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Regelung der Drehzahl von Induktionsmotoren Die Möglichkeit, Induktionsmotoren
in ihrer Drehzahl grundsätzlich verlustlos zu regeln, indem man die Schlupfleistung
mittels zweier Synchronmaschinen auf Netzfrequenz und Netzspannung zuriickformt,
ist an sich bekannt. Doch haften den bisher bekanntgewordenen Lösungen wesentliche
Nachteile an, so claß der Drehstromkommutatormotor und die Kommutatorregelsätze
durch Maschinensätze ohne Stromwender nicht verdrängt werden konnten. Einer der
Gründe besteht darin, daß diese auf das Netz zurückarbeitenden Synchronregelsätze
wie der mit Widerständen geregelte Asynchronmotor bei sinkender Drehzahl das meist
geforderte erhöhte Drehmoment nicht hergeben können. Ferner ist eine brauchbare
Drehzahlkennlinie bei allen eingestellten Drehzahlen nur durch mehr oder minder
komplizierte Mittel zu erreichen. Auch konnte die Regelung der Wirk- und Blindlastverteilung
nicht befriedigen. Durch Verwendung unterteilter und gegeneinander versetzter Erregerwicklungen
können zwar Drehzahl und cos 9p unabhängig voneinander beeinflußt werden. Doch muß
die Verwendung mehrerer Erregerwicklungen mit ihren unvermeidlichen Verlusten den
Wirkungsgrad des Maschinensatzes besonders bei kleiner Nutzleistung recht ungünstig
beeinflussen.
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Vorstehende Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, daß eine Anordnung
der oben beschriebenen Art nur dann wirtschaftlich werden kann, wenn man die Verluste
möglichst verkleinert, ihre Rückwirkung auf die Leistungsfähigkeit der Maschine
kompensiert und die ganze Anordnung so einfach wie möglich aufbaut. Da ferner die
Regelanordnung weniger bei Neuanlagen als bei bereits vorhandenen Drehstrommotoren
als wirtschaftliche Lösung in Frage kommt, ist es wichtig, eine ausgesprochene Regelzusatzmaschine
auszubilden, die nur die beiden Synchronglieder enthält. Diese muß mit einem bereits
vorhandenen Motor mechanisch und elektrisch verbunden werden.
Diesen
Forderungen sucht die Erfindung durch folgende Maßnahmen Rechnung zu tragen: i.
Die Regelung der Drehzahl und Schlupfleistung erfolgt nicht durch zusätzliche Wicklungen,
sondern völlig verlustfrei durch eine mechanisch bewirkte Veränderung des Winkels
zwischen Ständer- und Polfeld bei einem oder beiden Synchronteilen. Dadurch wird
der sog. Lastwinkel geändert und die übertragene Wirkleistung beeinfiußt.
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a. Die Polsysteme beider Synchronglieder werden zu einem möglichst
einfach ausgebildeten Zwischenläufer zusammengefaßt. Die Pole werden dabei so angeordnet,
daß der tragende Ring nur die Differenz der Flüsse beider Synchronteile aufzunehmen
hat, wodurch Material bzw. Amperewindungen eingespart werden. Da die Feldrichtung
dabei für die übereinanderliegenden Pole gleich ist, können diese zu einem durchgehenden
Pol zusammengefaßt werden. Dies ist besonders bei Verwendung moderner Dauermagnetstähle
sehr vorteilhaft, weil diese um so weniger entmagnetisiert werden können, je länger
sie in der Feldrichtung sind. Wegen der Einsparung der Erregerverluste ist die Verwendung
von Dauermagneten für die Pole angezeigt und bei der heutigen Entwicklung der Dauermagnetstähle,
jedenfalls bei kleineren Leistungen, immer möglich. Voraussetzung ist allerdings,
daß das Polrad angeworfen wird und die ihm gegenüberliegenden Wicklungen erst nach
Hochlauf eingeschaltet werden. Ein solcher Anlauf ist bei gleichbleibender Drehrichtung
durch Freilaufkupplung mit der Motorwelle leicht zu bewerkstelligen. Bei Außertrittfallen
müßte ein Relais zuverlässige Abschaltung bewirken.
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3. Die Schlupfleistung wird nicht als zusätzlicher Strom, sondern
als zusätzliche Spannung an den Primärkreis zurückgeliefert. Dies wird durch Reihenschaltung
der Netzfrequenz führenden Ständerwicklung des Synchronteils mit der Ständerwicklung
des Asynchronmotors erreicht. Dadurch wird bei untersynchroner Drehzahlregelung
die am Motorständer liegende Spannung erhöht. Das bedeutet aber stärkeres Feld und
erhöhte Überlastbarkeit. Der Grad der zulässigen Spannungserhöhung richtet sich
nach dem Grad der magnetischen Ausnutzung des Asynchronmotors. Er dürfte jedenfalls
bei Vollast immer mindestens i 5 % betragen, bei reichlich bemessenen Motortypen
entsprechend mehr. Unter Berücksichtigung der Phasenlage der Zusatzspannung läßt
sich bei zweckmäßiger Wahl der Erregung dabei eine Abwärtsregelung um 30 bis 5o%
erzielen. Eine dabei auftretende Verschlechterung des Netzleistungsfaktors gegenüber
dem widerstandsgeregelten Motor ist ohne Belang, weil sie in der Hauptsache nicht
durch Vergrößerung der Blindleistung, sondern durch Wegfall von Wirkleistung bedingt
ist. Wird ein noch größerer Regelbereich verlangt, so kann die am Motor liegende
Spannung durch einen vorgeschalteten Spartransformator oder durch andere ähnlich
wirkende Mittel in den zulässigen Grenzen gehalten werden. Der Antrieb zur Drehzahlregelung
kann dabei mit dem Spannungsregler gekuppelt sein. Ein weiterer wesentlicher Vorteil
der Reihenschaltung besteht darin, daß der Synchronteil durch den mit dem Drehmoment
steigenden Motorstrom lastabhängig gesteuert wird. Die eingestellte Drehzahl bleibt
infolgedessen auch bei Lastschwankungen im wesentlichen gleich, ohne daß eine Nachstellung
erforderlich wäre. Ein entsprechendes Verhalten zeigt der 1Taschinensatz auch bei
übersynchronem Betrieb. Wenn ein Leistungszuwachs mit steigender Drehzahl erwünscht
ist, kann indessen in diesem Fall auch auf Parallelschaltung übergegangen werden.
Erwähnt sei noch, daß der durch die Spannungserhöhung bedingte Anstieg der Eisenverluste
durch Stromverminderung und niedrigere Stromwärmeverluste mehr als ausgeglichen
wird. Die Gesamtverluste nehmen zunächst ab, erst bei sehr starkem Anwachsen des
Magnetisierungsstromes werden sie wieder größer.
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Insgesamt wird durch diese Maßnahmen eine wesentlich bessere .l#,usnutzutig
des Maschinensatzes mit einfachen Mitteln erreicht, der die Wirtschaftlichkeit der
Anordnung beträchtlich erhöht. Bei der Ausbildung als Regelzusatzmaschine wird man,
insbesondere bei langsam laufendem Hauptmotor, die Maschine für größtmögliche Drehzahl
einrichten und mittels Zahngetriebe kuppeln. Damit wird sich stets eine durchaus
wirtschaftliche Lösung des Regelproblems in schon vorhandenen Anlagen ermöglichen
lassen, zumal damit auch eine beliebige Verbesserung des Leistungsfaktors verbunden
ist. Die Kosten der Regelzusatzmaschine dürften die Kosten einer gleichwertigen
Einrichtung mit Regulieranlasser und Leistungsfaktor verbesserndem Kondensator vielfach
kaum nennenswert übersteigen.
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Eine besonders günstige Lösung ergibt sich bei Einphaseninduktionsmotoren,
bei denen normalerweise wegen des stark absinkenden Drehmomentes die Drehzahl nur
wenig lieruntergeregelt werden darf. Stattet man nämlich den Ständer D des rückarbeitenden
Synchronteiles finit einer zweiten Wicklung aus, die gegen die erste um cgo elektrische
Grade verschoben ist, und speist damit die Anlaufwicklung des Vordermotors, so nimmt
dieser damit bei absinkender Drehzahl immer mehr den Charakter eines Mehrphasenmotors
an. Drehmoment und Überlastbarkeit bleiben konstant oder können sogar noch zunehmen.
Erwähnt sei schließlich noch, daß einer Ausführung der Maschinen für Hochspannung
nichts im Wege steht. Dies bedeutet gegenüber Kommutatormaschinen und Kommutatorregelsätzen
einen großen Vorteil und führt zu einer wesentlichen Einsparung an Kupfer.
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In der Zeichnung sind Beispiele der Erfindung dargestellt.
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Gemäß Fig. I überträgt der Primärteil A (Ständer) des Asynchronmotors
mechanische und elektrische Energie auf den Sekundärteil Bi (Läufer), dessen Wicklung
mit der Wicklung des Läufers B2 verbunden ist. Bei direkter Kupplung kann die Verbindung
unmittelbar vorgenommen werden; sonst sind Schleifringe erforderlich, die in den
meisten Fällen auch zum Anlassen benötigt «erden. Die
Wicklung von
Bz erzeugt ein Drehfeld, das mit einer der Primärfrequenz und Polpaarzahl entsprechenden
Drehzahl rotiert und das als Zwischenläufer ausgebildete Polrad C synchron mitnimmt.
Dieses "induziert in der Wicklung des Ständers D Spannungen und Ströme von Primärfrequenz.
Der Ständer D wird zur Regelung mittels Handrad und Schnecke R verstellt. Die Schaltung
ist aus Fig. 11
ersichtlich.
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In Fig.II ist in der Netzzuleitung ein Spartransformator zur Spannungsbegrenzung
eingezeichnet. Ein solcher wird nur erforderlich, wenn die Drehzahl sehr weit nach
abwärts geregelt wird.
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In Fig. III wird die Ausbildung als Regelzusatzmaschine gezeigt. Die
Bedeutung der Bezeichnungen ist die gleiche wie bei Fig. I. Das Polrad C enthält
Dauermagnete, wodurch die Erregerschleifringe entfallen. Über die Schleifringe S
ist die Maschine mit den Schleifringen des zu regelnden Motors in Verbindung. Die
Freilaufkupplung zum Anwurf des Zwischenläufers ist durch den Teil K angedeutet.
Die Verbindung mit dem Motorständer A ist aus Fig. Il ersichtlich.
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Die Gleichstromquellen für die Erregung und die zugehörigen Regler
sind als nebensächlich nicht dargestellt. In den meisten Fällen werden Trockengleichrichter
ausreichen, die in die Maschine mit eingebaut und durch die umlaufenden Teile wirksam
belüftet werden können.