DE236854C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

■■- M 236854 KLASSE 21 d. GRUPPE

Dr.THEODOR LEHMANN in BELFORT.

Verfahren zum Anlassen von Synchronmotoren. Patentiert im Deutschen Reiche vom 16. September 1910 ab.

Für diese Anmeldung ist bei der Prüfung gemäß dem Unionsvertrage vom

20. März 1883

14. Dezember 1900 auf Grund der Anmeldung in Frankreich vom 16. September 1909 anerkannt.

die Priorität

Das Anlassen von Synchronmotoren erfordert im allgemeinen künstliche Hilfsmittel. Am bekanntesten sind sogenannte Anlaßwicklungen auf den Magnetpolen, die nach Art von Dämpferwicklungen ausgebildet sind und unabhängig von der Gleichstrommagnet wicklung in sich kurzgeschlossen werden. Letztere, bleibt dabei während der ganzen Änlaßperiode meistens offen, so daß die Hilfswicklung das gesamte Andrehmoment zu liefern hat. Solche Kurzschlußwicklungen besitzen jedoch ernstliche Nachteile. Zunächst geben sie, selbst bei Leeranlauf, zu großer Stromaufnahme Veranlassung, was namentlich bei größeren Maschinen unzulässige Netzstörungen nach sich ■ ziehen kann. Außerdem ist ihr Widerstand ein für allemal gegeben, und da derselbe im Hinblick auf die erste Anlaßperiode verhältnismäßig groß sein muß, kommt man mit der Hilfswicklung allein nicht genügend nahe an den Synchronismus, um sicher zuschalten zu können. Letzteren Nachteil suchte man durch Umschaltung des Ständers auf niedrigere Polzahl zu vermeiden. In Verbindung mit einer gewöhnlichen Dämpferwicklung kann so mittels Polumschaltung im Ständer der Synchronismus von unten oder von oben erreicht werden. Abgesehen von den großen Anlaßströmen haftet aber diesem Verfahren der Übelstand an, daß der Motor leicht bei zwischenliegenden Geschwindigkeiten hängen bleibt. Es rührt dies namentlich davon her, daß bei Maschinen mit ausgeprägten Polen der magnetische Widerstand des Querfeldes (a in Fig. 1) von demjenigen · des Hauptfeldes (b in Fig. 1) verschieden ist. Die Dämpferwicklung verhält sich daher in bezug auf beide Felder nicht symmetrisch, um so mehr, als auch die bezüglichen Streufelder wesentlich verschieden sind. Das Reaktionsfeld der Hilfswicklung erweist sich infolgedessen als ein unvollkommenes Drehfeld mit stark ausgeprägten Wechselfeldern. Nun ist bekannt, daß einphasig geschlossene Anker von asynchronen Mehrphasenmotoren die Neigung besitzen, halbe synchrone Tourenzahl anzunehmen und bei dieser Geschwindigkeit oft ■ ein beträchtliches Drehmoment entwickeln. Bei kleinem Luftraum und verhältnismäßig hoher Magnetsättigung kann nun die durch Unsymmetrie hervorgerufene Wechselfeldwirkung bei der Hilfswicklung derart Überhand nehmen, daß der Motor über den Sattelpunkt der Drehmomentskurve nicht hinauskommt und weit unterhalb des Synchronismus hängen bleibt.

Auch bei dem erstgenannten Verfahren können Untergeschwindigkeiten auftreten, da die von Quer- und Hauptfeld in der Dämpferwicklung induzierten Ströme nicht phasensymmetrisch sind.

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Man könnte nun auf den Gedanken kommen, durch Hinzuziehung der Magnetwicklung (c Fig. i), welche nur vom Hauptfeld induziert wird, das ungleiche rückwirkende Verhalten der Dämpferwicklung in bezug auf Quer- und Hauptfeld einigermaßen auszugleichen. Infolge ihrer viel geringeren Streuung übt jedoch die Dämpferwicklung eine starke Schirmwirkung auf die Magnetwicklung aus, so daß

ίο letztere um so weniger zur Geltung gelangt, als sie lediglich als Einphasenwicklung wirken würde. Falls überdies Polumschaltung im Ständer angewandt wird, käme die Magnetwicklung überhaupt nicht zur Wirkung, weil infolge der beiderseitig verschiedenen Polzahlen die in der Erregerwicklung induzierte resultierende E. M. K. jederzeit Null wäre.
. Der vorliegenden Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, beim Anlassen von Synchronmotoren Wicklungen zu benutzen, die nicht gleichzeitig von Quer- und Hauptfluß induziert werden, um so die Quer- und Hauptreaktanz getrennt in für das Anlassen günstigster Weise beeinflussen zu können. Die Magnetwicklung zeichnet sich dadurch aus, daß sie nur vom Hauptfeld induziert wird; ohne weiteres eignet sie sich jedoch aus den bereits erwähnten Gründen nicht für Anlaßzwecke.

Schaltet man jedoch beim Anlassen die Armaturwicklung auf halbe Polzahl, so wird in bezug auf das Hauptfeld der Phasenabstand zweier benachbarter Magnetspulen nicht mehr 180°, sondern bloß noch 90 ° betragen. Verbindet man jetzt einerseits die ungeraden und andererseits die geraden Magnetspuleri so miteinander, daß deren E. M. Ke. sich addieren, so erhält man zwei Teil wicklungen, die genau 90 ° zueinander phasenverschoben sind. Die so eingerichtete Gleichstromwicklung stellt sich nunmehr als symmetrische Zweiphasenwicklung dar und vermag jetzt, auf geeignete Widerstände geschaltet, ein viel kräftigeres Andrehmoment zu entwickeln als in Einphasenschaltung.

Zur Ausnutzung des Querfeldes werden nun gemäß der Erfindung 8-förmige Wicklungselemente verwendet, welche achsial symmetrisch zur Polmitte am Polumfang eingelassen und in sich geschlossen sind. Während die in den beiden Schleifen eines solchen 8-förmigen Wicklungselementes vom Querfelde induzierten E. M. Ke. sich addieren, heben die vom Hauptfelde induzierten E. M. Ke. sich gegenseitig auf. Von diesen 8-förmigen Windungen wird also keinerlei Schirmwirkung auf die Magnetwicklung ausgeübt und umgekehrt; die beiden Wicklungen induzieren sich also nicht gegenseitig. Es ist zu beachten, daß, wenn auf jeden Pol selbst nur je eine 8-förmige Windung entfällt, die Hilfswicklung insgesamt doch eine symmetrische Zweiphasenwicklung bildet, da infolge der Polumschaltung in dem Anker zwei auf benachbarten Polen befindliche Windungen um 90 ° in Phase verschoben sind.

An sich sind 8-förmige Spulen bereits bekannt. Sie dienten jedoch bisher einem wesentlich anderen Zwecke, insofern sie grundsätzlich das Querfeld vernichten sollen; bei Einphasenmotoren soll dadurch die vom -Querfeld herrührende Funkenspannung beseitigt, bei Wechselstrommaschinen die durch das Querfeld bedingte Feld Verzerrung behoben werden. Die vorliegende Erfindung sucht im Gegenteil das Querfeld auszunutzen. Durch die 8-förmigen Windungselemente soll ,das Querfeld gerade benutzt werden, um Drehmoment zu entwickeln, was von vornherein unmöglich wäre, wenn man das Querfeld vernichtete. Baulich findet diese Zwecksverschiedenheit darin ihren Ausdruck, daß früher möglichst kleiner Widerstand, gemaß der Erfindung aber hoher Ohmscher Verlust, also verhältnismäßig großer Widerstand, angestrebt wird.

Man kann sich bei der Erfindung damit begnügen, den Widerstand der Gleichstromwicklung allein veränderlich vorzusehen und den Widerstand der Hilfswicklung ein für allemal so wählen, daß für die erste Hälfte der Anlaßperiode die Reaktanzverhältnisse am günstigsten werden. Da mit halber Polzahl angelassen wird, genügt es übrigens, nur wenig über die halbe synchrone Tourenzahl hinauszugehen, um zuschalten zu können. Ein wesentlicher Vorzug dieser Anlaßeinrichtung ist es endlich, daß das Hauptfeld beim Anlassen in keiner Weise abgedrosselt wird, da ja anfänglich auch die zweiphasig geschaltete Gleichstromwicklung auf beträchtliche Widerstände arbeitet. Dadurch wird der Stromstoß beim Zuschalten sowie die dauernde Stromaufnahme um ein Vielfaches kleiner als bei Motoren, die mittels Quer- und Hauptfeld abdrosselnden Dämpf er wicklungen angelassen werden, so daß man meistens ohne künstliche Hilfsmittel wird anlassen können. Für das Anlassen mittels gewohnlicher Dämpfer- oder Kurzschlußwicklun- ■ gen ist eben das schwache Feld und die große Strombelastung kennzeichnend, während hier im Gegenteil nicht nur mit starkem Feld und geringer Strombelastung, sondern wegen des großen Widerstandes der Anlaßwicklungen überdies mit weit besseren cos φ gearbeitet wird. Man kann endlich bei nicht zu großem Drehj moment auch bloß mit einer der beiden Wicklunj gen anlassen, da die Gleichstromwicklung sowohl als die Hilfswicklung trotz ihres einachsigen Aufbaues bei normaler Polzahl infolge der Polumschaltung in dem Anker in bezug auf die sie induzierenden Felder zweiphasensymmetrisch sich verhalten.

Zur Veranschaulichung sei ein Synchronmotor mit vier p-Polen angenommen, dessen Anker für eine beliebige Phasenzahl gewickelt ist. In Fig. 2 ist die Abwicklung eines Teiles des Umfanges dieses Motors für eine bestimmte relative Lage des Ankers zum Feldmagnet dargestellt. Von dem Anker ist bloß eine Phase wiedergegeben. Für einen bestimmten Augenblick seien die Stromrichtungen in den verschiedenen Spulen die durch Pfeile bezeichneten. Nun werden zum Anlassen die Ankerspulen in der Weise verbunden, daß nur zwei p-Pole vorhanden sind, d. h. daß in einem j bestimmten Augenblicke der Strom im Anker beispielsweise die in Fig. 3 eingezeichneten Stromrichtungen hat. Dann können die Magnetpole in dieser Stellung in zwei Gruppen eingeteilt werden, nämlich: 1. die Pole e, e', e" und 2. die Pole f, f, f". Bei den ersteren schließt sich der Querkraftlinienfluß g, g, g durch die Polköpfe und geht für die Magnetwicklung verloren; .dagegen durchsetzen bei der zweiten Gruppe f, f, f" alle Kraftlinien h, h', h" vollständig die Kerne beider Pole und schließen sich durch das Poljoch. Diese Hauptkraftlinienflüsse erzeugen in der Magnetwicklung E. M. Ke. und bei geeigneter Schaltung derselben auch ein nützliches Drehmoment. Wenn nun, die gegenseitige Lage des Ankers zum Feldmagnet um 90 ° elektrisch verschoben wird, so werden die Kraftlinienflüsse der Pole e, e', e" vollständig ausgenutzt, und die Kraftlinien der Pole f, f, f" erzeugen keine Wirkung. Daraus folgt, daß die in den Wicklungen der Pole e, e', β" induzierten E. M. Ke. um 90 ° in der Phase gegen die in den Polen f, f',f" . verschoben sind. Es werden nun die Magnetspulen der Pole e, e', e" miteinander so verbunden, daß die darin induzierten E. M. Ke.

hintereinandergeschaltet werden (i in Fig. 4), und in gleicher Weise werden die Magnetspulen der Pole f, f, f" verbunden (/ in Fig. 4). Die Wicklungen i und j werden schließlich etwa durch regelbare Widerstände k verbunden, die zweiphasig geschaltet sind. Natürlich können auch beide Wicklungen auf einen Widerstand geschaltet werden. So wird während des Anlaufens ein richtiger Asynchronmotor geschaffen, dessen Rotor zweiphasig gewickelt ist, wobei der nicht benutzte Teil des Querkraftlinienflusses stark verringert ist.

Dieser Rest wird nun durch eine Hilfswicklung ausgenutzt. Dieselbe ist in der in Fig. 5 und 6 dargestellten Weise ausgebildet. Jeder Magnetpol ist parallel zur Maschinenachse in zwei gleiche Teile geteilt gedacht, die je von einer Stromschleife I bzw. m umfaßt werden. Die beiden Schleifen I und m eines Polstückes sind schließlich in Form einer 8 miteinander verbunden, wie aus Fig. 6 ersichtlich ist.

Durch solche 8-förmigen Wicklungselemente wird der Querfluß ausgenutzt, ohne daß eine Schirmwirkung auf den Hauptfluß sich geltend macht. Die in der Schleife / durch den Querkraftlinienfluß g induzierte E. M. K. ist mit der im Stromkreis m induzierten E. M. K. in Reihe geschaltet; beide Schleifen geben daher gleichgerichtete Drehmomente. Die durch die Hauptflüsse h, h' in beiden Schleifen der 8-förmigen Windungen induzierten E. M. Ke. sind einander entgegengerichtet;. die 8-förmigen Windungen als solche werden somit vom Hauptfelde nicht induziert. Die Fig. 7 und 8 stellen eine Ausführungsart dieser Hilfswindungen dar. ■ Die Leiter η sind von der Isolation 0 umgeben. An jedem Polschuhende liegt je ein Leiter, während in der Mitte zwei voneinander isolierte Leiter konzentrisch geführt werden. Vier flache Stirnverbindungen vervollständigen die 8-förmige Schleife. Meistens kann von der Isolation der beiden Außenleiter Abstand genommen werden.

In besonderen Fällen kann es sich empfehlen, sowohl die Bildung einer zweiphasigen Wicklung vermittels der Gleichstrommagnetwicklung als auch die Hilfswicklung je allein zu benutzen. Für kleinere Drehmomente genügen die Hilfswindungen allein, deren Aufbau ähnlich einfach wie der von Dämpferwicklungen ist.

Endlich können außer einer einzigen Hilfswindung in Form einer 8 auch mehrere solcher Windungen pro Pol verwendet werden. In Fig. 9 ist beispielsweise ein Magnetpol mit zwei solchen Hilfswindungen in Form einer 8 dargestellt. Bei fremd erregten Maschinen wird oft eine hohe Erregungsspannung vorgeschrieben, wodurch beim Anlassen in der Magnetwicklung gefährlich hohe E. M. Ke., bis in die Tausende Volt, auftreten können. Um diese Spannung auf einen zulässigen Wert herunterzubringen, kann man bis zu einem gewissen Grade die Magnetwicklung in mehrere parallele Stromkreise 'zerlegen, wodurch allerdings eine gewisse Komplikation in den Verbindungen eintritt.

Handelt es sich lediglich um Leeranlassen, so genügt meistens eine Hilfswicklung aus 8-förmigen Spulen von geeignetem Widerstand. Beim Anlassen wird dann bloß der Anker auf halbe Polzahl geschaltet, während die Magnetwicklung auf ihrer normalen Polzahl belassen wird. Wegen der Verschiedenheit der Polzahlen ist dann die in der Gleichstrommagnetwicklung induzierte E. M. K. jederzeit gleich Null.

Infolge der verringerten Polzahl wird nach wie vor der Synchronismus leicht überschritten und der Motor in Tritt gebracht werden können. Hierbei hat es auch weiter keine Bedenken,

daß der Widerstand der Hilfswicklung nicht regelbar ist, weil kaum mehr als die Hälfte des Synchronismus erreicht werden muf3.

Wenn der Motor auf das Netz geschaltet werden soll, kann gegebenenfalls eines der bekannten Hilfsmittel benutzt werden, um den Stromverbrauch zu verringern. Falls die Ankerwicklung mehrfach parallel geschaltet ist, läßt sich durch teilweise Reihenschaltung die Anlaßreaktanz zweckdienlich erhöhen und der Stromstoß in gleichem Maße vermindern. Man kann auch einen Autotransformator oder eine Drosselspule mit Kurzschlußvorrichtung in einer oder mehreren Stufen benutzen. In den meisten Fällen sind jedoch besondere Hilfsmittel nicht erforderlich, weil im Gegensatz zu anderen Anlaßverfahren mit Dämpferwicklungen der Hauptfluß im Anfang weder von der Hilfswicklung noch von der Magnetwicklung abgedrosselt wird, da letztere nur allmählich über dem Widerstände geschlossen wird. Man verfügt also beim Anlassen über die volle Hauptflußreaktanz, so daß die Stromaufnahme ganz bedeutend herabgesetzt werden kann. Was nun das eigentliche Zuschalten angeht, ist es infolge der Polumschaltung leicht, den Synchronismus zu überschreiten. Es ist dann nur nötig, die Umdrehungszahl heruntergehen zu lassen und mit Hilfe der bekannten

•30 Apparate, wie Phasenlampen, Synchronoskop usw., den Motor ans Netz zu schalten, wenn er durch den Synchronismus hindurchgeht.

Die Hilfswicklung kann baulich in verschiedener Weise ausgeführt sein. Ebenso können die Vorrichtungen zum Umschalten der Ankerpolzahl und der Magnetspulen beliebige sein. Insbesondere können für die Umschaltung der Magnetwicklung Polwechsler benutzt werden, welche in der Form den bei Asynchronmotoren üblichen Apparaten ähnlich sind und bei Reihenschaltung nur drei Schleifringe benötigen.

Falls endlich die Polzahl des Motors nicht durch 4 teilbar ist, so können, wenn die Hilfswicklung allein verwendet wird, natürlich auch andere Verhältniszahlen für die Polumschaltung gewählt werden. Aber auch die Mitbenutzung der Magnetwicklung ist nicht an die Teilbarkeit der Polzahl durch 4 gebunden. Ist z. B. die Polzahl durch 3, also auch durch 2x3 teilbar, so kann durch Polumschaltung der Ankerwicklung im Verhältnis 6 ρ auf 2 ρ die Magnetwicklung in ähnlicher Weise in eine Dreiphasen wicklung verwandelt werden, wie es für zwei Phasen gezeigt wurde.

Claims (4)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Verfahren zum Anlassen von Synchronmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß nach Umschaltung des Ankers auf halbe Polzahl der Hauptfluß in der zum Anlassen in zwei Gruppen von je halber Polzahl geteilten Magnet wicklung, die auf je einen oder auf einen gemeinsamen regelbaren Widerstand geschaltet sein können, zwei in Phase um 90 ° gegeneinander verschobene E. M. Ke. induziert werden und gleichzeitig der Querfluß durch eine Hilfswicklung ausgenutzt wird, deren Leiter die Magnetpole in der Richtung der Motorachse durchsetzen und an den Stirnenden so miteinander verbunden sind, daß 8-förmig geschlossene Windungen entstehen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnet wicklung oder die Hilfswicklung je allein benutzt werden.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Pol mehrere 8-förmige Hilfswicklungen angebracht sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ' daß die · beiden inneren Leiter der Hilfswicklung konzentrisch und voneinander isoliert geführt werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.