DE681013C - Anordnung zum Betrieb von staendergespeisten Nebenschlusskollektrormotoren mit in den Kollektrostromkreis eingeschalteter Kapazitaet - Google Patents

Description

Das Drehzahlverhalten von ständergespeisten Nebenschlußkollektortnotoren bei wechselnder Last ist abhängig von den Ohmschen und induktiven Widerständen im Kollektor-Stromkreis und im Primärstromkreis, wobei in letzterem hauptsächlich die Induktivität der Primärwicklung von Einfluß ist. Außer dem Drehzahlverhalten, das für die Anwendung derartiger Maschinen von besonderer Bedeutung ist, sind die induktiven Widerstände in den verschiedenen Stromkreisen von großem Einfluß auf den Leistungsfaktor, den Wirkungsgrad und insbesondere die Größe des Kollektorstromes und damit der Kollektor- und Bürstenbelastung.

Es ist nun bereits bekannt, zur Verminderung des Einflusses der induktiven Widerstände zusätzliche Ohmsche Widerstände in den Kollektorstromkreis einzuschalten oder die induktiven Widerstände durch eingeschaltete Kapazitäten im Kollektor Stromkreis zu vermindern oder aufzuheben. Es muß hierbei selbstverständlich eine bestimmte Bemessung der Ohmschen Widerstände oder Kapazitäten erfolgen, wenn die gewünschte Wirkung erzielt werden soll. Hierbei tritt die Schwierigkeit auf, daß die Gesamtinduktivität in den Stromkreisen der Maschine sich mit der Drehzahl bzw. der Abweichung von Synchronismus ändert, so daß eigentlich bei jeder Dreh-

zahl zweckmäßig eine andere Größe des Ohmschen Widerstandes oder der Kapazität erforderlich ist. Die fortlaufende Änderung dieser Werte stößt natürlich auf verhältnismäßig große Schwierigkeiten. Eine stufenweise Änderung führt zu sprungweisen Änderungen 'der Drehzahl, die in der Regel unerwünscht sind.

Durch die Erfindung wird eine Anordnung ίο geschaffen, die es ermöglicht, der richtigen Bemessung der wirksamen Widerstände oder Kapazitäten bei allen Drehzahlen Rechnung zu tragen, ohne daß hierfür besondere Schaltoder Regeleinrichtungen für die Veränderung der tatsächlichen Widerstands- bzw. Kapazitätswerte erforderlich sind.

Die grundsätzliche Anordnung sei an Hand der Abb. 1 an dem Beispiel eines ständergespeisten Nebenschlußmotors erläutert, dessen Drehzahl mittels .eines Doppeldrehreglers geregelt wird. Es bedeutet M den Nebenschlußmotor, St die Ständerwicklung, K den Anker mit Kollektor und Bürsten. D ist der Doppeldrehregler, dessen in Reihe geschaltete Sekundärwicklung Se₁ und Se₂ dem Kollektor die Regelspannung zuführen, während die Primärwicklungen P₁ und P₂ in Parallelschaltung vom Netz gespeist werden. Ko bedeutet einen allenfalls vorhandenen Kompensationstransformator, der auch durch eine Hilfswicklung im Ständer des Motors oder im Primärteil des Drehreglers ersetzt werden kann. Die zur Kompensation der induktiven Spannungsabfälle dienende Kapazität wird nach bisher bekannten Anordnungen in den Kollektorstromkreis eingeschaltet.

Nach der Erfindung wird jedoch diese Kapazität aufgeteilt in zwei grundsätzlich getrennte Gruppen, die mit C₁, C₂ und C_g bezeichnet sind. Die Kondensatoren C₁ und C₂, deren Kapazität grundsätzlich auch an der Stelle von C₁ oder C₂ vereinigt sein kann (das Beispiel in Abb. 1 zeigt eine geteilte Kapazität aus Symmetriegründen, um genau gleiche Ströme in beiden Drehreglerteilen zu erhalten), liegen in den Einzelzuleitungen der beiden Primärwicklungen des Doppeldrehreglers. Die Kapazität Cg ist den parallel geschalteten, aus je einer Primärwicklung und einer Kapazität gebildeten Gruppen vorgeschaltet.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung beruht darauf/daß die beiden Gruppen von Kapazitäten je nach der Drehreglerstellung in verschiedenartiger Weise zur Wirkung kommen. Diese Wirkung aber deckt sich mit den Erfordernissen der Gesamtanordnung in bezug auf die zu kompensierenden Induktivitäten.

