Aggregat aus in Kaskade geschalteten Induktions- und Kommutatormaschine. Es sind Einrichtungen zur Regelung der Drehzahl und der Phasenverschiebung von Induktionsmotoren bekannt, bei wel chen an die Schleifringe des Induktions motors (Hauptmotors) Kommutatormaschinen angeschlossen werden, die eine dem ge wünschten Schlupf entsprechende Spannung (Gegenspannung) erzeugen. Wenn die Er regerwicklung dieser Kommutatormaschinen in der bisher üblichen Weise mit einem festen oder einstellbaren Teil der Schleif ringspannung des Hauptmotors gespeist wird, so erhält man im allgemeinen eine feste oder einstellbare Drehzahl des Hauptmotors, die mit der Belastung wenig veränderlich ist.
In vielen Fällen soll aber die Drehzahl des Hauptmotors gerade von seiner Belastung ab hängig sein, und zwar wird häufig verlangt, dass der Schlupf des Hauptmotors der Be lastung ungefähr proportional, aber grösser als sein natürlicher Schlupf sei.
Man kann einen solchen zusätzlichen Schlupf am einfachsten dadurch erreichen, dass man in den Rotorstromkreis des Haupt motors Widerstände einschaltet. Man muss aber dann den Nachteil mit in Kauf nehmen, dass die ganze Schlupfleistung des Haupt motors in diesen Widerständen vernichtet wird, und dass eine gleichzeitige Regelung der Phasenverschiebung des Hauptmotors nicht ohne weiteres möglich ist. Es ist auch möglich, den zusätzlichen Schlupf durch Kommutator maschinen zu erzeugen, die in Kaskadenschal tung an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlossen werden, indem man zum Bei spiel eine Kompoundwicklung oder einen Kompoundtransformator verwendet.
In die sem Falle kann die Schlupfleistung des Hauptmotors nutzbar gemacht werden, und es ist auch eine gleichzeitige Regelung der Pha senverschiebung des Hauptmotors möglich; doch bedingt dies eine ziemlich komplizierte Schaltung, wenn die Phasenkompensation auch schon bei Leerlauf verlangt wird.
Nach der Erfindung sollen zur Regelung des Schlupfes und der Phasenverschiebung von Induktionsmotoren ebenfalls Kommuta tormaschinen verwendet werden, die an deren Schleifringe angeschlossen sind. In der hisher üblichen Anordnung wird der Erregerkreis, der von der Schleifringspannung des Haupt motors oder einem festen oder einstellbaren Teil derselben gespeist wird, so ausgeführt, dass wenigstens in einem Teil des Regel bereiches seine Reaktanz gross ist gegenüber seinem ohmschen Widerstand.
Erfindungsge mäss soll statt dessen der ohmsche Widerstand des Stromkreises der Erregerwicklung, durch welche die dem Schlupf entsprechende Gegen spannung im Ankerstromkreis der Kommuta tormaschine erzeugt wird (Haupterregerwick lung), durch Vorschalten von ohmschem Wi derstand so stark vergrössert werden, dass er gross ist gegen die Reaktanz des Stromkreises. Dadurch wird erreicht, dass der Erregerstrom der Kommutatormaschine der Schleifring spannung und damit dem Schlupf des Haupt- lnotors proportional ist.
Das gleiche gilt, so lange Sättigungserscheinungen vernachlässigt werden können, von dem durch diesen Erre gerstrom erzeugten Feld der Kommutator maschine und solange die Drehzahl der Kom mutatormaschine konstant ist, auch von der Spannung, die durch Rotation in diesem Feld im Anker der Kommutatormaschine induziert wird. Die konstante oder annähernd kon stante Drehzahl der Kommutatormaschine kann in bekannter Weise dadurch erreicht werden, dass diese Maschine mit einer an das Netz angeschlossenen synchronen oder asyn chronen Maschine gekuppelt wird. Es kann auch der Hauptmotor selbst zum Antrieb der Kommutatormaschine verwendet werden. Der Einfluss der Sättigung der Kommutator maschine wird später noch zu erörtern sein.
Mit Rücksicht auf den ohmschen Wider stand im Ankerstromkreis der Kommutator maschine wird man den Haupterregerstrom kreis so bemessen, dass die durch ihn im An kerstromkreis der Kommutatormaschine in duzierte Gegenspannung um einen gewissen Bruchteil (ein ntel) kleiner ist als die Span nung an den Schleifringen des Induktions motors, welche den Haupterregerstromkreis speist. Die Differenz von einem ntel der Schleifringspannung muss dann dem ohm schen Spannungsabfall im Ankerstromkreis der Kommutatormaschine entsprechen, und da diese Differenz ebenfalls der Schleifring spannung proportional ist, so muss auch der Strom im Ankerstromkreis der Kommutator maschine der Schleifringspannung und somit auch dem Schlupf des Hauptmotors propor tional sein.
Die angegebene Schaltung er möglicht also tatsächlich die Erzeugung eines der Belastung proportionalen zusätzlichen Schlupfes mittelst einer Kommutatormaschine, welche die Schlupfenergie in nutzbarer Form wieder abgibt und welche gleichzeitig auch eine Phasenkompensation des Hauptmotors gestattet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. l. a ist der Hauptmotor, b die Kommutatormaschine, die an die Schleifringe c des Hauptmotors angeschlossen ist. d ist die Erregerwicklung der Kommutator maschine, welche über die ohmschen Wider stände e ebenfalls an die Schleifringe c an geschlossen ist. f ist eine Synchron- oder Asynchronmaschine, welche an das gleiche Netz g angeschlossen ist wie der Hauptmotor a und welche somit die Geschwindigkeit der Kommutatormaschine b konstant oder annä hernd konstant hält.
In der bisher beschriebenen Form hat die Einrichtung noch folgenden Nachteil. Der natürliche ohmsche Widerstand des Anker stromkreises der Kommutatormaschine ist im allgemeinen klein, d. h. der ohmsche Span nungsabfall in diesem Stromkreis beträgt nur einen kleinen Bruchteil der gesamten, in die sem Stromkreis erzeugten oder verbrauchten Spannung. Die durch die Haupterregerwick lung im Ankerstromkreis induzierte Span nung muss also bis auf einen kleinen Bruch teil mit der den Erregerstromkreis speisen den Schleifringspannung übereinstimmen. Diese Übereinstimmung ist nur schwer mit einer genügenden Genauigkeit zu erreichen.
Sättigungserscheinungen oder Änderungen des Widerstandes der Erregerwicklung etwa durch Erwärmung können auch dann, wenn diese Übereinstimmung für eine bestimmte Belastung und einen bestimmten Zustand der Maschine mit vollkommener Genauigkeit er- reicht ist, bei einer andern Belastung oder einem andern Erwärmungszustand der Ma schine Abweichungen zur Folge haben, wel che die Wirkung der Einrichtung erheblich beeinträchtigen, d. h. einen andern als den beabsichtigten, der Belastung proportionalen Schlupf erzeugen. Es kann nun diese Fehler quelle dadurch verkleinert werden, dass der wirksame Widerstand des Ankerstromkreises der Kommutatormaschine künstlich vergrö ssert wird.
Diese Vergrösserung kann dadurch bewirkt werden, dass in den Ankerstromkreis der Kommutatormnaschine ohmsche Wider stände eingeschaltet werden; sie kann aber auch dadurch bewirkt werden, dass das mag netische Feld der Kommutatormaschine etwa durch eine Kompoundwicklung oder einen Kompoundtransformator oder durch Bürsten verschiebung vom Ankerstrom abhängig ge macht wird, so dass die im Ankerstromkreis der Kommutatormaschine induzierte Spannung einen vom Ankerstrom abhängigen Anteil enthält, welcher wie ein Spannungsabfall in einem ohmschen Widerstand wirkt.
In jedem Fall hat diese Vergrösserung des wirksamen Widerstandes zur Folge, dass eine gegebene Abweichung der durch die Haupterreger wicklung im Ankerstromkreis der Kommu tatormaschine induzierten Gegenspannung von ihrem Sollwert eine kleinere Abweichung des Ankerstromes vom Sollwert zur Folge hat, als ohne diese künstliche Widerstands vergrösserung. Bei gegebener Einstellung der Haupterregerwicklung und gegebener Be lastung bewirkt dieser vergrösserte wirksame Widerstand natürlich eine Vergrösserung des Schlupfes des Hauptmotors.
Da die Schleifringspannung des Haupt motors das n-fache des ohmschen Spannungs abfalles im Ankerstromkreis der Kommuta tormaschine betragen muss, wenn die in die sem Stromkreis induzierte EMK um ein ntel kleiner als die Schleifringspannung des Hauptmotors ist, so wird die Schlupfspan nung des Hauptmotors um das n-fache dieses Spannungsabfalles vergrössert. Der Schlupf des Hauptmotors besteht zum Teil aus dem natürlichen Schlupf, welcher dem ohmschen Spannungsabfall im Rotor des Hauptmotors, also bei gegebener Belastung dem Rotor widerstand des Hauptmotors proportional ist, und aus dem zusätzlichen Schlupf, welcher dem n-fachen des ohmschen Spannungsabfal les im Ankerstromkreis der Kommutator maschine, also bei gegebener Belastung dem n-fachen des Widerstandes dieses Stromkrei ses proportional ist.
