeit zu vermindern und ohne praktisch den Leistungsfaktor und den Wirkungsgrad bei normalem Betriebe zu beeinflussen. Die Erfindung kann Anwendung finden bei allen Induktionsmaschinen, bei welchen der sekundäre Teil über einen Kollektor geschlossen ist, dessen Bürsten eine konstante Hilfsspannung zugeführt wird. Diese Maschinen umfassen hauptsächlich zwei Ausführungsformen, erstens die selbstkompensierten Maschinen und zweitens die Maschinen, die in bekannter Weise durch einen in Kaskade geschalteten Frequenzwandler kompensiert sind. 30'

Die Erfindung besteht darin, daß bei solchen Maschinen die oben für Asynchronmotoren beschriebene Anlaßeinrichtung zur Anwendung kommt, und zwar in Verbindung mit der Wahl einer bestimmten Hilfsspannung des Kommutators.

Diese Spannung wird nach Größe und Phase so gewählt, daß die Maschine oder der Maschinensatz bei Leerlauf als Motor etwas oberhalb des Synchronismus und als Generator unterhalb des Synchronismus arbeitet, damit das maximale Drehmoment in jedem Fall genau der synchronen Drehzahl entspricht.

Die Abb. 1 der Zeichnung veranschaulicht in schematischer Darstellung eine Einrichtung zum selbsttätigen Anlauf von Asynchronmaschinen gemäß der Erfindung. R ist der Rotor, ,S" ist der Stator, D ist die Anlaufeinrichtung, die durch eine Selbstinduktion a und einen parallel liegenden Ohmschen Widerstand b gebildet wird, die in jeder Phase des sekundären Teils eingeschaltet sind. Wie ersichtlich, werden die Selbstinduktion und der. parallel liegende Widerstand auf die Betriebs-Charakteristiken der Maschine keinen Einfluß

haben, da der ganze Strom fast nur durch die praktisch widerstandslose. Selbstinduktionsspule fließt. Während des Anlaufes als Motor kann man bei vermindertem Anlaufstrom den gewünschten Wert und Verlauf des Drehmomentes erzielen, indem man die Größe des Widerstandes und der Selbstinduktion entsprechend wählt. Man wird die Maschinen so einrichten, daß der Leistungsfaktor bei

ίο Belastung mit der Anlaufeinrichtung ungefähr die Einheit erreicht. In manchen Fällen wird es möglich sein, den Widerstand und die Selbstinduktion in einem einzigen Gerät unterzubringen, auch kann man den magnetischen Kreis der Selbstinduktionsspule zur Verstärkung des Ohmschen Widerstandseinflusses aus massivem Eisen herstellen.

Ein solche Anlaufeinrichtung soll hauptsächlich Verwendung finden:

i. bei Motoren: Die Leerlauf drehzahl des Motors wird man etwas oberhalb des Synchronismus legen. Wenn in diesem Falle die Netzspannung ausbleibt, wird der Motor bei Rückkehr der Netzspannung ohne weiteres für einen neuen Anlauf bereit sein;

2. bei Asynchrongeneratoren: Der Generator soll bei Leerlauf etwas unterhalb des Synchronismus arbeiten. Die Bedeutung, die dem Erfindungsgegenstand für den selbsttätigen Betrieb von hydraulischen Kraftanlagen zukommt, ist ohne weiteres ersichtlich, denn es genügt, wenn man den primären Teil am Netz liegen und die Einlaßschütze für die Turbine geöffnet läßt. Der Generator wird ganz von selbst ohne Stromstoß Leistung ins Netz liefern, sobald die eingestellte Leerlaufdrehzahl überschritten ist. In diesem Fall kann die aus Widerstand und parallel liegender Selbstinduktion bestehende Anlaufeinrichtung aus einer einfachen Selbstinduktionsspule bestehen;

3. beim Betriebe von Motoren mit Leistungsrückgewinnung unterhalb des Synchronismus.