Die induktiven Widerstände des Nebenschlußmotors sind zum Teil von der Drehzahl unabhängig, zum Teil aber drehzahlabhängig. Zu den ersteren, also den drehzahlunabhängigen induktiven Widerständen, gehören die induktiven Widerstände des Drehreglers und des allenfalls vorhandenen Kompensationstransformators bzw. der Kompensationswicklung und die induktiven Widerstände irgendwelcher sonstiger, im Kollektorstromkreis eingeschalteten Transformatoren, die beispielsweise zur Veränderung der mittleren Drehzahl oder als Stromtransformator o. dgl. dienen. Mit der Drehzahl veränderlich ist der induktive Widerstand des Ankers, der bei Synchronismus gleich Null wird und proportional der Abweichung vom Synchronismus nach beiden Seiten hin anwächst.

Eine Sonderstellung nimmt der induktive Widerstand der S tänder wicklung des Motors ein, auf den weiter unten noch zurückgekommen wird. Er verhält sich in seiner Wirkung auf den Kollektorstromkreis im wesentlichen so wie der induktive Widerstand des Läufers, nämlich drehzahlabhängig, ist also zunächst der Gruppe der drehzahlabhängigen induktiven Widerstände zuzuordnen. Aus dieser Gruppierung ergibt sich, daß die gestellte Aufgabe im wesentlichen darauf hinausläuft, die induktiven Widerstände teilweise oder ganz zu kompensieren bzw. in bestimmtem Ausmaß überzukompensieren. Mit der bisher bekannten Einschaltung eines Kondensators ist dies nur dann zu lösen, wenn eine ständige Veränderung 'der Kapazität vorgenommen wird; die dem Gesetz der Veränderung der Summe der induktiven Widerstände entspricht. Mit anderen Worten, es müßte bei tiefen Drehzahlen eine große Kapazität eingeschaltet werden, die bis zum Synchronismus abnimmt und dann· wieder zunimmt.

Durch die beschriebene erfindungsgemäße Schaltung wird dieser Vorgang erreicht, ohne daß eine Veränderung der Werte der Kapazität an sich oder irgendwelche Schaltvorgänge hierfür erforderlich sind.

Die nach Abb. 1 in · die Zuleitungen der einzelnen Primärwicklungen P₁ und P₂ des Doppeldrehreglers geschalteten Kondensatoren C₁ und C₂ wirken unabhängig von der Stellung des Doppeldrehreglers mit ihrem konstanten Wert im ganzen Regelbereich. Da die Amperewindungszahlen der Sekundärwicklungen denen der zugehörigen Primärwicklungen genau entsprechen, weil in beiden Einzeldrehreglern Amperewindungsgleichheit bestehen muß, ist der Primärstrom in den Wicklungen P₁ und P₂ immer proportional dem Sekundärstrom in den Wicklungen Se₁ und Se₂. Die eingeschalteten Kondensatoren wirken daher unter Berücksichtigung des Windungs-Übersetzungsverhältnisses der Drehregler so, als ob sie im Kollektorstromkreis selbst ein-

geschaltet wären. Sie sind also in der Lage, den konstanten Teil der Induktivität im gewünschten Ausmaß zu kompensieren. Die in der Zuleitung zu den beiden parallel geschalteten Gruppen eingeschaltete Kapazität C_g wird hingegen von einem veränderlichen Strom durchflossen, der von der Stellung des Doppeldrehreglers abhängt.
Zur Erläuterung dieser verschiedenartigen

ίο Wirkungsweise der beiden Gruppen von Kapazitäten sind in Abb. 3 die Vektordiagramme aufgezeichnet, aus denen in verschiedenen Drehreglerstellungen sich die Ströme in den einzelnen Leitungen ergeben. J_k stellt in jedem Fall den jeweils fließenden Kollektorstrom dar, der durch die Sekundärwicklungen beider Drehreglerteile des Doppeldrehreglers . fließt. Ist, wie in Abb. 3a, der Drehregler so eingestellt, daß die beiden Spannungen sich algebraisch addieren, d. h. der Winkel zwischen den hintereinandergeschalteten Spannungsvektoren <x = 0 ist, dann werden die den Sekundärstrom T_k kompensierenden Primärströme J₁'_d und J"_d dieselbe Phasenlage besitzen und dem Kollektorstrom Jj₁ gegenüber um i8o° verdreht sein. Die vektorielle Summe J_lg ist demnach gleich der algebraischen Summe der beiden Ströme. Mit anderen Worten, in dieser Drehreglerstellung wird der aus dem Netz dem Drehregler zufließende Strom J_lg gleich der algebraischen Summe der einzelnen Primärströme J₁'_d, J₁"_d des Drehreglers sein. Es handelt sich um jene Stellung des Drehreglers, bei der die größte Auf- bzw. Abwärtsregelung gegenüber der synchronen Drehzahl erreicht ist." Der Strom J_ig stellt jenen Differenzstrom dar, der zur Erreichung der jeweiligen Wellenleistung sich zu dem die synchrone Leistung bestimmenden Ständerstrom des Motors addiert oder sich von diesem subtrahiert.

In der Stellung des Drehreglers entsprechend Abb. 3b, bei der die Verdrehung des Drehreglers um α elektrische Grade erfolgt ist, sind die Vektoren des primären Stromes in den beiden Drehreglerteilen um den Winkel α im bzw. gegen den Uhrzeigersinn verdreht.

Die in den Drehreglerprimärteilen fließenden Ströme J₁'_d und J₁"_d sind unter der Zugrundelegung gleichen Kollektorstromes J_k, also etwa bei gleichem abgegebenem Drehmoment, an sich genau so groß wie im Falle der Abb. 3a. Die vektorielle Summe J_lg dieser Ströme, die dem Drehregler vom Netz aus zufließt, ist aber kleiner als die algebraische Summe und daher kleiner als im Falle der Abb. 3a. Im Falle einer Verdrehung des Drehreglers um 90 elektrische Grade wird immer bei gleichbleibendem Kollektorstrom Jj₁ die algebraische Summe der beiden Drehreglerströme J₁'_d und J₁"_d gleich Null. Es ist das der Synchronlaufspunkt des Motors, bei dem durch den Drehregler weder Leistung dem Motor zu- noch abgeführt wird. Bei diesem Betriebszustand fließt der die Sekundäramperewindungen des Belastungsstromes im Kollektorstromkreis kompensierende Primärstrom der Drehregler als innerer Strom durch die Primärwicklungen und die beiden Kondensatoren C₁ und C₂- Der Kondensator Cg ist also im Synchronismus, abgesehen von dem in diesem Zusammenhang vernachlässigbaren Spannungsabfall des Summenmagnetisierungsstromes, stromlos und daher unwirksam. Mit zunehmender Abweichung vom Synchronismus steigt der durch den Kondensator C_g fließende Summenstrom J_lg und damit die Wirkung der eingeschalteten Kapazität. Die Kapazität C_g ist also in der Lage, die veränderlichen induktiven Widerstände des Kollektorstromkreises, die von der Drehzahlabweichung vom Synchronismus abhängig sind, zu kompensieren, da sich ihre Wirkung in gleicher Weise ändert, wie dies aus den Diagrammen 3a, 3b und 3c für die Summenströme J_lg hervorgeht.

Der Kondensator C_g ist aber auch in der Lage, die Induktivität der Primärwicklung des Nebenschlußmotorsauszugleichen. Diese Wirkung besteht darin, daß infolge des induktiven Spannungsabfalles des Belastungsstromes das Drehfeld des Motors einen Phasenverschiebungswinkel mit der Netzspannung einschließt, der belastungsabhängig ist. Demzufolge wird die im Sekundärkreis induzierte Ankerspannung sich gegenüber der Netzspannung ebenfalls auf den gleichen Phasenverschiebungen winkel einstellen. Es ergibt sich dadurch eine Verdrehung des geometrischen. Ortes der Vektoren der Kollektorspannung gegenüber demjenigen der Vektoren der vom Drehregler gelieferten, drehzahlregelnden Summensekundärspannung. Diese Verdrehung der relativen Lage der beiden geometrischen Orte führt zu einer induktiven Wirkung des Belastungsstromes im untersynchronen Bereich und einer kapazitiven Wirkung im obersynchronen Bereich. Bei richtiger Bemessung der Kapazität Cg wird nun eine gleichartige vektorielle Verschiebung der Primärspannung des Doppeldrehreglers in Abhängigkeit vom Primärsummenstrom des Drehreglers hervorgerufen, die bei konstanter Kapazität mit zunehmender Abweichung vom Synchronismus zunimmt. Diese Phasenverschiebung der Primär spannung des Doppeldrehreglers hat auch eine entsprechende Phasenverschiebung der Sekundärspannung zur Folge, deren geometrischer Ort dadurch um den gleichen Winkel gedreht wird wie die sekundäre Spannung des Motors, also die Kollektorspannung.

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Die induktive bzw. kapazitive Wirkung des Belastungsstromes des Motors im Ständer der Maschine wird dadurch ebenso aufgehoben wie die induktive Wirkung im Kollektor-Stromkreis. Es muß also ohne weiteres eine beliebige, und zwar gleichbleibende kompensierende Wirkung im ganzen Bereich erreicht werden.

Wenn aus irgendwelchen Gründen die kompensierende Wirkung verändert werden soll, ist durch Kurzschließen des Kondensators C_L mittels des in Abb. ι gestrichelt eingezeichneten Schalters Sch dies ohne weiteres möglich. Insbesondere kann das Kurzschließen des Kondensators ohne weiteres und ohne jeglichen Stoß im Synchronismus erfolgen, da hier ja, wie oben erörtert, kein Belastungsstrom über den Kondensator fließt. Ein derartiger Schaltvorgang ist aber nur dann erforderlich, wenn etwa der Drehzahlabfall im Über synchronismus gegenüber dem kompensierten Zustand vergrößert werden soll, z. B. zur Schwungmassenausnuteung o. dgl.

In bezug auf die Bemessung der Gesamtkapazität ist zu erwähnen, daß die Summe der Kapazitäten der eingeschalteten Kondensatoren, auf gleiche Spannung bezogen, genau so groß ist wie die für die gleiche Wirkung, also für den gleichen Grad der Kompensation, in den Kollektorkreis einzuschaltenden Kapazitäten. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil, daß die Spannung im Primärkreis der Drehregler in der Regel höher ist als im Sekundärkreis, so daß der Kapazitätswert entsprechend niedriger gewählt werden kann bzw. auf den sonst erforderlichen Stromtransformator für den Anschluß des Kondensators verzichtet werden kann. Sofern die Netzspannung, sei es weil sie zu niedrig oder zu hoch ist, der günstigsten Auslegung der Kondensatoren nicht entspricht, kann ein in der Abb. 1 gestrichelt eingezeichneter Zwischentransformator Tr angewendet werden, dessen Übersetzungsverhältnis der günstigsten Auslegung der Primärwicklungen der Drehregler und der Kondensatoren entspricht.

Sofern an Stelle der Kondensatoren 0hmsche Widerstände angewendet werden, bleibt das Prinzip der Schaltung ungeändert. Bei der Bemessung wird im allgemeinen der überwiegende Teil des Widerstandes in die gemeinsame Zuleitung der Drehreglerwicklungen gelegt werden, unter Umständen kann sogar auf Widerstände in den Einzelzuleitungen verzichtet werden. In diesem Fall, also bei Verwendung Ohmscher Widerstände, wird häufig der gemeinsame Widerstand im übersynchronen Bereich überbrückt werden, da die Wirkung der Ohmschen Widerstände insbesondere im untersynchronen Bereich erwünscht ist und nach den obigen Darlegungen mit zunehmender Annäherung an den Synchronismus der an Stelle von C_s in der Abb. 1 geschaltete Widerstand unwirksam gemacht wird. Im Synchronismus kann dann -ohne Drehmoment- oder Drehzahlsprung der Widerstand, da vom Wirkstrom entlastet, kurzgeschlossen werden.

Die Anordnung nach der Erfindung ist nicht beschränkt auf Motoren mit Doppeldrehregler. Sie kann sinngemäß angewendet werden auch auf Motoren, die mit Einfachdrehregler geregelt werden, wofür Abb. 2 eine beispielsweise Ausführung zeigt. Hierin bedeutet, neben den bereits erläuterten Bezeichnungen, D den Einfachdrehregler und GKo jene Wicklung konstanter Spannung, die bei der Regelung mit Einfachdrehregler erforderlich ist, um die im Synchronismus als magnetisierende Spannung wirkende Drehregler- ^So spannung aufzuheben. Diese Wicklung muß bekanntlich vorhanden sein, unabhängig davon, ob mit feststehenden Bürsten bei überwiegender Drehreglerspannung oder mit beweglichen Bürsten mit überwiegender fester Spannung geregelt wird. Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird diese Wicklung zweckmäßig nicht in den Primärteil des Motors oder Drehreglers hineingelegt, sondern als Sekundärwicklung eines besonderen Transformators TY angeordnet, der vom Netz aus gespeist wird. Die beiden Teilkapazitäten C₁ und C₂ dienen dann wieder zur Kompensation der konstanten, die gemeinsame Kapazität C_g zur Kompensation der veränderlichen Induk- ⁹^ tivität. Auch hier fließt im Synchronismus nur ein innerer Strom zwischen der Primärwicklung des Drehreglers D und der Primärwicklung des Transformators T^, während C_g im Synchronismus, von Magnetisierungsströmen abgesehen, stromlos ist.

Die Verhältnisse bei dieser Anordnung gehen für die beiden charakteristischen Drehreglerstellungen α = 0 und α = o,o° aus den Vektordiagrammen nach Abb. 4a und 4b i°S hervor. Es ist wieder /# der gemeinsame Kollektorstrom. Der Primärstrom in der transformatorisch gespeisten und in ihrer elektrischen Lage unveränderlichen Wicklung ist/^, der Primärstrom des Einfach- »« drehreglers J_ld. In der Stellung des Einfachdrehreglers α = 0 ergibt sich die vektorielle Summe J_lg in der in Abb. 4a gezeichneten Lage. Für α = o.o° wird J_lg auf jenen Wert reduziert, der zur Magnetisierung des Motors im Synchronismus notwendig ist. Die Lage α= 0 ist für den praktischen Betrieb als solche eine unzweckmäßige Grenzlage. In der Abb. 4a ist gestrichelt jene Lage von J_ld bei der Drehregler stellung Oj₁ eingezeichnet, lao bei der keine Kompensation stattfindet, d. h. bei der J_lg die um i8o° gegenüber J_k ver-

schobene Lage besitzt: Die Unterschiede in der Wirkungsweise der beiden Kondensatorgruppen ergeben sich demnach in entsprechender Weise wie bei Verwendung von Doppeldrehreglern.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zum Betrieb von ständergespeisten Nebenschlußkollektormotoren mit in den Kollektorstromkreis eingeschalteter Kapazität und mit Regeltransformatoren, die insgesamt mindestens zwei Primärwicklungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der drehzahlunabhängitgen induktiven Widerstände Kapazitäten in jene Primärstromkreise der Regeltransformatoren eingeschaltet sind, welche dem Sekundärstrom proportionale Ströme führen, während zur Kompensation der drehzahlabhängigen induktiven Widerstände Kapazitäten in jenen Primärstromkreis eingeschaltet sind, der von dem drehzahlabhängigen Summenstrom der Regeltransformatoren durchflossen wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der von dem drehzahlabhängigen Summenstrom durchflossenen Kapazität ein Ohmscher Widerstand eingeschaltet ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem drehzahlabhängigen Summenstrom durchflossene Kapazität oder der an gleicher Stelle eingeschaltete Ohmsche Widerstand in Synchronismusnähe kurzgeschlossen wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen