DE500532C - Kommutierungsregelungsverfahren fuer mit Wendepolen versehene Wechselstromkollektormotoren zum Antrieb von Arbeitsmaschinen, deren Drehmoment mit abnehmender Drehzahl faellt - Google Patents

Description

Für mehrphasige Wechselstromkollektormotoren derzeitiger Bauart und Regelweise beträgt die ausführbare Höchstleistung bei 50 Per./sek. an den Motorkkmmm rund 50 kW je Polpaar. Diese Grenze ist für viele Betriebe mit regelbarer Drehzahl viel zu niedrig, konnte aber bisher nicht überschritten werden, weil es noch nicht gelungen ist, die sogenannte transformatorische Funkenspannung in ihrer schädlichen Wirkung auf die Kommutierung bei allen Betriebsdrehzahlen zu unterdrücken. Die Erfindung ermöglicht nun, diese Funkenspannung bei Wechselstromkollektormotoren, die zum Antrieb von Ventilatoren, Kreiselpumpen und ähnlichen Arbeitsmaschinen dienen, bei allen, und zwar auch bei kleinen Drehzahlen zu unterdrücken. Auf diese Weise wird es möglich, die obengenannte Leistungsgrenze bei Ventilatoren-

u. dgl. Antrieben um ein Vielfaches zu überschreiten. Durch diese Kommutierungsverbesserung wird gleichzeitig ermöglicht, die Kollektorspannung solcher Motoren weit über den heute zulässigen Höchstwert zu erhöhen, wodurch sowohl der Kollektorpreis als auch die Kollektorverluste bedeutend erniedrigt werden.

Die Kommutierung von Wechselstromkollektormotoren zum Antrieb von Ventilatoren, Kreiselpumpen und ähnlichen Arbeitsmaschinen wird der Erfindung gemäß dadurch verbessert, daß unter Aufrechterhaltung der zur Unschädlichmachung der Funkenspannungen notwendigen Phase und Größe der Wendefelder die durch die Bekämpfung der transformatorischen Funkenspannung veranlaßte Überlastung der Wendepoleinrichtung beseitigt wird durch eine mit der Drehzahländerung gleichsinnige Änderung des Motorhauptfeldes.

Die Wirkungsweise der Erfindung sei an Hand der bekannten Beziehung erläutert, die zwischen der Hauptfeldstärke B_H, der Stärke des gegen das Hauptfeld in der Phase um 90⁰ verschobenen Wendefeldes B_w, der Netzfrequenz / und der Ankerfrequenz h besteht, wenn die transformatorische Funkenspannung durch Rotation der kommutierten Spule im phasenverschobenen Wendefeld genau aufgehoben ist. Diese Beziehung lautet:

Bh

7"

(I)

Als Ankerfrequenz h ist hierbei die Frequenz jener Spannung zu verstehen, die in einer Windung des Ankers entsteht, wenn sich derselbe in einem Gleichstromfeld dreht. h ist somit proportional der Ankerdrehzahl.

Mit den bisher bekannten Bau- und Regelweisen von Mehrphasenkollektormotoren ist es bei kleinen Drehzahlen überhaupt nicht möglich, die Beziehung 1 zu erfüllen. Beim

Reihenschlußmotor mit Drehzahlregelung durch Bürstenverschiebung wird die Drehzahlerniedrigung bekanntlich durch Verstärkung des Hauptfeldes bewirkt. B_n steigt

also, wenn h sinkt. Der Wert von

Bh

_h steigt

mithin mit abnehmender Motordrehzahl sehr rasch so hoch an, daß die für richtige Kommutierung erforderliche Wendefeldto stärke B_w (die Netzfrequenz f ist ja konstant) zufolge der Überlastung der Wendepoleinrichtung gar nicht erzeugt werden kann. Beim Nebenschlußmotor heutiger Bau- und Regelweise wird das Hauptfeld konstant

erhalten. Der Wert von —- wird also bei

kleinen Drehzahlen auch hier so groß, daß die erforderliche Wendefeldstärke Βψ nicht herstellbar ist.

Verringert man aber der Erfindung gemäß bei fallender Drehzahl, also bei fallendem Werte von h, die Hauptfeldstärke B_n, so ist

es möglich, dem Ausdrucke -~- solche Werte

zu geben, daß die zur Aufrechterhaltung einer für die Bekämpfung der Funkenspannungen geeigneten Wendefeldstärke B_w bei allen Betriebsdrehzahlen erzeugbar wird. Einen Sonderfall der Erfindung bildet hierbei eine der Ankerfrequenz h proportionale Änderung von B_n. Für diesen Fall bleibt B_w bei allen Motordrehzahlen konstant. Diesen Umstand nutzt die Erfindung aus, um die Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Kommutierungsregelungsverfahrens zu vereinfachen.

Die erfindungsgemäße gleichzeitige Änderung von Drehzahl und Hauptfeld im selben Sinne bedingt die Anwendung der Spannungsregelung für die Drehzahlregelung. Die Drehzahlregelung durch Bürstenverschiebung wäre übrigens wegen der zur Ausführung der Erfindung notwendigen Wendepple unzulässig.

Die Verringerung der Hauptfeldstärke zum Zwecke der Kommutierungsverbesserung ist beim Anlauf von einphasigen Wechselstrombahnmotoren schon versucht worden. Die Feldschwächung im Augenblicke des

g₀ größten Drehmomentes zieht aber so große andere Nachteile nach sich, und die mit den damaligen Hilfsmitteln erzielbare Kommutierungsverbesserung war so gering, daß diese Methode bei einphasigen Motoren als unvorteilhaft verlassen wunde.

Es wurde nun erkannt, daß eine bei den bisher angewendeten Regelverfahren immer als nachteilig empfundene Betriebseigenschaft der Ventilatoren, Kreiselpumpen und ähnlichen Arbeitsmaschinen dazu ausgenutzt werden kann, Wechselstromkollektormotoren zum Antrieb dieser Arbeitsmaschinen außerordentlich zu vervollkommnen. Die bekannte Eigenschaft der Ventilatoren, Kreiselpumpen usw., ein Drehmoment zu entwickeln, das sich stark und im gleichen Sinne wie die Drehzahl ändert, gestattet nämlich die genaue Anwendung der vorhin besprochenen erfindungsgemäßen Kommutierungsverbesserung auf die antreibenden Kollektormotoren bei allen Drehzahlen, und zwar ohne nachteilige Nebenerscheinungen selbst bei ganz kleinen Drehzahlen. Im Sonderfalle eines Ventilators zur Überwindung eines unveränderlichen Luftwiderstandes ändert sich das erforderliche Antriebsdrehmoment (sehr angenähert) proportional dem Quadrate der Drehzahl. Wird bei einem Motor zum Antrieb eines solchen Ventilators die Hauptfeldstärke mit abnehmender Drehzahl z. B. proportional der Drehzahl geschwächt, so sinkt zufolge des quadratisch sinkenden Drehmomentes auch der Strom proportional der Drehzahl. Eine selbst sehr weitgehende, gemäß der Erfindung vorgenommene Verminderung des Hauptfeldes wird also bei einem solchen Ventilatorbetrieb sogar von einer Stromverminderung begleitet und nicht etwa von einem Stromanstieg, wie dies in unzulässig hohem Grade bei Motoren für mehr oder minder schweren Anlauf schon bei verhältnismäßig geringen Feldschwächungen der Fall ist.

Es läßt sich nun mathematisch ableiten, daß die bei bloßer Rücksichtnahme auf Kommutierungsfehler ausführbare Höchstleistung L_m eines Kollektormotors gegeben ist durch die folgende Beziehung:

L_1n — C₁

Kl

(B_H.f—B_w-h)„r

(2)

Hierin bedeuten C₁ eine Maschinenkonstante, h_m den im Betrieb auftretenden Höchstwert der Ankerfrequenz h und {B_H · f — B_W'h)_m den im Betrieb auftretenden Höchstwert der in Klammer stehenden Differenz.

