DE93663C - - Google Patents

Description

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KAISERLICHES A

PATENTAM

I. Zweck der Erfindung.

Die asynchronen Ein- oder Mehrphasenwechselstrommotoren haben den Fehler, dafs man ihnen eine scheinbare Arbeit liefern mufs, die bedeutend höher ist als die wirkliche Arbeit, die sie verbrauchen. Die asynchronen Einphasenwechselstrommotoren haben noch den weiteren Fehler, dafs man sie nur mit Hülfe eines Kunstgriffes in Gang bringen kann und dafs es unmöglich ist, sie unter Belastung anzulassen, ohne von dem Netz, das den Motor speist, eine übermäfsige scheinbare Arbeit zu fordern.

Der Zweck der Erfindung ist die Beseitigung dieser beiden Fehler.

II. Grundgedanke der Erfindung.

In Fig. ι der Zeichnung ist beispielsweise ein Einphasenwechselstrommotor M dargestellt, der zweipolig angenommen ist, um die Erklärung zu vereinfachen.

Der Feldmagnet I, der direct zwischen die Leiter des Netzes geschaltet ist, trägt zwei gleiche Spulen B₁ und B₂, die diametral gegenüber liegen und zu einem einzigen Stromkreis vereinigt sind, der den Strom des Netzes durch Vermittelung der Ringe b_t b₂ und der Bürsten Z₁Z₂ empfängt. Die Spulen sind so geschaltet, dafs der durch die Ringe b₁ b₂ eindringende Strom in jedem Augenblick auf der Oberfläche der Feldmagnete zwei diametral gegenüberliegende ungleichnamige Pole erzeugt. Der ringförmige Anker S ist mit η gleichen Spulen C₁ C₂ C_s C₄ . . . (in Fig. 1 ist η = 4) versehen, die, auf einander folgend, um den

gleichen Winkel 2 π

verschoben sind.

Diesem asynchronen Motor M hat die Erfinderin einen anderen synchronen Motor N beigesellt, der ebenfalls zweipolig angenommen und dessen feststehend gedachte Ringwickelung A auch mit η gleichen Spulen ausgerüstet ist, die, auf einander folgend, um den gleichen

Winkel verschoben sind.

Die η inducirten Spulen des asynchronen Motors M seien auf einander folgend mit C₁ C₂ C₃ . . . C_n und die η Spulen der Ringwickelung des synchronen Motors N ebenfalls auf einander folgend mit C₁ C₂ C₃ . . . C_n bezeichnet. Man schliefst die Spule C₁ über die Spule C₁. indem, man die beiden Eintrittspunkte dieser Spulen und ihre Austrittspunkte mit einander verbindet. Ebenso schliefst man die Spule C₂ über die Spule C₂ und so weiter, wie in dem Schema der Fig. 2 dargestellt ist.

Der beweglich angenommene Feldmagnet J des synchronen Motors N besitzt eine inducirende Spule D, die zwischen zwei Ringe b\ b'.₂ eingeschaltet ist, auf welchen zwei Bürsten /\/'₂ schleifen. Durch ihre Vermittelung kann man im Bedarfsfalle einen von einer beliebigen Quelle gelieferten Gleichstrom in die Spule D senden. E ist ein leitender Schirm, gebildet von einer Anzahl von Kupfer-

Stäben, welche die Polschuhe des Feldmagneten möglichst nahe, der Polfläche durchsetzen und deren Enden an jeder Seite dieses Feldmagneten durch zwei Kupfer- oder Bronzeringe mit einander verbunden sind. Man kann sagen, dafs der synchrone Motor N durch einen Stromwandler gespeist wird, dessen primärer Stromkreis von dem Feldmagneten I des asynchronen Motors M und dessen secundä'rer Stromkreis von den inducirten Stromkreisen dieses Motors gebildet ist. ...

Es sei

die Wechselzahl, der den Feldmagneten I erregenden Ströme. Die durch diesen Feldmagneten entwickelte magnetisirende Kraft sucht bekanntlich zwei Felder zu erzeugen, die sich in Bezug auf diesen Magneten

mit der Geschwindigkeit-—- drehen, aber im

entgegengesetzten Sinne.

Die Spulen C₁ C₂ C₃ C₄ ... des Motors N werden, da sie mit den entsprechenden Spulen C₁ C₂ C₃ C₁ . . . des Motors M in Gegenschaltung sind, nothwendigerweise der Sitz von gleichen, aber ungleichnamigen elektromotorischen Kräften (wenn man die Wirkungen des ohmischen Widerstandes dieser Spulen vernachlässigt). Mit anderen Worten, der Motor N wird auch der Sitz von zwei Feldern, die sich

mit der Geschwindigkeit —=■■> aber im entgegengesetzten Sinne drehen, und die keine nennenswerthe Stärke erlangen können, weil sie sich durch den leitenden Schirm E des Feldmagneten / verschieben müssen.

Wenn man aber den Feldmagneten / durch irgend ein Verfahren in Umlauf setzt und ihm eine Geschwindigkeit ω mittheilt, so wird das Feld, das sich in demselben Sinne wie der Magnet dreht, in Bezug auf den Schirm nur

noch eine Geschwindigkeit ■

haben, wogegen das andere Feld in Bezug auf den Schirm eine Geschwindigkeit — + w haben wird.

Der Motor N wird infolge der Gegenwart seines Schirmes von selbst eine Geschwindigkeit annehmen, die sehr nahe-^=- ist, was ermöglicht, sie alsdann zu synchronisiren, indem man in die Spule D einen von einer beliebigen Quelle gelieferten Gleichstrom sendet.

Sobald erst einmal der Synchronismus erlangt ist, wird der Schirm gar keine Wirkung mehr auf das Feld haben, das sich in demselben Sinne wie er dreht, während er in nahezu absoluter Weise der Entwickelung des Feldes entgegenwirken wird, das sich im umgekehrten Sinne dreht.

Das durch die Spule D erzeugte Feld wird sich aber über das fortbestehende Drehfeld lagern und wird dessen Wirkung so sehr, als man will, verstärken können. ..

Die nothwendige Gleichheit der elektromotorischen Kräfte, die in den in Gegenschaltung befindlichen Spulen C₁ C₂ ..., C₁ C₂ . .. entwickelt sind, hat in dem Motor M die Erzeugung eines einzigen Feldes zur Folge, das sich in demselben Sinne wie der Motor N dreht. Die Stärke dieses Feldes, die nur von der Stärke des in dem Motor N entwickelten Feldes abhängt, wird mit der magnetisirenden Kraft der Spule D wachsen, ohne dafs der Feldmagnet I wattlose Ströme für die Entwickelung dieses Feldes zu liefern hätte.

Unter diesen Bedingungen wird nicht nur in dem Motor M ein kräftiges Feld- erzeugt,' welches den Motor befähigt, unter Belastung anzulaufen, sondern auch dieses Feld wirklich durch den Gleichstrom geschaffen, der die Spule D des Motors N durchläuft, derart, dafs die Stärke der wattlosen Ströme, welche das Netz dem Motor M liefern mufs, gleich Null und sogar negativ gemacht werden kann, und zwar selbst im Augenblicke des Anlassens.

Sobald der Motor M erst einmal in Gang gebracht ist und eine Drehgeschwindigkeit Q erlangt hat, wird ein Feld, das sich in Bezug auf den Feldmagneten / mit der Geschwindigkeit -=- verschiebt, nur noch eine Geschwindigkeit -ψ — Q in Bezug auf die inducirten Stromkreise haben. Diese werden der Sitz von Strömen von der Wechselzahl -ψ — Q

sein, ebenso wie der Stromkreis der Ringwickelung des Motors M.

Der Motor N, dessen Drehgeschwindigkeit

stets proportional der Wechselzahl — —· 9

sein wird, wird also allmälig langsamer gehen, und wenn der Motor M seine normale Geschwindigkeit erlangt hat, so wird sich der Motor N nur noch mit der stets sehr langsamen sogenannten Schlüpfungsgeschwindigkeit

drehen.

Wenn — = 40 ist, wird diese Geschwindigkeit im Allgemeinen zwischen einer und zwei Umdrehungen in der Sekunde liegen. Diese Bemerkung ist sehr wichtig. Der Hülfsmotor N hat sich in der That nur während der sehr . kurzen Dauer des Anlassens mit grofser Geschwindigkeit zu drehen. Man kann ihn also im Augenblick des Anlassens des Motors M eine Drehgeschwindigkeit annehmen lassen, welche wegen der Erhitzung der Lager unzulässig wäre, wenn sie längere Zeit fort-

bestehen müfste. Man kann für die specifische Induction in seinen Eisenmassen Werthe zulassen, welche ebenfalls unzulässig wären, wenn die Aenderungen der Kraftlinien für gewöhnlich eine erhöhte Frequenz haben müfsten.

Dies erlaubt der Erfinderin, dem Hülfsmotor Abmessungen zu geben, die im Vergleich mit denjenigen des eigentlichen asynchronen Motors verhältnifsmäfsig klein sind.

In dem Vorhergehenden war angenommen, dafs es sich um einen Einphasenwechselstrommotor handelte. Alles, was gesagt wurde, gilt auch für einen Mehrphasenwechselstrommotor; man hat nur den Feldmagneten / des Motors M der Fig. ι durch den Feldmagneten eines Mehrphasenwechselstrommotors zu ersetzen.

Der einzige Unterschied besteht in der anfänglichen Erzeugung eines einzigen Drehfeldes durch diesen neuen Feldmagneten und in dem Umstände, dafs der Hülfsmotor N ganz allein angeht. Der magnetische Schirm, mit welchem, wie angenommen, der Feldmagnet dieses Hülfsmotors ausgerüstet ist, wäre nicht mehr nöthig, um die Bildung von Feldern zu verhindern, die sich entgegengesetzt wie die Motore drehen, man wird ihn aber immer beibehalten müssen, um das Ingangsetzen und die Aufrechterhaltung des synchronen Ganges des Hülfsmotors zu sichern.

Der Grundgedanke dieser Erfindung ist mithin kurz folgender:

Wenn ein asynchroner Ein- oder Mehrphasenwechselstrommotor gegeben ist, dessen inducirte Stromkreise η Spulen enthalten, die auf einander folgend um den gleichen Winkel

(wobei η = 2 oder gröfser als 2 ist) ver-

schoben sind, so wird

1. ihm ein synchroner Hülfsmotor beigesellt, der leer läuft und dessen Ringwickelung eben-

falls η um den gleichen Winkel verschobene

Spulen hat;

2. jede der η inducirten Spulen des asynchronen Motors über die entsprechende Spule der Ringwickelung des synchronen Motors geschlossen.

Nachdem diese Einrichtungen getroffen sind, schliefst man den inducirenden Stromkreis des eigentlichen asynchronen Motors über das Netz und läfst den synchronen Motor angehen, dessen Ringwickelung durch die Ströme gespeist wird, die durch Induction in den inducirten Stromkreisen des asynchronen Motors entwickelt sind. Der synchrone Motor nimmt infolge der Gegenwart seines magnetischen Schirmes von selbst eine Geschwindigkeit an, die derjenigen des Synchronismus sehr nahe kommt. Man hängt ihn alsdann an, indem man in seinen Feldmagneten einen Gleichstrom sendet, der von einer beliebigen Quelle herrührt , . und überläfst nun das System sich selbst, worauf der' asynchrone Motor von selbst anläuft.

Andere Erfinder, wie z. B. Bradley und Swinburne, haben bereits vorgeschlagen, einem Drehfeldmotor einen synchronen Motor beizugesellen, sei es zu dem Zweck, das Verhältnifs zwischen den dem Motor durch . das Vertheilungsnetz gelieferten Arbeilen, der wirklichen und der scheinbaren, gleich 1 zu machen, sei es zu dem Zweck, an Ort und Stelle Ströme zu erzeugen, die der Phase nach verschoben sind in Bezug, auf den als einzigen angenommenen, von dem Vertheilungsnetz gelieferten Strom.

Alsdann wird der synchrone Motor aber stets direct durch das Vertheilungsnetz gespeist und wirkt entweder wie ein Condensator, indem er dem asynchronen Motor die zu seiner Erregung erforderlichen wattlosen Ströme liefert, oder aber wie ein Phasenumformer, indem er dem Netz die Energie entnimmt, welche nöthig ist, um Ströme zu erzeugen, die der Phase nach in Bezug auf den als einzigen angenommenen , von dem Vertheilungsnetz gelieferten Strom verschoben sind, oder endlich zugleich wie ein Condensator und ein Phasenumformer.

Die Wirkungsweise des benutzten Drehfeldmotors wird durch die Hinzufügung des synchronen Motors in keiner Weise verändert, wie aus dem zuletzt Gesagten hervorgeht. Insbesondere werden die Erscheinungen der Selbstinduction, deren Sitz er sein wird, stets die Wirkung haben, den Werth seines gröfsten Kräftepaares für eine bestimmte Voltzahl zu verringern. Die Hinzufügung des synchronen Motors verändert die Eigenschaften des Drehfeldmotors in keiner Weise, sie erleichtert nur seine Speisung durch das Netz.

Endlich mufs der benutzte synchrone Motor stets eine beträchtliche wirkliche oder scheinbare Arbeit liefern und sich mit grofser Geschwindigkeit drehen.

Fügt man dagegen, wie die Erfinderin es gethan hat, den synchronen Motor zu den inducirten Stromkreisen des asynchronen Motors, so werden die Eigenschaften des letzteren vollständig verändert, indem der Coefficient der scheinbaren Selbstinduction seiner inducirten Stromkreise gleich Null gemacht wird. Dies hat die Wirkung, den gröfsten Werth des Kräftepaares, das dieser Motor bei einer bestimmten Voltzahl entwickeln kann, sehr bedeutend zu erhöhen. Dazu kommt noch, dafs der Hülfsmotor der Erfinderin nur im Augenblick des Anlassens sich mit grofser Geschwindigkeit zu drehen und eine beträchtliche scheinbare Arbeit zu liefern hat. Während

der übrigen Zeit dreht er sich nur mit sehr geringer Geschwindigkeit und liefert nur eine ■ sehr kleine scheinbare Arbeit. Dies erlaubt, einen Motor von kleinen Abmessungen zu benutzen, von welchem man von Zeit zu Zeit einige kräftige. Rucke fordern kann..

Das System, welches den. Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, ist nicht nur vollständig verschieden von den anderen, die soeben angeführt wurden, sondern es ist auch viel wirksamer und mit viel kleinerem Hülfsmaterial ausführbar.

HL Anwendung veränderlicher Wider-, stände.

Da in dem Augenblick, wo die Erfinderin ihren Hülfsmotor anläfst, keine elektromotorische Gegenkraft (ausgenommen die stets kleinen, die von den ohmischen Widerständen oder den magnetischen Streuungen der verschiedenen Stromkreise des asynchronen und des synchronen Motors herrühren) in diesen Stromkreisen entwickelt wird, so müfste der Strom, der durch das Netz dem inducirenden Stromkreis des asynchronen Motors geliefert wird¹, eine sehr grofse Stärke erlangen, was nicht nur die Apparate gefährden, sondern auch ein Sinken der Vottzahl in dem Netz herbeiführen könnte.

Diesen Uebelstand vermeidet die Erfinderin dadurch, dafs sie in die verschiedenen Stromkreise, die durch Vereinigung der inducirten Stromkreise des asynchronen Motors und der Armaturstromkreise des synchronen Motors gebildet sind, regelbare Widerstände R₁ R₂ R_iR_i...' einschaltet, wie dies in dem Schema Fig. 3 dargestellt ist. Bevor man das Netz über den Feldmagneten des asynchronen Motors schliefst, schaltet man alle verfügbaren Widerstände in diese Stromkreise ein. Man schaltet sie hernach aus, sobald der synchrone Motor angelassen wird.

Diese Widerstände können noch auf eine andere Art nutzbar gemacht werden. Es sei angenommen, der asynchrone Motor müsse häufig angehalten und wieder angelassen werden; es wäre unbequem, wenn: man den synchronen Motor jedesmal, wieder in Gang setzen müfste.. Man begnügt sich damit, den asynchronen Motor anzuhalten, indem man diese Widerstände wieder einschaltet, welche sich dem ■Durchgang des Stromes widersetzen, der zur Erzeugung eines nennenswerthen Kräftepaares in dem asynchronen Motor nöthig ist, dagegen aber die in Phase mit der Spannung befindlichen Ströme von sehr geringer Stärke passiren lassen, welche zum Erhalten der Drehbewegung des synchronen Motors nöthig sind. Die Geschwindigkeit dieses Motors wächst dann in dem Mafse, wie diejenige des asynchronen Motors abnimmt, so dafs der synchrone Motor wieder bereit wird, das nächste Anlassen zusichern.

IV. Ingangbringen und Erregen des synchronen Motors.

Wenn man einen asynchronen Mehrphasenwechselstrommotor hat, so geht der synchrone Motor von selbst an.

Hat man aber einen asynchronen Einphasenwechselstrommotor, so ist es rathsam, den synchronen Motor in. Gang zu bringen, und in diesem Falle hängt die Drehrichtung des asynchronen Motors von der Richtung ab, in welcher man den synchronen Motor in. Gang gesetzt hat.

Zum Ingangbringen dieses Motors genügt es in den meisten Fällen, ihm einen Anstofs mit der Hand zu geben. Wenn seine Abmessungen: zu grofs sein, sollten, um dies zu ermöglichen, so führt das folgende Verfahren zum Ziel.

Man bringt auf der Armatur des synchronen Motors zwei besondere Stromkreise 5 und C, welche die Erfinderin Anlafsstromkreise nennt, so an, wie dies die Fig. 4 veranschaulicht. An einem ihrer Enden werden diese beiden Stromkreise vereinigt und mit dem Rückleiter jrjr des Netzes verbunden.

In Reihe mit dem Stromkreis S schaltet man eine Selbstinductionsspule oder einen Condensator L und in Reihe mit dem Stromkreis C einen Widerstand R.

Ein Umschalter, wie z. B. der bei C C dargestellte, ermöglicht, nach Bedarf den'Widerstand R durch die Spule oder den Condensator L zu ersetzen, und umgekehrt, um die Drehbewegung des synchronen Motors in dem einen oder dem anderen: Sinne zu Wege zu bringen.

Endlich werden die freien Enden des Stromkreises des Apparates L und des Widerstandes R mit einander verbunden und bis zu einem Klotz des Umschalters D geführt. Dieser, welcher mit der Hinleitung, χ χ des Netzes in Verbindung steht, erlaubt, entweder die Anlafsstromkreise des synchronen Motors oder den Feldmagneten / des asynchronen Motors über das Netz zu schliefsen.

Man kann übrigens zu demselben Zweck jedes andere System anwenden, das das Anlassen eines asynchronen Einphasenwechselstrommotors zu sichern ermöglicht.

Was die Erregung des synchronen Motors anbetrifft, wenn man nicht über eine Gleichstromquelle verfügt, so empfiehlt es sich, an Ort und Stelle den erforderlichen Gleichstrom dadurch zu erzeugen, dafs man einen der Wechselströme, die zum Speisen der Ringwickelung des synchronen Motors dienen,

gleichrichtet. Es ist hier zu bemerken, dafs die Potentialdifferenz an den Klemmen jedes dieser Armaturstromkreise mit der Drehgeschwindigkeit des Motors allmälig abnimmt, die Stärke der diese Stromkreise durchlaufenden Ströme dagegen constant bleibt. Aus diesem Grunde mufs der Gleichrichter, den man auf der Achse des synchronen Motors anbringen wird, mit einem der Stromkreise der Ringwickelung dieses Motors in Reihe geschaltet werden und nicht im Nebenschlufs zwischen die Enden dieses Stromkreises.

Claims (1)

1. Pa te nt-Anspruch:

   Einrichtung zum Betriebe eines asynchronen Wechselstrommotors, dadurch gekennzeichnet, dafs die zwei oder mehr als zwei Ankerwickelungen des asynchronen, aus dem Netz gespeisten Motors je für sich mit den in gleicher Anzahl vorhandenen Ankerwickelungen eines zweiten durch Gleichstrom erregten und mit einem magnetischen Schirm' ausgerüsteten synchronen Motors zu einzelnen mit veränderlichen Widerständen ausgerüsteten Stromkreisen verbunden sind.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.