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Einrichtung zur Erleichterung des Wiedersynchronisierens eines außer
Tritt fallenden Synchronmotors Ein Synchronmotor, dessen Feldwicklung von einer
Erregermaschine bestimmter Polarität erregt wird, muß, wenn er aus dem Tritt fällt,
wenigstens über eine volle Periode schlüpfen, bevor er wieder synchronisiert werden
kann. Nach der Erfindung soll eine Erregung ermöglicht werden, deren Polarität schnell
während jeder Schlüpfungsperiode umkehrt, wenn der Motor mit untersynchroner Drehzahl
läuft, so daß dem Motor die Möglichkeit geboten ist, während jeder Halbperiode des
Schlupfes wieder in Synchronismus zu gelangen. Zu diesem Zweck wird einem als Erregermaschine
des Synchronmotors vorgesehenen Metadyngenerator, dessen Eignung als Erregermaschine
für Synchronmaschinen wegen seiner elektrodynamischen Verstärkereigenschaft bereits
bekannt war, bei Synchronismus des Synchronmotors ausschließlich ein gleichgerichtetes
Feld, bei untersynchronem
Lauf des -Synchronmotors jedoch ein mit
der Schlupffrequenz pulsierender Fluß aufgedrückt, der dann die schnelle Wiedersynchronisierung
des Motors veranlaßt, ohne daß übermäßige Stromschwankungen im Wechselstromnetz
entstehen. Der Metadyngenerator wirkt auch hier als dynamoelektrischer Verstärker
und seine Leistung wird entsprechend den Geschwindigkeitsänderungen des Synchronmotors
geregelt.
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Bekanntlich ist ein Metadyngenerator eine dynamoelektrische Maschine,
deren Läufer eine Wicklung hat, die mit einem Kollektor in ähnlicher Weise wie bei
einer normalen Gleichstrommaschine verbunden ist. Gewöhnlich schleifen vier Bürsten
auf dem Kollektor, von denen zwei um i8o° auseinanderliegen und die Ableitungsbürsten
(Ausgangsbürsten) der Maschine bilden, während die anderen beiden Bürsten gegen
die ersteren um 9o° versetzt und über eine geringe Impedanz miteinander verbunden,
also praktisch kurzgeschlossen sind. Der Ständer, in dem sich der Läufer dreht,
ist mit einer Wicklung versehen, die in verschiedener Weise angeordnet sein kann,
um eine bestimmte Charakteristik der Maschine zu erhalten. Wenn die Ständerwicklung
so ausgeführt ist, daß der in ihr fließende Strom einen magnetischen Fluß in dem
Läufer hervorruft, der mit den Ausgangsbürsten in einer Richtung und senkrecht zur
Achse der kurzgeschlossenen Bürsten verläuft, so induziert er bei Drehung des Läufers
in seinen Leitern eine Spannung, und es fließt ein starker Strom über die kurzgeschlossenen
Bürsten. Dieser hohe Strom in den Läuferleitern verursacht wiederum einen sekundären
Fluß, der viele Male größer ist als der durch den Ständerstrom verursachte Fluß
und von ihm um 9o elektrische Grade abweicht. Dieser sekundäre Fluß induziert eine
Spannung in den Läuferleitern, so daß die an den Ausgangsbürsten der Maschine in
Erscheinung tretende Spannung sehr viel größer ist als die Spannung an den kurzgeschlossenen
Bürsten.
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Eine derartige Maschine hat also zwei Verstärkungsstufen mit einer
einzigen Läuferwicklung, nämlich die erste Verstärkungsstufe von der Ständerwicklung
zu den kurzgeschlossenen Bürsten und die zweite Stufe zwischen den kurzgeschlossenen
Bürsten zu den Ausgangsbürsten. Mit dieser Maschine kann eine Verstärkung von iooo
: i erhalten werden, so daß jedem Watt Änderung der der Ständerwicklung zugeführten
Leistung ein Kilowatt Änderung an den Ausgangsbürsten entspricht. Die Ansprechgeschwindigkeit
dieser Maschinentype ist auch viel höher als bei einem gewöhnlichen Gleichstromgenerator
oder einer normalen Erregermaschine. Sie kann durch die zweistufige Verstärkung
erklärt werden. Um eine allgemeine Verstärkung von iooo : i zu erhalten, ist nur
eine Verstärkung von etwas mehr als 30 : i in jeder der Stufen notwendig. Die Zeitkonstante
für jede Stufe kann daher klein gehalten werden, so daß eine allgemeine Verstärkung
von iooo : i mit einer Zeitkonstanteneigenschaft zu erzielen ist, die derjenigen
eines einfachen Verstärkers entspricht, der ein Verstärkungsverhältnis von nur annähernd
30 : i hat.
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Um nun bei der bekannten Anwendung eines solchen Metadynverstärkers
als Erregermaschine für Synchronmaschinen im vorliegenden Fall zur Erleichterung
des Wiedersynchronisierens eines außer Tritt fallenden Synchronmotors erfindungsgemäß
dem Metadyngenerator einen Wechselfluß von der Schlupffrequenz bei unsynchronem
Lauf des Synchronmotors und eingleichgerichtetesFeld bei Synchronismus des Motors
aufzudrücken, kann man nach einem Ausführungsbeispiel auf dem Metadyngenerator zwei
durch Überlagerung einer netzfrequenzabhängigen Spannung und der Spannung eines
proportional mit der Geschwindigkeit des Synchronmotors umlaufenden Hilfsgenerators
über je einen Vollweggleichrichter gespeiste, differential wirkende Feldwicklungen
vorsehen, die dann bei synchronem Lauf des Hilfsgenerators ein resultierendes gleichgerichtetes
Feld, bei untersynchronem Lauf des Hilfsgenerators jedoch ein mit der Schlupffrequenz
pulsierendes Feld im Metadyngenerator erzeugen. Nach einem anderen Ausführungsbeispiel
kann man in einem sich selbst erregenden Metadyngenerator zusätzlich eine Wicklung
anordnen, die dauernd mit einer Hilfswicklung auf dem Läufer des Synchronmotors
verbunden bleibt, in der nur bei Abweichung vom Synchronismus ein Wechselstrom von
der Schlupffrequenz induziert wird.
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Diese beiden Fälle sind in den Fig. i und 2 der Zeichnung wiedergegeben
und sollen an Hand der Zeichnung in ihrer Anordnung und Wirkungsweise näher erklärt
werden.
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Es bedeutet i den Synchronmotor mit der mehrphasigen Ständerwicklung
2 und der umlaufenden Feldwicklung 3. Die `'Wicklung 2 ist über den Schalter 5 mit
dem Wechselstromnetz ¢ verbunden.
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Als Erreger für die Feldwicklung 3 des Motors dient der Metadyngenerator
6, der in geeigneter Weise angetrieben wird. Dieser Generator 6 besitzt die kurzgeschlossenen
Bürsten 7,8 und die Ausgangsbürsten 9, i o, welche mit der Feldwicklung 3
des Synchronmotors i durch den Feldschalter 8' verbunden werden können. In dem Stromkreis
der Motorfeldw icklung 3 liegt eine Reihenkompensationswicklung i i für den Metadyngenerator
6. Um in dem Metadyngenerator 6 einen gleichgerichteten
Fluß hervorzurufen;
während der Motor synchron läuft, und einen Wechselfluß von der Schlupf frequenz
zu erzeugen, wenn der Motor i aus dem Synchronismus fällt, ist ein Hilfsgenerator
12 vorgesehen, der in irgendeiner Art so angetrieben wird, daß seine Frequenz, wenn
der Motor synchron läuft, dieselbe ist wie die Frequenz des Netzes ¢ und sich mit
der Geschwindigkeit des Motors i ändert, wenn dieser vom synchronen Gang abweicht.
In dem gewählten Beispiel wird der Hilfsgenerator 12 unmittelbar von dem Synchronmotor
i angetrieben.
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Die Spannung des Hilfsgenerators i2 wird einer geeigneten Spannung,
welche von dem Netz 4 entnommen wird, überlagert. Zwei differential wirkende Wicklungen
13 und 14, die auf dem Metadyngenerator 6 angeordnet sind, werden von dieser gemeinsamen
Spannung erregt und verursachen einen Fluß im Metadyngenerator, der mit einer Frequenz
schwankt, welche gleich der Differenz zwischen der Frequenz des Netzes 4 und der
des Hilfsgenerators#i2 ist. Die Spannung, welche von dem Netz 4 für den Vergleich
mit der Spannung des Hilfsgenerators 12 herangezogen wird, kann eine Spannung sein,
die entweder der Netzspanung oder dem Motorstrom oder diesen beiden Größen gemeinsam
proportional ist. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, liefert dort eine Phase
der Motorspeiseleitung eine Spannung für den Vergleich mit der Spannung des Hilfsgenerators
12. Die eineKlemme des Hilfsgenerators i2 ist mit dem Mittelpunkt 15 der Sekundärwicklung
eines Stromtransformators 16 verbunden, dessen Primärwicklung in Reihe mit einer
Zuführungsphase für die Motorwicklung 2 liegt. Die andere Klemme des Hilfsgenerators
12 ist einerseits mit der Endklemme 18 der Sekundärwicklung des Transformators 16
über einen Vollweggleichrichter ig und die eine Wicklung 13 des Metadyngenerators
6 verbunden und andererseits mit der Endklemme 2o der Sekundärwicklung des Transformators
16 über einen Vollweggleichrichter zi und die zweite Wicklung 14 des Generators
6.
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Vorteilhafterweise sind geeignete, an sich bekannte Mittel vorgesehen,
welche gestatten, die Phasenlage der Spannung des Hilfsgenerators 12 relativ zur
sekundären Spannung des Transformators ii6 zu ändern. Nach der Zeichnung ist hierfür
beispielsweise der Ständer des Hilfsgenerators i2 mit Hilfe der Schnecke 2'2 drehbar
gelagert.
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Bei der dargestellten Anordnung hängt die relative Wirkung der Wicklungen
13 und 14 von der Phasenlage zwischen der sekundären Spannung des Transformators
16 und der Spannung des Hilfsgenerators 12 ab. Die der Wicklung 14 zugeführte Spannung
ist gleich der Vektorsumme der Spannungen des Hilfsgenerators 12 und der sekundären
Spannung zwischen den Klemmen 15 und 2o des Transformators 16 und die Spannung,
welche der Wicklung 13 aufgedrückt wird, ist gleich der Vektordifferenz zwischen
der Spannung des Hilfsgenerators 12 und der sekundären Spannung an den Klemmen 15
und 18 des Transformators 16. Solange also der Motor i im Synchronismus bleibt,
erzeugen die Ströme in den differential gewickelten Wicklungen 13 und 14 einen resultierenden
gleichgerichteten Fluß, der einen Wert hat, der von dem Phasenverhältnis und der
Größe der Spannung des Hilfsgenerators 12 und des Wandlers. 16 abhängt. Da der durch
die Ströme in den Wicklungen 13 und 14 hervorgerufene Fluß gleichgerichtet ist,
liefert der Metadyngenerator 6 Gleichstrom für die Feldwicklung 3 des Motors i,
während der Motor im Synchronismus arbeitet. Bei bestimmter Einstellung der Größe
und Phase der Spannung des Hilfsgenerators i2 ändert sich der von den Feldwicklungen
13 und 14 erzeugte resultierende Fluß während des synchronen Betriebes entsprechend
dem Belastungsstrom des Motors.
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Wenn aber der Motor untersynchron läuft, wird jeder der Wicklungen
13 und 14 eine Spannung aufgedrückt, welche sich einmal während jeder Schlupfperiode
derart ändert, daß die Spannung an der Wicklung 13 ein Maximum ist, wenn die Spannung
an der Wicklung 14 ein Minimum ist und umgekehrt. Folglich wird ein mit der Schlupffrequenz
pulsierender Fluß durch die Ströme in den Wicklungen 13 und 14 hervorgerufen, der
den Metadyngenerator 6 veranlaßt, einen verstärkten Strom von der Schlupffrequenz
der Motorfeldwicklung 6 zuzuführen.
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Das Phasenverhältnis zwischen dem Ständerfluß des Motors und dem Fluß
der Schlupffrequenz, hervorgerufen durch den von dem Erreger 6 der Motorfeldwicklung
3 gelieferten Strom, ist durch den Phasenregler 12 eingestellt, so daß die gegenseitige
Wirkung dieser beiden Flüsse bestrebt ist, die Maschine wieder in Tritt zu bringen:
Die Wirkungsweise der in Fig. i gezeigten Anordnung ist folgende: Soll der Motor
i angelassen werden, so wird der Schalter 5 geschlossen, so daß die Ständerwicklung
2 mit dem Netz 4 verbunden ist. Der Feldschalter 8' steht in der gezeichneten Stellung,
so daß der Widerstand 24 mit den Enden der Feldwicklung 3 verbunden ist. Der Motor
läuft dann als Induktionsmotor an und beschleunigt sich auf eine bestimmte untersynchrone
Geschwindigkeit, welche von der Motorlast abhängt. Durch Umlegen des Feldschalters
8' wird dann die Feldwicklung mit den Ausgangsbürsten 9 und io des Metadyngenerators
6
verbunden, so daß ein Strom von der Schlupffrequenz passender Phase und Größe der
Feldwicklung 3 zugeführt wird, der das synchronisierende Moment erhöht. Durch Steigerung
des Stromes der Schlupffrequenz in der Feldwicklung 3 übt der Erreger 6 die Wirkung
aus, als ob der Widerstand des Feldstromkreises vermindert wird, wodurch bekanntlich
der Motor mit geringerem Schlupf arbeitet. Daher kann bei genauer Regelung der Verstärkung
des Metadyngenerators 6 der Schlupf des Motors i allmählich auf Null gebracht werden,
so daß der Motor in Tritt fällt. Die störenden Pulsationen, welche beim Übergang
vom asynchronen zum synchronen Betrieb vorkommen, wenn Gleichstrom dem Feldstromkreis
in üblicher Weise zugeführt wird, um den Motor zu synchronisieren, sind durch die
Anordnung nach der Erfindung -vermieden.
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Läuft der Motor i synchron, so fließt Gleichstrom durch die Wicklungen
13 und 1q., so daß der Metadyngenerator 6 Gleichstrom der Motorfeldwicklung zuführt.
Der Erregerstrom ändert sich mit der Motorlast, da sich die Größe und der Phasenwinkel
des Motorstromes mit der Last ändert und damit auch die Erregung der Wicklungen
13 und 14. entsprechend beeinflußt wird.
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Wenn der Motor außer Tritt fällt, liefert der Metadvigenerator 6 wieder
Strom von der Schlupffrequenz für die Feldwicklung 3, der die Wiedersynchronisierung
des Motors veranlaßt, sobald sie Last an dem Motor genügend vermindert ist. Während
des untersynchronen Betriebes arbeitet aber der Motor mit geringerem Schlupf als
dies bei einem ge-,vöhnlichen Induktionsmotor mit gleicher Last derFall sein würde,
weil der Strom der Schlupffrequenz in dem Motorfeldkreis, der vom Metadyngenerator6geliefert
wird, ansteigt. Daher kann der Motor i von dem Metadynerreger 6, der den Schlupffrequenzstrom
für die Feldwicklung 3 verstärkt liefert, bei größerer Last in Tritt gebracht werden,
als bei Anwendung einer gewöhnlichen Erregermaschine, die mit der Feldwicklung 3
verbunden wäre.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ein Synchronmotor i dargestellt,
dessen Läuferwicklung 3 nach Art einer Zweiphasenwick-Iung ausgeführt ist. Eine
der Läuferphasen 3"
ist mit der Wicklung 13 eines Metadynerregers 6 verbunden
und die andere Läuferphase 3b mit den Ausgangsbürsten 9 und io dieser Erregermaschine.
Daher fließt, wenn der Motor außer Tritt fällt, der Strom der Schlupffrequenz, welcher
in der Rotorwicklung 3a induziert wird, durch die Wicklung 13 des Metadyngenerators
6 und v eranlaßt ihn, einen verstärkten Strom von der Schlupffrequenz der Läuferwicklung
3b des Motors zu liefern. Folglich arbeitet der Motor mit geringerem Schlupf. Wie
in der Fig.2 dargestellt, ist die Wicklung 13 in Reihe mit den Ausgangsbürsten 9
und io geschaltet, so daß diese Wicklung sowohl als Steuerwicklung als auch als
Kompensationswicklung für den Metadyngenerator 6 wirkt. Unter Umständen kann es
wünschenswert sein, die Steuerwicklung 13 in Reihe mit den Ausgangsbürsten zu schalten,
aber trotzdem eine besondere Kompensationswicklung vorzusehen.
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Wenn der Motor i bei einer gleichmäßigen Last synchron läuft, wird
kein Strom in der Wicklung 3a induziert. Daher muß der Metadyngenerator 6 veranlaßt
werden, die Motorwicklung 3b mit normaler Gleichstromerregung zu beschicken. Zu
diesem Zweck besitzt der Metadyngenerator 6 eine zweite Wicklung 14., welche in
Reihe mit einem Regulierwiderstand 3o an die Ausgangsbürsten 9 und io angeschlossen
ist, so daß sich der Generator selbst erregt. Diese Selbsterregerwicklung 14 kann
entweder, wie gezeigt, in der Achse der Ausgangsbürsten liegen oder in der Achse
der kurzgeschlossenen Bürsten 7 und B.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 ist folgende: 'Virenn
der Motor i bei gleichmäßiger Last synchron läuft, wird der Metadyngenerator 6 durch
die Wicklung 14 selbst erregt und liefert die normale Erregung für die Feldwicklung
3b des Motors i. Unter diesen Verhältnissen wird kein Strom in dem zweiten Phasenstrang
311 des Motors i induziert, und daher fließt auch kein induzierender Strom durch
die Steuerwicklung 13 des Generators 6.
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Es ist jedoch bekannt, daß bei Laständerungen eines Synchronmotors
eine Phasenverschiebung des Läufers relativ zum Ankerfluß auftritt, welche einen
induzierten Strom in der Läuferwicklung verursacht, und daß die Richtung und Größe
dieses induzierten Stromes von der relativen Richtung und Größe der Bewegung abhängt,
welche zwischen dem Ankerfluß und der Läuferwicklung in Erscheinung tritt. Die Steuerwicklung
13 des Metadyngenerators 6 in Verbindung mit der zweiten Phasenwicklung 3a bewirkt
durch den induzierten Strom, welcher in der Wicklung 13 bei anwachsender Last des
Motors fließt, eine Spannungssteigerung des Generators und bei abnehmender Last
eine Schwächung der Erregung des Generators 6. Daher wird durch die hohe Verstärkung
und Ansprechgeschwindigkeit des Metadyngenerators die Stabilität des synchronen
Motorbetriebes wesentlich verbessert, weil die Felderregung des Motors schnell anwächst
und so das synchronisierende Motordrehmoment erhöht, sobald die Belastung des Motors
plötzlich ansteigt.
Sobald die Belastung des Motors auf einen Wert
anwächst, daß der Motor außer Tritt fällt, wird eine Spannung in der zweiten Phasenwicklung
3a von der Schlupffrequenz induziert, der durch die Steuerwicklung 13 fließt. Während
der einen Hälfte jeder Periode hat der Strom der Wicklung 13 die eine Richtung und
während der anderen Hälfte jeder Periode die entgegengesetzte Richtung. Da die Ausgangsspannung
des Metadyngenerators 6 dem durch die "Wicklung 13 fließenden Strom rasch folgt,
liefert er einen verstärkten Strom von der Schlupffrequenz für die Motorfeldwicklung
3b, so daß der Motor während jeder halben Schlupfperiode synchronisiert werden kann.
Wenn die Überlastung von kurzer Dauer ist, kann der Motor bereits wieder nach Schlüpfung
um eine Polteilung synchronisiert sein, oder wenn die Überlastung etwas länger dauert,
kann der Motor mehrere Pole schlüpfen, bevor die Wiedersynchronisierung eintritt.
Während der Motor schlüpft, arbeitet er als Induktionsmotor, und wenn jede der beiden
Phasen der Wicklung 3 kurzgeschlossen wäre, würde der Schlupf von dem Widerstand
der zweiphasigen Wicklung abhängen. Da jedoch ein verstärkender Erreger in dem Stromkreis
der einen Phasenwicklung liegt, hat dies auf die Induktionsmotorcharakteristik der
Synchronmaschine dieselbe Wirkung wie eine Verminderung des sekundären Widerstandes.
Folglich ruft der Metadyngenerator 6, während der Motor schlüpft, innerhalb jeder
halben Schlupfperiode ein synchronisierendes Drehmoment hervor, welches bewirkt,
daß der Motor mit geringerem Schlupf arbeitet.