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Einrichtung zur Nutzbremsung von ventilgesteuerten kollektorlosen
Wechselstromrnotoren Bei ventilgesteuerten kollektorlosen Wechselstrommotoren besteht
die im Ständer untergebrachte Arbeitswicklung aus zwei symmetrischen, in Stern geschalteten
Mehrphasenwicklungen. Die Stromzuführung erfolgt über einen Transformator in den
Sternpunkten der beiden Teilwicklungen; die Ableitung des Stromes erfolgt an den
einzelnen Phasenenden über gesteuerte elektrische Ventile, welche eine gemeinsame
Kathode besitzen können, die mit dem Mittelpunkt der Transformatorwicklung verbunden
ist. Die Feldwicklung oder Erregerwicklung des Motors sitzt auf dem Läufer und kann
fremderregt sein oder in Reihe mit der Arbeitswicklung liegen. Die Ventile werden
nun so gesteuert, daß r. die beiden Teilwicklungen abwechslungsweise je während
einer Halbperiode der Wechselspannung arbeiten und 2. die magnetische Achse der
Ständerarbeitswicklung, welche durch die jeweils brennende Anode-bestimmt ist, mit
der Winkelgeschwindigkeit des Läufers im Raume umläuft.
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Die Steuerung entsprechend der ersten Bedingung kann z. B. so erfolgen,
daß als Steuerspannung eine mit der Netzspannung in Phase befindliche Wechselspannung
verwendet wird. Die der zweiten Bedingung entsprechende Steuerung wird erreicht,
indem z. B. für die Gitter, welche einer Hälfte der Arbeitswicklung zugeordnet sind,
je ein Verteiler verwendet wird, über welchen den Gittern die positiven Spannungsimpulse
zugeführt werden. Damit nun die Ablösung der Anoden, d. h. die Umschaltung des Stromes
von einer Phase der Arbeitswicklung auf die nächstfolgende, mit der der Drehzahl
des Läufers entsprechenden Geschwindigkeit erfolgt, muß die Bürste des Verteilers
mit dem Läufer synchron laufen. Wird .ferner der Verteiler so ausgebildet, daß seine
Kontaktsegmente gegenüber den Phasen der Arbeitswicklung verdreht werden können,
so kann durch Verändern der gegenseitigen Lage von Kontaktsegmenten und Ständerphasen
der Drehsinn des Motors festgelegt sowie die Drehzahl in gewissen Grenzen geregelt
werden. Um eine vollständige Regelung vom Stillstand bis zur Höchstdrehzahl zu erhalten,
muß die dem Motor zugeführte Spannung geregelt werden, was z. B. durch Anzapfungen
am Transformator in Verbindung mit Stufenschaltern ausgeführt werden könnte. Beim
ventilgesteuerten Motor ist es _Spannungsregelung jedoch zweckmäßiger mit und Hilfe
einfacher, der Gitter der die elektrischen Ventile auszuführen. Zu diesem Zwecke
muß eine Einrichtung verwendet werden, die dafür sorgt, daß die Gitter bzw. die
Bürsten der Verteiler nicht während der ganzen Zeit einer Halbperiode der Netzspannung
positive Steuerspannung erhalten, mit anderen Worten: die Brenndauer eines Systems
der Arbeitswicklung muß kleiner gemacht werden als eine Halbperiode der Netzspannung.
Wird nun zur Steuerung der Gitter
z. B. eine mit. der Netzspannung
frequenzgleiche Wechselspannung verwendet, so muß die erwähnte Einrichtung, imstande
sein, nur einen Teil der Steuerspannung heraus-'-zugreifen und den Bürsten der Verteiler
zg- . zuführen. Auf diese Weise wird der Zündpunkt für die beiden Ständerwicklungen
im Beispiel auf die Netzspannungswelle verschoben, wodurch die dem Motor zugeführte
Spannung vom Höchstwert bis auf Null herabgeregelt werden kann. Eine solche Einrichtung,
die gestattet, aus der Steuerspannung .nur einen bestimmten Abschnitt herauszugreifen,
kann z. B. in Form eines Synchronschalters ausgeführt werden; das ist ein synchron
mit der Netzfrequenz umlaufender Kontaktapparat, der während einer gewissen Zeitdauer,
z. B. während einer Halbperiode der Netzspannung, Kontakt macht und während dieser
Zeit die Bürsten der Verteiler mit dem Steuertransformator verbindet. Durch Änderung
der räumlichen Lage von Bürste oder Kontaktsegment des Synchronschalters wird der,
Zeitpunkt, in welchem die Kontaktgabe erfolgt, gegenüber der Netzspannungswelle
verschoben. Ist die gegenseitige Lage von Bürste und Segment z. B. so, daß die Kontaktgabe
nur während der negativen Halbwelle der Netz- bzw. Steuerspannung erfolgt, so bleiben
die Bürsten der Verteiler und damit sämtliche Gitter negativ; d. h. die elektrischen
Ventile sind gesperrt, die dem Motor zugeführte Spannung ist gleich Null. Eine weitere
Möglichkeit zur Regelung der dem Motor zugeführten Spannung besteht darin, daß die
Phase der Steuerspannung gegenüber der Netzspannung mittels eines Phasenschiebers
geändert wird. Die Drehzahl des ventilgesteuerten Motors kann also nur durch entsprechende
Einstellung der Steuerspannung in weiten Grenzen geregelt werden. Es ist nun bereits
ein Verfahren vorgeschlagen worden, das gestattet, den ventilgesteuerten Motor auch
als Generator arbeiten zu lassen, ebenfalls nur durch entsprechende Umstellung der
Steuerung des Motors. Jenes Verfahren besteht darin, daß zur Rückarbeitung in der
einen Drehrichtung der Verteiler, über welchen den Gittern der einzelnen Ventile
die positiven Spannungsimpulse zugeführt werden, in eine der andern Drehrichtung
entsprechende Lage gebracht wird und gleichzeitig der zur Gittersteuerung verwendeten
Wechselspannung eine nacheilende Phasenversc$iebung von ungefähr 9o° gegenüber der
Netzspannung erteilt wird.
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Durch die Verdrehung des Verteilers wird die Motorspannung umgekehrt,
und durch die Verschiebung der Steuerspannung wird der Zündpunkt. der beiden Arbeitswicklungen
in die dem Generatorbetrieb entsprechende Lage gebracht. Die Regelung der vom Motor
in das Wechselstromnetz abgegebenen Leistung erfolgt nach jenem Verfahren ebenfalls
durch Verschieben des' Zündpunktes für die beiden Arbeitswicklungen.
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An Hand der Fig. i, welche Spannungswellen als Funktionen der Zeit
t darstellt, soll nun gezeigt werden, daß diesem Rückgewinnungsverfahren gewisse
Nachteile anhaften. Die Netzspannung wird durch EN veranschauficht. Die vom
Motor abgegebene Spannung EM ist, abgesehen von den Pulsationen der einzelnen Phasen,
eine Gleichspannung. Die gezeichnete gegenseitige Lage der beiden Spannungen entspricht
bereits dem Rückgewinnungsbetrieb. Damit nun Leistung ins Wechselstromnetz abgegeben
werden kann, müß der Zündpunkt für die Arbeitswicklungen irgendwo im Bereich a,
b liegen, wo ENGE,u und im Ansteigen begriffen ist. Je weiter der Zündpunkt
gegen a hin oder über a hinaus zeitlich verschoben wird, um so größer wird die ins
Netz abgegebene Leistung. Für den Leerlauf müßte der Zündpunkt nach b verlegt werden.
Für die folgende Betrachtung soll der Zündpunkt nun in z festgelegt werden. Wird
der Ohmsche Widerstand im Hauptstromkreis gegenüber dem induktiven Widerstand vernachlässigt,
so wird der Stromanstieg durch die Fläche z, e, b bestimmt, welche mit Zündfläche
bezeichnet wird. Der volle Strom wird über b liegen. Die zurückgewonnene Strommenge
wird durch die Fläche b, f, c, b, die sogenannte Löschfläche, bestimmt. Damit
nun der Strom einer Hälfte der Arbeitswicklung immer wieder den Nullwert erreicht,
muß die Löschfläche mindestens die Größe der Zündfläche besitzen. Ist diese Bedingung
nicht erfüllt, so wird der Strom in der betreffenden Wicklung in c nicht löschen;
die verbleibende Spannung, welche in der Differenz von Elf
und EN besteht,
kehrt im Bereich c, a1 ihr Vorzeichen wieder um, und der Strom steigt von
neuem bis zur Größe des Kurzschlußstromes an. In Fig. i ist angenommen, daß die
beiden schraffierten Flächen, Zünd- und Löschfläche, gleich groß sind. Der Zündpunkt
darf dann nur im Bereich b, z bewegt werden, wodurch also die ins Wechselstromnetz
abzugebende Leistung beschränkt wird. Steigt nun bei gleichbleibender Erregung die
Drehzahl des Motors, so nimmt EM proportional mit der Drehzahl zu, wodurch die zur
Verfügung stehende Löschfläche kleiner wird. Daraus ergibt sich nun folgendes unerwünschte
Verhalten des zurückarbeitenden Motors: J;. größer die Drehzahl wird, um so kleiner
wird die Leistung, welche der Motor abgeben kann; steigt die Drehzahl über einen
gewissen Betrag, so kann überhaupt nicht mehr
rückgewonnen werden.
Es ist ohne weiteres klar, daß dieses Verhalten des Motors bei der Nutzbremsung,
sei es im Bahnbetrieb, sei es bei Förderanlagen, verhängnisvoll werden kann.
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Bei dem in Fig. i gegebenen Verhältnis von EN und EM soll nun ungeachtet
des unstabilen Betriebes im Bereich a, z der Zündpunkt der Arbeitswicklungen zeitlich
vorverschoben- werden über den Punkt a hinaus nach x. Die entsprechende Zündfläche
x; g, b
ist bedeutend größer als die Löschfläche b, f, c, b. Der Strom
wird also durch die Löschfläche wohl herabgesetzt, erreicht aber im -Punkt c seinen
Nullwert nicht. Im Bereich c, k findet, entsprechend dem umgekehrten Vorzeichen
der wirksamen Spannung, wieder ein Anstieg des Stromes statt. Im Punkt k setzt nun
aber der Stromfluß durch die zweite Ständerwicklung ein, und es brennen in diesem
Moment die Lichtbögen beider Arbeitswicklungen gleichzeitig. Die neu einsetzende
zweite Wicklung mit dem Zündpunkt _r1 besitzt aber im Augenblick des Zündens gegenüber
dem ersten einen Spannungsüberschuß von der Größe k, x1, was zur Folge hat, daß
sich von der einen zur anderen Ständerwicklung ein Kurzschlußstrom ausbildet, der
dem Ström der ersten entgegengerichtet ist und sie zum: Löschen bringt. Es tritt
also während der Überlappungszeit dieselbe Ablösung ein, wie sie vom gewöhnlichen
Gleichrichter her beim Übergang des Stromes von einer Anode zur nächstfolgenden
bekannt ist.
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Mit dem obenerwähnten bekannten Rückgewinnungsverfahren, wo die vom
Motor abgegebene Leistung durch Verschieben des Zündpunktes geregelt wird, ist es
jedoch nicht möglich, den Zündpunkt über z hinaus zu verschieben, da im Bereich
a, z, wie oben erklärt, infolge Auftretens von inneren Kurzschlüssen der
Betrieb nicht möglich ist. Die beiden Gebiete für stabilen Betrieb werden also durch
einen Zwischenbereich a, z mit unstabilem Betrieb getrennt, was den ganzen
Rückgewinnungsbetrieb unsicher und für gewisse Fälle sogar gefährlich: macht.
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Die beschriebenen Nachteile lassen sich nun beheben, wenn das Rückarbeitungsverfahren
dahin abgeändert wird, daß zur Regelung der vom Motor abgegebenen Leistung nicht
die ankommende Spannung durch Verschieben des Zündpunktes, sondern daß durch Verändern
des Erregerstromes die Eigenspannung des Motors geregelt wird. Der Zündpunkt wird
dann für die Rückarbeitung einmal fest eingestellt, und zwar zeitlich vor dem Nulldurchgang
der Netzspannung von positiven zu negativen Werten, also in den Bereich
a, x. Für den Leerlauf wird durch Ausschalten des Erregerstromes die Spannung
E,@s auf den Nullwert eingestellt. Die Regelung der abgegebenen Leistung erfolgt
nun durch Verändern des Erregerstromes bzw. der Motorspannung EM. Die feste
Lage des Zündpunktes in der positiven Halbwelle der Netzspannung bewirkt, daß bei
-steigender Motorspannung EM von einer bestimmten Größe an die Ströme der beiden
Arbeitswicklungen sich - zwangsläufig überlappen, wodurch die gewünschte Ablösung
der beiden Wicklungshälften gewährleistet wird. Die vom Motor abgegebene Leistung
kann auf diese Weise stetig von Null bis zu einem Höchstwert geregelt werden. Der
Höchstwert der abgegebenen Leistung bzw. der Motorspannung Ein ist durch die Überlappung
der Ströme der beiden Arbeitswicklungen festgelegt. Die Überlappung muß im Punkte
a oder a1 abgeschlossen sein, da sonst keine Löschfläche mehr zur Verfügung steht.
Um zu verhüten, daß EM den durch die Überlappung gegebenen Höchstwert überschreitet,
kann ein Relais angebracht werden, welches das Verhältnis von EN und EM überwacht
und beim Überschreiten des zulässigen Verhältnisses die Regeleinrichtung für den
Erregerstrom des Motors auf sinkende Spannung einstellt.
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Bei dem neuen Rückgewinnungsverfahren muß also der Erregerstrom des
Motors geregelt werden können. Die vorliegende Erfindung gibt nun eine Einrichtung
zum Zurückarbeiten von ventilgesteuerten kollektorlosen Wechselstrommotoren an,
bei welcher die Erregerwicklung von einem gesteuerten Gleichrichter gespeist wird,
indem erfindungsgemäß zur Regelung des Erregerstromes des Motors im Rückgewinnungsbetrieb
dieselbe Steuereinrichtung verwendet wird, die beim Motorbetrieb die dem Motor zugeführte
Spannung regelt.
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Durch dieses Verfahren wird ein bedeutend sicherer Rückgewinnungsbetrieb
erreicht als mit dem früheren Verfahren, indem nach der Erfindung folgende Bedingungen
erfüllt sind: i. Die Nutzbremsung kann bei jeder Drehzahl erfolgen, auch bei solchen
Drehzahlen, die über der betriebsmäßigen liegen.
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z. Die größtmögliche Leistung, die der Motor ins Wechselstromnetz
abgeben kann, ist nicht durch die Drehzahl begrenzt.
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3. Die Regelung der abgegebenen Leistung von Null bis zum Höchstwert
erfolgt stetig ohne unstabilen Betrieb.
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Fig. z stellt ein Beispiel einer Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens
dar.
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Die Festlegung des Zündpunktes sowie die Regelung der abgegebenen
Leistung im Generatorbetrieb sind an Hand von Fig. i bereits einleitend ausführlich
beschrieben worden.
In Fig. 2 bedeutet i den am Wechselstromnetz
liegenden Transformator, der die beiden Teilwicklungen 3a und 3b der Arbeitswicklung
des ventilgesteuerten kollektorlosen Wechselstrommotors 2 speist. Die Phasenenden
der beiden Teilwicklungen sind mit den Hauptanoden 7 des Ventils 6 verbunden, von
denen der Übersichtlichkeit halber nur vier eingezeichnet sind. Die Kathode 8 des
Ventils 6 ist mit dem Mittelpunkt der Sekundärwicklung des Transformators i verbunden.
Die umlaufende Erregerwicklung 4 des Motors wird über Schleifringe vom Transformator
io gespeist, welcher ebenfalls am Wechselstromnetz liegt. Zur Gleichrichtung des
Erregerstromes werden die beiden Hilfsanoden 9 des Ventils 6 benutzt. Der Erregerstrom
kann auch durch einen besonderen gesteuerten. Gleichrichter erzeugt werden. Die
Spannung zur Steuerung der Gitter des Ventils 6 wird dem Transformator i i entnommen.
Der Umschalter 12 dient zur Umstellung der Steuerung von Motor- auf Generatorbetrieb.
13 ist ein sogenannter Synchronschalter, der vom Synchronmotor 14 angetrieben wird
und mittels seiner Kontaktsegmente einen bestimmten Ausschnitt aus der Steuerspannung
herausgreift. Vom Synchronschalter 13 werden die Ausschnitte der Steuerspannung
den Bürsten des Verteilers 5 zugeführt, welche auf der Motorwelle aufgekeilt sind
und die zugeführten Spannungsimpulse entsprechend der Motordrehzahl auf die einzelnen
Segmente und damit auf die zugeordneten Gitter des Ventils 6 verteilen. Damit nun
die dem Motor zugeführte Spannung geregelt werden kann, müssen die Segmentringe
des Synchronschalters 13 verdreht werden, was von Hand oder z. B. folgendermaßen
ausgeführt werden kann. Der Läufer i4b des Synchronmotors 14 besitzt eine in Stern
geschaltete Dreiphasenwicklung, die gleichmäßig verteilt an den Widerstand 15. angeschlossen
ist. Letzterer wird über zwei diametral angeordnete Schleifkontakte mit Gleichstrom
gespeist. Bei Verdrehung der Schleifkontakte wird die Stromverteilung in den drei
Phasen der Läuferwicklung i4b geändert, wodurch eine Verschiebung der magnetischen
Achse des Läufers bewirkt wird. Da nun aber das Läuferfeld synchron mit dem Feld
des Ständers 14a laufen muß, so hat die Achsenverschiebung eine räumliche Verdrehung
des Läufers und damit der Segmentringe 13 zur Folge.
