DE668750C - Selbsttaetige elektrische Einrichtung zum Regeln oder UEberwachen von Betriebsgroessen mittels umlaufender Wechselstrommaschinen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß in umlaufenden Wechselstrommaschinen unter gewissen Bedingungen Selbsterregung eintreten kann. Dabei kann die Magnetisierung entweder durch Kapazitäten, beispielsweise Kondensatoren, oder bei Kommutatormasehinen auch durch die Ankerwicklung selbst hervorgerufen werden. Die Selbsterregung kommt sowohl bei Synchron- als auch bei Asynchronmaschinen vor, gleichgültig, ob diese Maschinen einphasig oder mehrphasig ausgeführt sind.

Die Erfindung besteht in. der Ausnutzung der Selbsterregung von umlaufenden und gegebenenfalls mit den zu überwachenden Maschinen gekuppelten Wechselstronimaschinen für die Regelung oder Überwachung (Steuerung, Kontrolle u.dgl.) von Betriebsgrößen elektrischer Maschinen, wobei unter Betriebsgröße etwa Drehzahl, Druck, Wärme, Spannung, Stromstärke verstanden werden soll.

Zur Klarlegung der Erfindung seien zunächst die Vorgänge der Selbsterregung an einem einfachen Beispiel näher erläutert.
Die Abb. 1 zeigt beispielsweise eine Einrichtung, die aus einer- dreiphasigen Synchronmaschine SAi besteht, deren Ständerwicklung mit Kondensatoren C verbunden ist. Der Läufer besitzt ausgeprägte Pole, die der Einfachheit halber ohne Wicklung ausgeführt sind.

Die Abhängigkeit der Spannung vom Magnetisierungsstrom der Synchronmaschine gibt die Leerlauf kurve α in Abb. 2 für eine bestimmte Drehzahl wieder. In dem gleichen Schaubild läßt sich die Stromspannungslinie für 'den angeschlossenen Kondensator darstellen, die bei konstanter Frequenz (Drehzahl) eine Gerade durch den Ursprung ist. Für den Fall, daß die Kondensatorkennlinie oberhalb der Leerlauf kurve α liegt (Kondensatorkennlinie b der Abb. 2) kann keine Selbsterregung eintreten, da außer im Nullpunkt kein Schnitt der beiden Kurven besteht, der dem Gleichgewichtszustand entspricht. Liegt dagegen die Kondensatorkennlinie unterhalb des geraden Teiles der Leerlaufkurve α (Kondensatorkennlinie c der Abb. 2), so· ist infolge der Sättigung immer ein Schnitt möglich. Es tritt dann Selbsterregung ein, falls diese durch irgendeine Ursache eingeleitet wird. Zur Einleitung der Selbsterregung ist dabei nur eine äußerst kleine Spannung an der Maschine erforderlich, die bei den üblichen Maschinen fast immer durch magnetische Remanenz des Poleisens entsteht. Gegebenenfalls kann auch die Remanenz durch Wahl eines geeigneten WerkstofFes vergrößert oder eine ganz geringe Magnetisierung der Pole mittels Gleichstromes vorgesehen werden.

*) Van dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden: Dipl.-Ing. Ernst Wolf gang Krebs in Ipswich, Suffolk, England.

Aus den Kurven der Abb. 2 läßt sich die Abhängigkeit der Klemmenspannung von der Drehzahl bei unveränderlicher Kapazität ab-> leiten, wenn man berücksichtigt, daß die schinenspannung sich bei konstantem. St proportional mit der Drehzahl (Frequenz), Kondensatorspannung dagegen umgekehrt» proportional mit der Frequenz ändert. Die sich so· ergebende Kurve ist in der Abb. 3 dargestellt. Es ist daraus ersichtlich, daß die Spannung bis zu einer gewissen Drehzahl nahezu Null ist und bei einer bestimmten Drehzahl sprungartig auf einen verhältnismäßig hohen Wert ansteigt. Bei weiterer Erhöhung der Drehzahl nimmt die Spannung stetig zu.

Diese Erscheinung wird gemäß der Erfindung¹ zur Regelung oder Überwachung von Betriebsgrößen elektrischer Maschinen benutzt. Wie dies im einzelnen geschehen kann, soll nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen beschrieben werden.

Zur Begrenzung der Drehzahl von elektrischen Maschinen oder anderen umlaufenden Maschinen benutzte man bislang im allgemeinen Fliehkraftschalter. Diese haben aber bekanntlich große Nachteile. Da die Erfindung ohne verschiebbare umlaufende Teile, deren Bewegung von der Reibung' und sonstigen unvorhersehbaren Umständen abhängt und auf nichtumlaufende Teile übertragen werden muß, arbeitet, ist -sie ganz, wesentlich betriebssicherer und weniger kompliziert im Aufbau. Weiterhin bringt die Erfindung für die Anwendung zur Drehzahlbegrenzung auch deswegen Vorteile, weil sie von einer fremden. Stromquelle unabhängig ist und jegliche Kontakte bei der Betätigung durch -elektrischen Strom vermeidet. Die Betriebssicherheit wird dadurch ganz wesentlich erhöht, was gerade bei der Drehzahlbegrenzung oft besonders wichtig ist, da Drehzahlbegrenzungseinrichtungen in vielen Fällen zur Verhinderung von Gefährdungen benutzt werden.

Die Erfindung kann auch bei der Konstanthaltung der Drehzahl Anwendung finden, wobei die selb st erregte Maschine unmittelbar oder mittelbar die Drehzahlregelung bewirkt. Die mittelbare Drehzahlregelung kann dabei beispielsweise über einen Spannungs- oder Stromtransformator erfolgen. Die Spannungsabhängigkeit von der Drehzahl gibt der Regeleinrichtung ein astatisches Verhalten, das für diesen Zweck besonders vorteilhaft ist. Die Abb. 4 zeigt ein Beispiel einer Überwachungseinrichtung, bei der zur Selbsterregung eine einphasige Asynchronmaschine AM mit Käfiganker und ein Kondensator C verwendet wird. GM ist ein Gleichstromnebenschlußmotor, dessen Drehzahl konstant gehalten werden soll, T ein Transformator, der dazu dienen kann, die über dem Gleichrichter ,Q,R gleichzurichtende Spannung möglichst

in zu halten. Bei Überschreiten der Soll-SJifizahl erregt sich die Asynchronmaschine st. Dabei ist die Frequenz der Spannung tsprechend dem Schlupf kleiner, als sich aus Drehzahl und Polzahl ergeben würde (asynchrone Selbsterregung). Es fließt dann ein Gleichstrom über den Gleichrichter GR und die Hilfswicklung H der Gleichstrommaschine, wodurch das Feld der Gleichstrommaschine GM verstärkt wird, bis die Drehzahl auf den ursprünglichen Wert zurückgeführt ist. Statt des Gleichrichters können beispielsweise auch ein veränderlicher Widerstand, z. B. ein Kohledruckregler im Stromkreise der Feldwicklung oder andere bekannte Regeleinrichtungen benutzt werden, die durch die selbsterregte Spannung der Asynchronmaschine AM gesteuert werden.

Zur Überwachung der Frequenz eines Netzes kann beispielsweise die Anordnung nach Abb. 1 mit einem Synchron- oder Asynchronmotor gekuppelt werden, der von dem zu überwachenden Netz gespeist wird. Die beiden Maschinen lassen sich auch zu einer einzigen zusammenfassen, wenn man zwei Polzahlen wählt, deren Felder sich nicht gegenseitig beeinflussen. Dazu können entweder getrennte Wicklungen für die einzelnen Polzahlen, oder polumschaltbare Wicklungen vorgesehen werden. Besonders, vorteilhaft ist die Schaltung nach Abb. 5, bei der die Ständerwicklung einer Asynchronmaschine AM zwei parallele Wicklungsteile mit getrennten Stempunkten besitzt und der Kondensator zwischen den beiden Sternpunkten liegt. Je nach der Schaltung tritt bei der Selbsterregung einte Frequenz auf, die etwa gleich der 1,5 fachen oder der 6fachen Netzfrequenz ist. Diese Erhöhung der Frequenz, für die der Kondensator zu bemessen ist, ist von Vorteil, weil sie die Größe des erforderlichen Kondensators verringert. Um zu verhindern, daß die selbsterregte Spannung fremder Frequenz durch das Netz kurzgeschlossen wird, sind Induktivitäten χ zwischen das zu regelnde Netz und die Ständerwicklung der Asynchronmaschine AM geschaltet.

In ähnlicher Weise läßt sich die Netzspannung konstant dadurch halten, daß die Drehzahl des Antriebsmotors sich wie bei Gleichstromnebenschlüßmotoren mit der Spannung ändert.

Bei den bisherigen Beispielen war die Kapazität konstant und die Frequenz (Drehzahl) veränderlich. Bei konstanter Frequenz und veränderlicher Kapazität besteht grundsätzlieh die gleiche Abhängigkeit von der Spannung, wie sie in der Abb. 3 veranschaulicht

ist. Diese Eigenschaft kann beispielsweise zur Überwachung von Hochspannungsleitungen oder Generatoren gegen Erdschluß dienen, da durch einen Erdschluß die Kapazität stark beeinflußt wird.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, »auch die Selbsterregung von Gleichstrommaschmen für die Überwachung von Betriebsgrößen zu verwenden. Da jedoch hier grundsätzlich

to nur konstante, von der Drehzahl unabhängige Widerstände in Frage kommen, ist der plötzliche Spannungsanstieg nicht so scharf wie bei Wechselstrommaschinen, bei denen ja in einfacher Weise ein mit der Drehzahl abnehmender Widerstand in den Kapazitäten gegeben ist. Außerdem haben im allgemeinen Gleichstrommaschinen neben den Wechselstromkommutatormaschinen den Nachteil, daß im Bürstenübergangswiderstand eine nicht genau zu erfassende Größe liegt, durch die die Betriebssicherheit der Einrichtung unter Umständen gemindert werden könnte. Man wird daher im allgemeinen nur die Selbsterregung von Wechselstrommaschinen, und zwar vorzugsweise ■ von kommutatorlosen Wechselstrommaschinen, für die Überwachung von Betriebsgrößen verwenden.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Selbsttätige elektrische Einrichtung zum Regeln oder Überwachen von Betriebsgrößen elektrischer Maschinen, wie Drehzahl, Druck, Wärme, Spannung, Stromstärke u. dgl., mittels umlaufender Wechselstrommaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung oder Überwachung die durch Selbsterregung der umlaufenden und gegebenenfalls mit der zu überwachenden Maschine gekuppelten Wechselstrommaschine entstehende Spannung mittelbar oder unmittelbar dient.
2. 2. Selbsttätige elektrische Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte kommutatorlose Wechselstrommaschine vorgesehen ist, welche durch Kapazitäten erregt wird.
3. 3. Selbsttätige elektrische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kommutatormaschinen die Selbsterregung in an sich bekannter Weise durch die Ankerwicklung erfolgt.
4. 4. Selbsttätige elektrische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbsterregung in einer vorhandenen Wechselstrommaschine, die als Motor oder Generator arbeitet, vorgenommen wird.
5. 5. Selbsttätige elektrische Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch sich gegenseitig nicht beeinflussende FeI-der der Betriebspolzahl und der Polzahl, die die Selbsterregung hervorruft.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen