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Asynchronmotor mit veränderlicher Drehzahl Ein Elektroniotor für Ein-
oder Mehrphasenwechselstroni eiitli:ilt stets einen Stator und einen kotor.
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Der Stator bestelit aus einem Kern aus gestanzten Blechen, der eine
geeignete Wicklung trägt, wobei (las Ganze in ein Gestell gesetzt ist.
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Der Rotor besteht ebenfalls aus einem Kern aus ,festanzten Blechen,
wobei diese Bleelie atif eine Welle gesetzt sind und elektrische Leiter oder eilte
Wicklung tragen.
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, Wenn die StatorNvicklung durch ein-en Strom von bestimmter
Frequenz gespeist wird, erzeugt sie in dem Eisenkern ein magnetisches Drehfeld von
der Geschwindigkeit
wobei f die Frequunz des Stromes und p die Polzahl der Stator-,vickhing
ist. Durch die Wirkung dieses Drehf#eldes dreht sich der Rotor mit einer Geschwindigkeit,
#die von der Frequenz des Stromes und der Polzahl der Statorwicklung abhängig isst.
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LIM Motoren mit mehreren Geschwindigkeiten, iii-sl)e,soii(lere solche
mit drei Geschwindigkeiten züi schaffen, hat man bereits vorgeschlagen, zwei ."#syiichronmotoren,
deren Lä-,ufer je eine Wicklung tragen, elektrisch -und mechanisch miteinander
zu vereinigen; dies nennt man eine Kaskadenanordnung.
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Es ist ferner bereits vorgeschlagen worden, die beiden magnetischen
Kreise zu einem einzigen zu vereinigen oder auch die Wicklungen der beiden Motoren
zu kombinieren, um dadurch einen Motor mit vier, acht oder zwölf Polen zu erhalten,
der sich infolgedessen mit 1500, 750 oder Soo Umdrehungen pro Minute,dreht.
Alle
hiernach konstruierten Motoren sind offenbar Motoren mit drei Geschwindigkeiten,
jedoch nicht mit veränderlicher Geschwindigkeit. Ihr gutes Arbeitenbeweist, daß
ein einziger Eisenkern zur Aufnahme #zweier Felder von verschiedener Geschwindigkeit
dienen kann, um mit einem einzigen Motor drei verschiedene feste Gesehwindigkeiten
(DrehzaliJen) zu erhalten, die des ersten Drehfeldes, die des zweiten Drehfeldes
und die -des aus diesen beiden Feldern resultierenden Drehfeldes.
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Die bemerkenswerte Stabilität der beeiden Drehfelder in dem gleichen
Eisenkern führt#e zu dem Versuch, eine vet,#derliche Geschwindigkeit (Drehzahl)
dadurch zu erhalten, daß man das eine der Drolifelder abschwächt oder verstärkt.
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Bei einem solchen Asynchronmotor für Ein- oder Mehrphasenstrom mit
regelbarer Drehzahl wird eine Änderung,der -Geschwindigkeit (Drehzahl) dadurch erreicht,
daß man iauf den gleichen St#atorkern eine doppelte 'Wirkung aufbringt, welche zwei
in -leichem Drehsinn kreisende Magnetfelder erzeugt, von denen man das resultierende
Feld benutzt, welches man zwecks Änderung,der Drehzahl in der Weise beeinflußt,
daß man die Stärke des einen der beiden Felder verändert; die eine der beidenWicklungen
wird,hierbei mit Wechselstrom aus dem Netz gespeist, während die andere mit einer
Regelvorrichtung verbunden ist. Diesz# Regelvorrichtung kann ein veränderlicher
Widerstand, eine veränderliche Reaktanz oder eine Vorrichtung sein, durch die ein
Strom veränderlicher Frequenz zugeführt wird.
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Ein so gebauter Motor hat weder Schleifringe noch Kollektor oder Unterbrecherkontakte
und verbraucht für die Regelung der Geschwindigkeit nur sehr wenig Energie.
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Die Zeichnung zeigt, ledigl,ich beispielsweise, einige Au-sführungsforrnen
eines Drühstrommotors nach der Erfindung.
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Fig. i und 2 sind Diagrammeder DrehfeLder; Fig. 3 zeigt die
Schaltung für den Rotor, für das konstante Statorfeld und für das veränderliche
Statorfeld; Fig- 4 ist ein Schaltschema einer kombinierten Statorwicklung; Fig.
5 ist ein SchaItscheinader zugehörigen Rotorwickliung; Fig. 6 ist
ein Schaltschema einer doppelten Statorwicklung bei Anwendung der Plan- oder Etagenwicklung;
Fi". 7 ist ein Schaltschema der zugehörigen Rotorwicklung.
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Da die Drehfelder durch Vektoren dargestellt werden können, kann man
das erste magnetische Feld durch den sich mit der Geschwindigkeit a drehenden Vektor
V, (Fig. i) darstellen und das zwuite '.\lagnetfel,d durch den sich in entgegengesetzter
Richtung mit d2r Geschwindigkeit b
drehenden Vektor V2, Die Geschwindigkeiten
a und b sind von der Zahl der Polpaare der zugehörigen Wicklungen abhüngig.
Die Zusammensetzung der beiden Felder ergibt ein drittes Drehfeld, das durch den
Vektor T#, dargestellt ist; die Geschwindigkeit c, mit der dieses Feld sich dreht
und die als Kaskadengeschwindigkeit bezeichnet werden soll, entspricht einer Polzahl,
die gleich der Summe der den Geschwindigkeiten a und b zugehörigen Pole ist.
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Wenn beispielsweise für eine Frequenz von 5o Perioden die Geschwindigkeit
a gleich 1500 Umdrehun,gen pro Minute ist, entsprechend einer Pol-
zahl
von vier Polen, und wenn b gleich 750 Um-
drehungen ist, entsprechend
acht Polen, so wird die Geschwindigkeit c einer Zahl von vier plus acht gleich zwölf
Polen oder 5oo Umdrehungen pro Minute entsprechen.
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Fig.2 zeigt, daß bei einer geeigneten Wicklung errilcht werden kann,
daß die beiden Vektoren Vi und V 2 sich in gleichem Drehsinn bewegen.
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Wenn nun der Wert ides Vektors V, 'der Größe nach unveränderlich bleibt
und man die Größe des Vektors V, mit Hilfe einer geeigneten Regelvorrichtung verändert,
so wird die durch den resultierenden Vektor V, (der von der Stellung und
Größe des Vektors V, abhängig ist) erzeugte Drehzahl sich ebenfalls ändern, und
die resultierende oder Kiaskadengeschwindigkeit wird vertänderlich.
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Die Erfajhrung zeigt, daß es sich empfiehlt, das sich mit der größeren
Geschwindigkeit drehende Feld vergad#erlicjh zu gestalten, während das andere Feld
allein durch den Netzstrom gespeist wird.
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Die Vorrichtung, die die Veränderung der Größe des Vektors V, gestattet,
kann ein gemäß Fig- 3
geschalteter verländerlicherWiderstand 4 sein.
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Um die in dem Widerstand verbrauchte Energie gering zu haften, läßt
man in dem Regelstromkreis, derdas dem Vektor V2 'entsprechende Drehfeld erzeugt,
eine Energie fließen, die nur einen Bruchteil der dem Motor zugeführten Gesamtenergie
ausmacht. Dies wird dadurch erreicht, daß man der Wicklung :des Regelstromkreises
einen m-mal kleineren Querschnitt erteilt und daß man die Rotorwicklung entsprechend
ausführt.
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Es ist ferner zu beachten, daß die Polzahl der zugehörigen elektrischen
Kreise entsprechend der Kaskadengeschwindigkeit, die man erzielen -will, gewählt
wird.
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Es ist ferner zu -beachten, daß die kleinste Geschwindiglkeit des
Motors in der Größenordnung Von 20/0 der Kaskajdengeschwindigkeit liegt.
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Der Stator eines solchen Motors trägt also auf einem einzigen Eisenkern
zwei Wicklungen von verschiedener odergleicher Pollzahl, deren Schritte jedoch so
gewählt sind, daß eine gegenseitige Induktion zwischen ihnen vermieden wird.
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Die SpUle2 (Fig. 3) führt die Gesamtleistung dem Motor zu.
Sie allein ist die gespeiste Spule. Verwendet man jedoch ein Regelverfahren, bei
dein eine veränderliche Hilfsfrequenz zugeführt wird, so ist die Gesamtfeistung
des Motors gleich der Summe der den beiden Spulen zugeführtenLeistungen, da die
derRegelungdienende zugeführteHilfsfrequenz ebenfalls in mechanische Energie an
der Welle umgesetzt wird, während bei den anderen
Regelverfahren
die in der Regelwicklung erzeugte Energie in dem Widerstand oder der Reaktanz vernichtet
wird.
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Die Wicklung 3, Regelwicklung genannt, führt eine Leistung,
die dem in-ten Teil derjenigen der WiCklUng 2 entspricht; sie ist mit der Regelvorrichtung
4 -verbunden.
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Der Rotor 5 hat ebenfalls einen einzigen Eisenkern, der eine
der Summe der Statorpole entsprechen,de Anzahl getrennter elektrischer Kreise aufweist.
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Um beispielsweise einen Rotor zu konstruieren, dessen Drehzahl zwischen
io und 5oo Umdrehungen pro Minute regell)Kar ist, verwendet man Wicklungen, wie
sie in Fig. 4 für den Stator und in Fig. 5
für den Rotor dargestellt sind;
diese gestatten die Erzeugung eines ersten Drehfeldes von i5oo Umdrehungen pro Minute
und eines zweiten Drehfeldes von 750 Umdrehungen pro Minute, deren Resultierende
ein Drelifeld von 5oo Umdrehungen pro Minute ist.
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Ebenso verwendet man zur Konstruktion eines Motors,,desseriDrelizalil
zwischen 30 und 1500Umdrehungen pro Minute regelbar ist, Wickfungen, die
die Erzeugung zweier Drehfelder von je
3000 Umdrehungen pro Minute
gestatten, deren Resultierende ein Drehfel,d von i5oo Unidrehungen ist.
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Für einen Motor von 15 bis 750 Umdrehungen pro Minute müssen
#die beiden Felder Drehzahlen von 3000 und iooo Umdrehungen pro Minute aufweisen
und so fort.
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Wenn der Stator beispielsweise zwei Wicklungen mit den Polzahlen
2p, und 2p, enthält, muß der Rotor 2 (P, + P2) Zgetrennte Kreise
aufweisen.
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Die in Fig. 6 gezeigte Wicklun:g ist von der Art, die als Planwicklung
oder Et:agenwicklung bekannt ist.
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Die Rotorwicklung (Fig,- 7) ist entsprechend der StatorNvicklung
ausgebildet; da aber keinKollektor und keline Schleifringe vorhanden sind, ist jeder
als unabhängig von den anderen betrachtete Stromkreis der Wickl-ung in sich selbst
geschlossen und außerdem in einem Punkt mit dem entsprechenden Punkt jeder der anderen
Wicklungskreise verbunden.
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Uni die Konstruktion zu vereinfachen oder entsprechend der Form der
Nuten, ihrer Kapazität zur Aufnahme von Leitern und dem verfügbaren Platzbed,arf
des Rotors kann die doppelte Statorwicklung der Fig. 6 durch eine einzige
Wickfung der Art mit n Leitern pro Nut ersetzt werden in der Art der in Fig. 4 dargestellten
Wicklung. Die Rotorwicklung ist dann entsprechend ;der Anordnung der Fig.
5 auszubilden.
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Diese kombinierte #Vicklung hat den Vorteil, daß sie eine gewisse
Verringerung,der durch den Jouleschen Effekt hervorgerufenen Verluste mit sich bringt.
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Speist man die Wicklung #2 (Fig. 3), #SO wird in dem Teil des
Rotors, der dieser Wicklung -2 entspricht, ein induziertes Feld erzeu#gt; dieses
Feld wirkt auf den der Wicklung 3 entsprechenden Teil des Rotors ein. Es
induziert ein Feld in der Wicklung 3, die mit der Regelvorrichtung verbunden
ist, wobei die Größe dieses Feldes durch die Regelvorrichtung in der oben dargelegten
Weise beeinflußt wird.
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Die Wicklun:g 2 erzeugt also ein Drehfeld Vl, und das in der Wicklu#n-
3 erzeugte Feld ist Idas Drehfeld V,; der Motor dreht sich mit der dem iesultierenden
Feld V3 entsprechenden Geschwindigk,-it. [)lese wird dadurch verändert,daß man auf
die Größe des Feldes V, einwirkt.
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Im Gegensatz zu anderen bekannten Motoren mit regelbarer Geschwindigkeit
hat der Motor nach der Erfindung weder einen Kollektor, nochSchleifringe oder Unterbrecherkontakte.
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Der mit isolierten Leitern wie ein Rotor mit Spulen konstruierte Rotor
ist einem einfachen Käfiganker vergleichbar, da er in sich selbst geschlossen ist.
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Die Änderung der Drehzahl ist kontinuierlich, man kann Grenzgeschwindigkeiten
im Verhältnis 1 zu 5o erzielen.
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Der Motor hat die Charakteristik eines Reibenschlußmotors für Gleichstrom,
ohne Gefahr des Durchgehens. Er kann #bei jeder Geschwindigkeit arbeiten und anlaufen.
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Das Drehmornent bleibt bei allen Geschwindigkeiten konstant, und die
Stabilität des Motors ist bei allen Geschwindigkeiten vollkommen.
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Der Re:gelwiderstan#d 4 kann im Verhältnis zu der Gesamtenergie des
M#otors sehr schwach ausgebildet sein. Die durch denWiderstandvernichtete Energie
fällt daher wenig ins Gewicht.
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,Die bei einem Motor von io kVA, dessen Geschwindigkeit zwischen 5o
und 5oo Touren regelbar ist, in dem Widerstand vernichtete Energie ist inder Größenordnung
von i kVA bei Vollast.
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Arbeitet man jedoch zum Zwecke der Regelung mit der Zuführung einer
veränderlichen Hilfsfrequenz aus irgendeiner En#ergiequelle, so wird diese Energie,
wie oben dargelegt, ebenfalls in mechanische Arbeit an der Welle umgesetzt. Die
Reggelwicklung #wird indiesem Fall zu einer Treibwicklung.