Ein bekanntes Verfahren zur Abbremsung der Belastung besteht darin, daß man den Asynchronmotor übersynchron antreiben läßt, so daß man Leistung ins Netz zurückerhält, ein Verfahren, welches den Nachteil hat, daß es umständliche Einrichtungen erfordert.

Die Schwierigkeit besteht hierbei in folgendem:

Die Belastung entwickelt ein Drehmoment, das zunächst im Sinne eines Antriebes des Motors wirkt und zu dem eigenen Drehmoment des Motors hinzukommt, bis die Synchrondrehzahl erreicht ist. Oberhalb dieser Drehzahl arbeitet der Motor als Generator, sein Drehmoment kehrt sich um und hält dem von der Last herrührenden Drehmoment das Gleichgewicht. Der in dem sekundären Teil eingeschaltete Ohmsche und induktive Widerstand bezweckt, hauptsächlich den Stromstoß beim Anlauf zu begrenzen. Man muß diesen Widerstand in dem Maße vermindern, wie sich die Drehzahl erhöht, so daß der Widerstand kurzgeschlossen ist, wenn die Maschine den Synchronismus erreicht hat. Wenn die Bedienung nicht richtig ausgeführt wird, entsteht die Gefahr, daß der Motor zu plötzlich hochfährt. Der Grad der Sicherheit ist somit abhängig von der Empfindlichkeit und Haltbarkeit der ganzen Einrichtung.

Wenn die Anlaufeinrichtung — Ohmscher Widerstand mit parallel geschalteter Selbstinduktion — bei einem selbstkompensierten Motor oder bei einem aus Motor und Frequenzwandler bestehenden Kaskadensatz angewendet wird, ist es möglich, die Belastung bei Leistungsrückgewinnung unterhalb des Synchronismus abzubremsen, und zwar ohne Widerstandseinrichtung und bei erhöhter Sicherheit. Man regelt die Maschine so, daß ihre Leerlaufdrehzahl etwas unterhalb des Synchronismus liegt und daß ihr maximales Drehmoment als Generator der synchronen Drehzahl entspricht. Durch richtige Wahl der Selbstinduktion und des Widerstandes erhält man beim Anlauf das gewünschte.Drehmoment. Je mehr die Drehzahl zunimmt, go desto mehr vermindert sich die Stromstärke in dem Widerstand, um genau in dem Augenblick völlig zu verschwinden, wo der Generator mit dem maximalen Drehmoment arbeitet.

In manchen Fällen ist eine Regelung beim Hochfahren erwünscht. In diesem Falle kann der Ohmsche Anlaßwiderstand ganz oder teilweise verwendet werden, der beim Niederfahren parallel mit der Selbstinduktion liegt. Es genügt dafür, daß der Bedienungshebel die Selbstinduktion einschaltet, wobei man die Umkehrung des primären Drehfeldes herbeiführt und die Bürsten in geeigneter Weise verstellt.

Die neue Einrichtung hat außerdem den Vorteil, daß sie ein erhöhtes maximales Drehmoment beim Zunehmen und Abnehmen der Belastung gewährleistet, welches größer ist als das maximale Drehmoment eines gewöhnlichen Asynchronmotors gleicher Leistung. Als Motor arbeitet die Maschine nämlich mit einer Bürstenstellung, die einer übersynchronen Leerlaufdrehzahl, und als Generator mit iner Bürstenstellung, die einer untersynchronen Leerlauf drehzahl entspricht.

Die Erfindung vermeidet die Gefahr, die bei allen mechanischen Einrichtungen zum Kurzschließen des sekundären Teils gegeben ist, welche entweder durch die Drehzahl oder die Frequenz gesteuert werden, indem die Steuerung der Ströme ganz von selbst erfolgt. Sie erzielt ein erhöhtes maximales Dreh-

moment bei Generatorbetrieb und schiebt also die Grenze weiter heraus, wo das Drehmoment abfällt.

