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Anordnung zur Regelung der mehrphasigen Ausgangsfrequenz von umlaufenden
Umformergruppen, die von einem einphasigen Strom gespeist werden Die Erfindung bezieht
sich auf umlaufende Umformergruppen für die Frequenz- und Phasenwandlung, wie sie
bereits früher vorgeschlagen und beschrieben worden sind. .
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Wie in der Zeichnung dargestellt, können solche Gruppen aus einem
Asynchronmotor M und einem Frequenzwandler C bestehen, die beide an ein einphasiges
Netz U angeschlossen sind. Die Schleifringe B1 des Frequenzwandlers C sind mit Belastungseinrichtungen,
z. B. mit Asynchronmotoren m verbunden.
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Der Primärteil oder Stator p des Motors M trägt eine
Wicklung, von der angenommen wird, daB sie aus zwei Phasen dl und d% besteht, und
er ist mit einer Einrichtung zur Umschaltung der Polzahl versehen. Diese Einrichtung
an sich bekannter AZt ist zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt. Der
Rotor trägt eine sekundäre Mehrphasenwicklung d, die durch die Schleifringe b mit
einem AnlaB- und Schlupfwiderstand Rh verbunden ist.
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Der Frequenzwandler C besitzt einen Stator s, der ebenfalls als zweiphasig
angenommen ist, mit den Wicklungen P1 und PE, wobei ein Zwischenrotor r mit einer
passenden Wicklung e und ein Hauptrotor S mit einer an die Ringe B1 angeschlossenen
Mehrphasenwicklung A vorgesehen ist. Wie an sich bekannt, kann der Hilfsrotor y
auf der Welle des Hauptrotors frei umlaufen. Seine Wicklung eist für Gleichstromspeisung
über dieRinge BE
vorgesehen und kann in bekannter . Weise zugleich
zur Erzeugung eines Drehfeldes dienen und zur Dämpfung des inversen Feldes.
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Nachdem der Hilfsrotor r durch eine geeignete Anwurfvorrichtung, z.
B. einen nicht dargestellten Hilfsmotor, in Drehung versetzt wurde, erscheint, wie
bekannt, in dem Stator s eine in diesem Falle zweiphasige Spannung. Eine Phase dieser
Spannung wird durch Schließung des Schalters i mit dem Stator des Motors M verbunden.
Der letztere erhält unter diesen Umständen eine vollständige Zweiphasenspeisung,
so daß er mittels des Widerstandes Rh angelassen werden kann.
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Betrachtet man die Wirkungsweise der Maschine C, so ist festzustellen,
daß die an den Ausgangsringen B1 auftretende Frequenz f2, wenn der Hauptrotor S
von dem Motor M mit der Drehzahl des Hilfsrotors r angetrieben wird, Null ist. Nimmt
die Drehzahl von S ab, so erhöht sich die Frequenz f2, bleibt aber kleiner als die
einphasige Frequenz f1 der einphasigen Leitung U. Bleibt S stehen, so wird f2= f1.
Dreht sich S im entgegengesetzten Sinne, so wird f2 größer als f1. 'Durch Regelung
der Drehzahl des Motors M kann man also den oder die Gebrauchsmotoren m, die z.
B. als asynchrone Käfigmotoren angenommen werden, anlassen und regeln.
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Die Erfindung bezweckt, die Drehzahlregelung der von Gruppen dieser
Art gespeisten Gebrauchsmotoren zu erleichtern und zu erweitern.
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Sie hat ferner einfache Mittel mit geringem Raumbedarf zum Gegenstand,
die es ermöglichen, den Antriebsmotor M und die Ausgangsfrequenz f2 des Frequenzwandlers
C zu steuern, indem man für den Übergang zwischen den verschiedenen wirtschaftlichen
Drehzahlen des Motors M, d. h. den Drehzahlen ohne Widerstände, denselben Anlaßwiderstand
Rh benutzt, wodurch die Regelausrüstung beträchtlich vereinfacht wird.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, die Stillsetzung des
Hauptrotors s des Frequenzwandlers C unter besonders günstigen Verhältnissen durchzuführen,
wie dies im folgenden erläutert wird.
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Schließlich bezweckt die Erfindung, die Anzahl von widerstandslosen
Drehzahlen der Asynchronmotoren yn zu erhöhen und die Gleichförmigkeit ihres Antriebsmomentes
zu gewährleisten.
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Gemäß der Erfinduilg werden die verschiedenen Drehgeschwindigkeiten
in beiden Richtungen des Asynchronmotors der Gruppe erzielt durch die kombinierte
Anwendung von regelbaren Schlüpfungen von Polumschaltungen und von einer Zwischenverbindung,
in welcher der Motor der Gruppe durch Gleichstrom erregt wird, um seinen Rotor praktisch
stillzusetzen.
