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Einrichtung zum selbsttätigen Synchronisieren von asynchron anlaufenden
Synchronmotoren Das Hauptpatent 696 048 betrifft eine Einrichtung zum selbsttätigen
Synchronisieren von asynchron anlaufenden Synchronmaschinen, bei welcher der während
des AnlaufvGrganges im Stromkreis der Erregerwicklung befindliche Entladewiderstand
in Abhängigkeit sowohl von der Größe der Frequenz der in der Erregerwicklung induzierten
Wechselspannung als auch von der Winkellage der Erregerwicklung zu der Wechselstromwicklung
des Synchronmotors durch einen Kurzschlußschalter überbrückt wird, wobei der zur
Synchronisierung günstigste Zeitpunkt innerhalb jeder Schlupfperiode durch einen
Nokkenschalter ausgewählt wird, dessen Schaltwelle durch ein Differentialgetriebe
mit einer der Differenz aus der synchronen und der jeweiligen asynchronen Maschinendrehzahl
proportionalen Drehzahl angetrieben wird.
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Diese Einrichtung soll nun erfindungsgemäß dadurch verbessert werden,
daß. nach Erreichen einer vorbestimmten Motordrehzahl die Zeitkonstante des Erregerkreises
durch Abschalten des kleineren Widerstandes des aus zwei zueinander parallel geschalteten
Widerständen verschiedener Größe bestehenden Entladewiderstandes zunächst verringert
und sodann, durch Kurzschließen des größeren Widerstandes oder durch Parallelschaltung
einer besonderen niedrigohmigen Erregerstromquelle geeigneter Polarität mittels
Nockenschalter, deren Schaltwelle ebenfalls von dem Differentialgetriebe angetrieben
wird, periodisch erhöht wird.
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Um das Synchronisiervermögen der Synchronmaschinen zu verbessern,
wird also gemäß der Erfindung die Zeitkonstante des Entladungsstromkreises der Erregerwicklung
gesteuert, und zwar wird, wenn die als Induktionsmaschine laufende Maschine eine
vorbestimmte Drehzahl erreicht hat, .die Zeitkonstante des Entladungsstromkreises
zunächst
auf einen verhältnismäßig kleinen Wert etwa in dem Punkt
der Schlupfperiode verringert, in dem der Erregerfluß sich gerade in positiver Richtung
aufbauen will. Unten der positiven Richtung wird die Richtung des Flusses verstanden,
der von der Gleichstromerregung während des synchronen Betriebes erzeugt wird. Die
Zeitkonstante wird zweckmäßig auf einen solchen Wert herabgesetzt, daß der Höchstwert
des Erregerflusses in der -Nähe des Leerlaufwinkels auftreten kann. Unter dem Leerlaufwinkel
soll der elektrische Winkel zwischen entsprechenden Punkten des Flußverlaufes der
anzulassenden Maschine und denjenigen einer anderen Synchronmaschine verstanden
werden, welche eine Leerlaufspannung erzeugt, die der Netzspannung der anzulassenden
Maschine gleich ist und mit ihr in Phase liegt. Die Winkelverschiebungen werden
positiv gemessen, wenn die Winkelverschiebung durch eine Belastung des Motors hervorgerufen
wird.
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Die Größe der Belastung, bei der eine Synchronmaschine noch in Tritt
fallen kann, hängt nun von der Zeitkonstante des Erregerstromkreises in dein Zeitpunkt
ab, in dein die Maschine in Tritt fällt, und ist bei Maschinen mit mittlerer bis
großer Erregerzeitkonstante im wesentlichen unabhängig von der Span-. nung der Gleichstromerregung,
die in diesem bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet wird. Es kann daher die gleiche
Belastung durch Kurzschließen der Erregerwicklung 'in Tritt gezogen werden wie beim
Anschalten einer Erregerstromquelle an die Wicklung. Wird jedoch die 1l aschine
durch Kurzschließen der Erregerwicklung synchronisiert, so muß die Erregung eingeschaltet
sein, bevor der Erregerfluß auf einen derart geringen Wert gesunken ist, daß der
Motor außer Tritt fällt.
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Bisweilen kann nun eine Synchronmaschine während des Anlassens so
stark belastet sein, daß sie im asynchronen Anlauf nicht die hohe Drehzahl erreicht,
bei der mittels der Einrichtung nach dem Hauptpatent der Synchronisierungsvorgang
eingeleitet werden kann. Deshalb soll erfindungsgemäß die Zeitkonstante des Erregerstromkreises
in zyklischer Beziehung zu dem Schlupf periodisch geändert und dadurch der 12otor
auf eine höhere Drehzahl beschleunigt werden, bei der er dann durch Einschalten
der Erregung in einem geeigneten Punkte der Schlupfperiode sicher synchronisiert
werden kann.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht.
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Abb. i zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Der Synchronmotor i ist mit einer Ankerwicklung 2 und einer Erregerwicklung 3 versehen.
Zur Vereinfachung ist die Erfindung in Verbindung mit einem Anlaßverfahren veranschaulicht,
gemäß dem die Synchronmaschine an die volle Netzspannung angeschaltet wird. Der
Svnchronmotor i wird durch unmittelbares Anschalten der Ankerwicklung 2 mittels
eines geeigneten handbetätigten Schalters d. an das Netz 5 angelassen, während die
Erregerwicklung 3 über einen Entladungswiderstand 6 und einen zu ihm parallel geschalteten
Widerstand 12 kurzgeschlossen ist. Der Motor ist meistens auch mit einer Käfigwicklung
oder mit anderen Wicklungen versehen, die jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt
sind. Die Erfindung kann natürlich auch in Verbindung mit anderen Anlaßverfahren
verwendet werden.
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Die Erregerwicklung 3 ist an den Entladungswiderstand 6 über einen
Zweifachschalter 7 und einen Zweifachschalter 8 angeschlossen. Wird die Arbeitswicklung
9 des Schalters 7 erregt, so schaltet dieser Schalter die Erregerwicklung 3 an eine
geeignete Erregerstromquelle io. Durch den Schalter 8 mit der Arbeitswicklung i
i kann der Widerstand 6 aus dem Erregerstromkreis herausgenommen werden. Der Entladungswiderstand
6 in Verbindung mit dem Widerstand 12 wird größenmäßig zweckmäßig so ausgelegt,
daß die günstigste Drehmomentcharakteristi'k während des Anlaufvorganges erzielt
wird.
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Um den Motor auf eine höhere asynchrone Drehzahl zu bringen, als es
mit dem Widerstand 6 in dem Entladungsstromkreis möglich ist, wird erfindungsgemäß
nach Erreichen einer vorbestimmten Drehzahl des Motors i zunächst der Schalter 8
betätigt, um den Widerstand des Entladungsstromkreises durch Abschalten des Widerstandes
6 zu er- i höhen. Der Schalter 8 kann den Entladungsstromkreis völlig öffnen. Um
jedoch das Auftreten sehr hoher Spannungen in der Erregerwicklung zu verhindern,
wird erfindungsgemäß ein verhältnismäßig hoher Widerstand 12 vorgesehen, der nach
Ansprechen des Schalters 8 in dem Erreger-Stromkreis liegt. Der Widerstand 12 kann
aus irgendeinem geeigneten Stoff bestehen. Zweckmäßig wird jedoch ein solcher Stoff
verwendet, welcher eine umgekehrte Spannungswiderstandscharakteristik aufweist.
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Durch das Ansprechen des Schalters 8 wird die Zeitkonstante des Erregerstromkreises
herabgesetzt, so daß der Erregerflüß auf einen höheren Maximalwert bei einem kleineren
Belastungswinkel ansteigt. Dies ist aus den Kurven der Abb. 2 zu ersehen. Die Kurven
A und B zeigen den Verlauf des Erregerflusses, wenn der Belastungswinkel sich bei
einem bestimmten konstanten Schlupf ändert, und zwar für den Fall, daß ein großer
Widerstand,
beispielsweise der Widerstand i2, bzw. ein kleinerer Widerstand, beispielsweise
der Widerstand 6, in dem. Erregerstromkreis liegt. Die Kurve C zeigt den Verlauf
des Erregerflusses, wenn sich der Belastungswinkel bei demselben Schlupf ändert,
und zwar für den Fall, daß die Erregerwicklung kurzgeschlossen ist. Diese Kurven
zeigen, daß mit abnehmender Zeitkonstante des Erregerstromkreises der Höchstwert
des Erregerflusses zunimmt und @daß dieser Höchstwert in einem Punkte der Schlupfperiode
auftritt, der dem Leerlaufwinkel näher liegt.
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Nachdem der Schalter 8 die betreffenden Schaltverbindungen zur Herabsetzung
der Zeitkonstante hergestellt hat, wird die Zeitkonstante mittels eines Schalters
13 periodisch geändert. Dieser Schalter bewirkt das Kurzschließen des Widerstandes
12.
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Damit der Schalter 8 erst dann anspricht, wenn der Motor eine bestimmte
untersynchrone Drehzahl erreicht hat, wird erfindungsgemäß eine Einrichtung mit
einem frequenzabhängigen Relais vorgesehen. Diese Einrichtung enthält ein Zeitrelais
14 und einen Einweggleichrichter 15, der mit einem Teil des .Entladungswiderstandes
6 in Reihe geschaltet ist. Der in der Erregerwicklung während des untersynchronen
Laufes der Maschine induzierte Strom bewirkt, daß das Relais 1q. sich aufhängt und
so lange in dieser Stellung bleibt, bis der Motor eine bestimmte untersynchrone
Drehzahl erreicht hat, bei der die Frequenz des induzierten Stromes hinreichend
klein ist, daß das Relais beim Nulldurchgang der Halbwelle des induzierten Erregerstromes
in seine normale Lage zurückfällt. Die Kontakte 16 des Relais rd. liegen in dem
Stromkreis der Arbeitswicklung i i des Schalters 8, so daß dieser erst dann geschlossen
werden kann, wenn die Motordrehzahl einen bestimmten Wert überschritten hat.
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Damit der Schalter 8 erst dann geschlossen wird, wenn der Motor i
angelassen wird und das Relais Zeit hatte, seine Kontakte 16 zu öffnen, ist erfindungsgemäß
ein Relais 18 vorgesehen, dessen Kontakte i9 in Reihe mit den Kontakten 16 des Relais
14 und der Arbeitswicklung i i des Schalters 8 liegen. In dem Stromkreis der Relaiswicklung
18 liegen die Hilfskontakte 2o des Schalters q., so daß das Relais 18 erregt wird,
wenn der Schalter q. geschlossen wird. Das Relais 18
ist derart beschaffen,
daß es seine Kontakte i9 erst dann schließt, wenn das Relais 18 während einer bestimmten
Zeitdauer erregt worden ist. Wird der Schalter q. geschlossen, so hat das Relais
iq. Zeit, seine Kontakte 16 zu öffnen und seine Kontakte 2 i parallel zu den Kontakten
22 des Relais 18 zu schalten, bevor das Relais 18 seine Kontakte r9 in Reihe
mit den Kontakten 16 schaltet.
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Durch das Schließen der Kontakte 2,4 des Schalters 8 wird auch der
Schalteraa zum Ansprechen gebracht. Zum Er- und Entregen der Arbeitswicklung 31
des Schalters 13 während des gewünschten Abschnittes jeder Schlupfperiode des Motors
i ist erfindungsgemäß ein Differentialgetriebe 25 vorgesehen, dessen eines Rad von
dem Motor i und dessen anderes Rad von einem leer laufenden synchronen Hilfsmotor
25 angetrieben wird; der an das Netz 5 mittels eines geeigneten Schalters 27 angeschlossen
werden kann. Das Differentialgetriebe 25 treibt in geeigneter Weise eine Welle 28
mit einer Drehzahl von einer Umdrehung je Schlupfperiode des Motors i im Verhältnis
zu der Drehzahl des Motors 26 an. Auf der Welle 28 ist eine einstellbare Nocke 29
befestigt, welche die Kontakte 30 während des gewünschten Abschnitts jeder
Umdrehung der Welle 28 und folglich auch während des gewünschten Abschnittes jeder
Schlupfperiode des Motors i schließt. Die Kontakte 30 liegen in dein Stromkreis
der Arbeitswicklung 3i des Schalters 13.
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Nachdem also der Motor i eine vorbestimmte Drehzahl erreicht und der
Schalter 8 seine Kontakte 24 geschlossen hat, schließt die Nocke 29 den Stromkreis
der Arbeitswicklung 3 i während . bestimmter Zeitabschnitte jeder Schlupfperiode
des Motors i periodisch. Wie die Abbildung zeigt, ist die l\TOCke 29 so ausgelegt,
daß der Schalter 13 während des Winkelbereiches von o bis 12o° und i8o bis 300°
geschlossen bleibt. Diese Bereiche können jedoch beliebig geändert werden.
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Nachdem der Schalter 13 mehrere Male betätigt und dadurch die gewünschte
Vergrößerung der Motordrehzahl erzielt wurde, wird der Schalter 7 eingelegt, und
zwar ist erfindungsgemäß eine in der Zeichnung als Zeitrelais dargestellte Einrichtung
33 vorgesehen. Diese Einrichtung wird durch das Relais 1q. in Betrieb gesetzt, wenn
dieses beim Erreichen der vorbestimmten untersynchronen Drehzahl anspricht. Dieses
Zeitrelais 33 spricht nach einer bestimmten Zeit an und bewirkt das Schließen des
Schalters 7 über einen Nockenschalter 3.1, sobald ein bestimmter Punkt der Schlupfperiode
erreicht wird. Dieser Zeitpunkt wird durch eine zweite einstellbare Nocke 35 bestimmt,
welche den Nockenschalter 3.4 betätigt. Durch Schließen des Schalters 7 wird dann
die Erregung der Feldwicklung der Synchronmaschine i eingeschaltet.
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Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung arbeitet folgendermaßen:
Soll der Motor T angelassen werden, so wird zunächst
der Synchronmotor
26 eingeschaltet, sodann der Schalter q. geschlossen, so daß die volle Netzspannung
an die Ankerwicklung 2 des Motors i angelegt wird und der Motor auf eine Drehzahl
hochläuft, die in der Nähe der synchronen Drehzahl liegt. Sobald die lsotorankerwicklung
angeschlossen ist, wird in der Erregerwicklung 3 eine Spannung mit der Schlupffrequenz
induziert. Diese Spannung ruft einen Strom mit der Schlupffrequenz, der durch die
Feldwicklung 3 und den Entladungswiderstand 6 fließt, und einen pulsierenden Strom
hervor, der durch den Gleichrichter 15 und die Relaiswicklung 14 fließt. Solange
der Motor die bestimmte untersynchrone Drehzahl nicht erreicht hat, sind die Größe
und die Frequenz des durch die Relaiswicklung 14 fließenden gleichgerichteten Stromes
derart, daß das Relais sich aufhängt und seine Kontakte 16 offen hält. Durch das
Schließen der Kontakte 21 stellt das Relais i.t einen Nebenschlußstromkreis zu den
Kontakten 22 des Relais i8 her. Dieses Relais öffnet jedoch seine Kontakte 22 und
schließt seine Kontakte i9 erst dann, wenn das Relais 14 seine Kontakte 16 geöffnet
und seine Kontakte 21 geschlossen hat.
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Das Relais 14. ist so eingestellt, daß, wenn der Motor eine bestimmte
untersynchrone Drehzahl erreicht hat, also die Frequenz des in der Erregerwicklung
3 induzierten Stromes niedrig genug ist und der Widerstand 6 einen genügend kleinen
Wert hat, das Relais in seine Ruhelage in einem Zeitpunkt zurückgeht, in dem der
induzierte Erregerstrom annähernd gleich Null ist. Durch das Schließen der Kontakte
16 des Relais 14 wird dann das Relais 8 erregt und der Widerstand 6 abgeschaltet,
so daß die Zeitkonstante des Erregerkreises herabgesetzt wird. Durch das Schließen
der Kontakte 38 des Relais 8 hält sich dieses Relais selbst.
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Nach dem Schließen der Kontakte 2.f des Schalters 8 kann der Stromkreis
der Arbeitswicklung 31 des Schalters 13 durch die Nocke 29 während eines bestimmten
Abschnittes jeder Halbwelle geschlossen, dadurch der Widerstand 12 in dem Erregerstromkreis
kurzgeschlossen und die Zeitkonstante des Erregerkreises erhöht werden.
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Die Wirkung der Erhöhung der Zeitkonstante des Erregerstromkreises
auf den Erregerfluß ist in Abb. 2 durch die Kurve D dargestellt. Diese Kurve zeigt
den Verlauf des Erregerflusses für eine bestimmte Schlupffrequenz, wenn der Widerstand
12 in dem Bereich von o bis 12o° und i8o bis 300° kurzgeschlossen wird. X ist der
positive Flußwert bei einem Belastungswinkel von o° in dem Zeitpunkt, da der Widerstand
12 kurzgeschlossen wird. Y ist der positive Flußwert bei einem Belastungswinkel
von i 2o' in dem Zeitpunkt, da der Kurzschluß des Widerstandes 12 aufgehoben wird.
X' stellt den negativen Flußwert bei einem Belastungswinkel von i8o° dar, wenn der
Kurzschluß des Widerstandes 12 wiederhergestellt ist. Y' schließlich stellt den
negativen Flußwert bei einem Belastungswinkel von 3oo° dar, wenn der Kurzschluß
des Widerstandes 12 aufgehoben wird. Der Vergleich der Kurven A und B zeigt, daß
durch die jedesmalige Verkleinerung der Zeitkonstante des Erregerstromkreises der
Erregerfluß seinen Höchstwert erreicht, daß der Erregerfluß über einen großen Belastungswinkel
annähernd konstant bleibt und folglich ein vergrößertes Beschleunigungsdrehmoment
erzeugt wird.
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Nach einer bestimmten Zeit, nach der der Schalter 8 seine Kontakte
24 geschlossen hat, schließt auch das Zeitrelais 33 seine Kontakte 40, so daß, wenn
der vorbestimmte Belastungswinkel, bei dem die Erregerwicklung erregt werden soll,
auftritt und die Nocke 35 ihre Kontakte 34 schließt, der Stromkreis der Arbeitswicklung
9 des Schalters 7 geschlossen wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i ist
der Belastungswinkel gleich dem Leerlaufwinkel. Das Schließen des Schalters 7 bewirkt
die Anschaltung der Erregerwicklung 3 an die Erregerstromquelle io, wodurch der
Motor in Synchronismus fällt. Durch das Schließen der Kontakte 42 des Schalters
7 wird ein Verriegelungsstromkreis hergestellt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb.3 liegt der Widerstand 12 ständig
an der Feldwicklung 3. Der schnell ansprechende Schalter 13 bewirkt eine Vergrößerung
der Zeitkonstante des Erregerstromkreises durch An-Schaltung einer niedrigohmigen
Erregerstromquelle 5o geeigneter Polarität an die Enden der Erregerwicklung, so
daß diese Erregerstromquelle den Erregerfluß in derselben Richtung wie den Ankerfluß
in dem Augenblick aufrechterhält, wenn die Stromquelle an die Erregerwicklung angeschaltet
wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Nocke 29 derart ausgebildet, daß der
Schalter 13 nur während des Winkelbereiches von o bis 120° geschlossen bleibt.
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Zur Vergrößerung der Zeitkonstante des Entladungsstromkreises innerhalb
desWinkelbereiches von i8o bis 3oo° wird erfindungsgemäß ein weiterer schnell ansprechender
Schalter 13' vorgesehen, dessen Arbeitswicklung 31' durch einen Nockenschalter 3o',
der von einer einstellbaren, auf der Welle 28 sitzenden Nocke 29 betätigt wird,
innerhalb des Winkelbereiches von i8o bis 300° geschlossen wird, nachdem der Schalter
8 seine Kontakte 24. geschlossen hat. Durch das Schließen des Schalters 13' wird
eine Erregerstromquelle
5 i an die Erregerwicklung 3 geschaltet.
Die Polarität der Erregerstromquelle 51 ist der Polarität der Stromquelle
50 entgegengesetzt.
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Die Abb. 3 zeigt, daß, sobald die Motordrehzahl durch die Einrichtung
zur Änderung der Erregerzeitkonstante auf eine Drehzahl gebracht worden ist, die
in der Nähe der synchronen Drehzahl liegt, der Motor mit einer Einrichtung gemäß
Abb.3 sofort in Tritt fallen kann, wogegen der Motor mit einer Einrichtung nach
Abb. i erst dann in Tritt fallen kann, wenn das Zeitrelais 33 angesprochen hat.