Man kann die Verstellung der Bürsten auf dem Kommutator vermeiden, indem man in bekannter Weise die Anfänge und Enden der sekundären Wicklung vertauscht. Wie das Schema der Abb. 2 erkennen läßt, welches sich auf eine zweipolige Maschine bezieht, muß man die Bürsten auf dem Kollektor um 180 elektrische Grade verstellen, wenn man vom Motorbetrieb bei übersynchroner Drehzahl und cos φ= τ zum Generatorbetrieb bei untersynchroner Drehzahl und cos φ = ι übergehen will. An Stelle der Bürstenverschiebung kann man also einfach die Anfänge und Enden der sekundären Wicklung oder der Wicklung und des in Serie liegenden Anlassers vertauschen.

ao Man kann auch den kompensierten Motor mit der Anlaufeinrichtung — Widerstand und parallel liegende Selbstinduktion —■ nach Art der bekannten Boucherot-Maschrnen vereinigen und auf diese Weise eine kompensierte Maschine mit selbsttätigem Anlasser herstellen. Das Anlaufmoment kann hierbei o,75mal so groß sein wie das normale Drehmoment bei einem Strom, der i,5mal so groß ist wie der normale Wert._ Der Leistungsfaktor ist nahezu = 1 bei allen Belastungen, und das maximale Drehmoment ist in der Größenordnung des i,6fachen normalen Drehmomentes. Die Schlüpfung bei Belastung ist bei entsprechender Bürstenstellung nicht größer als die eines gewöhnlichen Motors gleicher Leistung. Demgegenüber kann der Asynchronmotor mit Doppelkäfiganker nach Boucherot für jeden Wert des Drehmomentes zwischen 0,5 und 1,5 des normalen Wertes für selbsttätigen Anlauf eingerichtet werden, aber es macht Schwierigkeiten, günstige Verhältnisse hinsichtlich der Überlastbarkeit, des Leistungsfaktors und des Wirkungsgrades zu erzielen, wenn man einen geringen Anlaufstrom haben will. Diesem Mangel kann man abhelfen, indem man in einer einzigen Maschine einen kompensierten Motor und einen Doppelkäfigankermotor vereinigt.

In Abb. 3 ist die allgemeine Ausführungsform der Wicklung dargestellt. Der Rotor R₁ trägt zwei Wicklungen P und F. P ist eine gewöhnliche Dreiphasenwicklung, die mit drei an das Speisenetz L angeschlossenen Schleifringen B verbunden ist. P ist eine geschlossene Wicklung nach Art der Gleichstromwicklungen mit vollem oder verkürztem Schritt, die an den Kommutator C angeschlossen ist. Der Stator S₁ trägt zwei Wicklungen, die in zwei übereinander angeordneten Nuten

•60 untergebracht sind. Die Nuten können durch einen Spalt verbunden sein. Die Zahl der Nuten der beiden Wicklungen kann außerdem verschieden sein. Die beiden Wicklungen — die Anlaufwicklung D', die in der Nähe des Luftspaltes angeordnet ist, und die Arbeitswicklung T, die tiefer im Eisen eingebettet ist — sind parallel geschaltet. Beide Wicklungen zusammen sind auf der einen Seite durch die Bürsten ö\ b², b³ mit dem Kommutator C verbunden, während sie auf der anderen Seite einen neutralen Punkt bilden. Ebenso könnten auch die anderen Wicklungsenden mit dem Kommutator C über besondere Bürsten verbunden sein, so daß eine Wicklung mit drei getrennten Phasen entsteht. Bei der besonderen Ausführungsform nach Abb. 4 sind die sekundären Wicklungen in bekannter Weise voneinander elektrisch getrennt. Die Arbeitswicklung T ist für sich mit dem Kommutator C verbunden, während die Anlaufwicklung D' einen Kurzschlußkreis nach Art eines Käfigankers bildet.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 5 sind die beiden Nuten, in welchen die Wicklungen untergebracht sind, durch einen sehr schmalen Spalt f verbunden.

Bei der Ausführungsform nach Abb. 6 sind die beiden Nuten sehr nahe aneinandergerückt. Ein Verbindungsschlitz zwischen den Nuten erübrigt sich in diesem Falle. *

Bei der Ausführungsform nach Abb. 7 sind beide Wicklungen in derselben Nut untergebracht. Die Arbeitswicklung T aus Kupfer ist auf dem Grund der Nuten angeordnet und die Anlaufwicklung D' nahe am Luftspalt. Diese letztere Wicklung D', etwa aus Eisen bestehend, ist nach Art einer Käfigwicklung ausgeführt und gegenüber der Wicklung T durch ein Isoliermittel getrennt. Die Stäbe aus magnetischem Material brauchen gegenüber den Ankerblechen nicht isoliert zu sein.

Die Überlegenheit einer gemäß der Erfindung gebauten Maschine gegenüber dem gewöhnlichen Doppelkäfigankermotor ist der Anordnung des Kommutators zu verdanken, der einen Anlauf bei gleichem Drehmoment, aber wesentlich geringerer Stromstärke ermöglicht, wobei ein Leistungsfaktor von nahezu = 1 sowie angemessene Werte des maximalen Drehmomentes und des Wir- no kungsgrades erzielt werden. Die Bürsten werden auf dem Kommutator verstellt, um die geforderten Verhältnisse herzustellen.

Die Berechnung der Verhältnisse beim Anlauf geschieht ähnlich wie bei gewöhnlichen Motoren mit Doppelkäfiganker. Das resultierende Drehmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl wird durch die Kurve nach Abb. 8 wiedergegeben. Die Schaulinie der Stromstärke bei konstanter Klemmenspannung hat den in Abb. 9 wiedergegebenen Verlauf.

Diese Maschine kann unter gleichen Ver-

hältnissen wie mit dem aus parallel geschaltetem Widerstand und Selbstinduktion bestehenden Anlasser, und zwar insbesondere als Motor, als Generator und für die Leistungs-S rückgewinnung, wie bereits eingangs erwähnt, verwendet werden.

Beim Betrieb als Generator kann die Widerstandswicklung D weggelassen werden.
Ferner kann die Maschine als Kompensator

ίο mit selbsttätigem Anlasser bei passender Bürstenstellung benutzt werden. Die beim Anlauf auftretende Stromstärke kann auf einen Wert vermindert werden, der unter dem normalen Wert liegt, wobei das zum Anlauf notwendige Drehmoment nur gering ist.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung an selbstkompensierten Asynchronmaschinen oder an mittels

   ao Kommutatorhintermaschinen kompensierten (fremdkompensierten) Asynchronmaschinen, die als Motoren oder als Generatoren betrieben werden und bei welchen in jeder Phase ihres sekundären Teiles ein Widerstand mit parallel liegender Selbstinduktion geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Ausbildung dieser Parallelanordnung für

   • selbsttätiges Anlassen die Hilfsspannung des Kommutators nach Größe und Phase so gewählt ist, daß das maximale Drehmoment bei synchroner Geschwindigkeit erreicht wird.
2. 2. Selbst- oder fremdkompensierte Asynchronmaschine mit Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leerlaufdrehzahl bei Motorbetrieb oberhalb und bei Generatorbetrieb oder Leistungsrückgewinnung unterhalb des Synchronismus liegt.
3. 3. Selbst- oder fremdkompensierte Asynchronmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Einrichtung nach Anspruch 1 zu einer baulichen Einheit vereinigt ist und außer der primären Feldwicklung und einer Kommutatorwicklung im sekundären Teil eine Arbeitswicklung und eine dazu parallel geschaltete Anlaufwicklung besitzt, die in übereinanderliegenden Nuten von gegebenenfalls verschiedener Zahl untergebracht sind.
4. 4. Selbst- oder fremdkompensierte Asynchronmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen in gemeinsamen Nuten untergebracht und durch einen sehmalen Spalt getrennt sind.
5. 5. Selbst- oder fremdkompensierte Asynchronmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im sekundären Teil liegende Anlaufwicklung in an sich bekannter Weise als aus magnetischem Material bestehende Käfigwicklung ausgeführt und mit der Arbeitswicklung in gemeinsamen Nuten untergebracht ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen