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Anordnung zur Konstan-thaltung der relativen Phasenlage der Spannungsvektoren
zweier Stromkreise gleicher Frequenz oder des relativen Gleichlaufes der Spannungsvektoren
zweier Stromkreise verschiedener Frequenz In der Technik wird häufig die Aufgabe
gestellt, die relative Phasenlage der Spannungsvektoren zweier Stromkreise gleicher
Frequenz konstant zu halten. Beispielsweise ist vorgeschlagen worden, mehrere Netze
mit Hilfe eines Leitvektors zu regeln, wobei die Regelung so vorgenommen wird, daß
die Spannungsvektoren der einzelnen Netze phasengleich mit dem Spannungsvektor der
Leitfrequenz sind. Auch die Gleichlaufschaltung von Elektromotoren beruht vielfach
darauf, daß die relative Phasenlage von Spannungsvektoren von Stromkreisen, deren
Frequenz sich mit der Drehzahl ändert, konstant gehalten wirct.
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Es ist bekannt, zur Aufrechterhaltung der relativen Phasenlage der'Spannungsvektoren
zweier Stromkreise gleicher Frequenz einen Asynchronmotor vorzusehen, dessen Ständer
von der Spannung des einen und dessen Läufer von der Spannung des anderen Stromkreises
erregt wird. Der Asynchronmotor wirkt als Relais, indem ein mit dem Läufer verbundener
Kontaktarm -nach der einen oder anderen Seite Kontakt macht, je nach der
Ab-
weichung der Phasenlage der Spannungsvektoren der beiden Stromkreise vom
normalen Wert.
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Um die relative Phasenlage der Spannungsvektoren zweier Stromkreise
gleicher Frequenz konstant züi halten, wird erfindungsgemäß statt einer Asynchronmaschine
ein Wechselstromkollektormotor verwendet, dessen Ständer von dem einen Stromkreis
und
dessen Läufer von dem anderen Stromkreis gespeist wird. Die
Anordnung nach der Erfindung kann auch verwendet werden, um den relativen Gleichlauf
der Spannungsvektoren zweier S'tromkreise verschiedener Frequenz aufrechtzuerhalten,
wobei unter relativem Gleichlauf zu verstehen ist, daß zwei Spannungsvektoren der
beiden Stromkreise, die in einem bestimmten Zeitatigenblick gleiche Phasenlage besitzen,
dieselbe Pliasenlage immer wieder erreichen, wenn sieh der Spannungsvektor des einen
Stromkreises um einen bestimmten Winkel gedreht hat. Weicht die relative Phasenlage
der Spannungsvektoren der beiden Netze gleicher Frequenz oder der relative Gleichlauf
der Spannungsvektoren zweier Stromkreise verschiedener Frequenz von dein Normalwert
in dem einen oder anderen Sinne ab, so läuft der Wechselstromkollektormotor in dein
einen oder anderen Sinne um und kann zur Einwirkung auf den einen Stromkreis beispielsweise
in der Weise benutzt werden, daß die Energiezufuhr eines Generators dieses Stromkreises
derart geregelt wird, daß die Spannungsvektoren stets
dieselbe relative Phasenlage
zu den Spannungsvektoren des anderen Stromkreises besitzen bzw. daß der relative
Gleichlauf der Spannungsvektoren der beiden Stromkreise erhalten bleibt. Da der
Kollektormotor bei Abweichung der Phasenlage bzw. des relativen Gleichlaufs vom
Normalwert umläuft, kann er selbst unmittelbar als Verstellmotor benutzt werden,
während bei der bekannten Anordnung mit Asynclironi-notor stets über Kontakte erst
eine Verstelleinrichtung betätigt werden muß.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
In Fig. i ist mit i ein Drehstromnetz und mit 2 ein zweites Drehstroinnetz bezeichnet.
Die Netzspannungen U, und U# der beiden Netze sollen so beeinflußt werden, daß sie
gleiche Phasenlage besitzen. Zu diesem Zweck ist ein als Verstellmotor dienender
Drelistronikollektormotor3 vorgesehen, dessen Ständer4 an die Spannung
U, des Netzes i angeschlossen ist, während der Kommutator 5 von der
Spannung U. des anderen Netzes gespeist wird. Das Diagramm dieses Motors ist in
Fig. 2 dargestellt. Hierbei sind die Spannungsabfälle im Ständer des Motors vernachlässigt
worden, so daß die -Netzspaiiiiunl,- rr, mit der EMK, die im Ständer erzeugt wird,
phasengleich und gleich groß ist. Die Netzspannung U, die am Ständer des
Motors liegt, erzeugt einen Fluß, welcher mit dein Magnetisierungsstroni.T. in Phase
liegt und welcher irn Stillstand des Läufers in diesem die E-INIKE. erzeugt. Es
ist angenommen, daß die Bürsten so stehen, daß U, und E.
i8o"
phasenverschoben sind. Dreht sich der Läufer, so ändert sich die EMKE. verhältnis-leich
mit dein Schlupf des Läufers gegenüber dem Ständerdrehfeld. In Fi-#-. 2 ist die
Spannung U. des Netzes :2 so angenommen e# -
worden, daß sie der Spannung
U, um den el Winkel ß nacheilt. Der Spannungsunterschied zwischen der im
Läufer im Stillstand induzierten EMK E. und der angelegten Spannung
U. ruft einen Strom J. im Läufer hervor. Dieser Strom bildet in Verbindung
mit dein durch das Ständerfeld erzeugten Drehfeld ein Drehtnoment, welches den -Motor
zum Svnchronismiis hin zu beschleunigen sticht. 1:#e im Läuferkreis induzierte E-.%IK
E., wird dadurch kleiner. Damit muß sich so,.vilil die Größe als auch die
Phasenlage der induktiven und Ohrnschen Spannungsabfälle im Läuferstronikreis und
des Läuferstromes J. ändern. und zwar wandert der Endpunkt äes Vel,-tors
1." wie sich leicht zeigen läßt, auf der gestrichelten Geraden g, die gegenüber
dem Vel,-R, tor J", die Neigung o., hat, wobei tg x ist (R.# ist der Olimsche Widerstand
und L,
die Selbstinduktion des Läuferkreises). Der Winkel 2 findet sich im
Spannungsdreieck, wie in Fig. 2 dargestellt ist, wieder.
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Infolge der Drehmomentbildung läuft der .Motor an, wobei die induzierte
E1IK E#, kleiner wird und der Stronivektor J. in Richtung auf den
Magnetisierungsstrom J", ge-
dreht wird. Fällt i. in Phase mit J"j.
so tritt keine Drehmomentl#ildung auf. Die Drehzahl, bei der die Drehnlomentbildung
aufhört, ist verhältnismäßig niedrig. Die Leerlaufdrellzahl kann man durch Wahl
verschiedener Verhältnisse von Ohnischen zum induktiven Widerstand des Läuferkreises
in weiten Grenzen beeinflussen. Will man eine hohe Leerlaufdrellzahl erreichen,
so muß man den induktiven Widerstand groß machen, will man eine geringe Leerlaufzahl
erreichen, so muß der Ohnisclie Widerstand groß gemacht werden. Der induktive Widerstand
kann durch Vorschalten einer Drosselspule im Läuferkreis oder durch Wahl von Nuten
mit großer Streuung, der Ohmsche Widerstand durch Olimsche Vorschaltwiderstände
oder Wahl von Widerstandsdraht für die Wicklung vergrößert werden.
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Der Motor steht bei der aii-etionimenen Bürstenstellting dann still,
wenn U 72 und E.
in Phase liegen und gleich groß sind. Dabei ist vorausgesetzt,
daß das Übersetzungsverhältnis zwischen Ständer und Läufer so ge-
wählt ist,
daß die im Stillstand vom Ständerfeld erzeugte EMKE2 in der Größe gleich der an
den Läufer angelegten Spannung('. ist. Es liefert dann im Stillstand lediglicii
der Ständer (len Nlagnetisiertin,-sstroin.
Werden die Bürsten um
einen bestimmten Winkel gegenüber der Normallage verdreht oder das Übersetzungsverhältnis
zwischen Ständer und Läufer geändert, so steht der Motor still, wenn U#. und
E2 einen bestimmten Phasenwinkel einschließen, der so groß ist, daß der Strom
12 in Richtung des Magnetisierungsstromes fällt und die EMK E2 im Stillstand
vermehrt um die Spannungsabfälle gleich der Spannung U2 ist.
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Es sei nun angenommen, daß die relative Phasenlage der Spannungsvektoren
zwischen beiden Netzen Null sein soll. Dann werden die Bürsten so eingestellt, daß
nur, wenn E.
und U, um i8o' phasenverschoben sind, bei der Drehzahl
0 kein Drehmoment auftritt. Versucht nun das eine Netz i gegen das andere
Netz vorzueilen, so dreht sich der Motor und stellt durch Einwirkung auf die Kraftmittelzufuhr
des einen Netzes i den Phasenwinkel Null zwischenden Spannungsvektoren der beiden
Netze wieder her. Es ist dabei angenommen, daß die#Frequenz des Netzes 2 konstant
gehalten wird. Das Netz :2 kann auch beispielsweise das Netz sein, in welchem die
Leitfrequenz erzeugt wird. Im Ausführungsbeispiel ist die- Regelung nicht näher
dargestellt, weil diese an sich bekannt ist, beispielsweise könnte man den Verstellmotor
unmittelbar als Drehzahlverstellmotor verwenden. Man könnte aber auch beispielsweise
durch diesen Motor unmittelbar das Dampfventil der Turbinen verstellen. Soll zwischen
den Spannungsvektoren ein bestimmter Winkel aufrechterhalten werden, so wird man,
wie früher erwähnt, die Bürstenbrücke etwas verstellen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Verstellmotor zeigen die
Fig. 3 und 4. Der Motor nach Fig. 3 wird ständerseitig von der Spannungsdifferenz
zwischen Netz i und 2 gespeist, während der Läufer am Netz 2 liegt. In Fig. 4 ist
die Anordnung umgekehrt getroffen. Der Ständer 4 des Motors liegt am Netz 2. Der
Läufer wird mittels eines Transformators 6 von der Differenzspannung zwischen
Netz i und 2 gespeist. Die Arbeitsweise des Motors nach Fig. 3 ist folgende:
Durch die Spannung des Netzes ?- wird im Läufer ein Drehfeld erzeugt, welches
in der Ständerwicklung eine EMK hervorruft, welcher durch die angelegte Spannung
das Gleich-.gewicht gehalten wird. Bei einem bestimmten Wert der angelegten Spannung
steht der Motor still. Wird die Spannung größer oder kleiner, so läuft der Motor
entweder nach rechts oder nach links herum. Wenn sich also die relative Phasenlage
der -Spannungsvektoren der beiden Netze und damit die an den Ständer angelegte Spannung
ändert, so wird der Motor nach der einen oder anderen Richtung in Drehung versetzt.
Die Arbeitsweise des Motors nach Fig. 4 ist ähnlich. Hier wird vom Ständerfeld ein
bestimmter Fluß erzeugt, der im Läufer eine EMK induziert. Dieser EMK wird durch
die Differenz der Spannungen der Netze i und 2 das Gleichgewicht gehalten.
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Diese Motoren dienen ebenfalls zur Beeinflussung des Stromkreises,
dessenSpannungsvektoren eine bestimmte relative Phasenlage zu den Spannungsvektoren
des anderen Netzes annehmen sollen.
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Wie bereits erwähnt, kann man die Phasenläge zwischen den beiden Spannungsvektoren,
bei der der Verstellmotor stillsteht, bei der Anordnung nach Fig. i durch Verstellung
der Bürstenbrücke verändern. Bei einem Motor nach Fig. 4 kann das Übersetzungsverhältnis
des Transformators 6 geändert werden oder die Ständerwicklung init Anzapfungen
versehen oder über einen veränderlichen Transforrnator gespeist werden. Auch bei
de-rn Motor nach Fig. 3 kann man durch Zwischenschaltung eines Regeltransformators
zwischen Netz-- und Läufer oder bei Speisun- des Ständers über einen Transformator
durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses dieses Transformators oder durch Anzapfung
der Ständerwicklung die gewünschte Wirkung erzielen. Gegebenenfalls ist noch die
Bürstenbrücke so einzustellen, daß die Stromaufnahme beim Stillstand klein wird.
Auch bei der Anordnung nach Fig. i könnte man durch Anwendung eines Zwischentransformators
mit veränderlichem übersetzungsverhältnis zwischen der einen Wicklung und dem einen
Netz die Phasenlagge der Spannungsvektoren einstellen.
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Der Motor nach Fig. i bietet auch die Mög-
lichkeit, statt auf
Frequenzgleichheit der beiden Stromkreise zu regeln, durch Antrieb der Bürsten in
der einen oder anderen Drehrichtung eine bestimmte feststehende Differenz der Frequenzen
der beiden Stromkreise zu erreichen. Steht dabei die Drehzahl der Bürstenbrücke
zwangläufig in einem bestimmten Verhältnis zur Frequenz des einen Netzes, indem
sie beispielsweise von einem von diesein Netz gespeisten Synchronmotor angetrieben
wird, so ist nicht nur die Differenz der Frequenzen der beiden Netze konstant, sondern
die beiden Netze befinden sich auch im relativen Gleichlauf.
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Um auf eine konstante Differenz zwischen den Frequenzen der beiden
Netze zu regeln, kann man auch bei allen beschriebenen Verstellmotoren den Ständer
oder den Läufer über einen Frequenzwandler von dein einen 2\Tetz speisen. Handelt
es sich dabei um einen mit dem einen Netz synchron laufenden Frequenzwandler, so
ist auch die relative Phasenlage
der Spannungsvektoren der beiden
Netze immer wieder die gleiche, wenn sich die Spannungsvektoren des einen Netzes
um einen bestimmten Winkel gedreht haben.
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Statt dtr dreiphasigen Ausführung des Verstellmotors ]<arm auch
eine zweipliasige oder einphasige Ausführung gewählt werden. Ein Schaltbild für
letztere zeigt Fig. 5. Der Rückschluß für den Läuferkreis erfolgt dabei durch
die Kapazitäten der beiden Netze gegen Erde oder durch eine nicht dargestellte Verbindung
der Sternpunkte der beiden Netze.
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Wie bereits eingangs erwähnt, muß es sich bei den beiden Stromkreisen,
deren Frequenzdifferenz konstant gehalten werden soll, nicht um Netze handeln, die
von Generatoren gespeist -,verden, sondern es kann sich um irgendwelche Stromkreise
handeln, deren Frequenz konstant gehalten werden soll. Beispielsweise könnte man
zur Erzielung des Gleichlaufes von zwei Gleichstrommotoren bei jedem Gleichstrommotor
drei Schleifringe anbringen, die an um 120 0 versetzte Punkte der Ankerwicklung
angeschlossen sind. Der Verstellmotor wird dann beispielsweise im Ständer an die
Schleifringe der einen Gleichstrommaschine und im Läufer an die Schleifringe der
anderen Gleichstrommaschine angeschlossen. Wird nun die Drehzahl der einen Maschine
geändert, so wirkt der Verstellinotor auf den Erregerkreis der anderen Gleichstrommaschine
so ein, daß beide in Gleichlauf gehalten werden. Durch Änderung beispielsweise der
Bürstenbrücke hat man es nun in der Hand, auch den einen Gleichstromanker relativ
zum anderen um einen bestimmten Winkel voreilen zu lassen. Die Anordnung nach der
Erfindung kann aber auch beispielsweise benutzt werden, um die Drehzahl eines Asynchronmotors
zu regeln und diesem Nebenschlußcharakter zu erteilen. Zu diesein Zweck kann man
beispielsweise durch den Verstellmotor den Läuferwiderstand der Asynchroilinaschine
beeinflussen und den Verstelltnotor einerseits von der Spannung der Schlupff requenz,
andererseits von einer Spannung regelbarer Frequenz speisen.
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Ein Ausführungsbeispiel dafür zeigt die Fig. 6. Mit io ist
die Asynchronmaschine bezeichnet, deren Ständer an ein Netz angeschlossen ist. An
den Schleifringen ii liegen die Ohmschen Widerstände 12. 3 ist wieder der
Verstellmotor, der den Widerstand im Schleifringkreis durch Verschieben der Kurzschlußbrücke
13 ändert. Der Läufer 5 liegt an den Schleifringen. Der Ständer 4 wird von
einer Spannung ver4nderlicher Frequenz gespeist. Wird diese Frequenz konstant gelassen,
so wird auch die Drehzahl des Motors auf einen konstanten Wert geregelt unabhängig
von der Belastung. Wird die Frequenz der Spannung, die man dem Ständer zuführt,
geändert, und zwar muß die Änderung stetig erfolgen, so wird auch die Drehzahl des
Motors mit geändert, so daß man auf diese Weise eine leichte Einstellung der Drehzahl
erreichen kann.