DE570284C - Verfahren zum Steuern von Asynchronmotoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 14. FEBRUAR 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVl 570284 KLASSE 21 d² GRUPPE 24

Verfahren zum Steuern von Asynchronmotoren

Patentiert im Deutschen Reiche vom 15. Juli IQ27 ab

Für das Abbremsen von Kranlasten wünscht man Motoren zu besitzen, deren Drehmoment bei Geschwindigkeiten zwischen Stillstand oder sogar kleiner Hubdrehzahl und sehr hoher Senkdrehzahl, etwa bis zur doppelten synchronen Drehzahl, in weitem Bereiche und möglichst stetig regelbar ist. Dabei soll der Motor beim Senken im allgemeinen generatorisch, also als Bremse wirken, hier und da aber auch motorisch, wenn z. B. mit dem leeren Kranhaken abwärts gefahren werden muß.

Durch die übliche Anwendung von Läuferwiderständen läßt sich diese Regelung nicht oder nur unvollkommen erreichen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern von Asynchronmotoren, insbesondere für Kranbetrieb, gemäß dem einerseits dem Asynchronmotor ein elliptisches Drehfeld zugeführt und das Stärkeverhältnis der beiden Einphasenkomponenten dieses Drehfeldes geregelt wird, anderseits in den Sekundärstromkreis des Asynchronmotors eingeschaltete Ohmsche Widerstände so geregelt werden, daß der Motor stets auf dem stabilen Ast seiner Drehzahldrehmomentkurve arbeitet.

An sich ist es bereits bekannt, zur Regelung der Drehzahl eines Asynchronmotors diesem zwei in entgegengesetzter Richtung rotierende Drehfelder zuzuführen und die Drehfelder in ihrer gegenseitigen Stärke zu regeln. Bei diesem bekannten Verfahren, das physikalisch der Regelung der gegenseitigen Stärke der beiden Komponenten eines elliptischen Drehfeldes entspricht, fehlt indessen das zweite Merkmal der Erfindung, nämlich die Einschaltung von Ohmschen Widerständen in den Sekundärstromkreis des Motors. Diese Einschaltung von Ohmschem Widerstand hat, wie insbesondere an Hand der Abb. 3 zu erkennen ist, den wesentlichen Vorteil, daß man eine vollkommen stabile Regelung der Drehzahl im gesamten Bereich erzielt, da infolge der Einschaltung von Widerständen die Kurve 1' der Abb. 3 in die Kurve 1 übergeht, die im Gegensatz zur Kurve 1' einen unstabilen Ast nicht mehr besitzt.

Bei der Regelungsdes elliptischen Drehfeldes kann man beispielsweise das Feld in der einen magnetischen Achse — man kann es das Langsieb nennen —konstant auf seinem Maximalwert halten, während das Feld in der senkrecht dazu liegenden magnetischen Achse — man kann es das Querfeld nennen — von seinem Maximalwert in der einen Richtung ausgehend, bei gewöhnlichem motorischem Lauf des Motors in einer Richtung, kleiner und kleiner gemacht wird, schließlich durch Null geht, nach der anderen Richtung ansteigt, bis es den Maximalwert entgegengesetzter Richtung erreicht hat. Die Drehrichtung des Feldes ist nunmehr die umgekehrte. Durch die Variation dieses Querfeldes vom positiven bis zum negativen Maximum wird sowohl das Drehmoment wie auch die Drehfeldrichtung geregelt, und es ist hier-

*) Von dem Patent sucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr.-Ing. Dr.-Ing. e. h. Reinhold Rüdenberg in Berlin-Grunewald.

durch möglich, dem Motor innerhalb bestimmter Grenzen unter entsprechender Einstellung de? Läuferwiderstandes bei jeder Drehzahl jedes gewünschte Drehmoment zuzuordnen. In Abb. ι ist die einfachste Schaltung eines derartigen Motors, eine Zweiphasenwicklung mit um 90 ° phasenverschobenen Wicklungen, dargestellt. Die Längsfeldwicklung wird mit der festen Spannung E gespeist, die Querfeldwicklung mit der variablen Spannung e. Wird deren Wert vom Betrage E allmählich verkleinert, vielleicht auf ²I₃E, ¹J₃E₁O, — ¹IsE, —²I_SE, —E, so entstehen dieser Spannung entsprechende Querfeldstärken im Motor, die immer um 90 ° phasenverschoben zur konstanten Spannung E sind und daher aufeinanderfolgend elliptische Drehfelder von einer Form erzeugen, wie sie in Abb. 2 mit den Zahlen 1 bis 7 gekennzeichnet sind. Die Umlaufrichtung des Drehfeldes ist in Abb. 2 durch Pfeile angedeutet. Man sieht, daß beim Durchgang der einen Komponente des Drehfeldes durch Null die Umlaufrichtung des Drehfeldes wechselt.

Im Gegensatz zu kreisförmigen Drehfeldern ergeben nun diese elliptischen Drehfelder Drehmomentkurven, deren Leerlaufsdrehzahl zwischen Stillstand und voller synchroner Drehzahl liegt. Sie sind für einen Motor mit erheblichem Läuferwiderstand in Abb. 3 eingetragen, und zwar mit denselben Zahlen, wie sie zu den Drehfeldern der Abb. 2 gehören. Die Abszisse des Diagramms der Abb. 3 stellt von dem Punkt ο nach links und nach rechts die Drehzahl des Motors in beiden Richtungen dar. Die Punkte oj, -o) bedeuten die beiden synchronen Drehzahlen. Die Ordinate des Diagramms stellt das vom Motor entwickelte Moment, und zwar nach oben das motorische Moment, nach unten das abbremsende Moment, dar. Während auf Stufe ι das kreisförmige Drehfeld in einer Drehrichtung und auf Stufe 7 das gleiche in der anderen Drehrichtung vorhanden ist, vermitteln die elliptischen Drehfelder den Übergang zwischen beiden Drehmomentkurven gerade so, wie es für einen guten Senkbremsbetrieb erwünscht ist. Wird der Läuferwiderstand verkleinert, so verändern sich nicht nur die Grenzkurven ι und 7 in bekannter Weise, wie es für Kurve ι gestrichelt dargestellt ist, sondern auch die Drehmomentkurven der elliptischen Drehfelder verändern sich entsprechend und liegen immer zwischen den Grenzkurven für vollen Rechts- und Linksbetrieb mit kreisförmigem Felde.

Man erkennt, daß man mit dieser Anordnung nicht nur zwischen der positiven und negativen synchronen Drehzahl arbeiten kann, sondern daß man auch erheblich über die negative synchrone Drehzahl hinausgehen kann, falls ein erhebliches generatorisch wirkendes Senkmoment zu Gebote steht, wobei man doch den Motor bei jeder beliebigen Geschwindigkeit in gut stabilem Betriebe halten kann, so daß die Gefahr des Durchgehens nicht vorhanden ist. Hand in Hand mit der Spannungsregelung muß, wie eingangs angedeutet, eine entsprechende Widerstandsregelung im Läuferkreis gehen; man erhält durch diese gemeinsame Regelung einen außerordentlich weiten und feinen Regelbereich.

Die Herstellung und Regelung des elliptischen Drehfeldes im Motor läßt sich in verschiedener Weise bewerkstelligen. Im folgenden sind an Hand der Abb. 4 bis 7 der Zeichnung einige Beispiele angegeben. Bei der Anordnung nach Abb. 4 ist die Ständerwicklung des zu regelnden Motors zweiphasig ausgeführt. Die beiden Phasen 8 und 9 werden über einen Scottschen Transformator von einem Dreiphasennetz aus gespeist. Von den beiden aufeinander senkrecht stehenden Phasen 10 und 11 des Scottschen Transformators ist die Phase 11 regelbar ausgebildet, und zwar derart, daß die der Motorphase 8 zugeführte Spannung sowohl in der Stärke als auch in der Richtung geregelt werden kann.

Die Anordnung nach Abb. 5 bedeutet insofern eine Vereinfachung, als auch die Motorwicklung dreiphasig ausgeführt ist und man mit der Zwischenschaltung eines regelbaren Einphasentransformators auskommt. Die Motorwicklung ist in-Stern geschaltet; die äußeren Enden der Phasen 12 und 13 und der Sternpunkt sind an die drei Leitungen des Dreiphasennetzes angeschlossen. Zwischen dem Sternpunkt und der zugehörigen Netzleitung ist der in Sparschaltung ausgeführte regelbare Einphasentransformator 14 geschaltet. Die dritte Phase 15 der Motorwicklung wird nun von diesem Transformator aus gespeist. Da bekanntlich die resultierenden Spannungen der Phasen 12 und 13 und die Spannung der Phase 15 auf einander senkrecht stehen, so läßt sich auch mit dieser Schaltung das Verfahren gemäß der Erfindung durchführen.

Die Anordnung nach Abb. 5 hat noch den Nachteil, daß die Spannung des Verbindungspunktes der beiden Phasen 12 und 13 nicht vollkommen festliegt. Bei der Anordnung nach Abb. 6, bei der die dreiphasige Motorwicklung wieder an ein Dreiphasennetz angeschlossen ist, besitzt dieses Dreiphasennetz noch einen Nullleiter 16, der mit dem Sternpunkt der Motorwicklung verbunden ist. Die eine Phase 15 der Motorwicklung wird unter Zwischenschaltung des regelbaren Spartransformators 14 von dem Nulleiter und einem Phasenleiter gespeist. Die Spannung an den beiden Enden der Phasen 12 und 13 bestimmt sowohl in Abb. 5 wie in Abb. 6 das Längsfeld des Motors. Die Spannung der Phase 15 bestimmt sein Querfeld.

Die Herausführung des Nullpunktes des

Netzes in Abb. 6 erfordert bei Kranen eine vierte Schleifleitung. Will man sie vermeiden, so kann man dem zu regelnden Motor außer dem Reguliertransformator noch eine dreisphasige Drosselspule 17 beigeben, die einen künstlichen Sternpunkt des Systems schafft, wie in Abb. 7 dargestellt ist. Diese Drosselspule kann auf einem ihrer Schenkel unmittelbar die zur Einstellung des Ouerfeldes dienende Regulierwicklung 18 besitzen. Zur Wegdämpfung von Oberwellen dreifacher Frequenz besitzt die Drosselspule noch eine in Dreieck geschaltete Hilfswicklung ig.

Selbstverständlich ist es an sich nicht nots wendig, das zu regelnde Querfeld des Motors von einem regelbaren Transformator aus zu speisen. Unter Umständen genügt bereits die Zwischenschaltung von regelbaren Ohmschen oder induktiven Widerständen, womit ebenfalls die der Ouerfeldwicklung zugeführte Spannung in der Größe beeinflußt werden kann. Statt die den einzelnen Wicklungen des Motors zugeführten Spannungen zu regeln, kann man umgekehrt die beiden aufeinander senkrecht stehenden Wicklungen umschaltbar einrichten oder sie auch mit Anzapfpunkten versehen. Je nach der Anzahl der in den beiden Motorwicklungen hintereinandergeschalteten Windungen ändern sich auch die beiden Komponenten des elliptischen Drehfeldes.

Die Wirkungsweise der hier beschriebenen Motoren ist — selbst in der Schaltstellung, in der die Ouerfeldwicklung die Spannung Null erhält — wesentlich verschieden von der Wirkungsweise der gebräuchlichen Einphasenmotoren. Denn bei diesen kann sich durch die Wirkung der Läuferwicklung ein freies Querfeld ausbilden, dessen Größe von der Drehzahl, dem Drehmoment, den Läuferwiderständen usw.

abhängig ist. Hier dagegen ist ein erzwungenes Querfeld vorhanden, dessen Größe stets durch die an der Ouerfeldwicklung liegende Spannung bestimmt ist und von außen eingestellt werden kann. Erst durch die Verwendung dieses erzwungenen einstellbaren Ouerfeldes zur Erzielung eines für jede Stellung bestimmt vorgeschriebenen elliptischen Drehfeldes im Motor kann gemeinsam mit der Regelung des Läuferwiderstandes erreicht werden, daß der Motor bei jedem beliebigen Drehmoment auf jede beliebige Drehzahl stabil und sicher eingestellt werden kann.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zum Steuern von Asynchronmotoren (insbesondere für Kranbetrieb), dadurch gekennzeichnet, daß einerseits dem Asynchronmotor ein elliptisches Drehfeld zugeführt und das Stärkeverhältnis der beiden Einphasenkomponenten dieses Drehfeldes geregelt wird, andererseits in den Sekundärstromkreis des Asynchronmotors eingeschaltete Ohmsche Widerstände so geregelt werden, daß der Motor stets auf dem stabilen Ast seiner Drehzahldrehmomentkurve arbeitet.
2. 2. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei aus einem Drehstromnetz gespeisten Zweiphasenmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Motorwicklung und dem Netz ein Scottscher Transformator geschaltet ist, an dem mindestens die eine der beiden aufeinander senkrechten Spannungen regelbar ist.
3. 3. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei dreiphasig in Stern geschalteten Motoren, dadurch gekennzeichnet, daß von der Motorwicklung die äußeren Enden zweier Phasen und der Stempunkt, letzterer unter Zwischenschaltung eines zweckmäßig in Sparschaltung ausgeführten regelbaren Transformators, an die drei Leitungen eines Dreiphasennetzes angeschlossen sind, während die dritte Phase der Motorwicklung von dem genannten Transformator gespeist wird.
4. 4. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei an ein Drehstromnetz mit Nulleiter angeschlossenen, in Stern geschalteten Drehstrommotoren, dadurch gekennzeichnet, daß eine der drei Phasen der Motorwicklung von einem zweckmäßig in Sparschaltung ausgeführten regelbaren Transformator gespeist wird, der primärseitig an die zugehörige Netzphase und an den Nulleiter angeschlossen ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4 für an ein Drehstromnetz ohne Nulleiter angeschlossene, in Stern geschaltete Drehstrommotoren, gekennzeichnet durch eine dreiphasige, in Stern geschaltete Drosselspule, die zweckmäßig in der Nähe der Motorwicklung an das Dreiphasennetz angeschlossen ist und deren Sternpunkt mit dem Sternpunkt der Motorwicklung verbunden ist.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule auf einem ihrer Schenkel eine regelbare Wicklung zur Speisung der die regelbare Komponente des Drehfeldes erzeugenden Motorwicklung besitzt.
7. 7." Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Stärke der beiden Einphasenkomponenten des Drehfeldes durch Umschaltung der zugehörigen Wicklungen erfolgt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen