DE632876C

DE632876C - Einrichtung zur Drehzahlregelung von Kommutatormaschinen fuer Gleich- und Wechselstrom

Info

Publication number: DE632876C
Application number: DEA70044D
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1933-07-20
Filing date: 1933-07-20
Publication date: 1936-07-16

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Drehzahlregelung von Kommutatormaschinen für Gleichstrom sowie Ein- oder Mehrphasen-Wechselstrom. Das Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß ein Hilfsmotor eine Bürstenbrücke der Kommutatormaschine relativ zum Läufer der Maschine derart antreibt, daß die Bürstenbrücke dabei eine in bezug auf den Ständer der Kommutatormaschine feststehende, jedoch vom Drehmoment der Kommutatormaschine abhängige Gleichgewichtslage annimmt, deren Winkelabweichung von der Mittellage beim Drehmoment Null nicht mehr als +90 elektrische Grade beträgt.

Ist die Kommutatormaschine mit festen und beweglichen Bürsten ausgerüstet, so wird durch den Hilfsmotor die bewegliche Bürstenbrücke relativ zum Läufer verstellt. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Bürstenbrücke und Läufer ist demnach der Drehzahl des Hilfsmotors proportional. Wenn der Hilfsmotor stillsteht, ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Bürstenbrücke und Läufer gleich Null, so daß dann die Bürstenbrücke jede Drehung des Läufers mitmachen muß, als ob sie mit diesem fest gekuppelt wäre. Da die Bürstenbrücke in bezug auf den Ständer der Kommutatormaschine eine Gleichgewichtslage annimmt, die vom Drehmoment

der Kommutatormaschine abhängig ist, so ist damit auch die Proportionalität zwischen Drehzahl der Kommutatormaschine und Drehzahl des Hilfsmotors gegeben. Beim Drehmoment Null nimmt die Bürstenbrücke in bezug auf den Ständer eine Mittellage ein. Wird das Drehmoment motorisch oder generatorisch, so erhält die Bürstenbrücke eine Winkelabweichung von obengenannter Mittellage, welche im stabilen Arbeitsbereich der Kommutatormaschine nicht mehr als + 90 elektrische Grade beträgt.

In der Zeichnung ist schematisch ein Einphasen-Repulsionsmotor mit der Ständerwicklung ί und der Läuferwicklung r dargestellt, die an einen Kommutator angeschlossen ist. Die Kurzschlußverbindung k der beiden Bürsten b bildet in diesem Beispiel zu gleicher Zeit die Bürstenbrücke. Diese trägt einen kleinen Motor m, der über ein Schneckengetriebe mit dem Läufer gekuppelt ist, in dem das Schneckenrad ζ fest mit dem Läufer verbunden ist. Solange die Welle des Hilfsmotors m sich nicht dreht, sind die Bürsten b mit dem Läufer fest verbunden, d. h. sie schleifen nicht auf dem Kommutator, sondern bleiben auf denselben Lamellen und drehen sich mit dem Kommutator mit. Erst durch Drehung der Welle des Hilfsmotors m ist eine Relativbewegung der Bürsten zum Kommutator möglich..

Es werde nun zuerst der Fall betrachtet, daß die Welle des Hilfsmotors m sich nicht dreht; dann ist die Läuferwicklung einphasig kurzgeschlossen, wobei die Kurzschlußachse die Drehung des Läufers r mitmacht. Wird die S tänder wicklung s an Spannung gelegt

daß der Hilfsmotor» eine konstante Drehzahl hat. Dies ist um so leichter, als der

und steht die Bürstenachse in der Zeichnung

horizontal L(a === o^Q J,:"-,darin., entwickelt der „. ,

Läufer kein Drehmoment. Wird aber d^|l|iiilfsmotor m nur das Drehmoment der Läufer mit den Bürsten aus dieser Lage g4^;K^rstenreibung zu liefern hat", welches bei dreht, dann entsteht ein Drehmoment, dfe'4i?if$l;en Drehzahlen praktisch konstant bleibt, mit wachsendem Winkel a. zunimmt und das.,f."Pan kann für den Hauptmotor einen sehr

ihn zu verkleinern sucht. Das Drehmoment erreicht ein Maximum, wenn α etwas kleiner ist als 90⁰. Für α = o.o° ist das Drehmoment wieder Null, der Läufer steht dann in der Kurzschlußstellung, im Gegensatz zu der Leerlaufstellung bei α = o. Steht der Läufer derart, daß « = ο ist, und ist er mit irgend-•einer Arbeitsmaschine gekuppelt, für deren Bewegung ein bestimmtes Drehmoment erforderlich ist, dann kann man diese Arbeitsmaschine dadurch in Bewegung setzen, daß man mit Hilfe des Hilfsmotors m die Bürsten b relativ zum Läufer r so weit verdreht, ²Q bis der Läufer das erforderliche Drehmoment entwickelt. Wird dann der Hilfsmotor m stillgesetzt, so werden die Bürsten b wieder vom Läufer r mitgenommen, d. h. « wird wieder kleiner, das Drehmoment nimmt ab, der Laufer kommt wieder zum Stillstand. Um den Läufer r dauernd in Bewegung (zu halten, muß der Hilfsmotor dauernd lauf en, d. h. vom Übersetzungsverhältnis des Schneckengetriebes abgesehen, ist die Bewegung des Läufers r mit der Bewegung des Hilfsmotors m synchron, so daß die Bürsten relaliv zum Ständer stillstehen. Hieraus geht hervor, daß man die Kommutatormaschine nach der Erfindung zu verschiedenen Zwecken benutzen kann.

Erstens kann man durch eine bestimmte Umdrehungszahl des Hilfsmotors eine entsprechende Umdrehungszahl des Hauptmotors bewirken und auf diese Weise durch kleine Verstellkräfte eines kleinen Servomotors große Verstellkräfte bei proportionalen Verstellwegen erhalten, welches Problem beispielsweise bei selbsttätigen Regelanordnungen von Bedeutung sein kann. Man kann dabei die primären Verstellkräfte noch weiter herabsetzen, indem man beispielsweise den kleinen Motor m wieder als Repulsionsmotor ausführt, und auch diesen kleinen Repulsionsmotor in derselben Weise durch einen noch viel kleineren Motor beeinflußt.

Weiter kann man die Einrichtung nach der Erfindung verwenden, um die Drehzahl des Läufers r zu regeln und beispielsweise unabhängig von der Belastung konstant zu halten; denn solange die Drehzahl des Hilfsmotors m konstant bleibt, bleibt auch die Drehzahl des Hauptmotors konstant. Mit einem Motor, der an sich eine Reihenschlußcharakteristik besitzt, erreicht man auf diese Weise eine Nebenschlußcharakteristik, und zwar ohne Regler, wenn man nur dafür sorgt, sanften Anlauf und einen großen Regelbereich bekommen, wenn man nur dafür sorgt, daß der Hilfsmotor sehr langsam anläuft und selbst für einen großen Regelbereich vorgesehen ist. Dabei kann der Hauptmotor ein außerordentlich kräftiges Anlaufmoment entwickeln.

Man kann auch die Drehzahl des Hauptmotors in irgendeiner Weise von seiner Belastung oder von irgendeiner anderen Größe abhängig machen indem man. die Drehzahl des Hilfsmotors in der gewünschten Weise von der betreffenden Größe abhängig macht.

Schließlich kann man bei Mehrmotorenantrieb leicht einen synchronen Lauf der verschiedenen Motoren erreichen, wenn man dafür sorgt, daß die Hilfsmotoren unter sich synchron laufen. Der Repulsionsmotor kann selbstverständlich mehrere gleichachsig kurzgeschlossene Bürstenpaare pro Pol besitzen. Er kann auch die Deri-Schaltung haben, wobei in bekannter Weise eine feste und eine bewegliche Bürstenbrücke vorgesehen ist, nur wird hier die bewegliche Bürstenbrücke, in ähnlicher Weise wie in der Zeichnung angegeben, durch einen kleinen Hilfsmotor relativ zum Läufer gedreht.

Die Kommutatormaschine kann auch ein Einphasen-Reihenschlußkommutatormotor sein, bei welchem die Läuferwicklung über die Kommutatorbürsten mit der Ständerwicklung in Reihe geschaltet ist. Es ist leicht einzusehen, daß hier eine ähnliche Wirkung erzielt werden kann wie beim Repulsionsmotor, und daß auch in diesem Fall die Drehzahl des Läufers durch diejenige Drehzahl gegeben ist, welche der Hilfsmotor der Bürstenbrücke relativ zum Läufer erteilt. Ferner kann die Kommutatormaschine auch eine Drehstrom-Reihenschlußkommutatormaschine und schließlich auch eine Gleichstrom-Reihenschlußmaschine sein. no

In allen bisher erwähnten Fällen kann die Kommutatormaschine nicht nur motorisch, sondern auch generatorisch arbeiten, wobei wieder die Drehzahl der Kommutatormaschine durch die Drehzahl des Hilfsmotors ng festgelegt ist. Wird beispielsweise der Repulsionsmotor nach der Zeichnung für den Antrieb eines Hebezeuges verwendet und soll etwa eine Last gesenkt werden, die auf den Läufer r ein Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn ausübt, dann wird, solange der Hilfsmotor m stillsteht, die Last in Ruhe blei-

ben, indem die Bürstenachse des Läufers eine solche Lage annimmt, daß das Drehmoment des Läufers gerade genügt, um dem von der Last ausgeübten Drehmoment das Gleichgewicht zu halten. Wird der Hilfsmotor m in Bewegung gesetzt, und zwar derart, daß das Bürstenpaar b relativ zum Läufer im Uhrzeigersinn umläuft, dann wird der Läufer von der senkenden Last entgegen dem Uhrzeigersinn angetrieben, und die Kommutatormaschine arbeitet jetzt generatorisch.

Für den Hilfsmotor m kann man jede beliebige Art von Motoren verwenden, doch ist, wenn auf Drehzahlkonstanz großer Wert gelegt wird, ein Hilfsmotor mit Nebenschlußcharakteristik vorzuziehen. Seine Stromzuführung erhält er durch bewegliche Kabel oder über Schleifringe. Ist der Hilfsmotor ein Gleichstrommotor, dann kann man seine Drehzahl entweder durch Feldregelung oder durch Spannungsregelung mit Hilfe eines kleinen Umformers in Ward-Leonard-Schaltung regeln. Im letzteren Fall ergeben sich dann für die Drehzahlregelung der Hauptkommutatormaschine die gleichen Vorteile wie beim Ward-Leonard-Antrieb, doch braucht man hier nur einen ganz kleinen Drehstrom-Gleichstrom-Umformer. Handelt es sich um einen Mehrmotorenantrieb, dann lassen sich die kleinen Gleichstromhilfsmotoren unter sich synchronisieren, indem man ihre Läufer über Schleifringe elektrisch miteinander kuppelt.

Ist der Hilfsmotor ein asynchroner oder synchroner Drehstrommotor, dann kann man seine Drehzahl regeln, indem man ihn mit Wechselstrom regelbarer Frequenz speist, für dessen Erzeugung jede bekannte Art von Frequenzumformung mit regelbarer Frequenz in Frage kommt. Verwendet man synchrone Hilfsmotoren, dann ist bei Mehrmotorenantrieb der synchrone Lauf der Hilfsmotoren direkt gegeben. Dies ist auch der Fall, wenn man als Hilfsmotoren doppelt gespeiste Asynchronmotoren verwendet. Auch bei doppelt gespeisten Asynchronmotoren ist eine Drehzahlregelung möglich, indem man den Asynchronmotor einseitig oder von beiden Seiten mit Strömen veränderlicher Frequenz speist. Schließlich können als Hilfsmotoren jede Art von Kollektormotoren verwendet werden, wobei alle bekannten Arten von Drehzahlregelung und Synchronisierung in Frage kommen.

Wie erwähnt, kann man an der Hauptkommutatormaschine jede gewünschte Drehzahl einstellen, indem man nur die Drehzahl des Hilfsmotors entsprechend einstellt, da Hauptmotor und Hilfsmotor immer synchron miteinander laufen. Hierbei ist jedoch vorausgesetzt, daß der Hauptmotor imstande ist, die entsprechende Leistung abzugeben. Ist dem nicht so, '■ dann fällt der Hauptmotor außer Tritt, und die Bürsten fangen an, relativ zum Ständer zu rotieren. Dies läßt sich vermeiden, indem man am Ständer Anschläge anbringt, die eine Drehung der Bürsten über eine bestimmte Grenzlage hinaus relativ zum Ständer verhindern. Der Hilfsmotor m kann dann seine volle Drehzahl nicht entwickeln, sondern geht in der Drehzahl zurück oder kommt sogar zum Stillstand. Auch kann der Hilfsmotor selbsttätig abgeschaltet werden, sobald die Bürstenbrücke die obenerwähnte Grenzlage erreicht hat. ·

Bei der Drehzahlregelung des kleinen Hilfsmotors ist zu beachten, daß der Hauptmotor fast unmittelbar der Drehzahländerung des Hilfsmotors folgen muß, daß also gegebenenfalls große Massen des Hauptmotors beschleunigt werden müssen. Die Drehzahländerung des Hilfsmotors darf deshalb nicht zu rasch vorgenommen werden, sondern muß so langsam geschehen, daß dem Hauptmotor genügend Zeit für die Beschleunigung bzw. Verzögerung gegeben wird.

In der Zeichnung ist als Übertragung zwischen Hilfsmotor und Läufer der Hauptmaschine ein Schneckengetriebe angegeben; selbstverständlich kann jede andere Art von Übertragung gewählt werden. Der Hilfsmotor könnte auch für die gleiche Drehzahl wie der Hauptmotor gebaut werden, in welchem Fall jede Zahnradübersetzung wegfallen kann.

Wegen des synchronen Laufes von Haupt- und Hilfsmotor besteht die Möglichkeit von Pendelungen, wobei die Bürstenbrücke relativ zum Ständer hin und her pendelt. Diese Pendelungen lassen sich durch Dämpfereinrichtungen an der Bürstenbrücke beseitigen.

Das von der Bürstenreibung herrührende Drehmoment versucht die Bürstenbrücke in die Richtung der Läuferbewegung mitzunehmen. Um dies zu verhindern, muß der Hilfsmotor diese Bürstenreibung überwinden und eine entsprechende Arbeit leisten. Es ist jedoch auch möglich, das Drehmoment der Bürstenreibung durch ein Gegengewicht oder eine Federkraft an der Bürstenbrücke auszugleichen und so den Hilfsmotor zu entlasten, so daß er für eine wesentlich kleinere Leistung bemessen werden kann. Ist die Hauptkommutatormaschine für veränderliche Drehrichtung vorgesehen, dann kann beispielsweise der Angriffspunkt des Gewichts oder der Federkraft auf die Bürstenbrücke in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Hilfsmotors selbsttätig verschoben werden, so daß dann die Bürstenreibung unabhängig von der Drehrichtung der Hauptkommutatormaschine ausgeglichen wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Drehzahlregelung von Kommu'tatormaschinen für Gleichstrom, Einphasen- oder Mehrphasen-Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfsmotor eine Bürstenbrücke der Kommutatormaschine relativ zu deren Läufer derart antreibt, daß die Bürstenbrücke dabei eine in bezug auf den Ständer der Kommutatormaschine feststehende, jedoch vom Drehmoment der Kommutatormaschine abhängige Gleichgewichtslage annimmt, deren Winkelabweichung von der Mittellage beim Drehmoment Null nicht mehr als + 90 elektrische Grade beträgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß' der Ständer des Hilfsmotors an der Bürstenbrücke der Kommutatormaschine befestigt und sein Läufer mit ihrer Welle unmittelbar oder über ein Übersetzungsgetriebe gekuppelt ist, oder umgekehrt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptmaschine als Verstellorgan für eine selbsttätige Regelanordnung dient, um durch kleine primäre Verstellkräfte große sekundäre Verstellkräfte auszulösen und dabei angenähert Proportionalität zwischen dem primären Verstellweg bzw. Verstellwinkel und dem sekundären Verstellweg bzw. Verstellwinkel zu erreichen..

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsmotor eine Kommutatormaschine niit noch kleinerem Hilfsmotor ist, um die erfor-. derlichen primären Verstellkräfte noch weiter zu vermindern.

5. Anordnung zur Erzielung eines Gleichlaufes von mehreren Kommutatormaschinen mit Einrichtungen nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmotoren in irgendeiner bekannten Gleichlauf schaltung verbunden sind, gegebenenfalls mit der Möglichkeit, das Verhältnis der Einzeldrehzahlen beliebig einzustellen.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anschläge an dem Ständer der Hauptkommutatormaschine, die verhindern, daß die Bürstenbrücke relativ zum Ständer der Hauptmaschine über bestimmte Endlagen hinaus verdreht wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erreichen der Endlagen der Hilfsmotor selbsttätig abgeschaltet wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Bürstenbrücke relativ zum Ständer durch Dämpfereinrichtungen gegen Pendelungen geschützt ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Bürstenreibung auf die Bürstenbrücke ausgeübte Kraft durch die Kraft einer Feder, eines Gegengewichts 0. dgl. ausgeglichen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9 mit einer Hauptkommutatormaschine für veränderliche Drehrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der die Bürstenreibung ausgleichenden Gegenkraft in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Hilfsmotors geändert wird, so daß die Bürstenreibung selbsttätig und unabhängig von der Drehrichtung der Hauptmaschine ausgeglichen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen