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Verfahren zur verlustlosen Drehzahlregelung von Asynchronmotoren mit
Scherbiushintermaschine Asynchronmotoren mit Scherbiushintermaschine für Antriebe,
die bei veränderlicher Drehzahl ein konstantes Drehmoment erfordern, eignen sich
nur für beschränkte Regelbereiche; diese sollten nicht größer sein als etwa z :
i. Die Bemessung der Scherbiusgruppe samt Zubehör ist in der Hauptsache durch die
Schlupfleistung gegeben; bei größeren Regelbereichen wird diese Gruppe zu teuer
und die Anlage unwirtschaftlich.
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Anders liegen die Verhältnisse bei Antrieben von Ventilatoren und
Gebläsen, bei denen das Drehmoment etwa quadratisch mit der Drehzahl zurückgeht.
In solchen Fällen bleibt die Schlupfleistung auch bei großen Regelbereichen verhältnismäßig
gering, so daß die Leistung der Scherbiusmaschine im Verhältnis zur Leistung des
asynchronen Vordermotors ebenfalls gering bleibt. Für solche Antriebe ist deshalb
die Scherbiushintermaschine auch bei großen Regelbereichen sehr geeignet. Solche
Antriebe für sehr große Regelbereiche, bei denen das Drehmoment beispielsweise proportional
dem Quadrat der Drehzahl ist, kommen z. B. in Frage für Windtunnelgebläse, für welche
oft Regelbereiche von 5 : i oder mehr verlangt werden.
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Bei Drehzahlregelung in mäßigen Grenzen, z. B. zwischen 30°% übersynchron
und 30°/Q untersynchron, genügt normalerweise im ganzen Bereich ausschließlich die
Regelung im Erregerkreis der Scherbiusmaschine. Dieser Bereich soll hier als normaler
Regelbereich bezeichnet werden. In diesem pflegt man das Feld der Scherbiusmaschine
durch einen regelbaren, von den Schleifringen des Vordermotors gespeisten Erregertransformator
zu regeln; nur für die Erregung im Synchronismus wird zusätzlich ein kleiner Frequenzumformer
verwendet. Die Hauptklemmen der Scherbiusmaschine sind unmittelbar mit den Schleifringen
des Vordermotors verbunden.
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Von ausschlaggebender Bedeutung für die Kommutierung der Scherbiusmaschine
ist bekanntlich die vom pulsierenden Feld herrührende
Transformatorspannung
et zwischen benachbarten Lamellen der Kommutierungszone. Sie ist proportional dem
Schlupf und dein Feld, also et = Konst. f, # -B s.
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worin f, die Schlupffrequenz und @s den Fluß pro Pol der Scherbiusmaschine
bedeutet. Da im normalen Regelbereich dieser Fluß @s proportional der Schlupffrequenz
f, ist, so ist et = Honst. f,°.
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'Mit Rücksicht auf die gute Kommutierung soll erfahrungsgemäß
et einen gewissen Grenzwert Et nicht überschreiten, durch den der
normale Regelbereich festgelegt ist. Will man, von der unteren Grenze des normalen
Regelbereiches (et = Et) ausgehend, die Drehzahl noch weiter herabregeln,
dann ist, weil eine weitere Feldverstärkung der Scherbiusmaschine unzulässig ist,
dies nur dadurch möglich, daß mittels eines zwischen Vordermotor und Hintermaschine
liegenden regelbaren Transformators, der als Läuferkreistransformator bezeichnet
«-erden soll, die Klemmenspannung der Scherbiusmaschine herabgesetzt wird. In dem
so erweiterten Regelbereich kann entweder abwechselnd oder gleichzeitig mit dem
Läuferkreistransformator und dein Erregertransformator geregelt werden.
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Erfindungsgemäß wird nun im erweiterten Regelbereich der magnetische
Fluß der Scherbiusmaschine derart in Abhängigkeit von der Schlupffrequenz geregelt,
daß das Produkt aus Fluß und Schlupffrequenz mindestens angenähert konstant bleibt,
somit auch die Transformatorspannung et praktisch konstant bleibt und dabei die
Größe des zulässigen Grenzwertes Et hat.
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Diese Art der Regelung weist einige wesentliche Vorteile auf.
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Die Regelung im erweiterten Regelbereich auf angenähert konstante
Transformatorspannung et läßt sich mit einer sehr einfachen Schaltung verwirklichen,
wobei die Drehzahlregelung nur durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses des
als Regeltransformator ausgebildeten Läuferkreistransformators bewirkt wird; die
richtige Erregung der Scherbiusmaschine stellt sich bei der betreffenden Schaltung
selbsttätig ein, ohne daß eine gleichzeitige Regelung im Erregerkreis erforderlich
ist. Da hierbei et angenähert konstant bleibt, wird die Schaltung des Hilfspolkreises
zur Kompensation der Transformatorspannung @t ebenfalls sehr einfach; es genügt,
die betreffende Wendepolwicklung über Vorschaltdrosselspulen von den Schleifringen
des Hauptmotors mit einem konstanten Strom zu speisen. Im erweiterten Regelbereich
wird die Scherbiusmaschine mit der mit Rücksicht auf die Kommutierung höchstzulässigen
Spannung und demnach möglichst geringem Strom betrieben. Da bei der Scherbiusmaschine
die stromabhängigen Verluste bei weitem überwiegen, ergeben sich für die neue Schaltung
die kleinsten Verluste und der beste Wirkungsgrad. ' Die Erfindung sei nunmehr an
Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei sind die Schaltungen einphasig
dargestellt: selbstverständlich sind sie mehrphasig, und zwar im allgemeinen dreiphasig,
aufzufassen.
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Fig. i stellt eine allgemeine grundsätzliche Schaltung einer Scherbiuskaskade
für erweiterten Regelbereich dar. An die Schleifringe des asynchronen Vordermotors
A. der die Arbeitsmaschine mit großem Regelbereich antreibt, ist über den Läuferkreistransformator
T die Scherbiusmaschine K angeschlossen, die z. B. mit einer weiteren Asynchronmaschine
gekuppelt ist und praktisch mit konstanter Drehzahl läuft. Ihre Feldwicklung
e wird über den Erregertransformator
t
gespeist. Das Übersetzungsverhältnis
des Transformators
T werde mit
a, dasjenige des Transformators t mit
@ bezeichnet. -Beim Übergang von der bloßen Feldregelung, also vom normalen auf
den erweiterten Regelbereich, sei zunächst , @=I und @ =i. -Weiter seien folgende
Bezeichnungen verwendet, wobei kleine Buchstaben veränderliche, große Buchstaben
feste Werte bezeichnen
| er = Schleifringspannung des Vordermotors, |
| e, = Klemmenspannung der Hintermaschine, |
| Erregerspannung der Hintermaschine, |
| s = Schlupf des Vordermotors. |
Für x = i und j> = i (entsprechend der oberen Grenzdrehzahl des erweiterten Regelbereiches)
ergeben sich die festen Werte E,., S und
E
dann ist auch c,, = F_,. und e,
= E,..
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Wird nun der Transformator T herabgeregelt, so daß a < i wird.
dann bleibt die Drehzahl des Hauptmotors .1 im wesentlichen unverändert, aber die
Klemmenspannung e, der Hintermaschine K, ihr Fluß sowie die Transformatorspannung
et gehen im Verhältnis a : i zurück. Es wird:
| ec=e, =a-Er |
| s =S |
| et = a . Et. |
Wird dann auch noch der Transformator t geregelt und t3
> i gemacht, dann
vergr@ßerii
sieh Schlupf und Schleifringspannung im Verhältnis p
: i wie folgt:
Da nun erfindungsgemäß et konstant gleich
Et
gehalten werden soll, so sind
a und ß gleichzeitig so zu regeln, daß
wird; und diesem Verhältnisentsprechend sind die Regelorgane der
beiden Transformatoren
T und t miteinander zu kuppeln.
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Eine Möglichkeit, in scheinbar einfacher Weise die gewünschte Abhängigkeit
von e,., es und e. zu bewirken, zeigt Fig. z. T1 und T, sind hier zwei identische
Transformatoren, die in Kaskade geschaltet sind, beide für die gesamte Schlupfleistung
zu bemessen sind und gleichzeitig .auf gleiche Übersetzung @a geregelt werden. Die
Schaltung hat jedoch kaum praktische Bedeutung, weil die Reihenschaltung zweier
Transformatoren von der Größe des Läuferkreistransformators viel zu kostspielig
wird.
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Dagegen läßt sich mit großer Annäherung die gleiche Wirkung mit der
sehr einfachen und praktisch brauchbaren Schaltung nach Fig. 3 erzie ig 3 erzielen.
Die Erregerwicklung e der Scherbiusmaschine K wird hier von einer festen Anzapfung
des Erregertransformators t' gespeist, der primär an der Spannung er-@s liegt. Wird
das Übersetzungsverhältnis Ü des Transformators t' richtig gewählt - und zwar soll
=i etwa die Größenordnung 3 : i haben -, dann bleibt bei Drehzahlregelung durch
den Regeltransformator T die Transformatorspannung et mit großer Annäherung konstant,
ohne daß irgendeine weitere Regelung im Erregerkreis der Kommutatormaschine vorgenommen
werden muß.
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Für Ü = 3 : i ergibt sich:
Demnach ist
Weiter-ist
In Fig. d. sind die nach diesen Formeln berechneten Größen von s und et in Ab hängigkeit
von a aufgetragen. Eine Regelung nies Transformators t' im Bereich
a = i bi: 2 = o,18 entspricht einer etwa 2,5 fachen Vergrößerung des Schlupfes
s; dabei bleibt e praktisch konstant. Die Abweichung beträgt etwa -I-100/0.
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Die Fig. i his .f beziehen sich mir auf die Drehzahlregelung im Regelbereich;
dagegen enthält das Schaltbild nach Fig.5 die Schaltvorrichtungen sowohl für den
normalen wie auch für den erweiterten Regelbereich. Der mit dein Hauptmotor A gekuppelte
kleine Frequenzumformer F ist bekanntlich erforderlich für die Erregung der Scherbiusmaschine
l beim Durchgang durch den Synchronismus. Diese hat im Ständer außer der Erregerwicklung
t noch die Kompensationswicklung h und die Wendepolwicklung -zu. Mit dieser in Reihe
geschaltet ist die Drosselspule d. Zum Reversieren der Feldwicklung e beim Durchgang
durch den Synchronismus dient der Reversierschalter j-. Für die erforderliche Schaltungsänderung
beim Übergang von dem normalen auf den erweiterten Regelbereich oder umgekehrt sind
die Umschalter u1, u2, u3 vorgesehen.
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Im normalen Regelbereich, z. B. von 3001" übersynchron bis 3o0/0 untersynchron,
liegen die Umschalter u1, u2, u3 nach rechts, während der Reversierschalter >- nach
oben oder nach unten eingelegt ist, je nachdem übersynchron oder untersynchron geregelt
wird. Im normalen Regelbereich erhält die Scherbiusmaschine IL die volle Schleifringspannung
des Vordermotors .d; ihre Erregerwicklung e ist dann am Regelkontakt des Regeltransformators
T ,angeschlossen; den Nullpunkt des Erregerkreises bildet gewissermaßen der Frequenzumformer
F; die Wendepolwicklung w ist über die Drosselspule d ebenfalls am Regelkontakt
des Regeltransformators T angeschlossen. Abgesehen vom Strombreis der Wendepolwicklung
w, der weiter unten erläutert wird, entspricht die Schaltung im wesentlichen .der
bekanntere Scherbiusschaltung für über- und untersynchrone Drehzahlregelung.
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Im erweiterten Regelbereich, z. B. von 3o0% untersynchron bis 75°%
untersynchron, wird im wesentlichen die Schaltung nach Fig.3 hergestellt. Dabei
liegen die Umschalter u1, u., zis nach links, und der Reversierschalter
r
ist nach unten gelegt. Somit ist die Scherbiusmaschine K an den Regelkontakt
des Transformators
T angeschlossen, so daß ihre Spannung einen
regelbaren Bruchteil der Schleifringspannung des Vordermotors A beträgt; die Erregerwicklung
ist jetzt an der mittleren Anzapfung des Transformators t' und die Wendepolwicklung
w an den Schleifringen des Vordermotors <-i angeschlossen. Infolge des Scheinwiderstandes
der Drosselspule d fließt in diesem Kreis im ganzen erweiterten Regelbereich ein
praktisch konstanter Strom. Dies ist auch erwünscht, denn die Wendepole sollen ja
die im erweiterten Bereich nahezu konstante Transformatorspannung et kompensieren.
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Im normalen Regelbereich erhält der Kreis der Wendepolwicklung nahezu
die gleiche Spannung wie die Erregerwicklung. Bei ungesättigter Drosselspule d ergibt
sich dann in diesem Kreis ein dein Schlupf proportionaler Strom. Erwünscht wäre
ein Strom, der dem Quadrat des Schlupfes proportional ist; durch Sättigung der Drosselspule
d läßt sich dies wenigstens angenähert erreichen.
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Der Transformator T läßt sich als Stufentransformator oder als stufenloser
Transformator ausführen, je nachdem die Regelung in Stufen oder stufenlos verlangt
wird. Sämtliche Schaltorgane lassen sich in bekannter Weise auf einem gemeinsamen
Kontroller unterbringen, so daß dann die ganze Regelung nur durch Betätigung dieses
Kontrollers bewirbt werden kann. Auch eine Fernsteuerung, sei es in Verbindung mit
einem Kontroller oder mit Schützen, ist möglich.
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Es kann erwünscht sein, besonders in der Nähe des Synchronismus, den
Ohmschen Widerstand des Erregerkreises zu ändern oder die Phasenlage der Frequenzumformerspannung
zu beeinflussen; auch dies kann durch besondere Kontakte des Kontrollers bewirkt
werden.