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Für den Motorbetrieb befindet sich der Umschalter 12 in der Stellung
I. Die Steuerspannung vom Transformator i i wird in dieser Stellung den Gittern
der Hilfsanoden 9 unmittelbar zugeführt. Da die Steuerspannung mit der Erregerspannung
des Transformators io in Phase ist, erfolgt also eine volle Aussteuerung der Anoden
9. Der Synchronschalter 13 ist in die Leitung zwischen dem Steuertransformator i
i und dem Verteiler 5 eingeschaltet und regelt somit die den Gittern der Hauptanoden
y zugeführte Steuerspannung, d. h. der Synchronschalter 13 dient zum Regeln der
ankommenden Spannung bzw. der Drehzahl des Motors 2.
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Für den Generatorbetrieb wird der Umschalter i2 nach II umgelegt.
In dieser Stellung wird nun die um rund i8o° verschobene Steuerspannung unmittelbar
dem Verteiler 5 bzw. den Gittern der Hauptanoden 7 zugeführt, wodurch der Zündpunkt
für den Rückgewinnungsbetrieb festgelegt wird und während des Betriebes nicht mehr
verschoben werden kann. Der Synchronschalter 13 wird nun in die Leitung zwischen
dem Steuertransformator i i und den Gittern der Hilfsanoden 9 geschaltet und regelt
die diesen Gittern zugeführte Steuerspannung und damit den Erregerstrom der als
Generator arbeitenden Maschine 2.
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Der Übergang von einem Betriebszustand in den andern erfolgt vollständig
stetig, da die Nullage der Steuerung bzw. des Synchronschalters 13 sowohl im Motor-
als auch im Generatorbetrieb dieselbe ist. Die Nullstellung der Segmente des Synchronschalters
13 im Motorbetrieb bedeutet, daß die ankommende Spannung gleich Null ist. Dieselbe
Stellung ergibt im Generatorbetrieb, also nach Umschalten von 12, daß der Erregerstrom
des Motors gleich Null ist.
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Beim raschen Übergang vom Motor- in den Generatorbetrieb könnte vielleicht
der Fall eintreten, daß die Motorspannung beim Umschalten des Schalters 12 noch
nicht ganz den Nullwert erreicht hat, da das Erregerfeld nicht plötzlich verschwinden
kann. Um den dadurch verursachten Stoß zu vermeiden, ist eine Sicherheitseinrichtung
getroffen, welche während -der Umschaltzeit Haupt- und Hilfsanoden vollständig sperrt.
Der Kontakt 17 wird von den Schleifkontakten des Widerstandes 15, der zur Verstellung
des Synchronschalters 13 dient, so gesteuert, daß er geöffnet wird, kurz bevor die
Schleifkontakte in ihre Nullstellung zurückkehren: Der Mittelpunkt der Sekundärwicklung
des Steuertransformators i i erhält dadurch über den Widerstand 18 ein gegenüber
der Kathode negatives Potential, so daß sämtliche Anoden gleichzeitig gesperrt werden.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Einrichtung zur Regelung
der ankommenden Spannung die Form eines Synchronschalters oder Kontaktgebers gegeben,
der synchron mit der ankommenden Spannung umläuft. Diese Regeleinrichtung kann jedoch
auch aus einer anderen Anordnung bestehen,
z. B. aus einem Phasenschieber,
der die Steuerspannung gegenüber der ankomtnenden Spannung verschiebt. Es können
zu diesem Zwecke auch Elektronen-, Glühkathoden- oder Dampfventile verwendet werden,
die aus der Steuerspannung bestimmte Abschnitte herausgreifen, indem die Anoden
dieser Ventile zu verschiedenen Zeitpunkten der ankommenden Spannung freigegeben
werden.
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Die Umschaltung dieser Einrichtung zur Regelung der ankommenden Spannung
im Motorbetrieb und zur Regelung der Generatorspannung im Rückgewinnungsbetrieb
wird im angeführten Beispiel durch einen Umschalter besorgt, der von Hand oder mittels
eines Relais betätigt werden kann. Diese Umschaltung der Regeleinrichtung kann aber
auch durch Elektronen-, Glühkathoden- oder Dampfventile ausgeführt werden.