DE697457C - Staendergespeister Drehstrom-Nebenschluss-Kollektormotor - Google Patents

Description

° Das Drehzahlverhalten von Drehstfom-Nebenschluß-Kollektormotoren bei wechselnder Belastung ist ebenso wie die Größe der jeweils fließenden Kollektor ströme abhängig von den induktiven und Ohmschen Widerständen im Läuferstromkreis einschließlich der auf denselben reduzierten Primärwiderstände des Motors und des allenfalls zur Verwendung gelangenden Regeltransformators (Stufentransformator, Einfach- oder Doppeldrehregler einschließlich Kompensation^- und etwaiger Zusatztransformatoren u. dgl.). Weiter ist von entscheidendem Einfluß für die Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik der Motoren die im Läuferkreis eingeführte Kompensationsspannung, welche bekanntlich als Komponente der Regelspannung oder als durch eine besondere Hilfswicklung eingeführte Spannung oder schließlich als Kombi- ·· nation . zweier oder mehrerer derartiger Spannungen auftritt. Auf der einen Seite wird durch die Kompensationsspannung die Phasenlage des Belastungsstromes im Sinne der Voreilung verschoben und hierdurch die induktive Komponente des Spannungsabfalls, die bei induktivem Strom drehzahlerniedrigend wirkt, in ihrer Wirkung auf die Drehzahl verkleinert oder sogar aufgehoben. Auf der anderen Seite hat aber eine große Kompensationsspannung zur Folge, daß. der große kapazitive Leerlaufstrom infolge der Induktivität des Kollektorstromkreises eine Drehzahlerhöhung hervorruft, die die zunächst zu erwartende, Verringerung des Drehzahlunterschiedes zwischen Leerlauf und Vollast wieder aufhebt.

Die große Kompensationsspannung muß' ,häufig auch deswegen eingeführt werden, um, insbesondere bei tiefen Drehzahlen, die nötige ' Überlastungsfähigkeit des Motors zu gewährleisten, die ebenfalls durch die unvermeidlichen großen induktiven Widerstände im Kollektorstromkreis begrenzt ist. .Um die nötige Stabilität zu gewährleisten, wird vielfach eine Kompensationskomponente, insbe-"sondere im untersynchronen Drehzahlbereich, verwendet, deren Größe einen Kollektorstrom im Leerlauf hervorruft, der für den Kollektor und die. Ankerwicklung nicht mehr zu- " lässig ist, so daß derartige Maschinen im Leerlauf, also ohne mechanische Belastung, überhaupt nicht betrieben werden dürfen.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Behebung dieser Übelstände erreicht. Das Wesen der Erfindung soll an Hand der Abbildüngen erläutert werden. Die Abb. 1 und 2 stellen Beispiele von Schaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung dar. Die Vektordiagramme der Abb. 3 bis 5 beziehen sich auf bereits bekannte Anordnungen, das Vektordiagramm der Abb. 6 auf die" Anordnung nach der Erfindung.

Der Erfindung liegt zugrunde ein ständergespeister Drehstrom-Nebenschluß-Kollektor- motor, wie er in den Abb. 1 und 2 in einem Schaltungsbeispiel dargestellt ist. Die Regelung erfolgt gemäß den Abbildungen, auf die im übrigen noch weiter unten zurückgekom- ·

men wird, mit Hilfe von Drehreglern, deren Sekundärspannung als Regelspannung in den Kollektorstromkreis der Nebenschlußmotoren eingeführt wird. Die Art der Erzeugung. dieser Regelspannung ist jedoch für die. Εξ findung unerheblich. In Abb. 3 ist ^d Vektordiagramm der üblichen Anordnung* ständergespeister Drehstrom - Nebenschluß Kollektormotoren mit Regeltransformator irgendwelcher Art und in den Kollektor-. Stromkreis eingeführter Kompensationsspannung normaler Größe aufgezeichnet.

In allen Vektordiagrammen liegt die Kollektorspannung vektoriell in der Ordinatenachse. Die Stillstandskollektorspannung E₂₀ ist aus dem Diagramm ersichtlich, sie entspricht der synchronen Drehzahl n_s. Der jeweilige Betriebspunkt ist in bezug auf seine Drehzahl stets durch seine Ordinate gekennao zeichnet. Angenommen sei bei allen Diagrammen weiter eine Belastung entsprechend einer Wattkomponente des Belastungsstromes/„,, und ferner sei zugrunde gelegt, daß ein bestimmter untersynchroner Betriebspunkt i, entsprechend einer Drehzahl Ji₁, verglichen wird. Der Betriebspunkt 1 muß bei einer bestimmten Belastung /,„ sich auf dem geometrischen Ort α befinden, α ist eine durch den Synchronslaufspunkt O gelegte Gerade, deren Abschnitt auf der Abszissenachse gleich dem induktiven Spannungsabfall im Ständer J_w ' X₁, reduziert auf den Kollektorstromkreis ist.

Die durch den Regeltransformator und die allenfalls vorhandene Kompensationswicklung in den Kollektorstromkreis eingeführte Spannung E_n deren Vektorspitze mit 2 bezeichnet ist, muß zur Erreichung des Belastungspunktes ι so gelegt werden, daß das Spannungsabfall dreieck mit seiner Spitze auf 1 fällt. Es ergibt sich dann zur Erfüllung der gestellten Bedingung, d. h. zur Erreichung des Belastungspunktes 1, ein erforderlicher Strom J₂, der bei der üblichen Anordnung nach Abb. 3 eine erhebliche Phasenverschiebung φ aufweist und dessen Spannungsabfälle J₂, r₂ und J₂, X₂ die eingezeichnete Lage haben. Unter dem Einfluß der Kompensationskomponente E_k der Gesamtregelspannung E_r fließt nun im Leerlauf ein voreilender Magnetisierungsstrom I₀ im Kollektorstromkreis, der sich daraus ergibt, daß sein Ohmscher Spannungsabfall J₀ · r₂ gleich E_k ist. Dieser Magnetisierungsstrom ruft einen induktiven Spannungsabfall /₀ · X₂ hervor, der zur Folge hat, daß sich der Leerlaufpunkt 3 einstellt, entsprechend einer Leerlaufdrehzahl M₁₀. Wie ersichtlich, ergeben sich recht ungünstige Verhältnisse; Zunächst wird ein sehr großer Kollektorstrom im Belastungszustand erforderlich, dessen Phasenlage ungünstig ist. Außerdem entsteht ein sehr großer Drehzahlabfall M₁₀-B₁ zwischen Leerlauf und Vollast.

Außerdem ist aus dem Diagramm ohne ^-weiteres zu erkennen, daß die Überlastungs- «s "fähigkeif des Motors eine außerordentlich geringe ist, ~da schon eine verhältnismäßig kleine Vergrößerung der Wattkomponente /,„ zu einer starken Vergrößerung von J₂ und einem dementsprechend größeren Spannungsabfall führen muß, so daß der Punkt 1 stark nach unten rückt und bei Erreichen des Schnittpunktes von α mit der Abszissenachse der Kurzschlüßpunkt erreicht wird.

In Abb. 4 sind die Verhältnisse dargestellt für den bereits früher vorgeschlagenen Weg, den Ohmschen Widerstand im Sekundärkreis zu erhöhen. Dies führt, wie der Vergleich des Vektordiagrammes mit dem der Abb. 3. zeigt, zwar zu einer etwas verbesserten Phasenlage von J₂ und zu einem geringeren Leerlaufstrom J₀ und einem damit verbundenen geringeren Drehzahlanstieg infolge des Leerlaufstromes. Hierdurch wird eine gewisse Verbesserung erzielt.

In Abb. 5 ist ein anderer häufig benutzter Weg dargestellt, die Verhältnisse durch eine größere Kompensationskomponente· £& zu verbessern. Es gelingt auf diese Weise tatsächlich, den Läuferstrom J₂ in Phase mit der Spannung zu bringen und das Spannungsabfalldreieck dementsprechend zu verkleinern und zu verdrehen, so daß der Drehzahlabfall, herrührend von der Belastung, verringert wird.

Es muß aber in Kauf genommen werden, daß infolge der .großen Kompensationskomponeräe E_k ein Strom J₀ fließt, der den Volllaststrom weitaus überschreitet und überdies eine drehzahlerhöhende Spannung /₀, X₂ hervorruft, die den Gewinn im Drehzahlabfall nahezu ausgleicht, so daß die Leerlaufdrehzahl M₁₀ nicht nennenswert kleiner ist als im Falle der Abb. 3. Der Motor hat überdies den Nachteil, daß er im Leerlauf und bei geringer Belastung nicht betrieben werden kann, es sei denn, daß man den Kollektor für diesen großen Strom auslegt und die hohen Verluste mit in Kauf nimmt. Aber selbst dann, wenn der betreffende Antrieb keine derartigen Belastungszustände erfordert, bleibt der Nachteil der verhältnismäßig steil abfallenden Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik erhalten.

In Abb. 6 ist endlich die erfindungsgemäße Anordnung vektoriell dargestellt, bei der eine hohe Kompensationsspannung kombiniert wird mit einem, zusätzlichen Widerstand r_z, wodurch sämtliche Nachteile der bekannten Anordnungen beseitigt werden. Wie ersichtich,, ist immer beim selben Belastungspunkt 1 ■*·

das Spannungsabfalldreieck zwischen 2 und 1 derart gelagert, daß sich wieder ein _ geringster, mit der Spannung phasengleicher KdI-lektorstrom J₂ ergibt. Der Leerlaufstrom /₀ ist durch den zusätzlichen Ohmschen Widerstand auf denselben Wert gebracht wie der Kollektorstrom /₂. Es wird daher trotz der erhöhten Kompensationsspannung nur ein geringer induktiver Spannungsabfall und damit eine geringe Drehzahlerhöhung bei Leerlauf "hervorgerufen, 'die sogar niedriger ist als bei normaler Kompensationsspannung. Die Leerlauf drehzahl W₁₀ ist also gegenüber dem Vektordiagramm nach Abb. 5 erheblich 'S und auch demgegenüber dem Vektordiagramm nach Abb. 4 vermindert. Der Drehzahlunterschied zwischen Leerlauf und Volllast ist infolge des verhältnismäßig geringen Spännungsabfalles des Belastujigsstromes und der geringen Drehzahlerhöhung durch den induktiven Spannungsabfall des Leerlaufstromes gegenüber allen bisher bekannten Anordnungen nicht unerheblich vermindert. Hierbei sind, wie aus dein Vergleich der Vek- »5 tordiagramme ohne weiteres hervorgeht, auch die verschiedenen Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden. Der Kollektörstrom erreicht im Betriebszustand den kleinstmöglichen Wert. Die Verluste sind daher verhältnismäßig gering im Vergleich zu der bekannten Anordnung nach Abb. 4 mit • zusätzlichem Widerstand. Dieser Anordnung gegenüber besitzt die erfindungsgemäße Anordnung noch den Vorteil der erheblich höhe-* .35 heren Überlastungsfähigkeit und des besseren Leistungsfaktors. Gegenüber der Anordnung mit der höheren Kompensationsspannung nach Abb. 5 besitzt die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil, daß der Leerlaufstrom auf zulässige Werte beschränkt ist und daher der Motor ohne weiteres im Leerlauf 'und bei geringer Belastung, ohne daß eine größere Bemessung der Maschine notwendig wäre, betrieben werden kann. ' Die Leerlaufverluste sind dementsprechend geringer und der Teillastwirkungsgrad höher.

In den Abb. 1 und 2 bedeuten M die Drehstrom - Nebenschluß - Kollektormotoren, St deren Ständer- und K deren Läuferwicklungen mit Kollektor und Bürsten. Im> Falle der Abb. ι erfolgt die Regelung durch einen Doppeldrehregler D und die Einschaltung der Kompensationsspannung durch eine Kompensationswicklung C, die im -Ständer des Motors untergebracht ist. Der zusätzliche Wi-' derstand W ist in offener Schaltung in den Läuferstromkreis eingeschaltet . und kann durch den Schalter Sch überbrückt werden.

Die geschilderten Schwierigkeiten in bezug

auf die Phasenlage des Kollektorstromes, der Überlastungsfähigkeit und des Drehzahlabfalles treten sowohl absolut als relativ am stärksten im Untersynchronismus und da insbesondere bei ganz tiefen Drehzahlen auf. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Anordnung auch für diesen Drehzahlbereich ; am wertvollsten. Mit zunehmender Drehzahl kann häufig auf die normale Schaltung und Bemessung zurückgegangen werden. Dementsprechend ist in dem Beispiel der Abb. 1 die Anordnung so getroffen, daß bei höheren Drehzahlen durch' einen Hilfskontakt H, der mit der Stellung des Doppeldrehreglers. in Verbindung steht,: der Schalter Sch eingelegt wird. Da die Doppeldrehfeglerstellung ihrerseits die Drehzahl bestimmt, entsteht mittelbar eine drehzahlabhängige Schaltung.

Ebenso kann die Kurzschließung des Widerstandes abhängig gemächt werden unmit-" telbar ν,οη der Drehzahl des Motors selbst, also beispielsweise von einem Zentrifugalschalter oder einer Tachometerdynamo, Zugleich mit der Abschaltung des Widerstandes wird erfindungsgemäß die erhöhte Kompensationsspannung herabgesetzt. '

.In Abb. 2 ist an einem weiteren Ausführungsbeispiel eine derartige Anordnung dargestellt. Die Kompensationswicklung C ist als Sekundärwicklung eines Kompensations-• transformator T_k ausgeführt, dessen Primärwicklung eine Anzapfung besitzt, " die durch einen Umschalter U an das Netz gelegir werden kann: Die Stellung 1 des Umschalters entspricht der offenen Stellung des Schalters Sch, also dem Betriebszustand bei tiefer Drehzahl mit erhöhter Kompensationsspannung und eingeschaltetem Widerstand. Die Stellung 2 des Umschalters U entspricht der geschlossenen Stellung des Schalters Sch, also überbrückten! Widerstand und verringerter Kompensationsspannung für den Betrieb mit höherer Drehzahl. Die beiden Schaltvorgänge können zweckmäßig, miteinander gekuppelt und in der gleichen Weise gesteuert werden wie oben beschrieben. '

An Stelle der als -Beispiel dargestellten Veränderung der Kömpensationsspannung durch eine Umschaltung kann auch durch entsprechende Bürstenstellung eine ähnliche Wirkung erzielt werden. Es wird zu diesem «0 Zweck die Bürstenstellung des Kollektormotors so gewählt, daß die Regelspanuungen außer einer drehzahlverändernden auch eine in die Kompensationsachse fallende' Spannungskomponente besitzen. Diese Spannungskomponente wird nun im untersynchronen Bereich kompensierend und im übersyn-,chronen Bereich entmagnetisierend gewählt. Hierdurch ergibt sich eine verstärkte Korn-. pensation in jenem Bereich, in dem der Wi- iao derstand eingeschaltet ist.

Besonders günstig wirkt'sich die Einschal-

tung eines derartigen Widerstandes bei gleichzeitig erhöhter Kompensation aus für den Betrieb mit ganz tiefen Drehzahlen, z. B. zum Zweck der Einleitung eines Arbeitsprozesses, wie beim Einziehen in verschiedenen Maschinen der Papier- und Textilindustrie. Der Widerstand kann gleichzeitig zur Begrenzung des Anlaufstromes beim Einschalten dienen, in welcher Hinsicht er trotz seines verhältnismäßig geringen Ohmwertes in den meisten Fällen ausreichend ist, so daß ein besonderer Anlaßwiderstand hierdurch erspart werden kann. Die gleichzeitig erhöhte Kompensationsspannung wirkt überdies, da sie das Kippmoment des Motors erhöht, in der Richtung höherer Anlaufmomente.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Ständergespeister Drehstrom-Nebenao schluß-Kollektormotor, dadurch gekennzeichnet, daß im untersynchronen Regelbereich in den Kollektorstromkreis eine Kompensationsspannung solcher Größe eingeführt wird, daß durch diese allein der Leerlaufstrom größer als der normale Kollektorstrom wird, daß außerdem in den Kollektorstromkreis ein Ohmscher Widerstand solcher Größe eingeschaltet wird, daß der Leerlaufstrom einen Wert etwa gleich dem normalen Kollektorstrom erreicht, und daß ferner Kompensationsspannung und Ohmscher Widerstand so groß gewählt werden, daß der Drehzahlabfall zwischen Leerlauf und Vollast einem Mindestwert angenähert wird.
2. 2. Ständergespeister Drehstrom-Nebenschluß-Kollektormotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit zunehmender Drehzahl die Kompensationsspannung zugleich mit dem Ohmschen Widerstand vermindert und gegebenenfalls auf den Wert Null gebracht wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen