-
Anordnung zur Drehzahlregelung an Wechselstrommaschinen, deren Läuferkreis
über in beiden Richtungen energieübertragende Stromrichteranordnungen an das Netz
angeschlossen ist Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Regelung von Induktionsmotoren
durch im Läuferkreis angeordnete gesteuerte Entladungsstrecken. Es sind bereits
Anordnungen bekanntgeworden, bei denen Wechselstrommotoren über im Läuferkreis angeordnete
gesteuerte Entladungsstrecken, die es gestatteten, Drehmoment und Drehzahl zu verändern,
zu regeln. Bei derartigen Anordnungen hat sich jedoch der Nachteil gezeigt, daß
der Leistungsfaktor bei weitgehender Regelung recht schlechte Werte annimmt. Mit
Hilfe der vorliegenden Erfindung gelingt es, nicht nur diese Leistungsfaktorverschlechterung
zu vermeiden, sondern gleichzeitig auch die betreffende Maschine von der Drehzahl
Null bis zur doppelten synchronen Drehzahl gleichmäßig zu regeln und zu betreiben.
Gegebenenfalls kann auch noch eine höhere Drehzahl als die doppelte synchrone erreicht
werden. Dabei wird der Ständer der Maschine unmittelbar mit dem Wechselstromnetz
verbunden, während der Läufer an die Wechselspannungsquelle über eine entsprechende,
mit gesteuerten Entladungsstrecken versehene Umformungseinrichtung angeschlossen
ist. Die Umformungseinrichtung selbst besteht gemäß der Erfindung aus einphasig
gespeisten Zweiwegstromrichteranordnungen, und zwar zwei je Phase in der an sich
bekannten Kreuzschaltung, mit gesteuerten Nullpunktentladungsstrecken. Diese letztgenannten
erhalten je Periode der Netzfrequenz zwei Steuerimpulse, deren Phasenlage willkürlich
oder in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Maschine veränderlich ist.
-
Der Erfindungsgedanke sei an Hand der Zeichnung näher erläutert. Die
Wechselstrommaschine i besitzt einen Ständer :2 und einen Läufer mit den Wicklungen
3, bis 3,. Gespeist wird die Anordnung vom Netz q. über die Zuführungen j.
Die Läuferwicklungen
3, bis 3, werden mittelbar vorn Netz .4 über
die mit gesteuerten Entladungsstrecken arbeitenden Umformungseinrichtungen, die
Größe und Richtung des Energieflusses beeinflussen, gespeist. Jede derartige Umhor.-j#
mungseinrichtung 6, 7, 8 besitzt einphasilc! Transformatoren 9, io und i1 mit je
zwei Sekundärwicklungen 12 und 13, 14 und 15 so-,vie 16 und 17. Da die einzelnen
Umformungseinrichtungen 6 bis 8 gleichartig aufgebaut sind, genügt es, die Vorgänge
an einer der drei zu beschreiben. Jede Sekundärwicklung 12 oder 13 des Transformators
ist über die Verbindungsleitung 18, i9 bzw.2o, 21 mit den Entladungsstrecken 24,
25 bzw. 26, 27 verbunden. Die Entladungsstrecken 36 bis 41 sind mit den Mittelpunkten
der Sekundärwicklungen über die Anschlußleitungen 22, 23 verbunden. Jede Entladungsstrecke
besitzt eine Anode 42, eine Kathode 43 und ein Steuergitter 44. Die Entladungsstrecken
können einaiiodige Gefäße sein, sie können auch zu einem mehranodigen Gefäß mit
einer Kathode zusammengezogen werden. Die Wicklungsenden des Läufers sind mit den
Sammelschienen 45 bis 47 über eine Schleifringanordnung 48 verbunden. Die Entladungsstrecken
24 bis 27 sowie 36 und 37 sind mit den Läuferwicklungen 3a und 3r, über die Sammelschiene
45 und 46 verbunden. Im Entladungsstromkreis liegt ferner im Zuge der Leitungen
49 und 5o eine Induktiv ität 51, die als Glättungsdrossel dient. Das gleiche gilt
für die Leitungen 54, 55 bzw. 56, 57 der Umformungseinrichtungen 7 bzw. B. Die zwei
geteilten Wicklungen dieser Drossel gehören durch die magnetische Verkettung sowohl
den Stromkreisen der Wicklung 12 wie denen der Wicklung 13 an. Die Kathoden der
Entladungsstrecken 24, 25 und 36 sind durch die Leitung 52 verbunden und an den
Leiter 5o angeschlossen. In gleicher Weise sind die Entladungsstrecken 26, 27 und
37 über den Leiter 53 an die Zuführung 49 angeschlossen. Sinngemäß gilt das gleiche
für die Anordnungen 7 und B.
-
Zur Steuerung der Entladungsstrecken z4 his 4i dienen die Schaltwalzen
58 bis 69. Die Schaltwalzen 58 bis 63 werden synchron mit dem Netz 4 von einem :Motor
7o angetrieben, während die Schaltwalzen 64 bis 69 mit der Schlupffrequenz der Maschine
i mit Hilfe des Differentialgetriebes 71 und einer Synchronübertragungseinrichtung
72, 73 angetrieben werden. Zum besseren Verständnis der Erfindung ist diese mechanisch-elektrische
Übertragungseinrichtung gewählt worden. Man kann jedoch auch diese Schaltwalzen
64 bis 69 unmittelbar mit der Maschine i kuppeln.
-
Die Schaltwalze 58 besitzt die Bürsten 74, 75, die dem Segment 76
zugeordnet sind, durch das eine Steuerspannung den Gittern -4. der Entladungsstrecken
24 und 25 zugeführt wird, die dabei abwechselnd leitend .erden. Entsprechende Bürsten
77 und 78, rieiic über eine Leitung 79 verbunden sind, fassen die Entladungsstrecke
36 über das Segment 8o zweimal während jeder Wechselspannungswelle leitend werden.
Jede Schaltwalze 58 bis 63 hat eine getrennte Vorrichtung wie z. B. das Schneckengetriebe
81 und 81', mit deren Hilfe der Zeitpunkt des Entladungseinsatzes der einzelnen
Entladungsstrecken geregelt werden kann.
-
Dieser Zeitpunkt kann in Abhängigkeit einer Betriebsbedingung, beispielsweise
der Drehzahl der Maschine, dadurch verändert werden, daß die Schaltwalzen 64 bis
69 mit der Schlupffrequenz umlaufen. Wenn beispielsweise die Bürste 82 und das Segment
8 3 eine Steuerspannung von der Batterie 84 zur Schaltwalze 58 über die Leitung
85 liefern, so wird die negative Spannung der Vorspannungsbatterie 86 unter Mitwirkung
der Gitterwiderstände 87 kompensiert werden.
-
Die Arbeitsweise der Anordnung gestaltet sich wie folgt: Soll die
Maschine i vorn Stillstand zur synchronen Drehzahl beschleunigt werden, so ist es
bekanntlich notwendig, den Scheinwiderstand des Läuferkreises entsprechend zu beeinflussen.
Damit im Läuferkreis die eine Scheinwiderstandserhöhung hervorrufenden Spannungen
auftreten. können, werden die Gitter der Entladungsstrecken 24 bis 27 so gesteuert,
daß die Steuerwechselspannungen angenähert in Phasenopposition zu den Spannungen
zwischen Anode und Kathode der zugehörigen Entladungsstrecken sind. Da stets ein
durch die Kommutierung und die Entionisation bedingter Vor- bzw. Nacheilwinkel für
den Gleich- oder @@'echselrichterbetrieb vorhanden sein muß, so wird die Phasenlage
der Steuerspannung gegenüber der Anodenspannung etwa nur 17o° betragen. Sofern die
Entladungsstrecken 36 und 37 leitend gehalten werden müssen, und zwar zweimal während
jeder Wechselspannungswelle, kann die Gittersteuerung durch Verdrehen des Schneckengetriebes
81 erfolgen, und zwar jeweils ungefähr im Nulldurchgang der Anodenspannung. Sind
die Gittersteuerspannungen derartig eingestellt, wie das eben beschrieben wurde,
dann wird von der Umformungseinrichtung 6 in den Läuferkreis mit den Wicklungen
3a und 3, eine Spannung erzeugt, deren Höchstwert in Phasenopposition ist mit den
Spannungen, die in -diesen Wicklungen durch den Ständer induziert werden. Da die
zugehörige Schaltwalze 64 mit Schlupffrequenz angetrieben wird, wird die Gegenspannung,
die von der
Umformungseinrichtung 6 geliefert wird, mit der Schlupffrequenz
umlaufen.
-
Zur Inbetriebnahme der Maschine genügt es, die Phasenlage der Gittersteuerspannung
im voreilenden Sinne mit Hilfe der Kurbel 81' zu verlagern, so daß die Gegenspannung
im Läufer verringert wird und sich damit ein größerer Läuferstrom ausbilden kann.
Während der Beschleunigung des Motors wird zufolge der Schaltwalze 64 die Frequenz
der Gegenspannung stets gleich der Frequenz, die in dem Läuferkreis induziert wird,
bleiben. Die Vorverschiebung der Phasenlage der Gittersteuerspannung kann bis zur
synchronen Drehzahl gesteuert werden. Die Phasenlage der Gittersteuerspannung ist
dann angenähert um zSo° gegenüber der Stellung bei der Drehzahl Null vorverschoben.
-
Da die Entladungsstrecken 36 und 37 jeweils während der Zeit, in der
die Hauptentladungsstrecken durch die Gittersteuerung gesperrt waren, den Strom
führten, ist der Leistungsfaktor des speisenden Netztes durch den Anlaßvorgang gegenüber
den bisher bekannten Anordnungen wesentlich gebessert worden.
-
Um die Maschine r mit übersynchroner Drehzahl zu betreiben, ist es
notwendig, den Energierichtungsfluß gegenüber den bisherigen umzukehren, und zwar
so, daß Energie übertragen wird vom Netz 4 zu den Läuferwicklungen 3a bis 3,. Die
Drehzahlerhöhung kann dadurch erfolgen, daß die Phasenlage der Gittersteuerspannung
noch weiter nach vorn verlegt wird. Bei synchroner Drehzahl liefern -die Umformungseinrichtungen
6 bis 8 einen Gleichstrom angenähert konstanter Höhe in die einzelnen Läuferwicklungen.
Dadurch wird man der Schwierigkeit enthoben, zusätzliche Hilfseinrichtungen vorzusehen,
um die Drehzahl von Induktionsmaschinen in der Nullschlupfzone zu verändern bzw.
konstant zu halten. Durch die Vorverlegung der Phasenlage der Gitterspannungen durch
eine Verdrehung der Kurbel 81' wird durch die Umformungseinrichtungen 6 bis 8 in
den Läuferwicklungen eine zusätzliche Spannung erzeugt, die in Phase ist mit der
Spannung, die in diesen Wicklungen durch den Ständer 2 induziert wird, d. h. die
Energie vom Netz 4 zum Läufer übertragen wird. Bei weiterer Vorverlegung der Phasenlage
der Gittersteuerspannung kann die Drehzahl der Maschine z bis zur doppelten synchronen
gesteigert werden.
-
Auch in dem zweiten Geschwindigkeitsbereich bedeuten die Entladungsstrecken
36 und 37 eine Entlastung des speisenden Netzes 4 von einem schlechten Leistungsfaktor.
-
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, abgesehen von der Verbesserung
des Leistungsfaktors, die Möglichkeit, die Drehzahl des Motors vom Stillstand bis
zur Synchrondrehzahl allein durch Regelung der Nullpunktsentladungsstrecken herbeizuführen.
Das bedeutet eine besondere Vereinfachung für den bisher immer notwendigen Gittersteuerungsaufwand.
-
Die Anordnung hat jedoch auch Vorteile bei wechselnder Belastung.
Wird mit dem Läufer beispielsweise eine Last mechanisch gekuppelt, die zunächst
eine angenähert konstante Größe besitzt, und werden die Schneckengetriebe 8r und
8i' so eingestellt, daß die Umformungseinrichtungen 6 bis 8 Energie vom Läufer zum
Netz 4 übertragen, so wird bei plötzlicher Lastabnahme die Drehzahl der Maschine
größer werden. Dabei will auch der Energiefluß vom Läufer zum Netz zunehmen; die
Energiezunahme jedoch wird begrenzt durch die Zeitkonstanten des sogenannten Regelkreises
und durch die Induktivitäten im Motorkreis und den Umformungseinrichtungen. Im übrigen
kann die Drehzahl über eine einmal eingestellte Höchstdrehzahl (hervorgerufen durch
die ursprüngliche Phaseneinstellung mit Hilfe des Schneckengetriebes 81) heraus
nicht wesentlich anwachsen. Die Anordnung nach der Erfindung ist im wesentlichen
eine solche zur Aufrechterhaltung. konstanter Drehzahlen, wenn man die Drehzahlschwankungen
durch die wechselnde, angelegte Belastung vernachlässigt.