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Verfahren zur Umschaltung einer aus Induktionshauptmaschine und Kommutatorhintermaschine
bestehenden Kaskade Ein Induktionsmotor kann als Vordermaschine einer Kommutatorkaskade
durch Regelung der Kollektorhintermaschine so gesteuert werden, daß sich seine Leistung
mit der Änderung der Drehzahl ändert, oder aber so, daß seine Leistung auch bei
Änderung der Drehzahl konstant bleibt. Ändert sich die Leistung mit der Drehzahl,
dann besitzt er eine Charakteristik, die als »von der Drehzahl abhängig« bezeichnet
werden soll. Ändert sich die Leistung mit der Drehzahl nicht, dann sei die Charakteristik
als »von der Drehzahl unabhängig« bezeichnet.
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Das Beispiel einer Anläge, die mit beiden Charakteristiken arbeiten
kann, zeigt Abb. I. In dieser Abbildung ist I das Netz, 2 der Induktionsmotor, 3
die Kommutatorhintermaschine mit der Erregerwicklung 4, 5 die Erregermaschine, die
durch die Antriebsmaschine I2 auf konstanter Drehzahl gehalten wird. Die Erregermaschine
5 hat zwei Erregerwicklungen 6 und 8 und soll große Ankerrückwirkung besitzen, so
daß in jedem Moment der Ankerstrom nahezu gleich der Summe bzw. Differenz der Erregerströme
(auf gleiche Windungszahl bezogen) der beiden Wicklungen ist. Die Wicklung 6 ist
unter Zwischenschaltung eines regelbaren Widerstandes 7 an die Schleifringe des-
Induktionsmotors 2 angeschlossen, während die Wicklung 8 unter Zwischenschaltung
des regelbaren Widerstandes 9 an die Kommutatorbürsten des Frequenzumformers Io
gelegt ist, dessen Schleifringe vom Netz I über einen Transformator I i mit konstantem
oder regelbarem Übersetzungsverhältnis gespeist werden.
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Die Art der Charakteristik dieser Anlage - ob von der Drehzahl abhängig
oder von der Drehzahl unabhängig - wird nun durch die jeweilige Art der Abhängigkeit
des Rotorstromes des Induktionsmotors 2 von der Schlüpfung bestimmt; denn der Rotorstrom
ist ein Maß für das Drehmoment, und er bestimmt somit auch die Leistung des Motors.
Für die Größe des Rotorstromes sind nun die im genannten Rotorstromkreis wirksamen
EMKe maßgebend. Als solche kommen hier zwei in Betracht, und zwar erstens die im
Rotor des Induktionsmotors 2 vom Stätor aus induzierte EMK, welche der Schlüpfung
proportional ist, und zweitens die im Rotor der Kollektormaschine 3 erzeugte EMK,
deren Abhängigkeit von der Schlüpfung durch die Art der Erregung dieser Kollektormaschine
bestimmt wird. Die Erregerwicklung .4 wird nun aber von einer Erregermaschine 5
gespeist, die ihrerseits zwei Erregerwicklungen besitzt, von denen die eine, 8,
über den Widerstand 9 von einer von der Schlüpfung unabhängigen konstanten Spannung
gespeist wird. «nährend
die andere, 6, über den Widerstand 7 von
der Schleifringspannung des Induktionsmotors gespeist wird, welche der Schlüpfung
proportional ist. Es ist nun bekannt, daß es einen bestimmten Wert für den Widerstand
7 gibt, bei welchem die Erregungen der Maschine 5 im Ankerstromkreis dieser Maschine
einen Erregerstrom für die Kollektormaschine 3 induzieren, der in dem Ankerstromkreis
der Maschine 3 eine EMK erzeugt, die, in Abhängigkeit von der Schlüpfung aufgetragen,
parallel zu der im Motor 2 induzierten EMK verläuft. Die Differenz der Ordinatenwerte
dieser beiden parallelen Geraden ergibt somit bei jeder Schlüpfung den gleichen
Betrag und stellt die im Rotorstromkreis resultierend wirkende EMK dar, welche den
Rotorstrom erzeugt. Man erkennt, daß in diesem Falle der Rotorstrom von der Drehzahl
unabhängig ist, so daß also eine von der Drehzahl unabhängige Charakteristik vorliegt.
Bei jedem anderen Wert des Widerstandes 7 schneiden sich die Geraden der EMKe im
Endlichen, so daß es stets eine Drehzahl gibt (Leerläufdrehzahl), bei welcher die
Differenz der EMKe, demnach auch der. Rotorstrom den Wert o hat, während jede Abweichung
von dieser Drehzahl eine Zunahme des Rotorstromes bedingt. Es liegt also der Fall
einer von der Drehzahl abhängigen Charakteristik vor. In jedem dieser Fälle müssen
aber die Widerstände 7 und 9 gegenüber den induktiven Widerständen der Wicklungen
6 und 8 groß sein.
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Beim Betrieb mit einer von der Drehzahl abhängigen Charakteristik
kann die Leerlaufdrehzahl und der Drehzahlabfall bei Belastung durch die Widerstände
7 und 9 und durch die Übersetzung des Transformators II eingestellt werden. Beim
Übergang von einer Charakteristik auf die andere kommt somit außer der Einstellung
des Widerstandes 7 auch die Regelung des Widerstandes 9 und des Übersetzungsverhältnisses
des Transformators II in Betracht.
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Eine Vergrößerung des Widerstandes 9 hat die gleiche Wirkung wie eine
Verkleinerung der Sekundärspannung des Transformators II. Durch beide Änderungen
wird, wenn der Widerstand 7 den für drehzahlunabhängige Charakteristik erforderlichen
Wert hat, die Leistung des Hauptmotors verkleinert. Bei einer von der Drehzahl abhängigen
Charakteristik wird durch die genannte Änderung die Leerlaufschlüpfung des Hauptmotors
verkleinert, unabhängig davon, ob diese im untersynchronen oder im übersynchronen
Gebiet liegt. Eine Verkleinerung der übersynchronen Leerlaufschlüpfung bedeutet
eine Verkleinerung der motorischen Leistung für gegebene Drehzahl, eine Verkleinerung
der untersynchronen Leerlaufschlüpfung bedeutet eine Vergrößerung der motorischen
Leistung für gegebene Drehzahl. Eine Verkleinerung des Widerstandes q und eine Vergrößerung
der Sekundärspannung des Transformators i i bewirken bei einer von der Drehzahl
unabhängigen Charakteristik eine Vergrößerung der Leistung, bei einer von der Drehzahl
abhängigen Charakteristik eine Vergrößerung der Leerlaufschl_üpfung.
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Statt der in Abb. i gezeichneten Schaltung, wo zwei Ströme in Parallelschaltung
die Erregermaschine 5 speisen, kann die Erregung auch durch Reihenschaltung zweier
Spannungen erreicht werden.
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Es wird nun oft die Forderung gestellt, daß innerhalb gewisser Grenzen
des Kraftbedarfs der angetriebenen Maschine, also innerhalb gewisser Leistungsgrenzen
des Induktionsmotors, dieser mit einer von der Drehzahl abhängigen Charakteristik
arbeiten soll, in den Grenzwerten selbst aber soll er mit einer von der Drehzahl
unabhängigen Charakteristik arbeiten; in diesem Falle muß dann die Differenz zwischen
Kraftbedarf der angetriebenen Maschine und der konstant eingestellten Leistung des
Induktionsmotors auf besonderem Wege, z. B. durch eine weitere Antriebsmaschine
oder durch Massenbeschleunigung, aufgenommen werden. Während nun der Übergang von
einer von der Drehzahl abhängigen auf eine von der Drehzahl unabhängige Charakteristik
beim Erreichen der festgelegten Leistungsgrenzen unter Vermittlung eines Leistungsreglers
ohne Schwierigkeiten bewirkt werden kann (weil die Einstellung des Widerstandes
7 in Abhängigkeit von der veränderlichen Leistung erfolgen kann), ist die Rückschaltung
von einer von der Drehzahl unabhängigen Charakteristik in eine von der Drehzahl
abhängige mit den gleichen Mitteln nicht möglich, weil bei dieser Charakteristik
die Leistung auch bei Änderung der Drehzahl eine konstante bleibt und Leistungsregler
daher hierfür nicht mehr in Frage kommen können. Die Rückschaltung auf die von der
Drehzahl abhängige Charakteristik soll überdies meist in Rücksicht darauf erfolgen,
daß nach der Rückschaltung die Leistung des Motors einen bestimmten Wert hat, z.
B. den gleichen, den sie vor dem Übergang auf die von der Drehzahl unabhängige Charakteristik
hatte.
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Da nun bei einer von der Drehzahl abhängigen Charakteristik die Leistung
des Motors eine eindeutige Funktion der Drehzahl ist, könnte der Zeitpunkt, in welchem
die Rückschaltung erfolgen soll, durch Beobachteng
der Drehzahl
erfaßt, die Rückschaltung also selbsttätig in Abhängigkeit von der Drehzahl bewirkt
werden. Vorrichtungen dieser Art sind aber, wenn sie mit der erforderlichen Genauigkeit
ansprechen sollen, teuer und daher unwirtschaftlich. Nun sind aber bei Schaltungen
nach Abb. I die Ströme der Erregerwicklungen 4 und 6 selbst eine Funktion der Drehzahl.
Erfindungsgemäß soll deshalb die Rückschaltung von einer von der Drehzahl unabhängigen
auf eine von der Drehzahl abhängige Charakteristik in Abhängigkeit von den vor und
nach der Umschaltung in der Ständerwicklung der Kommutatorhintermaschine fließenden
Erregerströmen erfolgen. Da sich der resultierende Erregerstrom viel schneller als
die Drehzahl ändert, kann hierbei der für die Umschaltung richtige Zeitpunkt mit
größerer Genauigkeit als bei Beobachtung der Drehzahl erfaßt werden.
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In Abb. 2 stellt die Strecke S-A diejenige Durchflutung der Erregermaschine
5 (Abb. I ) dar, die beim Schlupf OS eine der Schlupfspannung des Induktionsmotors
entgegengesetzt gleiche Spannung in der Kommutatormaschine 3 erzeugen würde. Bei
wechselndem Schlupf OS wandert A auf der Geraden a.. Strecke S-B und
Gerade b geben die wirkliche resultierende Durchflutung der Erregermaschine 5 bei
einer von der Drehzahl abhängigen Charakteristik, wobei der Leerlaufschlupf OSo
ist. Die Durchflutung SB ist gleich der Differenz aus der Durchflutung SB1 der Erregerwicklung
6 und der Durchflutung B, B der Erregerwicklung B. Mit wechselndem Schlupf wandert
B, auf der Geraden b,. Gerade c (parallel zu a) stellt schließlich
die resultierende Durchflutung der Erregermaschine 5 bei einer von der Drehzahl
unabhängigen Charakteristik in Abhängigkeit von der Schlüpfung dar. Die Durchflutung
der Wicklung 6 allein wird in diesem-Falle durch die Ordinaten der Geraden a, die
der Wicklung 8 allein durch die Ordinatendifferenz der Geraden a und c dargestellt.
In anderem Maßstab stellen die verschiedenen Durchflutungen zugleich die Erregerströme
dar. Das Drehmoment des Induktionsmotors ist bei beliebiger Schlüpfung proportional
der Ordinatendifferenz der Geraden a und b bzw. a und c. Unter den Annahmen gemäß
der Abb.2 geben die von der Drehzahl abhängige und die von der Drehzahl unabhängige
Charakteristik also beim Schlupf OS die gleiche Leistung des Induktionsmotors.
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Ist nun die Leistung festgelegt, welche der Induktionsmotor unmittelbar
nach der Rückschaltung auf eine von der Drehzahl abhängige Charakteristik abgeben
soll, so kann nach Abb. 2 der Wert der Schlüpfung bestimmt werden, bei dem die Ordinatendifferenz
der Geraden a und b dieser Leistung entspricht. Aus der Schlüpfung folgt zugleich
der Wert der Erregerströme. Ist diese Schlüpfung z. B. OS, so hat der Strom der
Wicklung 6 (Abb. I) in dem für die Rückschaltung richtigen Zeitpunkt den Wert SA;
die Rückschaltung kann also in Abhängigkeit vom Wert dieses Erregerstromes durchgeführt
werden.
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Genauer kann der Augenblick der Rückschaltung erfaßt werden, wenn
nicht der Strom in der Wicklung 6, sondern der in einen getrennten Widerstand 13
(Abb. I) fließende Strom zur Bestimmung des Zeitpunktes der Umschaltung verwendet
wird, wobei der Kreis des Widerstandes 13 eine »Abbildung« des Kreises des
Widerstandes bei einer von der Drehzahl unabhängigen Charakteristik darstellt. Eine
Abbildung der Wicklung 6 ist unnötig, solange ihr Widerstand vernachlässigbar gegen
den Widerstand 7 ist. Hat der Widerstand 13 den m-fachen Wert des Widerstandes 7,
so ist der abgebildete Strom 1 des Stromes der Wicklung 6. Wird nun über den im
Widerstand 13 fließenden Strom ein entgegengerichteter Strom gleicher Frequenz
überlagert, der konstant und gleich dem Strom des Widerstandes 13 in dem
für die Rückschaltung richtigen Zeitpunkt ist, so geht der aus beiden resultierende
Strom in diesem Zeitpunkt unter Richtungsänderung durch Null; der Zeitpunkt der
Rückschaltung kann also sehr genau erfaßt werden. Dieser überlagerte Strom wird
nach Abb. i von einer entsprechend eingestellten Kommetatorbürste des Frequenzumformers
io abgenommen und über einen Widerstand 14 geleitet, der so bemessen ist, daß sein
Strom beim Schlupf OS (Abb. 2) entgegengesetzt gleich dem abgebildeten Wert des
Erregerstromes SA ist. Der aus beiden Strömen resultierende Strom wird nun der einen
Spule 16 eines Relais 15 zugeführt, dessen zweite Spule 17 von einem konstanten
Strom gleicher Frequenz, beispielsweise vom Strom des Widerstandes i-., durchflossen
ist. Wird eine der Spulen 16 und 17 fest, die andere beweglich angeordnet,
so geht in dem für die Rückschaltung gewünschten Zeitpunkt die zwischen beiden wirksame
Kraft von Anziehung in Abstoßung oder umgekehrt über. Der Augenblick der Rückschaltung
kann also jetzt sehr genau erfaßt und die Rückschaltung durch das Relais 15 bewirkt
werden. Dabei muß natürlich der induktive Widerstand der Spulen 16 und 17 klein
gegen den Ohmschen Widerstand 13 und 14 sein.
Diese Widerstände
und das Relais 15 können einphasig oder mehrphasig ausgeführt werden.
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Erfolgt die Speisung der Erregermaschine 5 durch Reihenschaltung zweier
Spannungen, kann beispielsweise der Erfindungsgedanke dadurch verwirklicht werden,
daß ein zum Erregerwiderstand parallel geschalteter Widerstand in Reihe zur Spule
eines Relais liegt, die vom Strom dieses Hilfskreises und einem gegengeschalteten
konstanten Strom gespeist wird.
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In einzelnen Fällen kann es vorteilhaft sein, den Zeitpunkt der Rückschaltung
nicht vom Absolutwert des Erregerstromes SA vor der Rückschaltung, sondern vom Verhältnis
dieses Stromes und des Erregerstromes SB1 nach der Umschaltung oder auch vom Verhältnis
der resultierenden Erregerströme vor und nach der Rückschaltung abhängig zu machen.
Der in den Widerständen 7 und 9 nach der Rückschaltung fließende Strom besteht zwar
vor der Rückschaltung noch nicht. Erfindungsgemäß sollen aber die nach der Rückschaltung
bestehenden Stromkreise der Widerstände 7 und 9, wie oben für den Kreis des Widerstandes
7 erläutert, »abgebildet« und dauernd eingeschaltet werden, so daß der in dem abgebildeten
Kreis fließende Strom dem Erregerstrom nach der Rückschaltung proportional ist.
Der für die- Rückschaltung richtige Zeitpunkt kann nun durch Vergleich der vor der
Rückschaltung wirklich bestehenden Erregerströme oder der nach diesen abgebildeten
Ströme mit den Abbildungswerten der nach der Umschaltung wirklich fließenden Ströme
bestimmt werden.
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Das für die Rückschaltung von einer von der Drehzahl unabhängigen
in eine von der Drehzahl abhängige Charakteristik entwickelte Verfahren kann naturgemäß
auch zur Bestimmung des Zeitpunktes der Umschaltung von einer von der Drehzahl abhängigen
in eine von der Drehzahl unabhängige Charakteristik verwendet werden, doch wird
hier im allgemeinen der für die Umschaltung richtige Zeitpunkt durch einen Leistungsregler
mit größerer Genauigkeit erfaßt werden können. Der Erfindungsgedanke ist auch sinngemäß
anwendbar, wenn die Ströme der Widerstände 7 und 9 nicht, wie in Abb. I angenommen,
Erregerwicklungen der Erregermaschine 5, sondern unmittelbar die Erregerwicklungen
der Kommutatorhintermaschine 3 speisen. Auch wenn die Umschaltung im Erregerkreis
nur dem Zweck dient, die konstant eingestellte Leistung des Hauptmotors zu ändern,
wobei aber die von der Drehzahl unabhängige Charakteristik beibehalten werden soll,
kann die Umschaltung in Abhängigkeit vom Erregerstrom erfolgen. Obwohl dabei ohne
Umschaltung der Hauptmotor mit konstanter, von der Drehzahl unabhängiger Leistung
arbeiten würde, kann durch die Umschaltung jede verlangte Abhängigkeit zwischen
Leistung und Erregerstrom, also auch zwischen Leistung und Schlüpfung erreicht werden.