Wenn die Grösse der im Ankerstromkreis der Kommutatormaschine induzierten EMK bei gegebener Schleifring spannung geändert wird, wenn also die Zahl n sich ändert, dann ändert sich damit auch der zusätzliche Schlipf des Hauptmotors. Es wird also eine Regelung des zusätzlichen Schlupfes dadurch ermöglicht, dass der in den Haupterregerstromkreis der Kommutator maschine eingeschaltete Widerstand verän derlich gemacht wird. Eine Verkleinerung dieses Widerstandes bedingt bei gegebener Schleifringspannung eine Vergrösserung der im Ankerstromkreis der Kommutator maschine induzierten Gegenspannung oder bei gegebener Belastung, also gegebener Diffe renz zwischen Schleifringspannung und EMK, im Ankerstromkreis der Kommutatormaschine eine Vergrösserung der Schleifringspannung, also des Schlupfes.
Durch diese Möglichkeit, den zusätzlichen Schlupf nach Belieben zu regeln, wird der Vorteil erreicht, dass Über lastungen des Hauptmotors, der Regulierein richtung und vor allem des Netzes verhindert werden können. Steigt nämlich die Belastung des Hauptmotors über einen Grenzwert hin aus, so kann man durch das angegebene Mittel den zusätzlichen Schlupf vergrössern und dadurch die bei solchen Einrichtungen im allgemeinen vorhandenen Schwungmassen in verstärktem Masse zur Leistungsabgabe mit heranziehen.
Zum Anlassen des Hauptmotors benötigt man auch bei Einrichtungen nach der Erfin dung ohmsche Widerstände, welche an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlossen werden. Nun können diese Widerstände auch beim Betrieb parallel. zum Ankerstromkreis der Kommutatormaschine an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlossen bleiben. Man erreicht dadurch den Vorteil, dass die Kom mutatormaschine bedeutend kleiner werden kann. Durch entsprechende Bemessung der Widerstände im Ankerstromkreis und im Haupterregerstromkreis der Kommutator maschine hat man es in der Hand, die Schlupfleistung des Hauptmotors in einem beliebigen Verhältnis auf den Ankerstrom kreis der Kommutatormaschine und die zu diesem Stromkreis parallel geschalteten Wi derstände zu verteilen.
Man wird diese An ordnung dann verwenden, wenn die Vernich tung der Schlupfenergie oder eines Teils der zulässig ist. Eine Regelung des zu sätzlichen Schlupfes ist in diesem Fall auch dadurch möglich, dass man die zum Anker stromkreis der Kommutatormaschine parallel geschalteten ohmschen Widerstände veränder lich macht.
Bei den in der Einleitung erwähnten be kannten Einrichtungen ist die Reaktanz das Erregerstromkreises der Kommutatormaschine nicht klein gegen den ohmschen Widerstand dieses Stromkreises, ja unter Umständen überwiegt sie sogar diesen ohmschen Wider stand. Hier ist daher der Schlupf des Haupt motors durch die Einstellung der Erregung der Kommutatormaschine gegeben. Eine Pa rallelschaltung veränderlicher ohmscher Wi derstände zum Hauptmotor ist also nicht ohne weiteres zulässig.
Bei der hier beschriebenen Einrichtung dagegen ist die Gegenspannung der Kommutatormaschine der Schlupfspan nung proportional, die Kommutatormaschnre kann sich also jeder Änderung des Schlupfes, die durch Änderung der parallel geschalteten ohmschen Widerstände verursacht wird, an passen, ohne dass eine Verstellung irgend welcher Schalteinrichtungen in ihrem Er regerstromkreis notwendig wäre. Hierin liegt ein ganz besonderer Vorteil der Erfindung. Wird die Kommutatormaschine parallel zu den Widerständen geschaltet, durch die ein Teil der Schlupfenergie aufgenommen wer den soll, so ist ihr Ankerstromkreis unmit telbar an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlossen.
Er kann aber auch an An- zapfpunkte dieser Widerstände angeschlos sen werden, wobei der zwischen Hauptmotor und den Anzapfpunkten liegende Teil des Widerstandes wie eine Vergrösserung des Rotorwiderstandes des Hauptmotors wirkt, also den natürlichen Schlupf des Motors ver grössert. Auch der Erregerstromkreis der Kommutatormaschine muss nicht unmittellbar an die Schleifringe des Hauptmotors ange schlossen sein, sondern er kann ebenfalls von beliebigen Anzapfpunkten der Wider stände abgenommen werden.
Wenn die Kommutatormaschine nicht nur zur Regelung des Schlupfes, sondern auch zur Phasenkompensation dienen soll, so muss in ihrem Ankerstromkreis ausser der dem Schlupf proportionalen Gegenspannung auch eine in erster Annäherung vom Schlupf un abhängige und gegen die Schlupfspannung phasenverschobene Kompensationsspannung erzeugt werden. Man kann diese Kompen sationsspannung mit Hilfe eines zweiten Er regerstromkreises (Kompensations-Erreger- stromkreis) erzeugen, welcher vom Haupt erregerstromkreis magnetisch unabhängig ist, d. h. dessen Erregerstrom sich bei einer Än derung des Haupterregerstromes nicht oder nicht wesentlich ändert und umgekehrt.
Die magnetische Unabhängigkeit kann dadurch gegeben sein, dass die Kompensa tionsspannung in einer besonderen Kommu tatormaschine erzeugt wird.
Es kann aber auch die Gegenspannung und die Kompensationsspannung in derselben Kommutatormaschine erzeugt werden. In die sem Fall kann die Kommutatormaschine zwei getrennte Magnetsysteme enthalten, die gegeneinander in Richtung der Maschinen achse versetzt sind und die auf einen einen- samen Anker einwirken. Dabei wird man zweckmässig den Teil des Ankers, der sich in der Lücke zwischen den beidem Magnet systemen befindet, ohne Eisen ausführen.
Eine Kompensationswicklung, welche die magnetische Wirkung des Ankerstromes ganz oder teilweise aufhebt, kann rnan in diesem Fall so anordnen, dass sie ebenso wie die Ankerwicklung mit beiden Magnetsystemen magnetisch verkettet ist.
Eine andere Möglichkeit ist die, dass die Kommutatormaschine ein gemeinsames Mag netsystem mit mehreren Polpaaren oder Pol sätzen enthält, wobei ein Teil der Erreger pole die Haupterregerwicklung, ein anderer Teil die Kompensationserregerwicklung trägt. Der Anker muss in diesem Fall bekanntlich mit Wellenwicklung ausgeführt sein, damit durch die verschieden stark erregten Pole keine Ausgleichströme hervorgerufen werden.
Wenn den beiden Erregerwicklungen grosse ohmsche oder induktive Widerstände vorgeschaltet sind, so dass die in den Wick lungen induzierten EMK klein sind gegen über den Gesamtspannungen der Stromkreise, kann die Vereinigung der Magnetsysteme unbeschadet ihrer magnetischen Unabhängig keit noch weiter getrieben werden. Es kön nen nämlich dann beide Erregerwicklungen auf einem gemeinsamen Magnetsystem (auf denselben Polen dieses Systems) angeordnet sein, ja sie können sogar ganz oder teilweise zu einer Wicklung vereinigt werden, auf welche zwei Stromkreise parallel arbeiten.
Die Kompensationserregerwicklung muss, wie bereits erwähnt, mit einem Erregerstrom gespeist werden, welcher in erster Annähe rung vom Schlupf und somit von der Be lastung des Hauptmotors unabhängig ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Kompensationserregerstromkreis ebenfalls an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlos sen wird, wobei jedoch der ohmsche Wider stand dieses Stromkreises klein ist gegen seine Reaktanz. Die Gesamtimpedanz des Stromkreises wird dann wegen der überwie genden Reaktanz der Frequenz des speisen den Stromes (Schlupffrequenz) proportional sein, und die der Schlupffrequenz propor tionale Schleifringspannung des Hauptmotors wird in dieser ebenfalls der Schlupffrequenz proportionalen Impedanz einen angenähert konstanten Strom erzeugen.
Ein Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 2. In dieser Figur haben die Buchstaben a bis g dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1. h ist die zweite Erregerwicklung (Kompensationserre gerwicklung) der Kommutatormaschine, wel che über die vorgeschalteten Drosselspulen i an die Schleifringe c des Hauptmotors ange schlossen ist. Die Vorschaltdrosselspule kann natürlich auch fehlen, wenn die Kompensa tionserregerwicklung so ausgeführt ist, dass ihre Eigenreaktanz bereits gross ist gegen ihren ohmschen Widerstand, und wenn die beiden Erregerwicklungen nicht auf einem gemeinsamen Magnetsystem angeordnet sind.
Eine andere Möglichkeit der Speisung des Kompensationserregerstromkreises ist die, ihn an eine Stromquelle der Schlupffrequenz mit angenähert konstanter Spannung anzu schliessen und den ohmschen Widerstand die ses Stromkreises gross zu machen gegen seine Reaktanz. Die Stromquelle, welche eine kon stante Spannung der Schlupffrequenz lie fert, kann zum Beispiel ein Frequenzumfor mer sein, welcher mit dem Hauptmotor di rekt oder indirekt gekuppelt ist und primär aus demselben Netz gespeist wird wie dieser.
Zwei Ausführungsbeispiele hierfür zei gen die Fig. 3 und 4. In Fig. 3 ist die Kom pensationserregerwicklung lt über die ohm schen Widerstände k an die Kommutator bürsten m des Frequenzumformers l ange schlossen, dessen Schleifringe n aus den Netz g Bespeiet werden und der mit dem Hauptmotor a direkt gekuppelt ist. In Fig. A besitzt die Kommutatormaschine b nur eine einzige Erregerwicklung d, welche von den Schleifringen c des Hauptmotors über die ohmschen Widerstände e mit dem Haupt erregerstrom, von den Kommutatorbürsten m des Frequenzumformers über die ohmschen Widerstände k mit dem Kompensations erregerstrom gespeist wird. Die übrigen Be zeichnungen sind in diesen beiden Figuren dieselben wie in Fig. 1 und 2.
Der Frequenzumformer kann in bekann ter Weise anstatt mit der Umdrehungsfre quenz des Hauptmotors auch reit der Netz frequenz angetrieben werden (etwa durch einen an das Netz angeschlossenen Synchron- motor). Seiner Primärseite ist in diesem 'Fall eine Spannung von der Umdrehungsfrequenz des Hauptmotors zuzuführen, die etwa durch eine Synchronmaschine geliefert werden kann, welche direkt oder indirekt mit dem Hauptmotor gekuppelt ist. An Stelle der ohmschen Widerstände k (Fig. 3 und 4) im Kompensationserregerstromkreis können auch Vorschaltwiderstände im Primärstromkreis des Frequenzumformers verwendet werden, wenn der Frequenzumformer keine Stator wicklung (Kompensationswicklung) hat.
Da die Frequenz in diesem Stromkreis konstant ist (Netzfrequenz), so können hier an Stelle ohmscher Widerstände auch induktive Wi derstände verwendet werden.
Bei den bisher betrachteten Anordnun gen war zur Erzeugung der Kompensations spannung entweder eine besondere Erreger wicklung oder doch ein besonderer Erreger stromkreis vorhanden. Es ist aber auch mög lich, mit einem einzigen Erregerstromkreis (dem Haupterregerstromkreis) auszukommen, welcher zur Erzeugung der dem Schlupf ent sprechenden Gegenspannung über ohmsche Widerstände an die Schleifringe des Haupt motors angeschlossen ist, indem zur Eirzeu- gung der Kompensationsspannung eine be sondere Stromquelle in diesen Stromkreis ein- gesehaltet wird. Die von dieser Stromquelle gelieferte Spannung muss natürlich ebenfalls mit der Schlupffrequenz pulsieren.
Der Grösse nach muss sie in erster Annäherung konstant sein (unabhängig vom Schlupf des Haupt motors), der Phase nach muss sie geben die Schleifringspannung im Sinne der Nach- eilung verschoben sein. Eirre solche Span nung wird in dem Haupterregerstromkreis, dessen ohmscher Widerstand seine Reaktanz weit überwiegt, einen Strom erzeugen, der ebenfalls in erster Annäherung konstant ist und der sich dem von der Schleifringspan nung des Hauptmotors in dem gleichen Strom kreis erzeugten Strom überlagert.
Die Stromquelle, welche diese angenähert konstante Spannung liefert, kann ein Fre quenzumformer sein, der entweder mit den Hauptmotor direkt oder indirekt gekuppelt und aus demselben Netz wie dieser gespeist wird, oder mit Netzfrequenz angetrieben und mit einer Spannung von der Umdrehungs frequenz des Hauptmotors gespeist wird. Ein Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 5, in wel cher alle Buchstaben dieselbe Bedeutung ha ben wie in den früheren Figuren.
An Stelle der Widerstände im Erreger stromkreis, die in diesem Beispiel zwischen die Schleifringe des Hauptmotors und die Er regerwicklung geschaltet sind (Widerstände e in Fig. 5), können auch hier wieder ohmsche oder induktive Vorschaltwiderstände im Pri märstromkreis des Frequenzumformers ver wendet werden, vorausgesetzt, dass der Fre quenzumformer keine Statorwicklung (Kom pensationswicklung) trägt.
Wenn der Kompensationserregerstromkreis an die Schleifringe, des Hauptmotors ange schlossen ist wie in Fig. 2, so muss, wie oben gezeigt, der ohmsche Widerstand dieses Krei ses klein sein gegen seine Reaktan2, wenn der Kompensationserregerstrom konstant, also unabhängig vom Schlupf, sein soll. Dabei war vorausgesetzt, dass die Schleifringspan nung des Hauptmotors dem Schlupf propor tional sei. Nun kann aber die Reaktanz des Kompensationserregerstromkreises mit der Schlupffrequenz bis auf Null abnehmen, während der ohmsche Widerstand stets end lich bleibt. Bei sehr kleinem Schlupf kann also der Widerstand nicht mehr klein sein gegen die Reaktanz, und der Strom in der Kompensationserregerwicklung wird nicht mehr durch die Reaktanz allein, sondern auch durch den ohmschen Widerstand bestimmt.
Er kann also nicht konstant bleiben, wenn die den Stromkreis speisende Spannung dem Schlupf proportional ist. Soll der Kompensa tionserregerstrom konstant bleiben, so muss vielmehr die den Stromkreis speisende Span nung aus einer dem Schlupf proportionalen Komponente und einer dagegen phasenver schobenen, vom Schlupf unabhängigen Kom ponente bestehen, wobei die erste dem induk tiven Spannungsabfall, die zweite dem ohm- schen Spannungsabfall im Kompensations- erregerstromkreis entspricht.
Nun ist aber auch die Schleifringspannung nicht propor tional mit der Spannung, welche im Rotor des Hauptmotors induziert wird, also mit dem Schlupf, sondern sie enthält ausser einer dem Schlupf proportionalen Komponente eine da gegen phasenverschobene Komponente, wel che dem ohmschen Spannungsabfall des Mag netisierungsstromes im Rotor des Haupt motors entspricht, der Grösse nach also kon stant ist, wenn die Kompensationsspannung und damit der Magnetisierungsstrom im Ro tor des Hauptmotors konstant ist.
Man kann aus diesem Grunde einen konstanten (vom Schlupf unabhängigen) Strom in der Kom- perisationserregerwicklung erhalten, wenn der ohmsche Spannungsabfall im Kompensations erregerstromkreis gleich dem ohmschen Span nungsabfall des Magnetisierungsstromes rim Rotor des Hauptmotors gemacht wird.
Solange der Schlupf des Hauptmotors nicht zu klein ist, ist die Grösse des Kom pensationserregerstromes durch die Schleif ringspannung und die Impedanz des Kom- pensationserregerstromkreises eindeutig be stimmt. Bei synchronem Lauf des Haupt motors dagegen gilt dieses nicht mehr.
In diesem Fall ist nämlich die Schleifringspan nung gleich dem ohmschen Spannungsabfall des im Rotor des Hauptmotors fliessenden Magnetisierungsstromes, und wenn der ohm sche Spannungsabfall im Kompensations erregerstromkreis ebenfalls gleich dem ohm schen Spannungsabfall des Magnetisierungs stromes im Rotor des Hauptmotors, also in diesem Fall gleich der Schleifringspannung, ist, so ist damit die bekannte Selbsterregungs- berlingung für Gleichstrom erfüllt, d. h. der ohmsche Widerstand des Kompensations- erregerstromkreises hat gerade den kritischen Wert, bei welchem die Kommutatormaschine sich unter Berücksichtigung der gleichzeitig wirkenden Haupterregerwicklung mit Gleich strom selbst irregen kann.
Dies gilt dann aber unabhängig von der Grösse des Magne tisierungsstromes im Rotor des Hauptmotors, und eine Begrenzung dieses Magnetisierungs stromes auf einen bestimmten gewünschten Wert ist, wie bei selbsterregten Gleichstrom- maschinen allgemein bekannt, nur durch die Sättigung der Maschine möglich. Es soll da her die Gleichstromselbsterregung der Kom mutatormaschine durch Ktttigurig auf den Wert begrenzt werden, welcher dem ohm schen Spannungsabfall des gewünschten Magnetisierungsstromes im Rotor des Haupt motors entspricht. In vielen Fällen wird es nicht verlangt, dass der Hauptmotor den Synchronismus er reichen kann.
In solchen Fällen ist auch die Phasenkompensation bei Synchronismus, also die Gleichstroms.elbsterregung, nicht notwen dig, und man kann die eben erwähnte Schwie rigkeit dadurch umgehen, dass man den ohm schen Spannungsabfall im Kompensations erregerstromkreis etwas grösser macht als den ohmschen Spannungsabfall des Magnetisie rungsstromes im Rotor des Hauptmotors. Dann ist nämlich eine Selbsterregung der Kommutatormaschine mit Gleichstrom nicht möglich. Wenn aber der Unterschied zwi schen dem ohmschen Spannungsabfall im Kompensationserregerstromkreis und dem ohmschen Spannungsabfall des Magnetisie rungsstromes im Rotor des Hauptmotors nicht allzugross ist, wird der Kompensationserreger strom doch bis zu sehr kleinem Schlupf des Hauptmotors angenähert konstant bleiben.
Es kann vorkommen, dass die Einhaltung der angegebenen Bedingung, wonach der ohm sche Spannungsabfall im Kompensations erregerstromkreis gleich dem ohmschen Span nungsabfall des Magnetisierungsstromes im Rotor des Hauptmotors sein muss, auch nicht angenähert möglich ist. In diesem Fall wird der Kompensationserregerstrom nicht mehr konstant sein, sondern er wird mit der Schlupffrequenz abnehmen und gleichzeitig seine Richtung im Vektordiagramm ändern, so dass unterhalb eines gewissen Schlupfes keine genügende Phasenkompensation mehr möglich ist.
In vielen Fällen ist der kleinste vorkommende Schlupf, welcher durch die kleinste mögliche Belastung des Hauptmotors (Leerlauf der angetriebenen Arbeitsmaschine) gegeben ist, noch gross genug, so dass auch bei dieser kleinsten Belastung eine genügende Phasenkompensation erreicht wird. Ist dies nicht der Fall, so kann man den Drehzahl bereich, in welchem keine genügende Phasen kompensation mehr möglich ist, vermeiden, indem man die Leerlaufsdrehzahl des Haupt motors herabsetzt. Dies kann dadurch be wirkt werden, dass der Kompensationserreger strom gegenüber dem Haupterregerstrom in der Phase derart verschoben wird, dass die durch ihn im Ankerstromkreis der Kommu tatormaschine induzierte Spannung eine mit der Gegenspannung phasengleiche Kompo nente enthält.
Eine solche mit der Gegen spannung phasengleiche Spannungskompo nente im Ankerstromkreis der Kommutator maschine entsteht schon dadurch, dass infolge des ohmschen Widerstandes im Kompen sationserregerstromkreis bei abnehmender Schlüpfung eine Verdrehung des Kompen sationserregerstromes eintritt.
Wenn diese Verdrehung des Kompensationserregerstromes durch den ohmschen Widerstand nicht ge nügt, um die Leerlaufsdrehzahl auf den er forderlichen Wert herabzusetzen, so kann eine Verstärkung der mit der Gegenspannung phasengleichen, durch die Kampensations- erregerwicklung induzierten Spannungskom ponente durch entsprechende Wahl der Phase der den Kompensationserregerstromkreis spei senden Spannung erreicht werden, eventuell durch Phasenkombination, d. h. durch Auf teilung der auf einem Erregerpol befind lichen Kompensationserregerwicklung in zwei Teile, die an zwei verschiedene Phasen der speisenden Stromquelle angelegt werden.
Um bei allen Belastungen des Haupt motors eine vollkommene Phasenkompensa tion zu erreichen, ist bekanntlich eine von der Belastung bezw. vom Schlupf unabhängige Kompensationsspannung nur in erster An näherung ausreichend. Die von der Belastung abhängigen induktiven Spannungsabfälle im Hauptmotor bewirken, dass die erforderliche Kompensationsspannung mit wachsender Be lastung des Motors zunimmt. Diese Zunahme der Kompensationsspannung kann dadurch erreicht werden, dass die Kompensations- erregerwicklung mit einem Strom gespeist wird, der mit wachsender Belastung des Hauptmotors zunimmt. Je nach der Art der Speisung der Kompensationserregerwicklung kann diese Zunahme auf verschiedene Weise bewirkt werden.
Ist der Kompensationserregerstromkreis mit kleinem ohmschen Widerstand ausgeführt und an die Schleifringe des Hauptmotors an geschlossen, so kann man eine weitere Strom quelle in diesen Stromkreis einschalten, deren Spannung stärker als proportional mit dem Schlupf des Hauptmotors anwächst.
Wird der Kompensationserregerstromkreis über ohmsche Widerstände aus einer Strom quelle mit angenähert konstanter Spannung gespeist, wie bei den Anordnungen gemäss Fig. 3 bis 5, so kann man eine weitere Strom quelle in diesen Stomkreis einschalten, deren Spannung mit der Belastung oder dem Schlupf des Hauptmotors zunimmt, wie zum Beispiel die Schleifringspannung des Haupt motors oder die Sekundärspannung eines in den Primärstromkreis des Hauptmotors ein geschalteten Kompoundtransformators.
Ein anderes Mittel, die Kompensations spannung mit der Belastung anwachsen zu lassen, besteht darin, dass die Haupterreger wicklung mit einem Strom gespeist wird, der eine mit wachsender Belastung des Haupt motors zunehmende Komponente enthält, wel che gegen den zur Erzeugung der Gegenspan nung notwendigen Erregerstrom im Sinne der Nacheilung verschoben ist. Diese phasen verschobene Komponente ist nämlich phasen gleich mit dem Kompensationserregerstrom und unterstützt also diesen. Wenn auf Phasen kompensation bei Leerlauf verzichtet wird, kann diese Phasenverschiebung des Haupt erregerstromes auch allein zur Phasenkom pensation des Hauptmotors benutzt werden.
Die Phasenverschiebung des Haupterreger stromes kann durch eine entsprechende Pha senverschiebung der den Haupterregerstrom- kreis speisenden Spannung erreicht werden, also etwa. durch Phasenkombination der Haupterregerwicklung. In diesem Fall wird die gegen die Gegenspannung phasenverscho bene Komponente der durch die Haupt erregerwicklung induzierten EMK der Kom mutatormaschine der Belastung proportional sein; die Phasenverschiebung des Haupt erregerstromes gegenüber dem zur Erzeugung der Gegenspannung allein notwendigen ist also konstant.
Eine mit dem Schlupf bezw. der Be lastung des Hauptmotors zunehmende Phasen verschiebung des Haupterregerstromes gegen über dem zur Erzeugung der Gegenspannung allein notwendigen, also eine geben die Gegen spannung phasenverschobene Komponente der durch die Haupterregerwicklung induzierten EMK der Kommutatormaschine, welche stärker als proportional mit der Belastung zunimmt, tritt schon durch die unvermeidliche Reaktanz des Haupterregerstromkreises auf.
Diese Phasenverschiebung bewirkt eine mit wachsendem Schlupf zunehmende Unter stützung der Kompensationserregerwicklung Es soll daher das Verhältnis zwischen ohm schen Widerstand und Reaktanz des Haupt erregerstromkreises so gewählt werden, dass die mit dem Schlupf zunehmende, gegen die Spannung phasenverschobene Komponente des Erregerstromes bei Vollast des Hauptmotors eine so grosse Kompensationsspannung im Ankerstromkreis der Kommutatormaschine erzeugt, dass die Phasenverschiebung des aus dem Netz entnommenen Stromes bei Vollast nicht grösser ist als bei Leerlauf. Die Fig. 6 und 7 zeigen beispielsweise zwei Vektordiagramme der Ströme und Span nungen in den Erregerstromkreisen. In Fig. 6 sind i1-i5 die Haupterregerströme bei fünf verschiedenen Schlüpfungen des Hauptmotors. i1 gilt für die kleinste Schlüpfung, i5 für eine fünfmal so grosse.
Bei vernachlässigbarer Reaktanz des Haupterregerstromkreises ist die Schleifringspannung, die diesen Strom kreis speist, proportional und phasengleich mit i1-i5, ihre Richtung fällt also in die Gerade 0-E8. Durch entsprechende Phasen kombination kann erreicht werden, dass die durch diesen Erregerstrom im Anker der Kommutatormaschine induzierte EMK um einen beliebigen Winkel, z. B. den Winkel a, gegen die Ströme i1-i5 nacheilen. Sie sollen durch die Vektoren e1-e5 dargestellt sein. Der Kompensationserregerstrom ist durch Grösse und Phase durch den Vektor ic dar gestellt. Der gleiche Vektor kann auch die im Anker der Kommutatormaschine induzierte Kompensationsspannung e@ darstellen.
Die gesamte, im Anker der Kommutatormaschine induzierte EMK ist gleich der Summe von ec und e1-e5, also durch die Vektoren E1-E5, gegeben, deren Endpunkte sich auf der geraden Linie E-E bewegen. Die auf Phasenkompensation wirkende (mit ec phasen gleiche) Komponente der EMK E nimmt also mit wachsendem Schlupf bezw. wachsender Belastung des Hauptmotors zu.
In Fig. 7 ist angenommen, dass die Reak tanz des Erregerstromkreises gegenüber sei nem ohmschen Widerstand nicht zu vernach lässigen sei. 0-E8 sei wieder die Richtung der Schleifringspannung. Die Haupterreger ströme werden dann eine mit wachsender Schleifringspannung, also mit wachsendem Schlupf, zunehmende Phasenverschiebung gegen die Linie 0-E8 aufweisen, sie seien durch die Vektoren i1-i5, dargestellt. Es ist hier angenommen, dass keine Phasenkombina tion im Erregerstromkreis angewendet wurde. Die Vektoren i1-i5 können dann zugleich die im Anker der Kommutatormaschine durch die induzierte EMKe e1-e5 darstellen. Durch Hinzufügen der Kompensationsspan nung ec ergibt sich die gesamte im Anker der Kommutatormaschine induzierte EMK zu E1-E5. Die Endpunkte dieser Vektoren bewegen sich auf der Linie E-E.
Die auf Phasenkompensation wirkende (mit ec phasen gleiche) Komponente der EMK E nimmt also ebenfalls mit wachsendem Schlupf bezw. wachsender Belastung zu, jedoch bei kleinem Schlupf weniger, bei grossem Schlupf stärker als in dem Beispiel der Fig. 6.
Es wurde bereits erwähnt, .dass durch die dem Schlupf des Hauptmotors proportionale Haupterregung der Kommutatormaschine nur dann eine ebenfalls dem Schlupf propor- tionale EMK in dieser Maschine induziert wird, wenn die Sättigung vernachlässigt wer den kann. Es ist im allgemeinen möglich, die Kommutatormaschine so zu entwerfen, dass diese Vernachlässigung bei der normalen Be lastung des Hauptmotors noch zulässig ist. Bei einer Überlastung aber steigt mit der Last auch die von der Kommutatormaschine verlangte Gegenspannung an, und es würde in den meisten Fällen eine erhebliche Verteue rung der Maschine bedeuten, wenn man sie so entwerfen wollte, dass sie auch bei diesem Betriebszustand noch nicht gesättigt wäre.
Durch die Sättigung wird aber die im An ker der Kommutatormaschine induzierte Ge genspannung verkleinert, bei gegebenem Schlupf also die Stromaufnahme der Kom mutatormaschine vergrössert. Ist die Kommu tatormaschine allein an die Schleifringe des Hauptmotors angeschlossen, so hat dies zur Folge, dass der Schlupf vom Eintritt der Sättigung an weniger rasch als vorher mit der Belastung anwächst. Ist ein ohmscher Widerstand parallel zur Kommutatormaschine geschaltet, so wird die Kommutatormaschine ausserdem vom Eintritt der Sättigung an einen grösseren Bruchteil des gesamten Stro mes aufnehmen und dadurch überlastet wer den.
Es ist bereits oben ein Mittel angegeben worden, welches gestattet, diese Nachteile erheblich zu verkleinern. Es besteht in der Vergrösserung des wirksamen Widerstandes cl es Ankerstromkreises der Kommutator maschine. Diese Vergrösserung kann auch erst beim Eintritt der Sättigung, eventuell auto matisch, vorgenommen werden. Ein weiteres Mittel, den angegebenen Nachteil zu vermin dern, besteht darin, dass beim Überschreiten einer gewissen Belastung des Hauptmotors, nämlich beim Eintritt der Sättigung der Kommutatormaschine, eine Umschaltung im Erregerstromkreis der Kommutatormaschine vorgenommen wird, durch welche die Erre gung der Kommutatormaschine verstärkt wird. Diese Umschaltung kann natürlich ebenfalls automatisch geschehen.
Sie kann zum Beispiel in einer Verkleinerung des ohm- sehen Widerstandes im Haupterregerstrom kreis oder in einer Vergrösserung der diesem Stromkreis zugeführten Spannung mit Hilfe eines regelbaren Transformators oder anderer an sich bekannter Mittel bestehen.
An die Stelle der Umschaltung im Haupt erregerstromkreis kann auch eine solche im Kompensationserregerstromkreis treten, in dem beim Überschreiten einer gewissen Be lastung des Hauptmotors ein ohmscher Wi derstand in den Kompensationserregerstrom kreis eingeschaltet wird. vorausgesetzt, dass dieser, wie zum Beispiel in Fig. 2 dargestellt, vorher einen überwiegenden induktiven Wi derstand enthält. Durch das Einschalten eines ohmschen Widerstandes wird dann der Kom pensationserregerstrom in der Phase verscho ben, und eine solche Phasenverschiebung wirkt, wie bereits oben gezeigt, wie eine Ver grösserung des Haupterregerstromes.
Eine andere Möglichkeit, den Einfluss der Sättigung zu verkleinern oder aufzuheben. besteht darin, dass der Haupterregerstrom kreis ausser mit der dem Schlupf proportiona len Schleifringspannung noch mit einer wei teren Spannung gespeist wird, welche stärker als proportional mit dem Schlupf anwächst.
Diese Spannung, die natürlich ebenfalls mit der Schlupffrequenz pulsieren muss, kann aus der Schleifringspannung des Haupt motors durch zweimalige Umformung mit- telst eines Frequenzumformers und einer asynchronen Hilfsmaschine erzeugt werden. Wenn nämlich die Schleifringspannung des Hauptmotors einem Frequenzumformer zuge führt wird, welcher mit der Umdrehungs frequenz des Hauptmotors angetrieben wird, so entsteht auf der Sekundärseite des Fre quenzumformers eine Spannung, welche der Grösse nach der primär zugeführten Span nung gleich, also dem Schlupf proportional ist, und deren Frequenz beispielsweise (bei entsprechender Drehrichtung) gleich der Summe von Schlupffrequenz und Umdre hungsfrequenz, also gleich der Frequenz des den Hauptmotor speisenden Netzes ist.
Wird diese Spannung einer asynchronen Hilfs- maschine zugeführt, welche ebenfalls mit der Umdrehungsfrequenz des Hauptmotors ange trieben wird, so entsteht (bei entsprechender Drehrichtung auch dieser Maschine) im Se kundärstromkreis der asynchronen Hilfs maschine eine Spannung von der Schlupf frequenz, welche im Verhältnis Schlupf frequenz zu Netzfrequenz kleiner ist als die vom Frequenzumformer gelieferte Spannung. Diese Spannung ist also dem Quadrat des Schlupfes proportional.
Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 8. In dieser Figur bedeutet, wie in den früheren Figuren, a den Hauptmotor, b die Kommuta- tormaschin, c die Schleifringe des Haupt motors, d die Haupterregerwicklung der Kommutatormaschine, e die dieser Wicklung vorgeschalteten ohmschen Widerstände, f die synchrone oder asynchrone Maschine, mit welcher die Kommutatormaschine b gekup pelt ist, und g das Netz, an welches die Ma schine f und der Hauptmotor a angeschlossen sind. Ferner bedeutet o einen Frequenzumfor mer mit dem Kommutator p und den Schleif ringen q, r eine asynchrone Hilfsmaschine mit den Schleifringen s. Die in diesem Bei spiel angewendete Schaltung bedarf nach dem vorstehenden keiner weiteren Erläuterung.
Die durch die Kombination von Fre quenzumformer und asynchrone Hilfsma schine erzeugte Spannung, welche dem Qua drat des Schlupfes proportional ist und mit der Schlupffrequenz pulsiert, kann ebenso wie zur Speisung der Haupterregerwicklung auch zur Speisung der Kompensationserreger wicklung dienen, um dadurch die schon oben als notwendig erkannte Zunahme des Kom pensationserregerstromes mit der Belastung des Hauptmotors zu erreichen.
Eine andere Möglichkeit, dem Erreger stromkreis eine Spannung zuzuführen, wel che stärker als proportional mit dem Schlupf des Hauptmotors anwächst, besteht darin, dass in den Erregerstromkreis die Sekundär wicklung eines Kompoundtransformators eingeschaltet wird, dessen Primärwicklung vom Rotorstrom des Hauptmotors gespeist wird. Das Feld dieses Kompoundtransforma- tors ist dann dem Rotorstrom, also dem Schlupf, proportional und seine Sekundär spannung dem Feld und der Frequenz, also dem Quadrat des Schlupfes.
Unit consisting of induction and commutator machines connected in cascade. There are devices for controlling the speed and phase shift of induction motors are known, in wel chen to the slip rings of the induction motor (main motor) commutator machines are connected, which generate the desired slip corresponding voltage (counter voltage). If the He excitation winding of these commutator machines is fed in the usual way with a fixed or adjustable part of the grinding ring voltage of the main motor, then you get in general a fixed or adjustable speed of the main motor, which is little variable with the load.
In many cases, however, the speed of the main motor should be dependent on its load, and it is often required that the slip of the main motor be approximately proportional to the load, but greater than its natural slip.
The easiest way to achieve such additional slip is to switch resistors into the rotor circuit of the main motor. But then you have to accept the disadvantage that the entire slip power of the main motor is destroyed in these resistors, and that a simultaneous regulation of the phase shift of the main motor is not easily possible. It is also possible to generate the additional slip through commutator machines that are connected in cascade connection to the slip rings of the main motor by using a compound winding or a compound transformer, for example.
In this case, the slip power of the main motor can be used, and it is also possible to control the phase shift of the main motor at the same time; but this requires a rather complicated circuit if the phase compensation is required even when idling.
According to the invention to regulate the slip and the phase shift of induction motors are also used Kommuta gate machines that are connected to their slip rings. In the previous arrangement, the excitation circuit, which is fed by the slip ring voltage of the main motor or a fixed or adjustable part of the same, is designed so that its reactance is high compared to its ohmic resistance in at least part of the control range.
According to the invention, instead, the ohmic resistance of the circuit of the excitation winding, through which the counter-voltage corresponding to the slip is generated in the armature circuit of the commutation machine (main excitation winding), is increased so much by connecting ohmic resistance that it is large against the Circuit reactance. This ensures that the excitation current of the commutator machine is proportional to the slip ring voltage and thus to the slip of the main motor.
The same applies as long as saturation phenomena can be neglected by the field of the commutator machine generated by this excitation current and as long as the speed of the commutator machine is constant, also by the voltage that is induced by rotation in this field in the armature of the commutator machine. The constant or approximately constant speed of the commutator machine can be achieved in a known manner in that this machine is coupled to a synchronous or asynchronous machine connected to the network. The main motor itself can also be used to drive the commutator machine. The influence of the saturation of the commutator machine will be discussed later.
Taking into account the ohmic resistance in the armature circuit of the commutator machine, the main excitation circuit is dimensioned in such a way that the counter voltage induced by it in the armature circuit of the commutator machine is a certain fraction (one nth) smaller than the voltage on the slip rings of the Induction motor, which feeds the main excitation circuit. The difference of one nth of the slip ring voltage must then correspond to the ohmic voltage drop in the armature circuit of the commutator machine, and since this difference is also proportional to the slip ring voltage, the current in the armature circuit of the commutator machine must also be proportional to the slip ring voltage and thus also to the slip of the main motor be tional.
The specified circuit thus actually enables the generation of an additional slip proportional to the load by means of a commutator machine which emits the slip energy again in a usable form and which at the same time also allows phase compensation of the main motor.
An embodiment of the invention is shown in FIG. a is the main motor, b the commutator machine connected to the main motor's slip rings c. d is the excitation winding of the commutator machine, which is also connected to slip rings c via the ohmic resistors e. f is a synchronous or asynchronous machine which is connected to the same network g as the main motor a and which thus keeps the speed of the commutator machine b constant or approximately constant.
In the form described so far, the device also has the following disadvantage. The natural ohmic resistance of the armature circuit of the commutator machine is generally small, i.e. H. the ohmic voltage drop in this circuit is only a small fraction of the total voltage generated or consumed in this circuit. The voltage induced in the armature circuit by the main exciter winding must therefore match, except for a small fraction, the slip ring voltage that feeds the exciter circuit. This agreement is difficult to achieve with sufficient accuracy.
Saturation phenomena or changes in the resistance of the excitation winding, for example due to heating, can result in deviations in the case of a different load or a different heating condition of the machine, even if this correspondence is achieved with perfect accuracy for a certain load and a certain state of the machine which significantly impair the effectiveness of the facility, d. H. generate a slip that is different from the intended slip proportional to the load. This source of error can now be reduced by artificially increasing the effective resistance of the armature circuit of the commutator machine.
This increase can be brought about by switching ohmic resistances into the armature circuit of the commutator machine; However, it can also be caused by the fact that the magnetic field of the commutator machine is made dependent on the armature current by a compound winding or a compound transformer or by shifting brushes, so that the voltage induced in the armature circuit of the commutator machine contains a portion that is dependent on the armature current, which how a voltage drop in an ohmic resistor acts.
In any case, this increase in the effective resistance has the consequence that a given deviation of the counter voltage induced by the main exciter winding in the armature circuit of the commutator machine from its setpoint results in a smaller deviation of the armature current from the setpoint than without this artificial increase in resistance. With a given setting of the main excitation winding and a given load, this increased effective resistance naturally increases the slip of the main motor.
Since the slip ring voltage of the main motor must be n times the ohmic voltage drop in the armature circuit of the commutator machine if the EMF induced in this circuit is one nth smaller than the slip ring voltage of the main motor, the slip voltage of the main motor is n times this voltage drop is increased. The slip of the main motor consists partly of the natural slip, which is proportional to the ohmic voltage drop in the rotor of the main motor, i.e. the rotor resistance of the main motor at a given load, and the additional slip, which is n times the ohmic voltage drop in the armature circuit the commutator machine, that is, for a given load, it is proportional to n times the resistance of this circuit.
If the size of the EMF induced in the armature circuit of the commutator machine is changed for a given slip ring voltage, i.e. if the number n changes, then the additional slip of the main motor also changes. A regulation of the additional slip is made possible in that the resistance switched into the main excitation circuit of the commutator machine is made changeable. A reduction in this resistance for a given slip ring voltage causes an increase in the counter-voltage induced in the armature circuit of the commutator machine or, with a given load, i.e. a given difference between slip ring voltage and EMF, in the armature circuit of the commutator machine an increase in slip ring voltage, i.e. the slip.
This possibility of regulating the additional slip as required has the advantage that overloading of the main motor, the regulating device and, above all, the network can be prevented. If the load on the main engine rises above a limit value, the additional slip can be increased by the specified means and the centrifugal masses generally present in such devices can be used to a greater extent for power output.
To start the main motor you also need ohmic resistances for devices according to the invention, which are connected to the slip rings of the main motor. Now these resistors can also be used in parallel during operation. remain connected to the armature circuit of the commutator machine to the slip rings of the main motor. This has the advantage that the commutator machine can be significantly smaller. By appropriately dimensioning the resistances in the armature circuit and in the main excitation circuit of the commutator machine, you have the ability to distribute the slip power of the main motor in any ratio between the armature circuit of the commutator machine and the resistors connected in parallel to this circuit.
This arrangement will be used if the destruction of the slip energy or part of it is permissible. A regulation of the additional slip is also possible in this case by making the ohmic resistances connected in parallel to the armature circuit of the commutator machine variable.
In the known facilities mentioned in the introduction, the reactance of the excitation circuit of the commutator machine is not small compared to the ohmic resistance of this circuit, and under certain circumstances it even outweighs this ohmic resistance. Here, therefore, the slip of the main motor is given by the setting of the excitation of the commutator machine. A parallel connection of variable ohmic resistances to the main motor is therefore not easily permitted.
In the device described here, on the other hand, the counter voltage of the commutator machine is proportional to the slip voltage, so the commutator machine cord can adapt to any change in the slip caused by changing the ohmic resistances connected in parallel, without the need to adjust any switching devices in their Er excitation circuit would be necessary. This is a very special advantage of the invention. If the commutator machine is connected in parallel to the resistors through which part of the slip energy is to be absorbed, its armature circuit is directly connected to the slip rings of the main motor.
However, it can also be connected to the tapping points of these resistors, the part of the resistance between the main motor and the tapping points acting like an increase in the rotor resistance of the main motor, ie increasing the motor's natural slip. The excitation circuit of the commutator machine does not have to be directly connected to the slip rings of the main motor, but can also be taken from any tapping points of the resistors.
If the commutator machine is not only intended to regulate the slip, but also for phase compensation, then in addition to the counter-voltage proportional to the slip, a compensation voltage that is independent of the slip and phase-shifted in relation to the slip voltage must be generated in its armature circuit. You can generate this compensation voltage with the help of a second excitation circuit (compensation excitation circuit), which is magnetically independent of the main excitation circuit, i. H. whose excitation current does not change or does not change significantly when the main excitation current changes, and vice versa.
The magnetic independence can be given by the fact that the compensation voltage is generated in a special commutator machine.
However, the counter voltage and the compensation voltage can also be generated in the same commutator machine. In this case, the commutator machine can contain two separate magnet systems which are offset from one another in the direction of the machine axis and which act on a single armature. The part of the armature that is located in the gap between the two magnet systems is expediently carried out without iron.
In this case, a compensation winding which completely or partially cancels out the magnetic effect of the armature current can be arranged in such a way that it, like the armature winding, is magnetically linked to both magnet systems.
Another possibility is that the commutator machine contains a common magnet system with several pole pairs or pole sets, with some of the exciter poles carrying the main excitation winding and another part carrying the compensation excitation winding. In this case, as is well known, the armature must be designed with wave winding so that no equalizing currents are caused by the differently excited poles.
If the two excitation windings are preceded by large ohmic or inductive resistances, so that the EMF induced in the windings are small compared to the total voltages of the circuits, the union of the magnet systems can be carried out even further, regardless of their magnetic independence. Namely, both excitation windings can then be arranged on a common magnet system (on the same poles of this system), and they can even be wholly or partially combined into one winding on which two circuits work in parallel.
As already mentioned, the compensation excitation winding must be fed with an excitation current which, as a first approximation, is independent of the slip and thus of the load on the main motor. This can be achieved in that the compensation exciter circuit is also ruled out to the slip rings of the main motor, but the ohmic resistance of this circuit is small compared to its reactance. The total impedance of the circuit will then be proportional to the frequency of the feed current (slip frequency) because of the predominant reactance, and the slip ring voltage of the main motor, which is proportional to the slip frequency, will generate an approximately constant current in this impedance, which is also proportional to the slip frequency.
An exemplary embodiment is shown in FIG. 2. In this figure, the letters a to g have the same meaning as in FIG. 1. h is the second field winding (Kompensationserre gerwicklung) of the commutator machine, wel che via the upstream choke coils i to the slip rings c of the main motor connected. The series choke coil can of course also be missing if the compensation excitation winding is designed so that its self-reactance is already large compared to its ohmic resistance, and if the two excitation windings are not arranged on a common magnet system.
Another possibility of supplying the compensation excitation circuit is to connect it to a current source of the slip frequency with an approximately constant voltage and to make the ohmic resistance of this circuit large against its reactance. The power source, which delivers a constant voltage of the slip frequency, can, for example, be a frequency converter which is directly or indirectly coupled to the main motor and is primarily fed from the same network as this.
3 and 4. In Fig. 3, the compensation exciter winding lt is connected via the ohmic resistors k to the commutator brush m of the frequency converter l, the slip rings n of which are fed from the network g and the one with the main motor a is directly coupled. In Fig. A, the commutator machine b has only a single excitation winding d, which is fed from the slip rings c of the main motor via the ohmic resistors e with the main exciter current, from the commutator brushes m of the frequency converter via the ohmic resistors k with the compensation exciter current. The other designations are the same in these two figures as in FIGS. 1 and 2.
The frequency converter can also be driven at the mains frequency in a known manner instead of with the main motor's rotation frequency (for example by a synchronous motor connected to the mains). In this case, its primary side is to be supplied with a voltage at the rotational frequency of the main motor, which voltage can for example be supplied by a synchronous machine which is coupled directly or indirectly to the main motor. Instead of the ohmic resistances k (Fig. 3 and 4) in the compensation exciter circuit, ballast resistors can also be used in the primary circuit of the frequency converter if the frequency converter has no stator winding (compensation winding).
Since the frequency in this circuit is constant (mains frequency), inductive resistors can also be used here instead of ohmic resistors.
In the arrangements considered so far, either a special excitation winding or a special excitation circuit was available to generate the compensation voltage. However, it is also possible to get by with a single excitation circuit (the main excitation circuit), which is connected to the slip rings of the main motor via ohmic resistors to generate the countervoltage corresponding to the slip by using a special power source in order to generate the compensation voltage this circuit is maintained. The voltage supplied by this power source must of course also pulsate with the slip frequency.
In terms of size, it must be constant as a first approximation (regardless of the slip of the main motor); in terms of phase, it must give the slip ring tension in the sense of lag. If there is such a voltage, a current is generated in the main excitation circuit, the ohmic resistance of which far outweighs its reactance, which is also constant in the first approximation and which is superimposed on the current generated by the slip ring voltage of the main motor in the same circuit.
The power source that supplies this approximately constant voltage can be a frequency converter, which is either directly or indirectly coupled to the main motor and fed from the same network as this, or driven at mains frequency and fed with a voltage of the rotation frequency of the main motor . An exemplary embodiment is shown in FIG. 5, in which all letters have the same meaning as in the earlier figures.
Instead of the resistors in the excitation circuit, which in this example are connected between the slip rings of the main motor and the excitation winding (resistors e in Fig. 5), ohmic or inductive ballast resistors in the primary circuit of the frequency converter can also be used here, provided that the frequency converter has no stator winding (compensation winding).
If the compensation exciter circuit is connected to the slip rings of the main motor as in Fig. 2, then, as shown above, the ohmic resistance of this circuit must be small compared to its Reaktan2, if the compensation exciter current is to be constant, i.e. independent of the slip. It was assumed that the slip ring tension of the main motor was proportional to the slip. Now, however, the reactance of the compensation excitation circuit can decrease with the slip frequency down to zero, while the ohmic resistance always remains finite. If the slip is very small, the resistance to the reactance can no longer be small, and the current in the compensation excitation winding is no longer determined by the reactance alone, but also by the ohmic resistance.
It cannot therefore remain constant if the voltage feeding the circuit is proportional to the slip. If the compensation excitation current is to remain constant, the voltage feeding the circuit must instead consist of a component proportional to the slip and a phase-shifted component that is independent of the slip, the first being the inductive voltage drop and the second being the ohmic voltage drop in the compensation exciter circuit.
Now, however, the slip ring voltage is not proportional to the voltage that is induced in the rotor of the main motor, i.e. to the slip, but instead contains, in addition to a component proportional to the slip, a phase-shifted component, which corresponds to the ohmic voltage drop of the magnetization current Corresponds to the rotor of the main motor, so the size is constant if the compensation voltage and thus the magnetizing current in the Ro tor of the main motor is constant.
For this reason, a constant current (independent of the slip) can be obtained in the compaction exciter winding if the ohmic voltage drop in the compensation exciter circuit is made equal to the ohmic voltage drop of the magnetizing current in the rotor of the main motor.
As long as the slip of the main motor is not too small, the size of the compensation excitation current is clearly determined by the slip ring voltage and the impedance of the compensation excitation circuit. If the main motor runs synchronously, however, this no longer applies.
In this case, namely, the slip ring voltage is equal to the ohmic voltage drop of the magnetizing current flowing in the rotor of the main motor, and if the ohmic voltage drop in the compensation excitation circuit is also equal to the ohmic voltage drop of the magnetizing current in the rotor of the main motor, i.e. in this case equal to the slip ring voltage , is, then the known self-excitation overload for direct current is fulfilled, i. H. the ohmic resistance of the compensation exciter circuit has just the critical value at which the commutator machine, taking into account the simultaneous main exciter winding with direct current, can itself become confused.
This then applies regardless of the magnitude of the magnetization current in the rotor of the main motor, and a limitation of this magnetization current to a certain desired value is, as is generally known with self-excited DC machines, only possible through the saturation of the machine. It is therefore intended to limit the DC self-excitation of the commutator machine by Ktttigurig to the value which corresponds to the Ohm's voltage drop of the desired magnetizing current in the rotor of the main motor. In many cases it is not required that the main motor can achieve synchronism.
In such cases, phase compensation in the case of synchronism, i.e. direct current self-excitation, is not necessary, and the difficulty just mentioned can be avoided by making the ohmic voltage drop in the compensation excitation circuit slightly larger than the ohmic voltage drop in the magnetizing current in the rotor of the main engine. Then self-excitation of the commutator machine with direct current is not possible. But if the difference between the ohmic voltage drop in the compensation exciter circuit and the ohmic voltage drop of the magnetization current in the rotor of the main motor is not too great, the compensation exciter current will remain approximately constant up to a very small slip of the main motor.
It can happen that compliance with the specified condition, according to which the ohmic voltage drop in the compensation excitation circuit must be equal to the ohmic voltage drop of the magnetizing current in the rotor of the main motor, is not even approximately possible. In this case, the compensation excitation current will no longer be constant, but will decrease with the slip frequency and at the same time change its direction in the vector diagram, so that below a certain slip no sufficient phase compensation is possible.
In many cases the smallest occurring slip, which is given by the smallest possible load on the main motor (idling of the driven machine), is still large enough so that sufficient phase compensation is achieved even with this smallest load. If this is not the case, the speed range in which sufficient phase compensation is no longer possible can be avoided by reducing the idling speed of the main motor. This can be effected in that the compensation exciter current is shifted in phase with respect to the main exciter current in such a way that the voltage induced by it in the armature circuit of the commutator machine contains a component that is in phase with the counter voltage.
Such a voltage component in phase with the counter voltage in the armature circuit of the commutator machine arises from the fact that, due to the ohmic resistance in the compensation excitation circuit, the compensation excitation current is twisted as the slip decreases.
If this twisting of the compensation excitation current by the ohmic resistance is not sufficient to reduce the idle speed to the required value, the voltage component induced by the compensation exciter winding, which is in phase with the counter voltage and induced by the appropriate selection of the phase of the compensation exciter circuit, can be increased send voltage can be achieved, possibly through phase combination, d. H. by dividing the compensation exciter winding located on one exciter pole into two parts that are applied to two different phases of the feeding power source.
In order to achieve a perfect Phasenkompensa tion with all loads on the main motor, is known to bez of the load. Compensation voltage independent of slip is only sufficient as a first approximation. The inductive voltage drops in the main motor, which are dependent on the load, mean that the required compensation voltage increases as the load on the motor increases. This increase in the compensation voltage can be achieved by feeding the compensation exciter winding with a current which increases as the load on the main motor increases. Depending on the type of supply to the compensation field winding, this increase can be brought about in various ways.
If the compensation exciter circuit has a low ohmic resistance and is connected to the slip rings of the main motor, you can switch on another power source in this circuit, the voltage of which increases more than proportionally with the slip of the main motor.
If the compensation excitation circuit is fed via ohmic resistors from a current source with an approximately constant voltage, as in the arrangements according to FIGS. 3 to 5, then another current source can be switched on in this current circuit, the voltage of which increases with the load or the slip of the main motor such as the slip ring voltage of the main motor or the secondary voltage of a compound transformer connected to the primary circuit of the main motor.
Another means of allowing the compensation voltage to increase with the load is that the main excitation winding is fed with a current that contains a component that increases as the load on the main motor increases and counteracts the excitation current required to generate the counter voltage has been postponed in the interests of lagging behind. This phase-shifted component is in phase with the compensation excitation current and therefore supports it. If phase compensation is dispensed with when idling, this phase shift of the main excitation current can also be used solely for phase compensation of the main motor.
The phase shift of the main excitation current can be achieved by a corresponding phase shift of the voltage feeding the main excitation circuit, that is, for example. through phase combination of the main excitation winding. In this case, the phase shifted component of the EMF of the commutator machine induced by the main exciter winding will be proportional to the load; the phase shift of the main excitation current compared to the only necessary to generate the counter voltage is therefore constant.
One with the slip respectively. the load on the main motor increasing phase shift of the main excitation current compared to the only necessary to generate the opposing voltage, i.e. a component of the EMF of the commutator machine induced by the main excitation winding, which increases more than proportionally with the load, already occurs through the unavoidable reactance of the main excitation circuit.
This phase shift causes an increasing support of the compensation excitation winding with increasing slip.Therefore, the ratio between ohmic resistance and reactance of the main excitation circuit should be chosen so that the component of the excitation current that increases with the slip and phase-shifted against the voltage when the main motor is at full load is so A large compensation voltage in the armature circuit of the commutator machine ensures that the phase shift of the current drawn from the network is not greater at full load than at idle. 6 and 7 show, for example, two vector diagrams of the currents and voltages in the excitation circuits. In Fig. 6 i1-i5 are the main excitation currents for five different slips of the main motor. i1 applies to the smallest hatch, i5 to one five times as large.
If the reactance of the main excitation circuit is negligible, the slip ring voltage that feeds this circuit is proportional and in phase with i1-i5, so its direction falls into the straight line 0-E8. By appropriate combination of phases can be achieved that the EMF induced by this excitation current in the armature of the commutator machine by any angle, z. B. the angle a, lagging behind the currents i1-i5. They should be represented by the vectors e1-e5. The compensation excitation current is represented by size and phase by the vector ic. The same vector can also represent the compensation voltage e @ induced in the armature of the commutator machine.
The total EMF induced in the armature of the commutator machine is equal to the sum of ec and e1-e5, i.e. given by the vectors E1-E5, the end points of which move on the straight line E-E. The component of the EMF E acting on phase compensation (identical to ec phases) thus decreases with increasing slip respectively. increasing load on the main engine.
In Fig. 7 it is assumed that the reactance of the excitation circuit compared to its ohmic resistance should not be neglected. 0-E8 is again the direction of the slip ring tension. The main excitation currents will then have a phase shift from the line 0-E8 that increases with increasing slip ring voltage, i.e. with increasing slip, and are represented by the vectors i1-i5. It is assumed here that no phase combination was used in the excitation circuit. The vectors i1-i5 can then at the same time represent the EMF e1-e5 induced in the armature of the commutator machine. By adding the compensation voltage ec, the total EMF induced in the armature of the commutator machine results in E1-E5. The endpoints of these vectors move on the line E-E.
The component of the EMF E which acts on phase compensation (identical phases with ec) therefore also increases with increasing slip respectively. increasing load, but less with a small slip, and more with a large slip than in the example of FIG. 6.
It has already been mentioned that the main excitation of the commutator machine, which is proportional to the slip of the main motor, induces an EMF in this machine that is also proportional to the slip if the saturation can be neglected. It is generally possible to design the commutator machine in such a way that this neglect is still permissible with the normal loading of the main motor. In the event of an overload, however, the reverse voltage required by the commutator machine also increases with the load, and in most cases it would mean a considerable increase in the cost of the machine if one were to design it in such a way that it would not yet be saturated even in this operating state.
Due to the saturation, however, the counter-voltage induced in the armature of the commutator machine is reduced, i.e. the current consumption of the commutator machine is increased for a given slip. If the commutator machine is connected solely to the slip rings of the main motor, the consequence of this is that the slip increases less rapidly from the onset of saturation than before with the load. If an ohmic resistor is connected in parallel to the commutator machine, the commutator machine will also absorb a larger fraction of the total current from the onset of saturation and will thus be overloaded.
A means has already been specified above which allows these disadvantages to be reduced considerably. It consists in increasing the effective resistance of the armature circuit of the commutator machine. This increase can also only be carried out when saturation occurs, possibly automatically. Another means of reducing the specified disadvantage is that when a certain load on the main motor is exceeded, namely when the commutator machine saturates, a switchover is made in the excitation circuit of the commutator machine, which increases the excitation of the commutator machine. This switchover can of course also take place automatically.
It can, for example, consist of a reduction in the ohmic resistance in the main excitation circuit or an increase in the voltage supplied to this circuit with the aid of a controllable transformer or other known means.
Instead of switching in the main exciter circuit, there can also be one in the compensation exciter circuit, in which when a certain load on the main motor is exceeded, an ohmic resistance is switched into the compensation exciter circuit. provided that this, as shown for example in Fig. 2, previously contains a predominant inductive resistance. By switching on an ohmic resistor, the compensation exciter current is then shifted in phase, and such a phase shift acts, as already shown above, like an increase in the main exciter current.
Another way to reduce or cancel the influence of saturation. consists in the fact that the main excitation circuit is fed with a further voltage, which increases more than proportionally with the slip, in addition to the slip ring voltage proportional to the slip.
This voltage, which of course also has to pulsate with the slip frequency, can be generated from the slip ring voltage of the main motor by double conversion using a frequency converter and an asynchronous auxiliary machine. If the slip ring voltage of the main motor is fed to a frequency converter, which is driven at the speed of rotation of the main motor, a voltage is generated on the secondary side of the frequency converter which is equal in size to the voltage supplied primarily, i.e. proportional to the slip, and its frequency, for example (with the corresponding direction of rotation), is equal to the sum of the slip frequency and the rotation frequency, i.e. equal to the frequency of the mains supplying the main motor.
If this voltage is fed to an asynchronous auxiliary machine, which is also driven with the rotational frequency of the main motor, a voltage of the slip frequency is generated in the secondary circuit of the asynchronous auxiliary machine (with the corresponding direction of rotation of this machine too), which is related to the slip frequency at mains frequency is lower than the voltage supplied by the frequency converter. This voltage is therefore proportional to the square of the slip.
An exemplary embodiment is shown in FIG. 8. In this figure, as in the earlier figures, a denotes the main motor, b the commutator machine, c the slip rings of the main motor, d the main excitation winding of the commutator machine, e the ohmic resistors connected upstream of this winding, f the synchronous or asynchronous machine with which the commutator machine b is kup pelt, and g the network to which the machine f and the main motor a are connected. Furthermore, o means a frequency converter with the commutator p and the slip rings q, r an asynchronous auxiliary machine with the slip rings s. The circuit used in this example does not require any further explanation after the above.
The voltage generated by the combination of frequency converter and asynchronous auxiliary machine, which is proportional to the square of the slip and pulsates with the slip frequency, can be used to feed the compensation exciter winding as well as to feed the main excitation winding, thereby making the above as necessary to achieve recognized increase in the compensation excitation current with the load on the main motor.
Another possibility to supply the excitation circuit with a voltage that increases more than proportionally with the slip of the main motor is that the secondary winding of a compound transformer is switched on in the excitation circuit, the primary winding of which is fed by the rotor current of the main motor. The field of this compound transformer is then proportional to the rotor current, ie the slip, and its secondary voltage is proportional to the field and the frequency, ie the square of the slip.