DE73050C - Verfahren, die Umdrehungszahl von Wechselstrom-Treibmaschinen mit magnetischem Drehfelde zu verringern - Google Patents

Description

KAISERLICHES

K PATENTAMT.

zu verringern.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, die Umdrehungszahl von Wechselstrom-Treibmaschinen mit magnetischem Drehfelde zu verringern. Als solche Treibmaschinen sind hier Elektromotoren zu verstehen, die aus zwei mit Drahtwickelungen versehenen, um dieselbe Achse angeordneten Eisenkörpern bestehen, von denen nur einer zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes Wechselstrom beliebiger Form, z. B. Drehstrom zugeführt erhält, während die Wickelung des anderen nur von Strömen durchflossen wird, die durch das Zusammenwirken des Drehfeldes und der Drehung des einen Eisenkörpers inducirt werden. Wir nennen die erste Wickelung im Folgenden kurz die primäre und die zweite Wickelung die inducirte.

Das einzige bisher bekannte Verfahren, im Bedarfsfalle die Umdrehungszahl solcher Treibmaschinen zu verringern, besteht darin, dafs man in den Stromkreis ihrer inducirten Wickelung einen veränderlichen Widerstand einschaltet. Zur Erzeugung einer bestimmten Zugkraft der Treibmaschine ist nämlich bei gegebener Klemmenspannung eine ganz bestimmte Stromstärke in der inducirten Wickelung erforderlich. Diese Stromstärke kann dargestellt werden als elektromotorische Kraft in der inducirten Wickelung dividirt durch wahren Widerstand des gesammten Stromkreises derselben. Je gröfser daher der Widerstand des Stromkreises ist, um so gröfser mufs auch die elektromotorische Kraft sein, wenn die Stromstärke im inducirten Theil und damit die Zugkraft unverändert bleiben soll.

Nun ist weiter die elektromotorische Kraft proportional der Differenz der wirklich vorhandenen und der dem Synchronismus entsprechenden Umdrehungszahl. Hieraus folgt, dafs die Einschaltung von Widerstand im ersten Augenblick die Stromstärke und damit sofort die Zugkraft abschwächt. Die Treibmaschine mufs infolge dessen langsamerlaufen; dadurch nimmt aber ihr Tourenabfall und proportional damit die elektromotorische Kraft des inducirten Theiles soweit zu, dafs die Stromstärke ihren alten Werth wieder erreicht.

Auf diese Weise kann man durch Einschalten von Widerstand bei einer gegebenen Zugkraft die Geschwindigkeit der Treibmaschine auf jede gewünschte Gröfse bis Null einstellen. Dagegen ist es nicht zulässig, Widerstand in den vom primären Strom durchflossenen Theil der Treibmaschine einzuschalten; denn durch dieses Mittel wird zunächst bei gleichbleibender Stromstärke in der Treibmaschine durch den im Widerstand auftretenden Spannungsverlust die Klemmenspannung verringert, die Zugkraft kann aber im Grofsen und Ganzen als proportional dem Quadrat der Klemmenspannung angesehen werden. Es würde also auf diese Weise nur eine bedeutende Abschwächung der Zugkraft eintreten, und die Treibmaschine würde in Gefahr kommen, stehen zu bleiben.

Das zuerst beschriebene Verfahren leidet jedoch an einem Grundfehler: Wie schon Professor Ferraris in seinem Vortrage vom 18. März 1888 Rotazione Elettrodinamiche (Atti di Torino) ausgeführt hat, stellt der procentuale Umdrehungszahl-Verlust, d. h. die pro-

centuale Differenz zwischen der Umdrehungszahl, die dem Synchronismus entspricht und der wirklich vorhandenen Umdrehungszahl, auch den procentualen Energieverlust dar, der durch die inducirten Ströme verursacht wird. Hat beispielsweise eine solche Treibmaschine mit geschlossener Ankerwickelung bei Vollbelastung 3pCt. Tourenabfall, so beträgt die Gesammtheit der in den inducirten Windungen und von ihnen eingeschlossenen Eisenkernen verzehrten Energie genau 3 pCt. der zugeführten Energie.

Wenn daher nach dem oben angegebenen Verfahren die Umdrehungszahl eine Treibmaschine bedeutend herabgesetzt werden soll, so hat man auch durch die inducirten Ströme einen sehr bedeutenden Energieverlust. Die verlorene Energie wird hauptsächlich in dem in die inducirte Wickelung eingeschalteten Widerstand verzehrt. Der Energieverlust entspricht demjenigen, den man bei Gleichstrom-Treibmaschinen erhält, wenn man zur Herabsetzung ihrer Umdrehungszahl einen Widerstand vor dem Anker einschaltet.

Diese unnützen Energieverluste machen in solchen Fällen, wo die Treibmaschine zeitweilig dauernd mit geringerer Geschwindigkeit laufen soll, ein anderes Verfahren wünschenswerth. Bei Strafsenbahnen wird z. B. häufig verlangt, dafs die Wagen, denen aufserhalb der Stadt die volle Fahrgeschwindigkeit gestattet ist, innerhalb der Strafsen nur mit verminderter Geschwindigkeit fahren. Bei Gleichstrombetrieb hat man in solchem Falle das Mittel angewendet, zwei auf einem Wagen angeordnete Treibmaschinen je nach Bedarf parallel oder hinter einander zu schalten. Schaltet man sie parallel, so laufen sie mit voller Geschwindigkeit, schaltet man sie hinter einander, so laufen sie, da jeder Motor nur die halbe Spannung erhält, annähernd mit halber Geschwindigkeit.

Bei Drehstrombetrieb ist dieses Verfahren nicht zulässig, denn die Geschwindigkeit der Treibmaschinen sucht sich, obwohl sie asynchron laufen, doch immer wieder nahezu auf Synchronismus einzustellen. Es würde allerdings durch die Hintereinanderschaltung die Spannung jedes Motors auf die Hälfte vermindert werden; aber proportional der Spannung würde auch der Magnetismus, den jede Maschine annimmt, abnehmen, ebenso etwa proportional dem Quadrat der Spannung und des Magnetismus, wie schon bemerkt, die Zugkraft. Bei einer Herabsetzung der Spannung bei der Hintereinanderschaltung zweier gleich belasteter Treibmaschinen würde also die Zugkraft jeder einzelnen auf den vierten Theil des normalen Werthes herabgesetzt werden. Diese Zugkraft würde aber nicht mehr für einen vorschriftsmäfsigen Betrieb genügen, die Maschinen würden einfach stehen bleiben.

Dagegen erhält man ein vollkommen befriedigendes Resultat, wenn man die Drehstrom-Treibmaschinen in folgender, den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Schaltung mit einander verbindet.

Die Schaltung der primären Wickelung der einen Maschine mit den Klemmen P¹ P² P³ bleibt unverändert. Durch die Klemmen pi ρ 2 p3 _wj_rcj dieser Wickelung von aufsen Drehstrom zugeführt. Die inducirte Wickelung dieser Maschine mit den Klemmen A¹ A? A³ wird durch die primäre Wickelung der zweiten Maschine mit den Klemmen B¹B^B³ geschlossen. Die inducirte Wickelung der zweiten Treibmaschine mit den Klemmen Q¹ Q² Q^s wird durch einen Anlafswiderstand AW geschlossen, der nach dem Anlaufen ausgeschaltet werden kann. Ob die primären Wickelungen oder die inducirten Wickelungen der Treibmaschinen umlaufen, ist dabei ganz gleichgültig.

Denkt man sich zunächst beide Treibmaschinen ruhend, so wird, sobald, in die primäre Wickelung der ersten Drehstrom eingeführt wird, in ihrer geschlossenen Wickelung Drehstrom von derselben Periodenzahl, wie sie der primäre Drehstrom besitzt, erzeugt. Dieser Drehstrom speist die zweite Treibmaschine und erzeugt in derselben ein Drehfeld, dessen Geschwindigkeit im Anfang die des Synchronismus ist. Beide Maschinen setzen sich dann in Bewegung. Dadurch nimmt die Periodenzahl des in der ersten Maschine erzeugten Drehstroms ab. Infolge dessen sucht sich die zweite Maschine auf eine geringere Umdrehungszahl einzustellen, als dem Synchronismus entspricht. Die Summe der Umdrehungszahlen beider Maschinen ist dann, abgesehen von den geringen Verlusten, die durch die Belastung bewirkt werden, gleich der dem Synchronismus entsprechenden Umdrehungszahl. Die Geschwindigkeiten der beiden Treibmaschinen verhalten sich zu einander umgekehrt wie ihre Belastungen. Wenn also z. B. beide gleich belastet sind, stellen sie sich auf ungefähr gleiche Umdrehungszahlen ein; oder umgekehrt, wenn beide mechanisch so mit einander verbunden sind, dafs sie gleiche Umdrehungszahlen einhalten müssen, so leisten sie, indem sie sich beide auf die halbe Umdrehungszahl des Synchronismus einstellen, beide gleich viel Arbeit. Thatsächlich werden die beiden Maschinen aber nicht völlig die halbe Geschwindigkeit des Synchronismus erreichen, sondern, wie alle belasteten Drehstrommotoren, um einige Procente hinter der theoretischen Geschwindigkeit zurückbleiben.

Die erste Maschine arbeitet mit normaler Spannung und normaler Magnetisirung. Die Windungszahl ihres inducirten Theiles ist so zu wählen, dafs auch die primäre Wickelung

der zweiten Maschine die für die normale Magnetisirung erforderliche Spannung zugeführt erhält. Die beschriebene Schaltung möge nach ähnlichen Schaltungen bei Leydener Flaschen mit dem Namen Cascadenschaltung bezeichnet werden. Die Zugkraft und der Wirkungsgrad der Treibmaschinen sind annähernd dieselben, gleichgültig, ob sie in Cascadenschaltung für die halbe oder in Parallelschaltung für die volle Umdrehungszahl mit einander verbunden sind. Die Cascadenschaltung kann auch dazu benutzt werden, Treibmaschinen herzustellen, die mit veränderlicher Geschwindigkeit und doch stets gutem Nutzeffect arbeiten, indem man die umlaufenden Theile beider Maschinen auf dieselbe Welle setzt. Sie werden dann, wenn sie mit halber Geschwindigkeit kufen sollen, in der beschriebenen Weise zusammengeschaltet. Vortheilhaft ist es, den inducirten Theil der ersten und den inducirenden der zweiten Maschine auf die Achse zu setzen, weil man dann gar keine Schleifringe gebraucht. Die Wickelung kann dann eine völlige Kurzschlufswickelung sein, d. h. eine Wickelung, bei der immer diejenigen Drähte oder Stäbe der Wickelung, die in jedem Augenblick gleichen Inductionswirkungen ausgesetzt sind, in beiden Ankern zu einem in sich geschlossenen Stromkreis hinter einander geschaltet sind. Die Anordnung wird allerdings dadurch etwas verwickelt, dafs sich die Leitungen von dem einen umlaufenden Theile zu dem anderen kreuzen müssen, da sonst die Drehungsmomente beider Maschinen einander entgegengesetzt gerichtet sein würden.

Bei dem beschriebenen Verfahren wird keine Energie vergeudet, da die bei dem Zurückbleiben des umlaufenden Theiles der ersten Maschine durch Induction auf diesen übertragene Energie zum Betrieb der zweiten verwendet wird. Der in die Kurzschlufswickelung der zweiten eingeschaltete Widerstand ist selbstverständlich bei vollem Betriebe ausgeschaltet, so dafs auch hier keine Energie verloren geht. Das ganze System arbeitet also mit sehr hohem Wirkungsgrad, und da in den primären Wickelungen beider Maschinen normale Spannung, und in den in sich geschlossenen Wickelungen normale Stromstärke vorhanden ist, ist auch die Zugkraft der Treibmaschinen, die ja nur von dieser Spannung und dieser Stromstärke, nicht aber von der Geschwindigkeit abhängig ist, vollständig normal.

Wenn man nach der beschriebenen Cascadenschaltung drei mit einander mechanisch gekuppelte Treibmaschinen mit einander verbindet, so kann man dadurch ohne Herabsetzung des Wirkungsgrades die Umdrehungszahl auf ein Drittel der normalen herabsetzen. Wenn die zweite Treibmaschine mit der ersten nicht mechanisch gekuppelt ist, so kann man durch ihre Belastung allein die Umlaufszahl der ersten verringern. Beide kann man entfernt von einander aufstellen; wenn man also die zweite Maschine in dem System bremst, und einen veränderlichen Widerstand in ihren Anker einschaltet, kann man aus beliebiger Entfernung die Umlaufsgeschwindigkeit der ersten Treibmaschine regeln.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Das Verfahren, Drehstrom - Treibmaschinen mit einer geringeren Umdrehungszahl zu betreiben, als dem Synchronismus mit der Periodenzahl entspricht, gekennzeichnet durch eine derartige Zusammenschaltung zweier oder mehrerer Treibmaschinen, dafs die durch den " zugeführten Strom in der ersten Treibmaschine inducirten Ströme die primäre Wickelung einer zweiten Treibmaschine u. s. w. speisen, während die inducirte Wickelung der letzten Treibmaschine durch einen Regelungswiderstand oder kurz geschlossen ist.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.