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Diese verschiedenen Geschwindigkeiten werden so gestuft, daß alle
Übergänge von einer Geschwindigkeit zu einer anderen mit Hilfe derselben Apparatur
und desselben Anlaß- und Schlupfwiderstandes erreicht werden. Zu diesem Zweck sind
die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Geschwindigkeiten so, daß jederÜbergang
praktisch der gleichen Leistungssteigerung entspricht. Die Wirkungsweise der Erfindung
und ihre Vorteile werden im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert. Als praktisches
Beispiel sei angenommen, daß die einphasige Spannung U eine Frequenz von
50 Per./Sek. habe und der Stator p des Motors M je nach der Stellung eines
nicht dargestellten Polumschalters vier oder acht Pole besitzen kann, während der
Stator s der -Maschine C immer die gleiche Polzahl, beispielsweise vier, besitzt.
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Nachdem der Hilfsrotor r angeworfen, dann durch nicht dargestellte
übliche ',vZittel synchronisiert und der Schalter i geschlossen wurde, läßt man
den Motor M an, wobei sein Stator p zuerst auf vier Pole geschaltet
wird. Wenn der Widerstand Rh kurzgeschlossen ist, beträgt die Drehzahl der Gruppe
praktisch i5oo LJ/miti. Der Hauptrotor S dreht sich in der gleichen Richtung wie
der Hilfsrotor r und mit gleicher Drehzahl, d.,h. praktisch im Synchronismus mit
dem Drehfeld des Stators s. Die Frequenz f2 ist infolgedessen praktisch Null.
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Dann schließt man den Schalter i3, wobei die Gebrauchsmotoren m in
Ruhe bleiben, da die Frequenz f2 Null ist. Um diese Motoren in anzulassen,
schaltet man den Widerstand Rh wieder ein und geht gleichzeitig auf die Schaltung
der Wicklungen dl und d2 des Stators p mit acht Polen über.
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Der Rotor a des Motors _Il befindet sich dann in einem gegen ihn mit
75o U/min umlaufenden Feld, das Spannungen induziert, deren Ströme durch den Widerstand
Rh begrenzt sind. Schließt man den letzteren allmählich kurz, so hat dies zur Wirkung,
daß der Rotor a auf die Drehzahl des Feldes bis auf die Schlüpfung gebracht wird,
also annähernd auf 7,50 U/min.
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In dieser ersten Anlaßperiode anreitet die Maschine M als Generator.
Die Drehzahl des Rotors S ist dann zweimal kleiner als die des von dem Stator s
der Maschine C erzeugten Drehfeldes und die Frequenz f2 = o,5 f 1 = 25 Per./Sek.
Die Motoren m laufen schließlich ohne Widerstände mit einer verminderten wirtschaftlichen
Drehzahl von 250/0.
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Um die Beschleunigung dieser Motoren m fortzusetzen, schaltet man
die Widerstände Rh wieder ein, man öffnet den dreipoligen Schalter il, um die einphasige
Speisung zu unterl)r-eQhen, und man schließt alsbald den Schalter i.=, um diese
einphasige Speisung durch die von der Leitung h gelieferte Gleichstromerregung zu
ersetzen.
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Der mit 750 U/min umlaufende Rotor des Motors M :befindet sich
dann in einem im Raume feststehenden Feld. Die relative Drehzahl dieses Feldes in
bezug auf den Rotor a ist demnach noch immer 750 U/min wie in der vorhergehenden
Periode, und wie im vorhergehenden bringt die allmähliche Kurzschließung desselben
Widerstandes Rh den Rotor a auf die Drehzahl des Feldes bis auf die Schlüpfung,
also annähernd zum Stillstand. Die Frequenz f2 ist unter diesen Umständen praktisch
gleich f1, d. h. bei dem gewählten Beispiel gleich 50 Per./Sek. Die Motoren
in laufen somit ohne Widerstände mit einer wirtschaftlichen Drehzahl von 5o%.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Gruppe unter
diesen
Umständen eine sehr langsame Drehung ausführt. Dies hat den Vorteil, daß die Bürsten
der Maschine C, de auf den Ringen Bi schleifen, nicht mit den gleichen Teilen dieser
Ringe in Kontakt bleiben. Daraus ergibt sich, daß die Bürsten sich nicht markieren
und die Ringe nicht zerstören können.
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Um eine neue Periode der Beschleunigung der Gebrauchsmotoren m durchzuführen,
kreuzt man bei geöffneten Schalter il und i2 mittels des Umschalters I zwei Statorverbindungen
des Stators p, man läßt diesen Stator p auf der Schaltung mit acht Polen, man schaltet
die Widerstände Rh wieder ein und schließt il. Dadurch wird ein Drehfeld von
750 U/min im entgegengesetzten Sinne in bezug auf den Rotor a erzeugt, der
annähernd still steht. Dieser Rotor befindet sich demnach in bezug auf das Statorfeld
noch unter den gleichen Bedingungen wie bei den vorhergehenden beiden Stufen, nur
daß diesmal wegen der umgekehrten Richtung des Drehfeldes das Drehmoment des Rotors
a seine Richtung ändert und motorisch wird.
| Drehzahl des Feldes Drehrichtung |
| Stellung des Stators p in U/min von M und S Frequenz
f2 Synchrone Drehzahl von m |
| z 1500 wie y o 0 |
| 2 750 wie y 25 25 |
| 3 o fast ohne Drehung 50 50 0/0 |
| 4 - 750 entgegengesetzt zu r 75 75 0/0 |
| 5 - 1500 cntgeg;ngesetzt zu r zoo zoo 070 |
Es ist ferner ersichtlich, daß der Übergang aus jeder dieser Stellungen zu der folgenden
allmählich mittels desselben Widerstandes Rh vorgenommen wird. Daraus ergibt sich
eine wesentliche Vereinfachung der Ausrüstung, die besonders vorteilhaft ist im
Falle von Zugausrüstungen.
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Zweckmäßig wird man die Kontakte des Widerstandes Rh, die Schalter
i, il, i2, i3, den Umschalter I und den nicht dargestellten Polumschalter
des Stators p in Form von Schaltwalzen, z. B. von solchen mit Nockenschützen, ausbilden,
die zu einem gedrängten Steuerschalter zusammengefaßt werden, der leicht zugänglich
ist und alle Schaltungen in der oben beschriebenen Reihenfolge ausführt. Dieser
Steuerschalter muß auch einen (nicht dargestellten) Umschalter enthalten, der die
Drehrichtung der Motoren m ändert.
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Der obige Steuerschalter kann gegebenenfalls auch Polumschalter q
umfassen, die vorgesehen sind, um die Zahl der synchronen Geschwindigkeiten der
Motoren m noch zu erhöhen. Beispielsweise erhält man, wenn die Vorrichtungen q einen
Betrieb der Motoren m mit vier Polen anstatt mit acht Polen zulassen, zwei weitere
wirtschaftliche Drehzahlen ohne Widerstände mit i5o% und 200%, die z. B. für Schnellzüge
bestimmt sind. Durch weitere Polumschaltungen können weitere Drehzahlstufen ermöglicht
werden.
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Wie oben dargelegt, erfolgt der Übergang von einer Stellung zu einer
anderen im allgemeinen mit einer vorübergehenden Unterbrechung der Speisung Die
allmähliche Kurzschließung desselben Widerstandes Rh bringt den Rotor S auf die
Drehzahl des Feldes :bis auf die Schlüpfungalso annähernd auf 750 L1/min
in entgegengesetzter Richtung zu der des Drehfeldes des Stators s, und die Frequenz
f2 wird gleich 75 Per./Sek. Die Motoren m haben demnach eine wirtschaftliche Drehzahl
ohne Widerstände von 75 0/0.
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Die letzte Stufe der Beschleunigung der Motoren m besteht darin, daß
man den Schalter il öffnet, den Stator p auf vier Pole schaltet, die Widerstände
Rh wieder einschaltet, il wieder schließt und den Motor M durch allmähliche Kurzschließung
dieser Widerstände auf i5oo U/min bringt. Die Frequenz f, an den Ringen Bi wird
dann gleich ioo Per./Sek., und die wirtschaftliche Drehzahl der Motoren m ist ioo%.
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Wie ersichtlich, kann in dem gewählten Beispiel durch die beschriebene
Anordnung ein Betrieb ohne Widerstände in folgenden fünf wirtschaftlichen Stellungen
durchgeführt werden: des Motors M. In dem besonderen Fall von Lokomotiven können
diese Unterbrechungen des Antriebsmoments störend sein, und man kann sie vermeiden,
wenn man zwei gleiche ein- mehrphasige Gruppen gemäß der Erfindung vorzieht, die
parallel arbeiten. Die Übergänge gehen bei diesen Gruppen nicht gleichzeitig, sondern
aufeinanderfolgend vor sich, und jede Gruppe wird während einer sehr kurzen Zeit
ül),erlastet, wobei die Gleichförmigkeit der Zugkraft gewährleistet wird.
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Beide ein- mehrphasige Gruppen können unabhängig sein, und jede .'kann
die Hälfte der Motoren m der Lokomotive speisen. Es können auch mehr als zwei Gruppen
vorgesehen werden, bei welchen die Übergänge nacheinander erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform verwendet man eine einzige Gruppe,
die aus einer einzigen Maschine C und zwei Motoren M besteht. Wenn .diese beiden
Motoren ihre Übergänge aufeinanderfolgend ausführen,, wird die Gleichförmigkeit
der Zugkraft in derselben Weise gewährleistet. Diese Ausführung ermöglicht es auch,
die beiden Motoren M in Kaskade zu schalten, um die Anzahl der wirtschaftlichen
Drehzahlen zu erhöhen.