DE201563C

DE201563C -

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Publication number: DE201563C
Application number: DE1907201563D
Authority: DE
Filing date: 1907-10-28
Anticipated expiration: 1927-10-29

Description

KAISERLICHES j_k

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 201563 KLASSE 21c. GRUPPE

Dr. MARTIN KALLMANN in BERLIN.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 29. Oktober 1907 ab.

Das nachfolgend beschriebene Verfahren zum selbsttätigen Anlassen von Elektromotoren bezweckt eine Ausnutzung der Widerstände mit hohem Temperaturkoeffizienteh (der sogenannten Variationswiderstände), die sich ihrem Charakter möglichst vollkommen anpaßt, auch, wenn sie verhältnismäßig träge sind, und ermöglicht gleichzeitig gegebenenfalls auch ohne künstliehe Dämpfung oder Abstufung ein allmähliches und dem Wesen der Widerstände entsprechendes Angehen des Elektromotors.

In früheren Patentschriften, insbesondere in der Patentschrift 167804, Kl. 21c, 186056, Kl. 21 c, und anderen ist bereits allgemein das Prinzip solcher Variationswiderstände für Anlaßzwecke beschrieben. Die Variationswiderstände aus sehr dünnem Eisendraht von verschwindend geringer Wärmeträgheit erhitzen sich bei Vorschaltung vor den Anker so schnell bis zur Rotglut, daß unmittelbar nach der Einschaltung und nach dem Ingangsetzen des Motors infolge der Abkühlung und Widerstandsverringerung das geregelte Anlassen sich vollzieht und der Motor in kurzer Zeit (z. B. nach 3 Sekunden) annähernd seine volle Tourenzahl erreicht. Der Widerstand wird alsdann abgeschaltet, was erforderlichenfalls in mehreren Stufen geschehen kann, und zur Verringerung des Stromstoßes werden in der Regel gewöhnliche Widerständemit den Variatiönswiderständen zusamrnengeschaltet.

Bei trägeren Variationswiderständen, z. B. bei solchen aus Eisenband für fünf oder mehr Ampere, ist man jedoch bereits gezwungen, den Widerstand, der sich nicht mehr momentan erhitzt, im ersten Moment gleichsam zu forcieren, also ihm eine erheblich höhere (etwa die doppelte) Spannung als diejenige, die er normal vertragen könnte, zuzuführen, so daß er plötzlich in Glut gerät, aber infolge des nun schnell erfolgenden Anlaufs des Motors doch nicht zerstört werden kann, weil nun sofort seine Beanspruchung wieder abnimmt, bis er sich schließlich wieder abgekühlt hat und nach erfolgtem Anlauf abgeschaltet wird.

Wie ersichtlich, sind bei diesem letzteren Verfahren Stromstöße nur durch Hinzufügung erheblicher Widerstände von geringem Temperaturkoeffizienten genügend zu verkleinern, und das Anlaufen des Motors geschieht ziemlich plötzlich und mit einem unvermeidbaren Ruck, da sich ^die Vorgänge anfangs schnell abspielen.

Das in den Fig. 1 bis 7 dargestellte Verfahren gestattet nun unter Beibehaltung der erwähnten Widerstände diese störenden Eigenschaften fast vollständig zu beseitigen, indem das Anlassen des Motors mit der Anwärmung der Variationswiderstände in Einklang gebracht wird. Zu diesem Zweck wird zunächst die Gruppe von Variatiönswiderständen dem Anker des Elektromotors parallel und alsdann zu ihm in Reihe geschaltet, bis schließlich die Ab-

schaltung der Widerstände erfolgt. Gleichzeitig ist entsprechend der Abschwächung des ersten Stromstoßes genügend Widerstand von geringem Ternperaturkoeffizienten yorgeschaltet.

Die in den Fig. ι bis 7 dargestellten Schaltungen unterscheiden sich untereinander hauptsächlich nur bezüglich der gleichzeitigen Zuschaltung sonstiger konstanter Zusatzwiderstände von niedrigem Temperäturkpeffizienten. Die Fig. i- bis 6 stellen der Einfachheit halber das Verfahren für gewöhnliche Handschaltung dar. In der Praxis kommen natürlich fast ausschließlich selbsttätige Schalter oder Relais zur Fernbeeinflussung in Betracht; es genügt als Beispiel hierfür die Fig. 7, aus der unschwer die verschiedenen Ausführungsformen mit den bekannten selbsttätigen Vorrichtungen sich ableiten lassen.

Fig. ι zeigt an dem Beispiel eines Nebenschlußmotors, daß die Variationswiderstände 3 und 4 in der Anfangsstellung der um 6 drehbaren Kurbel 5 auf Kontakt 9 zum Anker 1 parallel geschaltet sind, während der gewöhnliehe schwer veränderliche Widerstand 2 vorgeschaltet ist. Handelt es sich z. B. um einen vierpferdigen Motor für 220 Volt, der somit etwa 15 Ampere bei voller Belastung verbraucht, so wäre ein Anfangsstromstoß von etwa 45 Ampere zulässig. Geht man bis zu Strömen von dieser Größenordnung, so berechnet sich dieser Fall wie.folgt: Der Anker des. Elektromotors hat einen Eigenwiderstand von rund 1 Ohm. Die Variationswiderstände werden für diese Spannung in der Regel aus Einzelelementen zusammengesetzt, deren jedes für etwa 5 Ampere und 140 Volt maximaler Aufnahmefähigkeit bemessen ist. Es sind demnach entsprechend dem Belastungsstrom von 15 Ampere, den der Motor verbraucht, drei derartige Elemente in Parallelschaltung erforderlich. Diese Variatoren werden praktisch nicht bis zu ihrer Höchstspannungsgrenze, dem hellrotglühenden Zustand entsprechend, beansprucht, sondern nur bis etwa ³/₄ ihrer Kapazität, d. h, normal bis 100 oder höchstens no Volt, da sie alsdann schon ohnehin den größten Teil ihrer Selbstveränderlichkeit erlangt haben, eine weitere Beanspruchung also nicht mehr viel gewinnen läßt. Im vorliegenden Falle mögen die Variatoren bis etwa 100 Volt belastet werden. Der Widerstand der Variationswiderstände ist in kaltem Zustande für ein Element von S Ampere und maximal 140 Volt rund 3 Ohm, daher der Widerstand der drei parallel geschalteten Variatoren etwa 1 Ohm. Dieser Widerstand befindet sich in der Anfangsanlaßstellung in Parallelschaltung zum Motoranker, und es ergibt sich somit für diese Parallelverzweigung nach obigem ein Gesamtwiderstand von anfänglich etwa '/₂ Ohm. Um den Vorschaltwiderstand 2 zu berechnen, ist zu berücksichtigen, daß von diesem bei der Einschaltung der Kontakte 9, 5 220—100 = 120 Volt aufgenommen werden sollen, da ja die Variatoren nur bis zu IOO Volt in ihrer Spannungsaufnahme gesteigert werden sollen und auch die elektromotorische Gegenkraft des parallel zu ihnen anlaufenden Motors in diesem Augenblick 100 Volt beträgt. Demgemäß erhält man, da der unter normaler Last anlaufende Motor etwa 15 Ampere gebraucht und die Variationswiderstände bei IOO Volt 4,8 Ampere pro Element, also in diesem Falle für drei Elemente 14,4 Ampere benötigen, einen Gesamtstrom von etwa 29,4 Ampere, dem ein Vorschaltwiderstand von ■ .

120

29,4

= 4,08 Ohm

entspricht.

Es ergibt sich theoretisch aus diesen Ziffern ein Anfangsstromstoß von

220

4.08

220

4,58

= 4§ Ampere.

Hiervon fließen im ersten Moment durch den noch ruhenden Anker 24 Ampere und ebensoviel durch die noch kalten Variatoren, da beide gleich groß sind, nämlich 1,0 Ohm. In Wirklichkeit würde dieser Stromstoß von theoretisch 48 Ampere selbst an den empfindlichsten Meßgeräten nicht mehr sichtbar sein, höchstens etwa 42 Ampere für einen kurzen Moment erkennbar werden, da schon in einem Bruchteil einer Sekunde die Variatoren sich etwas erwärmen und ihren Widerstand erhöhen und in der Regel auch überdies der Anker sich in Bewegung setzt, also eine Gegenkraft erzeugt. -

Nunmehr steigt innerhalb einiger Sekunden , die Motorgeschwindigkeit bis zu nahezu halber Tourenzahl an, während die Variatoren sich bis zur dunklen Rotglut erhitzen, und der Gesamtstrom sinkt während dieser ersten Anlaufperiode wie berechnet auf 29,4 Ampere. In diesem Augenblick seien IOO Volt Ankerspannung erreicht, und es erfolgt die Umschaltung z. B. in Fig. 1 derart, daß die Kurbel 5 schnell von Kontakt 9 auf Kontakt 7 umgestellt wird. Da der Kontakt 9 verlassen werden muß, bevor 7 berührt wird, so findet eine ganz kurze momentane Ausschaltung der Variatoren statt, die aber nur so gerinfügig ist (zumal bei Springschaltern), daß die rotglühenden Eisenwiderstände sich noch nicht abkühlen können. Da überdies

die Variatoren nunmehr auf Stellung 7 zu dem konstanten Vorschaltwiderstand 2 parallel geschaltet sind, welcher, wie dargelegt, in diesem Moment 120 Volt Spannung absortiert, so kann mit genügender Genauigkeit angenommen werden, daß der Glühgrad der nun ja sogar etwas stärker, nämlich mit 120 Volt, beanspruchten Variatoren selbst unter Berücksichtigung der während dieses kurzen Umschaltmoments ein wenig gesteigerten Motorgeschwindigkeit praktisch sich nicht geändert haben wird, so daß ihr Widerstand noch demjenigen im Moment vor der Umschaltung entspricht.

Nach der Charakteristik der Variatoren, die für jede Type bekannt ist, ergeben sich bei ιOo Volt und, wie vorher erwähnt, bei einem Strom von etwa 4,8 Ampere pro Element

IDO

= etwa 21 Ohm,

also für drei parallel geschaltete Elemente 7 Ohm Widerstand in glühendem Zustand.

Es werden somit diese 7 Ohm Variationswiderstand zu dem Vorschaltwiderstand 2, der 4,08 Ohm beträgt, parallel geschaltet, und es ergibt sich als Gesamtwiderstand dieser Verzweigung, die sich bei dieser Stellung des Kontaktes 5 vor dem Motoranker befindet, der Wert von etwa 2,6 Ohm, gebildet aus konstanten und Variationswiderständen. Dies bedingt, da ja in diesem Moment der Umschaltung der Kurbel 5 auf Kontakt 7 von den vorgeschalteten Widerständen 120 Volt absorbiert werden, einen zweiten momentanen Stromstoß von theoretisch

120

2,6

== 46,1 Ampere.

Dieser Stromstoß ist in Wirklichkeit ebenfalls nicht in dieser Höhe bemerkbar, weil der im Lauf befindliche Motoranker inzwischen etwas an Geschwindigkeit zugenommen zu haben pflegt und ohnehin die Beschleunigung schon nach weniger als einer Sekunde eine Verringerung des Stromes bewirkt.

Nunmehr kühlt sich mit dem Sinken der an der Vorschaltwiderstandsverzweigung herrsehenden Teilspannung die Variatorengruppe schnell ab, und zwar in demselben Maße, wie die Motorgeschwindigkeit zunimmt, und der Widerstand sinkt. Wird beispielsweise angenommen, daß nach Erreichung von etwa 200 Volt elektromotorischer Gegenkraft die vollständige Abschaltung der noch vorgeschalteten Widerstände erfolgen soll, so würde dem eine Restspannung von 220 — 200 = 20 Volt an den Variatoren und dem ihnen parallel geschalteten konstanten Widerstände 2 entsprechen. Bei dieser Spannung von 20 Volt besitzen die Variationswiderstände nach ihrer Charakteristik nur noch einen Eigenwiderstand von etwa 5 Ohm pro Element, also die drei in Parallelschaltung

— = 1,67 Ohm.
3

Der Gesamtwiderstand der Vorschaltung beträgt somit in diesem Augenblick

1,67

= etwa i,2 Ohm.

1,67 + 4,o8

Der dann herrschende Strom im Motoranker beträgt somit

20

1,2

= 16,7 Ampere;

hiervon gehen durch den konstanten Widerstand etwa 5 Ampere und der Rest durch die drei parallel geschalteten Variatoren.

Nunmehr ist der eigentliche selbsttätige Anlaßvorgang, der sich hiernach aus zwei Perioden zusammensetzt, beendet, und die Kurbel 5 wird auf Kontakt 8 fortbewegt und überbrückt gleichzeitig Kontakt 7 und 8, wodurch die sämtlichen Vorschaltwiderstände kurzgeschlossen sind. Hierbei tritt wiederum ein letzter Stromstoß auf, der mit der Wirkungsweise der Variatoren aber nichts mehr zu tun hat und sich in bekannter Art ebenso berechnen· läßt, wie dies bei Abschaltung gewöhnlicher Anlaßwiderstände in Stufen geschieht.

Man ist, wie ersichtlich, in der Lage, je nachdem mehr oder weniger große Stromstöße zulässig sind, die Bemessung des konstanten Vorschaltwiderstandes 2 hiernach einzurichten und ferner die Zahl der Variatoren sowie ihre Beanspruchung im Moment der Umschaltung zu wählen, z.B. statt 100 Volt in obigem Falle nur 90 Volt oder 110 Volt und so fort.

Man kann ferner nach Fig. 2 den Stromstoß im Moment der Umschaltung dadurch verringern, daß man lediglich die Variatoren 3 und 4 bei Bewegung der Kurbel 5 von Kontakt 9 nach Unterbrechung auf Kontakt 7 dem Anker vorschaltet, indem man eine zweite Kurbel 11, die um 10 drehbar ist und durch eine Feder oder ähnliche Vorrichtung anfangs auf Kontakt 7 gehalten ist, wegstößt, wie die punktierte Stellung zeigt, so daß der vorher dem Anker und seinen parallelen Variatoren vorgeschaltete Widerstand 2 ausgeschaltet wird. Alsdann ist in obigem Beispiel nach der Umschaltung nicht ein durch die Parallelschaltung von 2 mit 3 und 4 auf 2,6 Ohm reduzierter Widerstand, sondern ein Widerstand der glühenden Variatoren von etwa 7,0 Ohm in

alleiniger Vorschaltung vor dem Anker, und alsdann kann der Strom nur noch auf

120

= 17,1 Ampere

⁷

momentan" ansteigen, und schließlich kann nunmehr der Variationswiderstand auf Kontakt 8 ganz abgeschaltet werden, oder es geschieht dies zur Verringerung des letzten Stromstoßes, der dann größer als in Fig. 1 sein würde, da der ganze Strom die Variatoren allein durchfließt, in stufenweiser Abschaltung der Variatorenreihe. '

Statt dieser immerhin etwas komplizierten Schaltung kann man auch nach Fig. 3 noch einen konstanten Widerstand 12, der in obigem Beispiel nur etwa 2 Ohm zu betragen brauchte, den Variatoren 3 und 4 vorschalten. Im übrigen wird vollständig wie in Fig. 1 verfahren. Man kann dadurch die erste Phase statt bis 100 Volt etwa bis 120 oder 130 Volt steigern; wovon die Variatoren wieder wie vorher iooVolt aufnehmen, und erreicht im Moment der Umschaltung einen etwas höheren

.25 Widerstand in der Vorschaltung.

Ähnlich wirkt die Anordnung Fig. 4, wobei der Widerstand 13 den Variatoren 3 und 4 jedoch nur während der Parallelschaltung zum Anker vorgeschaltet ist und die Spannung des Motors in der ersten Phase wieder auf 120 bis 130 Volt zu steigern gestattet, während andererseits die schließliche Abschaltung der ganzen Vorschaltwiderstände hierbei sanfter sich vollzieht als in Fig. 3, da

kein Widerstand vor den abgekühlten Variatoren sich befindet. .

Fig. 5 zeigt die Vorschaltung eines Zusatzwiderstandes 14 in der Verbindungsleitung des Endes von Widerstand 2 zum Kontakt 7; dadurch wird die erste Phase mit 100 Volt beibehalten und eine Verringerung des im Moment der Umschaltung eintretenden Stromstoßes, allerdings zum Teil auf Kosten der bei der schließlichen Abschaltung auftretenden Stromsteigerung ermöglicht, was jedoch in manchen Fällen von geringerem Belang ist.

Fig. 6 zeigt schließlich die Abschaltung in

zwei Stufen, wobei bei Stellung der Kurbel 5 auf Kontakt 7 ein Teil des Widerstandes'2 dem Motoranker 1 allein, der andere Teil in Parallelschaltung zu den Variatoren vorgeschaltet ist. Die Kurbel 5 kann nun ohne Stromunterbrechung den Kontakt 8 berühren, wodurch die Variatoren und der zu ihnen parallel geschaltete Teil von 2 abgeschaltet werden, und. schließlich kann wiederum ohne Verlassen des Kontaktes 7 auch der Kontakt 15 von der Kurbel 5 berührt werden, wodurch auch der Rest abgeschaltet wird.

Fig. 7 zeigt endlich die Übertragung des in Fig. ι dargestellten Verfahrens auf einen selbsttätigen Fernanlasser. Durch einen Handschalter wird zunächst das an die Netzspannung gelegte Relais 18 erregt und schaltet durch seinen Kontaktanker 20 an den Kontakten 29 und 30 "den Hauptstrom ein, der in der durch- die Spiralfeder 22 veranlaßten Anfangsstellung des Schalters, bei der die Kontakte 23, 24 geschlossen sind, den konstanten Vorschaltwiderstand 2 und sodann den aus dem Motoranker 1 und den Variationswiderständen" 3 und 4 gebildeten Parallelkreis durchfließt. Denn die Spule 16, welche der Spiralfeder 22 entgegenwirkt, übt auf den Eisenkern 19 anfangs noch keine Kraft aus, da sie in Hintereinanderschaltung mit einem weiteren Relais 17 an die Klemmen des Motors ι angeschlossen ist. Nach Ingangsetzen . des Motors, das sich wie in Fig. 1 geschildert vollzieht, steigt die Spannung am Motoranker, die auch derjenigen ah den , Variatoren entspricht, allmählich z. B. bis 100 Volt, und in diesem Moment zieht die Spule 16 den Eisenkern 19 nach rechts, unterbricht hierbei die Kontakte 23,24, während 25,26 geschlossen werden,- so daß nunmehr die Variatoren 3,4 zum Vorschaltwiderstände 2 parallel geschaltet sind und sich mit diesem zusammen in Vorschaltung vor dem Anker 1 befinden.

Wenn die Ankerspannung schließlich nach Wiederabkühlung der Variatoren auf etwa 200 \~olt gestiegen ist (wie in obigem Beispiel),, so schließt das Relais 17 mittels seines Kontaktankers 21 die Stromschlußstücke 27,28 und damit die gesamten Vorschaltwiderstände kurz.

Man kann auch die Arbeit des Schlußrelais 17 durch Weiterbewegung des Eisenkernes 19 am Relais 16 bei steigender Spannung gleich mitbewirken lassen und so ein besonderes Relais für diesen Zweck ersparen. Auch kann statt der Abhängigkeit von der Motorspannung das Schlußrelais 17 von der Netzspannung unter Zuhilfenahme einer Zeitdämpfung betätigt werden; auch das Hauptrelais 16 läßt sich in ähnlicher Weise beeinflussen. Ebenso können ohne Schwierigkeiten die sämtlichen in den Fig. 2 bis 6 dargestellten Abarten des Verfahrens selbsttätig ähnlich wie in Fig. 7 ausgeführt werden, und statt des einfachen Änlaßrelais 18 sind ohne weiteres Umkehrrelais anwendbar, um Vor- und Rückwärtsgang des Motors zu erzielen.

Es ist noch darauf hinzuweisen, daß bei Ausschaltung, also Unterbrechung der Zuführung vom Netze für die Bewegung der Kurbel 5 in Fig. 1 z. B. von Kontakt 8 und 7 auf 9 erforderlichenfalls erst abgewartet werden muß, bis der vom Netz durch besonderen,

in Fig. ι bis 6 nicht gezeichneten Schalter abgetrennte, aber noch auslaufende Motor ganz oder nahezu zum Stillstand gelangt ist, da die Variatoren 3 und 4 andernfalls an eine noch erhebliche Ankerspannung gelegt werden und einen unter Umständen übermäßig starken Kurzschlußstrom des auslaufenden Motors ergeben wurden; dieser würde stark bremsend wirken, aber auch leicht den Anker und die Variatoren gefährden können.

In Fig. 7 ist diese Wirkung durch die

Schaltung bereits berücksichtigt; denn das an den Anker angeschlossene Relais 16 ebenso wie 17 lassen ihre Eisenkerne 19 bzw. 21 erst los, wenn die Spannung am Anker des auslaufenden Motors auf einen ganz geringen Betrag gesunken ist. Dies geschieht bei ausgeführten Konstruktionen, z.B. bei 220 Volt-Motoren, für das Schlußrela.is 17 bei etwa 50 Volt und für das Hauptrelais 16 bei nur etwa 10 Volt, wobei die Bremswirkung der Variatoren 3 und 4, wenn der Eisenkern 19 unter der Wirkung der Spiralfeder 22 den Kontakt 23, 24 wieder herstellt, schon ohne jede Störung sich vollzieht.

Man kann je nach Wahl der Variatoren und der konstanten Zusatzwiderstände, wie an den Figuren erläutert, den Verlauf des Anlassens in erheblichen Grenzen variieren und die Stromstöße nach Erfordern bemessen sowie-der Eigenart des motorischen Betriebes, dem Schwungmoment des Motors usw. Rechnung tragen, auch durch die Wahl der Variatoren bzw. ihrer Wärmeträgheit den Anforderungen der Praxis sich anpassen.

Bei allen verschiedenartigen Kombinationen tritt stets die charakteristische Erscheinung zutage, daß gleichsam der erste Teil der Anlaufperiode als eine Art Anwärmeperiode der Variatoren benutzt und der zweite Teil der Anlaufperiode mit der Abkühlungsperiode der Variatoren in Einklang gebracht wird, so daß eine möglichst vollkommene Ausnutzung der Variatoreigenschaften in Anpassung an die Anlauferscheinungen des Motors und gleichzeitig eine hohe Ausnutzung der Variatoren und der konstanten Widerstände mit diesem Umschaltverfahren, das in beliebig viel Stufen zerlegt werden kann, sich erzielen läßt.

Claims

Pate nt-An Sprüche:

1. Verfahren zum Anlassen von Elektromotoren mittels selbsttätig sich ändernder Widerstände von hohem positiven Temperaturkoeffizienten, dadurch gekennzeichnet, daß diese Widerstände unter gleichzeitiger Benutzung mit der Temperatur wenig veränderlicher Widerstände zunächst zu dem Motor parallel und darauf in Reihe mit ihm geschaltet werden. .

2. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der von Hand oder selbsttätig erfolgenden Umschaltung der Variatoren und der anderen Widerstände von Parallel- in Reihenschaltung zum Motor die vollständige Abschaltung der gesamten Widerstandsanordnungen in einer oder mehreren Stufen von Hand oder selbsttätig bewirkt wird.

3. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausschaltung des Motors die selbsttätige Umschaltung der Variatoren von Reihen- in Parallelschaltung zu dem vom Netz abgetrennten, auslaufenden Motor erst nahe beim Stillstand desselben erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.