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Einrichtung zur Schnellregelung elektromagnetischer Felder in elektrischen
Maschinen ' oder anderen magnetischen Kreisen Bei der Regelung elektrischer Maschinen
stößt man häufig auf Schwierigkeiten, welche ihren Grund in der durch diz Magnetfelder
bedingten Verzögerung von Reg lvorgängen haben. Bekanntlich wird bei der Änderung
eines Magnetfeldes in mit diesem Felde verketteten Wicklungen eine Spannung erzeugt,
die im Sinne einer Aufrechterhaltung des vorher vorhandenen Feldzustandes wirkt.
Zur Beseitigung der durch die magnetische Trägheit bedingten Regelschwierigkeiten
sind Schaltungen und Regelanordnungen vorgeschlagen worden, die den Zweck verfolgen,
gleichzeitig mit der Änderung eines Magnetfeldes in dem Stromkreis. der für die
Erzeugung des Magnetfeldes maßgebenden Erregerwicklung eine Zusatzspannung zu erzeugen.
welche der durch die Feldänderung in der Erregerwicklung bedingten induzierten Spannung
entgegengerichtet und ihr möglichst gleich ist. Bei einer bekannten, diesem Zweck
dienenden Regelanordnung wird mit der Erregerwicklung einer elektrischen Maschine
eine Drosselspule in Reihe geschaltet, deren Windungen gleichzeitig als Vorschaltwiderstand
für die Erregerwicklung dienen und daher aus Widerstandsmaterial hergestellt sind.
Wenn der Erregerstrom der Erregerwicklung geändert werden soll, so wird der durch
die vorgeschalteten Drosselspulenwindungen gegebene Vorschaltwiderstand durch Zu-
und Abschalten einzelner Windungen der Drosselspule geändert. Gleichzeitig mit dieser
Änderung ändert sich aber auch das Feld der Drosselspule. Soll das Magnetfeld der
Maschine vergrößert werden, so werden einzelne Windungen der Drosselspule abgeschaltet,
damit bei gegebener Spannung der vorgeschaltete Widerstand kleiner wird. Das bedeutet,
daß in der Drosselspule das Magnetfeld verkleinert wird, während das Magnetfeld
der elektrischen Maschine vergrößert wird. Beide Feldänderungen bedingen eine induzierte
Spannung, wobei aber die Richtungen dieser beiden in dem gleichen Stromkreis wirkenden
Spannungen entgegengesetzt sind. Die Drosselspule wirkt daher im Sinne einer Beschleunigung
des beabsichtigten Regelvorganges.
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Der Erfindung liegt die gleiche Aufgabe zugrunde wie der vorstehend
beschriebenen bekannten Regelanordnung. Gemäß der Erfindung bleibt jedoch im Gegensatz
zu der bekannten Regelanordnung der Erregerstrom in der Erregerwicklung des zu regelnden
Magnetfeldes während des ganzen Regelvorganges konstant; zum Zwecke der Änderung
des Magnetfeldes sind Mittel vorgesehen, um gleichzeitig sowohl die Konstanten der
Erregerwicklung als auch die Konstanten des mit ihr in Reihe geschalteten Magnetkreises
derart zu ändern, daß in beiden Magnetkreisen einander entgegengesetzt gerichtete
und
untereinander gleiche oder zumindest annähernd gleiche Spannungen
erzeugt werden. Das wesentliche Kennzeichen der Erfindung liegt somit darin, daß
der Erregerstrom in beiden Wicklungen, d. h. in der Erregerwicklung und in der vorgeschalteten
Drosselspule über den ganzen Regelbereich konstant bleibt. Soll die Erregung geändert
werden, so werden beispielsweise sowohl in der Erregerwicklung als auch der vorgeschalteten
Drosselspule Windungen zu- oder abgeschaltet. Damit die bei der Änderung der Magnetfelder
entstehenden induzierten Spannungen einander entgeg r e ngesetzt gerichtet sind,
wird die Windungszahl der vorgeschalteten Drosselspule. vergrößert, wenn die Windungszahl
der Erregerwicklung verkleinert wird, und umgekehrt. Dadurch, daß bei der Regeleinrichtung
nach der Erfindung der Erregerstrom in dem Erregerkreis konstant bleibt, werden
regelbare Vorschaltwiderstände vermieden. Die vorgeschaltete Drosselspule kann Wicklungen
aus Kupfer erhalten, was auch im Gegensatz zu der aus Widerstandsmaterial herzustellenden
Wicklung bei der bekannten Anordnung für die Herstellung der Drosselspule günstiger
ist.
