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Anordnung zur lastabhängigen Steuerung von Stromrichtermotoren Stromrichtermotoren
sind ihrer Bauart nach Synchronmaschinen, im einfachsten Falle werden sie aus einem
Gleichstromnetz gespeist. Das zugehörige Stromrichtgefäß arbeitet dann als Wechselrichter.
Bei Gleichstromspeisung sind besondere Vorkehrungen zum Anlassen des Motors nötig.
Ohne Schwierigkeiten ist der Anlaßvorgang bei Wechselstromspeisung möglich, da dann
die Kommutierung des Stromes von einer Motorwicklung auf die nächstfolgende auch
im Stillstand und bei ganz kleinen Drehzahlen mit Hilfe der Netzspannung möglich
ist. Es ist bekannt, daß bei der Wechselrichtersteuerung der Steuerwinkel a nahezu
r8o°; betragen muß, wenn er vom positiven Schnittpunkt der Anodenspannungen aus
nacheilend gerechnet wird. Der Ergänzungswinkel zu r8o° wird gewöhnlich mitaN, bezeichnet.
Entsprechend ist die Phasenverschiebung zwischen der Grundwelle des Wechselrichterstromes
7 und der induzierten Spannung E gleich 99 bzw. der Ergänzungs-
Winkel
zu 18o°' gleich p",. Der Winkel cp (99W) weicht nur wenig von a (a") ab. Fig. z
zeigt das Vektordiagramm eines Stromrichtermotors mit der angegebenen Beziehung
zwischen E und J. Außerdem ist noch die Leerlaufspannung E, (bei ungesättigt angenommener
Maschine) sowie die Klemmenspannung U eingetragen. E und E, unterscheiden sich voneinander
durch den der Ankerrückwirkung entsprechenden induktiven Spannungsabfall Jo,)La.
Die Strecke JwLs entspricht dem Streuspannungsabfall des Motors. Die Richtung von
E, fällt mit der Stellung des Polrades zusammen. Die Richtung von E dagegen schwankt
mit der Belastung, d. h. mit dem Wechselrichterstrom J, wie ohne weiteres aus dem
Diagramm zu entnehmen ist. Erfolgt nun die Steuerung des Stromrichtgefäßes durch
einen mit der Motorwelle starr gekuppelten kleinen Steuerkollektor, dann wird durch
den Steuerwinkel nicht die relative Lage von J zu E, sondern von J zu Eo festgelegt.
Dann ändert sich aber der Steuerwinkel 99 mit der Belastung. Je größer der
Belastungsstrom J wird, um so größer wird bei festem Winkel zwischen J und Eo der
Winkel (p und um so kleiner wird g9",. Der Winkel p" darf aber einen bestimmten
Mindestwert mit Rücksicht auf eine sichere Kommutierung nicht unterschreiten. Die
Festlegung der Steuerung in einer bestimmten Stellung gegenüber dem Polrad, d. h.
die feste Winkelbeziehung zwischen E, und J, hat aber noch den weiteren Nachteil,
daß die Drehzahl des Motors mit zunehmender Belastung ansteigt. Es wäre deshalb
wünschenswert, die Steuerung abhängig von der induzierten Spannung E festzulegen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine derartige Lösung dar, wobei wieder als Steuerorgan
ein kleiner Kollektor od. dgl. vorgesehen werden soll. Statt des Kollektors kann
auch eine Photozellensteuerung mit einer umlaufenden Lochblende od. dgl. verwendet
werden. Derartige mechanisch-elektrische Steuerungen haben den Vorteil, daß sie
in einfacher Weise ermöglichen, Steuerspannungen steilen Anstieges und beliebiger
Länge der kleinen Steuerblöcke zu erzielen.
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Gemäß der Erfindung wird die Anordnung zur lastabhängigen Steuerung
von Stromrichtermotoren derart getroffen, daß die durch elektromechanische Mittel
gewonnene Steuerspannung konstanter oder annähernd konstanter oder jedenfalls unabhängig
von der Drehzahl beeinflußbarer Größe im Betrieb relativ zur induzierten Motor-
bzw. Klemmenspannung festgelegt wird. Gemäß Fig. 2 wird der umlaufende Teil der
Steuereinrichtung, beispielsweise der Steuerkollektor SZ, IL, nicht unmittelbar
mit der Welle des Hauptmotors HJVl, sondern unter Zwischenschaltung eines Hilfsmotors,
z. B. eines Reluktanzmotors R:17 mit drehbarem Ständer, gekuppelt. Das Bürstenjoch
des Steuerkollektors ist mit dem Ständer des Reluktanzmotors fest verbunden. Normalerweise
wird der Ständer des Reluktanzmotors durch eine Federvorspannung (in Fig. 2 durch
die Feder F angedeutet) in seiner Mittellage festgehalten. Relativ zu dieser Nullstellung
kann er sich nach beiden Seiten um den von der Steuerung verlangten Bereich bewegen.
Elektrisch ist der Ständer des Reluktanzmotors mit dem Ständer des Hauptmotors verbunden.
Auf diese Weise ergeben sich folgende Verhältnisse: Bei Stillstand des Motors und
bei kleinen Drehzahlen bleibt der Ständer des Reluktanzmotors in seiner Nullstellung
stehen, da auf ihn dann nur- die Federkraft ausgeübt wird, die ihn in der Ausgangs-Stellung
festhält. Sobald jedoch die Drehzahl einen solchen Wert erreicht hat, daß eine genügende
Wechselspannung in den Ständerwicklungen des Hauptmotors induziert wird, wird die
relative Stellung des Läufers des Reluktanzmotors gegenüber dessen Ständer durch
das elektrische Drehfeld bestimmt. Dadurch wird es möglich, daß die Federkraft überwunden
wird und der Ständer des Reluktanzmotors gegenüber dem Läufer eine andere Winkellage
einnimmt. Damit verdreht sich auch der Bürstensatz des Steuerkollektors und folglich
auch der Steuerwinkel relativ zur Polradstellung des Hauptmotors. Auf diese Weise
wird der Steuerwinkel relativ zur induzierten Spannung E des Hauptmotors (bzw. relativ
zu der von dieser nur wenig abweichenden Klemmenspannung U) festgelegt, wie es der
Wechselrichterbetrieb normalerweise verlangt.
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Durch die beschriebene Einrichtung ist also erreicht, daß von einer
elektromechanischen Steuereinrichtung abgenommene Steuerspannungen konstanter Größe
unabhängig von der Belastung des Motors immer in der gewünschten Winkelbeziehung
zur Spannung des Motors bleiben. Ferner wird erreicht, daß während des Anfahrens
ein anderer Winkel gewählt werden kann, der dann im Betrieb selbsttätig in den verlangten
Wechselrichterwinkel übergeht. Während nämlich, wie schon oben erläutert wurde,
a" bzw. pu, im Betrieb einen bestimmten Wert nicht unterschreiten darf, kann a"
bei ganz kleinen Drehzahlen praktisch Null sein, da dann die Kommutierung des Stromes
von einer Motorwicklung auf die andere von der Netzseite her gesichert ist. Ein
kleinerer Winkel aw hat den Vorteil, daß dann das Moment des Motors größer wird.
Das ist bei vielen Antrieben gerade während des Anfahrens von großer Bedeutung.
Dazu kommt noch, daß die Augenblickswerte des Drehmomentes beim Stromrichtermotor
nicht
eine konstante Linie ergeben, wie z. B. bei einem normalen
Drehstrommotor, sondern eine ähnliche Welligkeit zeigen wie beispielsweise die ungeglättete
Spannung eines Gleich-oder Wechselrichters. Im Betrieb spielen diese Momentschwankungen
keine Rolle, da sie durch die Motormasse ausgeglichen werden. Beim Anfahren kann
es jedoch ungünstigerweise gerade zutreffen, daß bei der betreffen. den Stellung
des Läufers ein momentanes Minimum auftritt, das nicht zur Überwindung des Anfahrmomentes
ausreicht. Dadurch, daß man zum Anfahren den Winkel au, (bzw. (p,,,) sehr klein
oder Null macht, werden diese Momentschwankungen erheblich verringert (genau so
wie die Welligkeit der Gleichspannung eines Gleichrichters beim Steuerwinkel = o
erheblich kleiner ist als beim Steuerwinkel > o) und die obenerwähnte Gefahr eines
zu kleinen Anfahrmomentes in einer zufällig ungünstigen Läuferstellung besteht nicht.
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Eine derartige willkürliche Beeinflussung der Stellung des Hilfsmotorständers
und damit des Steuerwinkels im Betrieb kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
dadurch erreicht werden, daß zwischen den Hauptmotor und den Ständer des Hilfsmotors
eine Einrichtung zum Verändern der Phasenlage der Spannungen, beispielsweise ein
Drehregler, geschaltet wird. Statt des Reluktanzmotors kann auch ein kleiner Synchronmotor
mit Gleichstromerregung verwendet werden. In diesem Falle kann das Polrad der kleinen
Synchronmaschine etwa durch Anordnung zweier zueinander senkrecht stehender Erregerwicklungen
so ausgebildet werden, daß durch Verändern der Erregerstromkomponenten die relative
Lage zwischen Ständer und Läufer und damit ebenfalls der Steuerwinkel im Betrieb
willkürlich beeinflußt werden kann.
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Statt den Hilfsmotor mit drehbarem Ständer auszuführen, kann er auch
einen normalen, fest mit dem Fundament verbundenen Ständer erhalten, dann muß aber
die Kupplung zwischen Läufer des Hauptmotors und Läufer des Hilfsmotors elastisch
sein, damit sich dann die beiden Läufer relativ gegeneinander um den gewünschten
Winkelbetrag verdrehen können. Im übrigen ist dann die Wirkungsweise dieselbe, wie
sie oben für den Fall des drehbaren Ständers und starrer Kupplung der beiden Läufer
beschrieben wurde.