-
Anordnung zur Herabsetzung des Anlaufstromes von Synchron-und Asynchronmotoren
Zur Herabsetzung des Anlaufstromes von Synchron- und Asynchronmotoren ist die Anwendung
von sogenannten Teilwicklungsschaltungen bekannt, bei denen die Ständerwicklung
in zwei oder mehrere parallele Gruppen aufgespalten wird, von denen während des
Anlaufs nur ein Teil eingeschaltet ist. Der Rest der Ständerwicklung ist während
dieser Zeit etwa durch geöffnete Sternpunktschalter oder durch Abtrennung vom Netz
stromlos gemacht.
-
Die schaltungstechnisch einfachste Anordnung ist die Aufspaltung in
zwei parallele Gruppen, von denen eine während des Anlaufs durch einen Sternpunktschalter
unterbrochen ist (s. Fig. z rechter Teil). Es sind aber auch Aufspaltungen in drei
öder mehr Gruppen bekannt, die während des Hochlaufs nacheinander zugeschaltet werden.
-
Von größter Wichtigkeit für den Betrag der Verringerung von Anlaufstrom
und -moment ist nun die Verteilung der parallelen Gruppen am Maschinenumfang. Man
könnte zunächst daran denken, die Wicklung in jeder Nut in parallele Leiter aufzuspalten.
Die magnetischen Verhältnisse sind bei nur teilweise eingeschalteter Wicklung, insbesondere
auch hinsichtlich der Symmetrie, genau die gleichen wie bei voll eingeschalteter
Wicklung. Eine Verringerung des Anlaufstromes tritt deshalb auch nur dadurch ein,
daß der Ohmsche Widerstand der
Teil«zcklung größer ist als der der
Gesamtwicklung. Da der Anlaufstrom aber im wesentlichen durch den Streublindwiderstand
gegeben ist, bei der Anordnung mit parallelen Leitern jedoch alle Gruppen mit demselben
Streu- und Hauptfluß verkettet sind wie die ganze Wicklung, ist die Verringerung
des Anlaufstromes in dieser Schaltung im allgemeinen verschwindend.
-
Eine andere bekannte Möglichkeit ist die Aufteilung der Gruppen auf
verschiedene Nuten derselben Spulengruppe. Hierzu muß z. B. bei zwei Gruppen die
Nutenzahl je Pol und Phase geradzahlig sein. Bei einer zweischichtigen Wicklung
muß ferner, soll der Effekt nicht beeinträchtigt werden, der Schritt so gewählt
«-erden, daß in jeder Nut nur Spulenseiten von zu ein und derselben Teilwicklungsgruppe
gehörenden Spulen liegen. Bei dieser Anordnung erhöht'sich einmal die Nutenstreuung
im umgekehrten Verhältnis der eingeschalteten Wicklungsgruppen, außerdem nimmt die
doppeltverkettete Streuung (Spaltstreuung) beträchtlich zu. Es läßt sich also damit
eine erhebliche Verminderung des Anlaufstromes erzielen, der je nach dem Anteil
der doppelt verketteten und der Nutenstreuung im Ständer an der Gesamtstreuung auf
etwa zwei Drittel bei zwei parallelen Gruppen zurückgeht. Das Anzugsmoment geht
etwa quadratisch mit dem Anlaufstrom zurück.
-
Eine dritte und die praktisch wohl am meisten benutzte Möglichkeit
ist die Verteilung der parallelen Zweige auf mehrere Gruppen von zusammenhängenden
Polen, so daß erregte und unerregte Zonen vom mehrfachen einer Polteilung entstehen
und am Umfang der Maschine miteinander abwechseln. Die Fig. i linker Teil zeigt
schematisch eine solche Anordnung; hier ist eine 32polige Maschine dargestellt,
bei der
Während die Unterwellen im allgemeinen nicht störend wirken, können die Wellen etwas
höherer Ordnungszahl, z. B. die Welle 5i4, recht unangenehm sein. Die Welle 5.'"4
nämlich hat ihre synchrone Drehzahl_ bei 8o 0,.='o der synchronen Drehzahl der Grundwelle
und erzeugt bei ihrer Größe eine tiefe Einsattelung in der Drehmomentkurve bei etwa
8o l)/, der vollen Drehzahl. Dieser Sattel wird bei Asynchronmotoren mit kleinem
Luftspalt im allgemeinen bis auf Null heruntergehen und damit einen weiteren Hochlauf
des Motors überhaupt unterbinden. Aber auch bei Synchronmotoren macht sich dieser
Sattel bemerkbar und kann damit, immer abwechselnd vier Pole zu dem einen Zweig
a und vier Pole zu dem anderen Zweig
b
zusammengefaßt sind. Die ganze Maschine
zerfällt dann am Umfang in hier insgesamt vier untereinander gleiche Abschnitte
c von je acht Polen. Infolge der extrem unsymmetrischen Wicklungsanordnung ergibt
sich eine erhebliche Zunahme der doppelt verketteten Streuung, so daß eine beträchtliche
Verringerung des Einschaltstromes zu erwarten ist. Dieser geht bei zwei parallelen
Gruppen auf etwa 5o bis 6o 0j0 des Wertes bei voller Wicklung zurück.
-
In der Fig. 2 ist einer dieser cAbschnitte von je acht Polen herausgezeichnet.
Für die ersten vier beaufschlagt gedachten Pole ist die Wicklungsverteilung unter
der Annahme von drei Nuten pro Pol und Phase angedeutet. Die bisher bekannte Ausführung
ist dabei die, daß sämtliche Phasen und damit auch die Phasenanfänge dicht beieinanderliegen.
Es entsteht dabei eine Feldkurve, die für einen bestimmten Zeitmoment durch Fig.
3 dargestellt ist.
-
Zerlegt man diese Feldkurve über die acht Pole in Harmonische, so
erhält man Wellen, die nicht nur wie bei symmetrischen Wicklungen ganzzahlige Vielfache
der Grundwelle sind, sondern auch solche gebrochener Ordnungszahl. Diese Wellen
haben im allgemeinen mit- und gegenlaufende Komponenten und können auch als Unterwellen
auftreten. Für die Wicklung nach Fig. 2 erhält man beispielsweise folgende Ordnungszahlen:
"@ 1.4, ` 314 i514 -,I- : 4, --i74, ; 11 4. - 13/41
...
wobei das -@- -oder - -Zeichen Rechts- bzw. Linksläufigkeit der Welle
bedeutet. Die relativen Größen der einzelnen Wellen sind, wenn man die Größe der
Grundwelle zu ioo 0; o ansetzt, in folgender Zahlentafel zusammengestellt wenn der
Anlauf belastet erfolgen muß, ebenfalls zu Anlaufschwierigkeiten führen.
-
Ähnliche Verhältnisse ergeben sich auch bei anderer Anordnung der
Anlaufpole a im Verhältnis zu den übrigen b und bei anderer Zahl der untereinander
symmetrischen Wicklungsabschnitte c. Sie sind für diese Art der Teilwicklungsschaltungen
grundsätzlich. Die genannten Schwierigkeiten haben dazu geführt, daß diese Schaltungen
bei Asynchronmaschinen bisher praktisch überhaupt nicht angewendet werden konnten,
während bei Synchronmotoren ein Teilwicklungsanlauf nur unter gewissen Einschränkungen
möglich ist.
Die Schwierigkeiten werden nun grundsätzlich verringert,
wenn die Phasen nicht um ein Drittel der doppelten Polteilung versetzt aufeinanderfolgen,
sondern wenn nach der Erfindung die Schaltung derart ausgeführt wird, daß die Phasen
in Abständen von ein Drittel des Abschnitts von c-Polen aufeinanderfolgen. Wichtig
hierfür ist die neue Erkenntnis, daß das Grundwellenverhalten des Motors (das Drehmoment
der Grundwelle und der Streuung) nur durch die Anordnung der Wicklung innerhalb
einer Phase bestimmt ist und nicht durch den Phasenabstand. Letzterer hingegen bestimmt
lediglich die Größe und Ordnungszahl der Ober- bzw. Unterwellen.
-
Die Fig. q. zeigt als Beispiel eine Wicklungsanordnung nach der Erfindung.
-
Auch hier erstreckt sich der unsymmetrische Wicklungsabschnitt über
acht Polteilungen. Für jede einzelne Phase sind genau wie bei Fig. i vier zusammenhängende
Pole eingeschaltet und die weiteren vier Pole unbeaufschlagt. Im Gegensatz zu Fig.
2 sind aber die drei Phasen mit ihren Anfängen gleichmäßig über den ganzen Wicklungsabschnitt
von in dem Beispiel acht Polen verteilt.
-
Eine solche Wicklung erzeugt das in Fig. 5 dargestellte Feld. Zerlegt
man dieses in Harmonische, so entsteht zunächst ein achtpoliges Grundfeld-gleicher
Größe wie bei der Wicklung nach Fig. 2. Außerdem entstehen Unter- und Oberwellen
mit den gleichen Ordnungszahlen wie bei Wicklung Fig. 2, jedoch sind einige der
früheren Wellen fortgefallen und die übrigen sind von anderer Größe.
-
In der folgenden Zahlentafel sind die Größen der entstehenden Wellen
zusammengestellt. Dabei sind die gleichen Wellenordnungszahlen wie in der vorhergehenden
Tabelle zugrundegelegt. Die bei der neuen Schaltung nicht auftretenden Wellen sind
durch Striche gekennzeichnet.
Wie man erkennt, hat sich die Zahl der Wellen erheblich verringert; die verbleibenden
Wellen sind reine Drehfelder, da jeweils nur eine der beiden gegenlaufenden Komponenten
vorhanden ist. Insbesondere ist die rechtsläufige Welle 5/4, die bei der alten Schaltung
nach Fig. 2 den störenden Sattel bei 8o °/o der vollen Drehzahl hervorrief, verschwunden.
-
Allerdings sind die Wellen höherer Ordnungszahl in der neuen Schaltung
stärker ausgeprägt. Doch machen sich diese bei Synchronmotoren mit ihrem großen
Luftspalt nicht mehr störend bemerkbar. Die neue Schaltung gewährleistet daher für
Synchronmotoren einen einwandfreien vollständigen Hochlauf.
-
Bei Asynchronmotoren mit ihrem kleineren Luftspalt können sich besonders
die Wellen -11/4 und + 13/4 noch störend durch Sattelbildung bemerkbar machen. Führt
man jedoch die Wicklung als Zweischichtwicklung mit auf etwa zwei Drittel verkürzten
Schritt aus, so werden dadurch diese Wellen so weit verkleinert, daß etwaige Sättel
nicht mehr störend wirken. Damit können durch die Anordnung gemäß der Erfindung
auch Asynchronmotoren in Teilwicklungsschaltung zu einem einwandfreien Anlauf gebracht
werden.