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Obwohl es im allgemeinen zweckmäßig sein wird, die Magnetfelder durch
Zu- und Abschalten von Erregerwindungen zu ändern, so kann man eine Feldänderung
bei gleichbleibendem Erregerstrom auch dadurch herbeiführen, daß der magnetische
Widerstand der Magnetkreise geändert wird.
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Die Erfindung sei an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. In Fig. i sei der magnetische Kreis einer zu regelnden Maschine
durch den Eisenkern i der Wicklung z dargestellt. In Reihe mit der Wicklung z liegt
die Wicklung q. einer Drossel 3 über einen Widerstand 5 an der Gleichspannung 6.
Die Regelung der Felder der Maschine und der Drossel erfolgt durch die mechanisch
gekuppelten Kontakthebel 7 und 8, die die Anzapfungen 9 und io der Erregerwicklungen
von Maschine und Drossel miteinander verbinden.
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Im. Ruhezustand fließt durch die Wicklungen ein konstanter Gleichstrom.
Die Spannung an den Erregerwicklungen ist gering und zu vernachlässigen. Der Hauptspannungsabfall
wird durch den Widerstand 5 aufgenommen. Denkt man sich den Ohinschen Widerstand
der Wicklungen im Widerstand 5 nach Art eines Ersatzschaltbildes vereinigt, so ändert
sich an den nachfolgenden Betrachtungen nichts.
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Es sei zunächst angenommen, daß sich die Kontaktarme 7 und 8 in einer
Mittelstellung befinden; werden nun die miteinander gekuppelten Kontaktarme 7 und
8 im Uhrzeigersinne gedreht, so wird in der Wicklung 2 eine Spannung induziert,
die einen dem bisher fließenden Strom entgegengesetzten Strom durch die Wicklung
zu schicken sucht. Gleichzeitig entsteht in der Wicklung q. eine Spannung, die den
bisher fließenden Strom zu verstärken sucht. Die Größe der einander entgegenwirkenden
Spannungen an den jeweils eingeschalteten Wicklungsteilen der Wicklungen z und q.
hängt von der Zahl der in der Zeiteinheit zu--bzw. abgeschalteten Wicklungen ab.
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Im Sinne der Erfindung wird nun die Verteilung der Anzapfungen so
gewählt, daß die entgegenwirkenden Spannungen einander während der Bewegung der
Kontakthebel stets gleich sind. In dem durch die Wicklungen und den Widerstand gebildeten
Kreise tritt dann nur die Gleichstromnetzspannung auf. Der in den Wicklungen fließende
Strom bleibt demnach konstant.
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Da das Feld in dem Eisenkern i nur von den Amperewindungen der Wicklung
z abhängt und der Strom in der Wicklung konstant bleibt, ändert sich das Feld in
dem Eisenkern nunmehr proportional den eingeschalteten Amperewindungen; die Regelung
muß danach trägheitslos arbeiten.
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Die Verteilung der Anzapfungen berechnet sich auf die folgende Weise:
Für die Spannungsverteilung der Schaltung gilt
wobei E die Gleichstromklemmenspannung, J der Strom in der Wicklung, w der gesamte
während des Schaltvorganges konstant oder annähernd konstant bleibende Ohmsche Widerstand
des Kreises und V1 und V2 die Flußverkettungen der beiden magnetischen Kreise sind.
Hierbei ist Vi=ni,Li-J; n1 ist die jeweils eingeschaltete veränderliche Windungszahl;
L, ist die ebenfalls veränderliche Selbstinduktion des eingeschalteten Wicklungsteiles.
Unter der Voraussetzung geringer Sättigung ist die Selbstinduktion proportional
der eingeschalteten Windungszahl.
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Es ergibt sich damit @Vi = C i " Ilti
- T . (3)
Durch Einsetzen von Gleichung (3) in Gleichung (i) ergibt
sich:
Nach der Erfindung soll nun zai derart vergrößert und ia_ derart verkleinert werden
(bzw. umgekehrt), daß J konstant bleibt. Da
im Ruhezustand der gesamte
Spannungsabfall mit dem unveränderten Strom an dem Widerstand w auftritt, gilt E-J#
w. (5.)
Durch Einsetzen von Gleichung (5) in Gleichung (4) ergibt sich unter
der Voraussetzune, J - const:
Voraussetzung für diese Gleichung ist, daß n1 und n2 stetig geändert werden, was
sich bei der Ausführung durch gleichzeitige Schaltung mehrerer Wicklungsanzapfungen
unter Zwischenschaltung von Hilfswiderständen mit praktisch ausreichender Genauigkeit
wiedergeben läßt. Die Gleichung (6) wird offenbar dann erfüllt. wenn die Anzapfungen
der beiden gegeneinandergeschalteten Wicklungen derart verteilt sind, daß die jeweils
eingeschalteten Wicklungen, in Abhängigkeit von der Kontaktzahl aufgetragen, auf
einer Parabel liegen.
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In der Fig.5 ist die erforderliche Wicklungsverteilung dargestellt;
als Abszisse ist die Stellung des Kontaktarmes über den Anzapfungen einer Wicklung,
als Ordinate die Zahl der eingeschalteten Windungen bzw. die an ihren Klemmen liegende,
bei gleichmäßiger Bewegung des Kontaktarmes induzierte Spannung aufgetragen.
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Bei der in Fig.2 dargestellten Schaltung ist die Drossel 3 so dimensioniert,
daß sie nur einen Teil der magnetischen Energie des magnetischen Kreises i enthält.
Der Regelvorgang wird durch den veränderlichen Widerstand 1i unterstützt, mit Hilfe
dessen langsame Feldänderungen der Maschine hervorgerufen werden.
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Statt der in den Fig. i und :2 vorgesehenen Anzapfungen kann man den
Fluß der magnetischen Kreise auch durch stufen- bzw. ruckweise Änderung seines Widerstandes
beeinflussen. In Fig. 3 erfolgt dies durch die gegeneinander beweglichen Kernteile
12 und 13, auf denen sich die Wicklung 4 befindet. Bei dem zu regelnden magnetischen
Kreis i, beispielsweise einer zu regelnden-Maschine, kann die Regelung ebenso wie
in den vorhergehenden Figuren durch Anzapfungen der Wicklung --erfolgen.
Voraussetzung für die Wirksamkeit bleibt lediglich, daß die in der Wicklung 4 induzierten
Spannungen jeweils den in der Wicklung 2 induzierten Spannungen gleich und entgegengesetzt
sind. In dein Ausführungsbeispiel der Fig.3 ist dies durch mechanische Kupplung
des beweglichen Eisenteiles 12 mit dem Kontaktarm 7 der Wicklung 2 erreicht. Bei
der Schaltung nach Fig. 4 erfolgt die Regelung der elektrischen Felder durch Hilfswicklungen
14 und 15, die in Reihe miteinander an der Netzspannung liegen. Die Wirkungsweise
ist im übrigen die gleiche wie bei den oben beschriebenen Schaltungen. Einer der
beiden in Fig.4 dargestellten Magnetkreise bildet den zu regelnden Magnetkreis einer
elektrischen Maschine, während der andere Magnetkreis die der Maschine vorgeschaltete
Drosselspule darstellt. Die Gesamterregung der elektrischen Maschine wird bei diesem
Ausführungsbeispiel durch zwei getrennte Erregerwicklungen geliefert, von denen
die eine eine dauernd gleichbleibende und die andere eine mit der Stellung des Reglerhebels
veränderliche Erregerkomponente liefert. Bei einer Verstellung der Reglerhebel ändern
sich die Magnetfelder in beiden Magnetkreisen im entgegengesetzten Sinn, und es
werden in den Wicklungen, die mit den veränderlichen Wicklungen magnetisch verkettet
sind, Spannungen induziert, die einander entgegengesetzt gleich sind.
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In der Schaltung nach Fig.6 werden die Wicklungen 4 und 2 durch j
e drei Kontakthebel 81, 82, 83 bzw. 71, 72, 73 geschaltet. Dadurch, daß entsprechende
Kontakthebel der beiden Wicklungen miteinander verbunden sind, wird eine Kurzschließung
von Wicklungsteilen vermieden, da jeweils im Gegensinne geschaltete Wicklungsteile
beider Wicklungen in Reihe liegen und ihre Spannungen sich aufheben.
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Die Regelungseinrichtung nach der Erfindung läßt sich vorteilhaft
insbesondere bei Leonard-Fördermaschinen, die häufig umgesteuert werden müssen,
verwenden. Im Gegensatz zu den bisherigen Reglern ist eine Lberregelung durch Nachbleiben
des Feldes gegenüber der Reglerstellung nicht zu befürchten. Die Regelgeschwindigkeit
ist nur durch die Größe der Überspannungen beschränkt, die jeweils an den abgeschalteten
magnetischen Kreisen auftreten und das Sinken des Stromes im eingeschalteten magnetischen
Kreis verhindern.