Sind die Vorbedingungen der Beziehung 1 erfüllt, so wird die in der Klammer stehende no Differenz gleich Null, d. h. je kleiner die Kommutierungsfehler werden, desto kleiner wird der in Formel 2 enthaltene Klammerausdruck und desto größer die ausführbare Höchstleistung L_m. Da es nun mit Hilfe der n₅ erfindungsgemäßen Regelung möglich ist, die Beziehung 1 bei allen Betriebsdrehzahlen von Ventilatoren, Kreiselpumpen u. dgl. zu erfüllen, wäre es gemäß Beziehung 2 möglich, Kollektormotoren von beliebiger Leistung zum Antrieb dieser Art von Arbeitsmaschinen zu bauen. Mit anderen Worten: Die

erfindungsgemäße Regelung befreit Wechselstromkollektor motor en, die zum Antrieb von Ventilatoren, Kreiselpumpen und ähnlichen Arbeitsmaschinen dienen, vollständig von der bisher bestandenen Fessel der transformatorischen Funkenspannung. Es erübrigen sich für diese Art von Elektromotoren nur mehr dieselben Grenzen, die für Gleichstrommaschinen gelten, das sind die mechanische Festigkeit des Materiales und die außerhalb der Kommutierungszone auftretende Lamellenspannung.

Aus der erfindungsgemäßen Regelung ergibt sich noch der weitere Vorteil großer Freiheit in der Wahl der Kollektorspannung. Für die höchstzulässige Klemmenspannung E_m großer Kollektormaschinen ohne Zwischentransformator gilt (unter Berücksichtigung der mechanischen Grenzen im Kollektorbau) die Beziehung:

-C)H Oo ,,,

B Η,,,

■f-B_w.

(3)

Darin bedeuten C₂ eine durch die mechanischen Grenzen im Kollektorbau bestimmte Konstante und B_Hm die Stärke des Hauptfeldes bei größter Motordrehzahl.

Die Beziehung 3 sagt, daß man bei den gemäß der Erfindung gebauten, geregelten und verwendeten Kollektormotoren auch bei der Wahl der Kollektorspannung von der Fessel der transformatorischen Funkenspannung vollständig befreit ist, da man den Nenner der rechten Seite dieser Gleichung beliebig klein machen kann.

Als Vorteil des bereits genannten Sonderfalles der Proportionalität zwischen Hauptfeld und Drehzahl sei die Konstanz der Wendefeldstärke B_w hervorgehoben, da in diesem Falle die Einrichtungen zur genauen Erzeugung des für die Funkenbekämpfung geeigneten Wendefeldes sehr einfach ausfallen.

In Abb. ι ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeichnet. In dieser Abbildung bedeuten 1 den Anker des Wechselstromkollektormotors, der eine Schiffsschraube 2 antreibt. Der Motor besitzt die Kompensationswickelung 3, die Hauptfelderregerwickelung 4 und die Wendefelderregerwickelung 5. Der Ankerstrom des Motors, der vom Generator 6 erzeugt wird, durchfließt außer der Anker- \vickelung 1 und der Kompensationswickelung 3 des Motors noch die Wickelung 9 des Generators 8. Der die Hauptfelderregerwickelung 4 des Motors durchfließende Strom wird vom Generator 7 und der die Wendepolwickelung 5 des Motors durchfließende Strom vom Generator 8 erzeugt. Die drei Wechselstromgeneratoren 6, 7 und 8 müssen selbstverständlich genau gleiche Periodenzahlen besitzen, was z. B. durch Aufkeilen ihrer Rotoren auf eine gemeinsame Welle erzielt werden kann. Der Übersichtlichkeit wegen wurde die Abb. 1 einphasig gezeichnet. Diese Darstellung gilt natürlich sinngemäß auch für' Mehrphasenstrom.

Soll mit der in Abb. 1 dargestellten Anordnung die erfindungsgemäße Regelung derart durchgeführt werden, daß sich die Motordrehzahl proportional mit dem Motorfeld ändert, so muß die Wirkspannung des Generators 6, da ja die im Motor induzierte Wirkspannung dem Produkte aus Motorfeld mal Motordrehzahl proportional ist, proportional mit dem Quadrate der Motordrehzahl geändert werden. Die phasenverschobene Komponente B_w des durch Wickelung 5 erzeugten Wendefeldes hat dann konstant zu bleiben. Dies tritt ein, wenn man die Erregung des Generators 8 konstant läßt. Die vom Kollektorstrom durchflossene Wickelung 9 des Generators 8 wirkt hierbei als Kompoundwickelung zur Erzeugung der für die Stromwendung erforderlichen Reihenschlußkomponente des Wendefeldes.

Die Anordnung gemäß Abb. 1 wirkt genau wie eine Leonardschaltung. Es ist damit auch ein Reversierbetrieb möglich. Man braucht zu diesem Zwecke nur z. B. das go Motorfeld umkehren, was man sehr einfach durch Umkehrung der Erregung des Generators 7 bewirken kann. Bei längerer Fahrt mit höherer Drehzahl in umgekehrter Richtung wird man bei mehrphasigen Anlagen den Drehsinn der Motorfelder ebenfalls umkehren, um an Eisenverlusten zu sparen.

Wird der der Erfindung gemäß zu bauende und zu regelnde Wechselstromkollektormotor aus einem Netz konstanter Spannung gespeist, so bietet die Reihenschlußerregung vor der Nebenschlußerregung den Vorteil der einfacheren Schalteinrichtung. In der Abb. 2 ist daher noch eine Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt, bei weleher der Wechselstromkollektormotor Reihenschlußerregung besitzt. In dieser Abbildung bedeuten 1 den Anker, 3 die Kompensations-, 5 die Wendepolwickelung, und 11 und 12 Teilspulen der unterteilten Hauptfelderreger- no Wickelung des Motors. 13, 14 und 15 sind Schalter, mit deren Hilfe die erfindungsgemäße Regelung der Motorklemmenspannung bewirkt wird. 16 bis 21 stellen Sekundärwickelungen und 22 die Primärwickelung des speisenden -Transformators dar. Der Übersichtlichkeit halber wurden nur jene sekundären Transformatorwickelungen gezeichnet, die nur zu der einen gezeichneten Phase des mehrphasigen Kollektormotors gehören.

Zwecks leichterer Erklärung der Vorgänge

in einem Reihenschlußmotor, dessen Kommutierung gemäß der Erfindung geregelt wird, sei der Fall angenommen, daß sich das Drehmoment des Reihenschlußmotors genau proportional dem Quadrate seiner Hauptfeldstärke andere. Als von diesem Motor angetriebene Arbeitsmaschine sei wieder der Sonderfall eines Ventilators gewählt, dessen Drehmomentaufnahme sich proportional dem ίο Quadrate der Drehzahl ändert. Unter diesen vereinfachenden Annahmen bewirkt eine Änderung der Motorklemmenspannung eine Drehzahländerung des Regelaggregates und gleichzeitig im Motor eine der Drehzahländerung proportionale Hauptfeldänderung. Eine zweite von der Einrichtung zur Regelung der Drehzahl gesonderte Schalteinrichtung zur Einstellung der erforderlichen Größe des Motorhauptfeldes, wie sie bei An-Ordnung nach Abb. 1 benötigt wird, entfällt somit im gewählten Sonderfall.

Bei Proportionalität zwischen Motordrehzahl und Motorhauptfeld hat laut Beziehung 1 die phasenverschobene Komponente des Wendefeldes konstant zu bleiben, wenn Kommutierungsfehler vermieden werden sollen. Demzufolge ist bei der in Abb. 2 gezeichneten Anordnung die Wendefeldwickelung 5 mit sekundären Transformatorwickelungen 20 und 21 von geeigneter Phasenzusammensetzung ohne Zuhilfenahme von Regelkontakten verbunden.

Die Konstanz des Wendefeldes allein genügt jedoch nicht für fehlerfreie Kommutierung. Es muß außerdem noch die Phase des Wendefeldes gegenüber der Phase des Motorhauptfeldes ständig um 90⁰ verschoben bleiben. Da sich nun der Leistungsfaktor eines Wechselstromkollektormotors von Null bei Anlauf bis ungefähr 1 bei voller Drehzahl ändert, müssen noch Vorkehrungen getroffen werden, damit die mit fortschreitender Drehzahlregelung eintretende starke Phasenverdrehung des Motorstromes und damit des Motorfeldes gegenüber der Motorklemmenspannung nicht eine unbrauchbare Phasenlage zwischen dem Motorhauptfeld und dem von der Wickelung 5 erzeugten Wendefeld verursacht. Der Erfindung gemaß wird daher zwecks Vermeidung besonderer Schalteinrichtungen zur Aufrechterhaltung einer für die Bekämpfung der Funkenspannungen geeigneten Einstellung der Wendefeldphase gleichzeitig mit der Änderung der Klemmenspannung eine geeignete andere Wahl der Phase dieser Spannung vorgenommen. Die Anschlüsse der Wendefeldwickelung 5 an die Transformatorwickelungen 20 bis 21 können dann ungeändert gelassen werden. Die Zuleitung des Schalters 14 führt daher zu einem Anschlußpunkt der sekundären Transformatorwickelungen, der nicht allein höhere Spannung, sondern auch eine andere Phase besitzt wie der zum Schalter 13 gehörige Anschlußpunkt der sekundären Transformatorwickelung.

Soll die erfindungsgemäße Regelung an einem einphasigen Kollektormotor vorgenommen werden, der aus einem Einphasennetz konstanter Spannung gespeist wird, so muß, um die Phasenverschiebung von 90⁰ zwischen Haupt- und Wendefeld bei niedriger Drehzahl zu erreichen, eine Stromquelle geschaffen werden, deren Spannungsphase gegen jene der Netzspannung verschoben ist. Mittel zur Erzeugung solcher Stromquellen sind bekannt und daher nicht Gegenstand vorliegender Erfindung.

Die für die Stromwendung erforderliche, dem KoUektorstrom proportionale und phasengleiche Komponente des Wendefeldes kann auch bei konstanter Netzspannung auf irgendeine bekannte Weise erzeugt werden. Bei der Anordnung nach Abb. 2 wird sie durch den die Wendepolwickelung 5 durchfließenden KoUektorstrom selbst unter Zuhilfenahme der bekannten Einschaltung einer Drosselspule 10 in den Stromkreis der Wendepolwickelung 5 zustande gebracht.

Die Proportionalität zwischen dem Motordrehmoment und dem Quadrate der Hauptfeldstärke ist beim Reihenschlußmotor in Wirklichkeit nicht vorhanden. Auch die Proportionalität zwischen dem Quadrate der Drehzahl und dem verbrauchten Drehmoment bildet nicht den Normalfall bei Ventilatoren, Kreiselpumpen u. dgl. Maschinen. Will man trotzdem in den meist vorkommenden Fällen, in denen die Änderungsgesetze nicht so einfacher Art sind, die vorteilhafte Proportionalität zwischen Drehzahl und Hauptfeld bei allen Drehzahlen eines Reihenschlußmotors aufrechterhalten, so muß man mit der Änderung der Klemmenspannung gleichzeitig eine Änderung der Erregerwindungszahl vornehmen.

Zufolge der Einschaltung der Erregerwickelung' in den Kreis des Kollektorstromes ist es nun möglich, nicht allein die Phase und Größe der Klemmenspannung, sondern auch noch die Zahl der Erregerwindungen mit Hilfe eines einzigen Schalters je Stufe und Phase zu regeln. Wie aus Abb. 2 ohne weiteres ersichtlich ist, wird durch Öffnen des Schalters 14 und darauffolgendes Schließen des Schalters 15 sowohl Größe und Phase der Klemmenspannung als auch die Erregerwindungszahl am Motor geändert. Eine gesonderte Schalteinrichtung zur Regelung des Motorhauptfeldes, wie sie bei Nebenschlußerregung nötig wäre, ist somit auch bei genauer Erfüllung der Beziehung 1 trotz Kon-

stanthaltung der Wendefeldkomponente zur Bekämpfung der transformatorischen Funkenspannung bei der in Abb. 2 dargestellten, auf einen Reihenschlußmotor angewendeten erfindungsgemäßen Regeleinrichtung nicht erforderlich.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   ίο r. Kommutierungsregelungsverfahren

   für mit Wendepolen versehene Wechselstromkollektormotoren zum Antrieb von Arbeitsmaschinen, deren Drehmoment sich mit der Drehzahl im gleichen Sinne ändert, dadurch gekennzeichnet, daß unter Aufrechterhaltung <der zur Unschädlichmachung der Funkenspannungen notwendigen Phase und Größe der Wendefelder die durch die Bekämpfung der transformatorischen Funkenspannung veranlaßte Überlastung der Wendepoleinrichtung beseitigt wird durch eine mit der Drehzahländerung gleichsinnige Änderung des Motorhauptfeldes.

   as 2. Kommutierungsregelungsverfahren

   nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichsinnige Änderung von Hauptfeld und Drehzahl durch gleichsinnige Änderung der den Hauptfelderregerstromkreisen und der den Kollektorstromkreisen aufgedrückten Spannungen erfolgt.

   3. Kommutierungsregelungsverf ahraa nach den Ansprüchen ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Motorhauptfeldstärke durch Regelung sowohl der den Hauptfelderregerstromkreisen aufgedrückten Spannungen als auch der Hauptfelderregerwindungszahl bewirkt wird.

   4. Kommutierungsregelungsverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptfeldstärke mit der Motordrehzahl proportional geändert wird.

   5. Kommutierungsr egelungsver fahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendefeldkomponente zur Bekämpfung der transformatorischen Funkenspannung konstant aufrechterhalten wird.

   6. Kommutierungsregelungsverf ahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Kollektor-

   Stromkreis reduzierte Summe der den Motoren aufgedrückten Wirkspannungen dem Quadrate der Motordrehzahl proportional geändert wird.

   7. Kommutierungsregelungsverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufrechterhaltung der Wendefeldphase notwendige Änderung der Phasenwinkel zwischen Spannung an der Wendepol Wickelung einerseits und Spannungen an der Hauptfeldwickelung und am Kollektorstromkreis andererseits durch Phasenveränderung der Spannungen an der Hauptfeldwickelung und am Kollektorstromkreis bewirkt wird.

   8. Regelbetriebsanlage mit Wechselstromkollektormotoren, deren Kommutierung nach dem Verfahren der Ansprüche ι bis 7 geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorstromkreise mit den sie speisenden Stromquellen betriebsmäßig unlösbar elektrisch verbunden sind und die Umsteuerung durch Umkehr entweder der den Kollektorstromkreisen oder der den Hauptfelderregerstromkreisen aufgedrückten Spannungen erfolgt.

   9. Regelbetriebsanlage mit Wechselstromkollektormotoren, deren Kommutierung nach dem Verfahren der An-Sprüche 1 bis 7 geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die notwendige Größe der Wendefelder durch betriebsmäßig unlösbare elektrische Verbindung der Wendepolwickelungen mit ihren Stromquellen aufrechterhalten wird, während die gleichsinnige Änderung von Motorhauptfeld und Drehzahl mit Hilfe von Kontaktreglern zur Regelung der den Hauptfelderregerstromkreisen und der den Kollektorstromkreisen aufgedrückten Spannungen erfolgt.

   10. Kontaktregler zur Durchführung des Kommutierungsregelungsverfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7 und für Regelbetriebsanlagen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Klemmen der Kontaktgeber mit den Spannungsstufen der die Motoren speisenden Stromquellen und die anderen Klemmen der Kontaktgeber mit den Windungsstufen der Motorhauptfeldwickelungen elektrisch verbunden sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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