DE280052C - - Google Patents

Description

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

Vr 280052 KLASSE 21 d. GRUPPE

FRANZ HONSU in PRAG.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 7. September 1913 ab.

In der Reihe der verschiedenen Ausführungen von asynchronen Induktionsmotoren steht der Motor mit Kurzschlußanker durch seine Qualität auf der ersteh Stelle. Elektrisch weist er den höchsten Wirkungsgrad und den höchsten Leistungsfaktor auf, seine Konstruktion ist die einfachste und von großer mechanischer Widerstandsfähigkeit ; durch seine solide Ausführung und die geringen Herstellungs- und Bedienungskosten übertrifft er alle übrigen Ausführungen. Der allgemeinen Einführung der Kurzschlußmotoren stehen aber die ungünstigen Anlaufverhältnisse im Wege, auch für die Tourenregulierung sind sie nicht geeignet. Nur aus

*5 diesen Gründen haben die Induktionsmotoren mit Phasenanker, d. h. mit Phasenwicklung, des Läufers, der mit Schleifringen versehen ist, die Kurzschlußmotoren verdrängt, obwohl sie die angeführten Vorzüge der letzteren nie erreichen können. Bei dem Phasenanker wird zwecks Anlaufs und der Tourenregulierung in den Anker Ohmscher Widerstand eingeschaltet, welcher während des normalen Betriebes kurzgeschlossen bleibt. Der Anker erhält deshalb Schleifringe, Bürsten, Kurzschluß- und Bürstenabbebevorrichtung, dazu oft noch die Vorrichtung für zwangläufige Verbindung dieser Apparate mit dem Statorschalter. Die Ausführung des Motors wird dadurch weit komplizierter, teuerer und die Bedienung umständlicher. Zweck der vor-35

liegenden Erfindung ist, eine Methode anzugeben, mittels welcher bei den Motoren mit Kurzschlußanker die günstigen Anlaufverhältnisse bzw. eine geringe Stromstärke bei hohem Anlaufsdrehmoment und eine einfache Tourenregulierung zu erzielen und dadurch bei Motoren mit Phasenanker die Ausführung wesentlich zu vereinfachen ist. Im Gegensatz zu den üblichen Anlaß- und Tourenregulierungsmethoden werden sämtliche Umschaltungen und Regulierung bei die.ser Methode nicht am Anker sondern nur am Ständer vorgenommen, so daß der Anker nur eine Mehrphasenkurzschlußwicklung trägt.

Als Beispiel für die Erläuterung ist im Vorliegenden ein vierpoliger Motor mit mehrphasigem Kurzschlußanker für Dreiphasenstrom gewählt.

In Fig. ι trägt der Ständer S die vierpolige Wicklung, welche aus sechs Spulen besteht und in zwei gleiche dreiphasige Teile W₁, W% zerfällt. In normalem Betrieb sind die beiden Teile parallel nach den bekannten Regeln des Drehstroms geschaltet. Die Phasen sind bei W₁ mit I, II, III bezeichnet. Bei der Wicklung W₂ ist der Anfang Ia, Ha, IIIaundEndele, He, HIe jeder Phase ausgeführt und kann zu dem Teile W₁ zugeschaltet werden.

Der Anker oder Läufer L trägt eine Mehrphasenkurzschlußwicklung, welche aus zwölf Stäben besteht und in Fig. 1 und 2 mit den

Ziffern ι bis 12 bezeichnet ist. Fig. 2 stellt die Ankerwicklung in eine Ebene aufgerollt dar. Einzelne Stäbe, welche um eine Polteilung versetzt sind, werden in Wellenform hintereinandergeschaltet und jede Phase zu einem Stromkreis in sich kurzgeschlossen. Im gewählten Falle sind drei Phasen zu je vier Stäben in einem Stromkreise gezeichnet. Im übrigen entsprechen wie die Läufer so auch die Ständerwicklung den für Drehstrom üblichen Wicklungen. An Spannung gelegt, erzeugt die Ständerwicklung W₁, W₂ in der Betriebsschaltung ein Drehfeld von vier Polen, welche in der Läuferwicklung L elektromotorische Kräfte induzieren und Strom erzeugen; die Arbeitsweise des Motors ist ganz normal. Für die Anlaufschaltung sind folgende Anordnungen zu treffen:

i. Der Wicklungsteil W₂ bleibt abgeschaltet und offen und der Wicklungsteil W₁ nur allein auf das Netz angeschlossen. Da die Wicklung W₁ drei Spulen besitzt, erzeugt sie ein magnetisches Drehfeld von zwei Polen, welche die eine Stator- und Rotorhälfte einnehmen und in dem in diesem Felde liegenden Teil der Läuferwicklung L₁ elektromotorische Kräfte und Strom induzieren, welcher die ganze Läuferwicklung L₁, L₂ durchfließen muß. Der zweite Teil der Läuferwicklung erzeugt, vom Strom durchflossen, in der zweiten Stator- und Rotorhälfte ein magnetisches Drehfeld von zwei Polen. Der Teil L₂ wirkt also als ein induktiver Widerstand, welcher in die Läuferwicklung L₁ eingeschaltet ist. Bezüglich des Anlaufs verhält sich diese Motorschaltung wie ein Motor von halber Leistung, dessen Läufer die doppelte Reaktanz und den doppelten Ohmschen Widerstand besitzt. Der Anlauf strom beträgt etwa ¹J₄ des Kurzschlußstromes. Das Drehmoment ist bekanntlich der auf den Läufer übertragenen elekirischen Leistung direkt proportional. In dieser Schaltung wird auf den Läufer nicht nur die Leistung, welche dem Verlust im Kupfer des Läufers entspricht, sondern auch die Leistung zur Deckung der Eisenverlüste des ganzen Rotors übertragen. Das Drehmoment nimmt also bedeutend zu und genügt für manche Fälle vollkommen zum Anlassen des Motors.

Das Drehmoment läßt sich noch weiter vergrößern, wenn die einzelnen der als Phasenwicklung ausgebildeten Windungen des Läufers gemäß Fig. .2 durch Ohmsche Widerstände R kurzgeschlossen werden. In dieser Schaltung induziert die Wicklung PF₁ elektromotorische Kraft in den Stäben 1 bis 6, der erzeugte Strom schließt sich über die übrigen Stäbe 6 bis 12 und auch über die Widerstände R. Durch Dimensionierung der Widerstände R läßt sich das Drehmoment bis auf ein Maximum bringen, so daß der Motor in dieser Schaltung mit VoIllast anlaufen kann. Die Stromstärke reguliert sich dabei vollkommen selbsttätig nach der Schlüpfung. In "der Betriebsschaltung erhöhen die Widerstände R den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit des Motors, da sie mit den Stäben eine Käfigwicklung bilden und den Gesamtwiderstarid des Läufers bedeutend erniedrigen.

2. Wie die Wicklung W₁ kann auch die Wicklung W₂ ein selbständiges magnetisches Feld erzeugen, auch in dem Falle, daß beide Wick-■lungen W₁, W₂ gleichzeitig eingeschaltet werden. Der Drehstrommotor bildet bekanntlich eine Analogie des Transformators, und die beiden Wicklungen W₁, W₂ lassen sich als die Primärwicklungen zweier parallel geschalteter Transformatoren auffassen, deren sekundäre Wick- ₁ lungen stets zu einem Stromkreis geschlossen sind. Diese Analogie ist in Fig. 3 für nur eine Phase aufgezeichnet. Die Motorwicklung W₁ mit dem zugehörigen Läuferteil L₁ bildet einen Transformator, die Wicklung W₂ mit dem Läuferteil L₂ den zweiten parallel geschalteten Transformator. Die Sekundärwicklung L₁, L₂ ist stets geschlossen, auch der Widerstand R ist eingezeichnet. U ist ein Umschalter zur Änderung der Stromrichtung in dem Teile W₂, L₂, α sind Anzapfungen der Wicklung W₂, D ist eine regulierbare Drosselspule oder ein Induktionsregler. Wenn beide Wicklungen W₁, W₂ eingeschaltet sind, werden in der Wicklung L₁, L₂ elektromotorische Kräfte induziert, welche sich im Stromkreise L-,, L₂ addieren und den vollen Kurzschlußstrom erzeugen, oder, wenn die Stromrichtung im Teile FF₂ umgekehrt wird, sich subtrahieren, wenn der Fall des Ankers ohne den Widerstands? betrachtet wird. Sind die elektromotorischen Kräfte der Wicklungen L₁, L₂ gleich groß, bleibt der Stromkreis L₁, L₂ stromlos ; wird jedoch diese elektrische Gleichheit durch Einschaltung einer Drosselspule oder eines Induktionsreglers D oder durch Anschluß einer anderen Anzapfung bei α zerstört, so entsteht im Kreise L₁, L₂ ein Strom, welcher der Differenz der elektromotorischen Kräfte entspricht und in der Wicklung L₁, L₂ Ohmschen Leistungsverlust verursacht. Es werden also beide Wicklungen W₁, W₂ eingeschaltet, jedoch lassen sich bei der Wicklung PF₂ Anfang und Ende jeder Phase vertauschen; beide Felder der Wicklungen W₁; PF₂ induzieren in der Läuferwicklung elektromotorische Kräfte, welche sich subtrahieren und ihre Differenz einen Ausgleichstrom im Läufer erzeugt, so daß die Ohmschen Verluste dieses Stromes ein proportionales Drehmoment hervorrufen. Durch Regulierung des Ausgleichstromes mittels der Anzapfungen, der Drosselspule oder des Induktionsreglers wird gleichzeitig auch das Drehmoment reguliert. Von großer Bedeutung ist der Umstand, daß dieser Ausgleichstrom nur die Ständer- und Läuferwicklung, nicht aber das Netz belastet. Eine ähnliche Regulierung erzielt man, wenn

die elektromotorische Kraft bzw. das magnetische Feld der Wicklung W₂ zeitlich oder räumlich gegenüber dem Feld der Wicklung FF₁ verschoben wird. Wie schon erwähnt, gibt die Vertauschung von Anfang mit Ende jeder Phase eine Verschiebung von 180 elektrischen Graden. Eine Verschiebung von 120 elektrischen Graden erzielt man bei Dreiphasenstrom, wenn die Zuleitung I (Fig. 1) der Wicklung FF₁ an die Spule Ha, II an IIIa und III an Ia gelegt wird. Durch Kombination der beiden ersteren ergibt sich eine Verschiebung von 180 — 120 = 60 elektrischen Graden und Sternschaltung der Wicklung W₁ und Dreieckschaltung von W₂ eine Ver-Schiebung von 30 elektrischen Graden. Wird noch die Serienschaltung von W₁ und W₂ angewendet, bietet sich die Möglichkeit, den Motor durch Umschaltung von sechs Ausführungen in elf Stufen anlaufen zu lassen. Die Kurzschlußströme der einzelnen Stufen verhalten sich wie 100: 86: 77: 58: 50: 43: 29:28:25:21:10, wobei 100 den normalen Kurzschlußstrom darstellt. Wird bei jeder Phase eine Anzapfung ausgeführt, so ergeben sich durch Umschaltung der dann vorhandenen zwölf Ausführungen 24 Stufen, also eine feinstufige, für die größten Motoren ausreichende Regulierung. ^; Wenn bei der Schaltung nach 2. ein Anker mit den Kurzschlußwiderständen R angewendet wird, sind die Anlaufsverhältnisse noch günstiger und die Regulierung im wesentlichen dieselbe, nur die Reihenfolge der einzelnen Stufen ist zu ändern. In der analogischen Darstellung in Fig. 3 sind die beiden Wicklungsteile L₁, L₂ stets über den Widerstand. R geschlossen, so daß beide Teile L, L₂ auf den Widerstand parallel arbeiten. Dieser Fall ist für den Motor in Fig. 2 näher gezeichnet. Die Wicklung W₁ erzeugt ein Feld mit den Polen N₁, S₁, die Wicklung W₂, da die Stromrichtung die umgekehrte bzw. um 180 elek-' trische Grade gedreht ist, ein Feld mit den Polen S₂, N₂, so daß die Fig. 2 die momentane Lage der Pole gegenüber der Läuferwicklung L, L,„ darstellt. Der Strom, dessen Richtung durch Pfeile eingezeichnet ist, kann nur auf dem Wege über die Widerstände R fließen. Durch Dimensionierung des Widerstandes R läßt sich also eine beliebige Stromstärke und ein beliebiges Drehmoment einstellen. Entsprechend der früher beschriebenen Regulierung wird dabei erzielt, daß sich der Strom teilweise über die Widerstände R und teilweise über die beiden Wicklungshälften derart schließt, als ob der Gesamtwiderstand des Läufers abgenommen hätte. Aus dem Angegebenen ergeben sich also folgende Anlauf schaltungen : 1. Einschaltung nur der Wicklung W₁, der Anker ist normal oder mit den Kurzschlußwiderständen R ausgerüstet ; diese Methode ist vollkommen selbstregulierend.

2. Einschaltung der beiden Wicklungen W₁, W₂, der Anker ist normal öder mit dem Kurzschiußwiderstand R versehen ; Regulierung durch Drosselspule, Induktionsregler oder Anzapfungen der Wicklung Wn.

Beim praktischen Gebrauch dieser Anlaufschaltungen ist die Wahl den näheren Verhältnissen anzupassen. Für die Fälle, wo die zulässige Stromstärke ziemlich eng begrenzt ist und hohes Anlaufmoment verlangt wird, eignet sich der Anker mit den Kurzschlußwiderständen R am besten; dasselbe gilt auch für die Tourenregulierung. Die Schaltungen mit normalem Anker sind mehr auf die größere Stromstärke angewiesen.

Aus den Erläuterungen an dem vierpoligen Motor ist die Anordnung für andere Polzahlen ohne weiteres verständlich, da bei Drehstrom die zwei Gruppen W₁, W₂ zu je drei Spulen mit ihren zweipoligen Feldern ein Element bilden. Bei mehrpoligen Motoren besteht die Wicklung W₁ und W₂ aus mehreren Gruppen von drei Spulen; es ist auch nicht nötig, daß beide Wicklungen FF₁, FF₂ dieselbe Gruppenzahl bzw. Spulenzahl besitzen, auch bei der Schaltung nach 2. kann neben der Wicklung FF₁, FF₂ ein Teil der Ständerwicklung unangeschlossen bleiben und so die Kombination der beiden Schaltungen gebildet werden. Bei Motoren mit hoher Polzahl kann auf diese Weise eine weitere Abstufung des Anlaufdrehmoments erzielt werden, indem die Einschaltung der ganzen Wicklung in mehreren Stufen erfolgt. Die Verteilung der Gruppen der Wicklungen FF₁, FF₂ bei mehr als zweipoligen Motoren kann derart erfolgen, daß FF₁ in einer, FF₂ in der zweiten Hälfte des Motors angebracht ist, oder daß immer einer Gruppe der Wicklung FF_reine Gruppe der Wicklung FF₂ folgt, so daß die beiden Wicklungen FF₁, FF₂ am Statorumfang gleichmäßig verteilt sind.

Jede Ständerwicklung eignet sich für die beschriebene Anlaßmethode; dasselbe gilt auch für jede als Mehrphasenkürzschlußwicklung ausgeführte Läuferwicklung; nur die reine Käfigwicklung ist nicht geeignet, da der Läufer derart geschaltet werden muß, daß die von der Ständerwicklung W₁, W₂ induzierten Läuferwindungen in Serienschaltung sich befinden und die magnetischen Felder der Wicklungen FF₁, W₂ sich unabhängig voneinander ausbilden können. Diese in Serie geschalteten Läuferwindungen oder Spulen werden beim Anker mit Kurzschlußwiderstand R durch diesen Widerstand überbrückt, so daß der Widerstand die beiden Windungen oder Spulen kurzschließt.

Die Fig. 4und5 stellen die Schaltung der Kurzschlußwiderstände R für dreiphasige Induktionsmotoren nach Fig. 1 dar. L₁, L₂ sind die Spulen des Läufers, welche um die doppelte Polteilung versetzt und in Serie geschaltet sind. Der Widerstand R ist derart geschaltet, daß er die beiden

Spulen gleichzeitig kurzschließt. Die Spulen sind dabei in Fig. 4 in Stern, in Fig. 5 in Dreieck geschaltet. Der Läufer besitzt Serienschaltung, oder wenn er parallele Teile enthält, müssen diese derartige Umfangbreite haben, daß sie sich in jeder Lauf er stellung stets im Felde der Wicklung W₁ und W₂ gleichzeitig befinden. Im übrigen richtet sich die Läuferschaltung nach dem Betriebszustand, also nach den bekannten Regeln für Drehstrom.

Sind die Rotorwiderstände für Dauerbelastung dimensioniert, so können die einzelnen Anlaßstufen auch für Tourenregulierung benutzt werden. Die in den Widerständen zu vernichtende elektrische Energie ist dabei weit geringer als bei den üblichen Tourenregulierungsmethoden, da die Umschaltregulierung nach- 2. auf den Läufer derartige Wirkung ausübt, als wenn die dem Motor zugeführte Spannung verkleinert würde. : Infolgedessen genügt es, dem Läufer weit geringere elektrische Leistung zu entnehmen, um dieselbe Schlüpfung zu erzielen, wie in dem Falle, wo dem Motor die volle Spannung zugeführt wird.

Die Erläuterungen für Drehstrom finden auch ihre analoge Anwendung bei Anlaufschaltung für Motoren für Zweiphasen- oder Einphasenstrom. In beiden Fällen bilden die Spulen, welche ein selbständiges magnetisches Feld erzeugen, eine Gruppe der Teilwicklung W_x oder W₂. Die weitere Ausführung der Schaltung ist nur eine Analogie der beschriebenen.

Claims (4)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Schaltung für Anlassen und Tourenregulierung von Jnduktionsmotoren mit mehreren Wicklungsteilen auf dem Ständer, dadurch gekennzeichnet, daß, indem beim Anlassen nur ein Teil der Ständerwicklung eingeschaltet wird, nur in einem Teil der als Mehrphasenkurzschlußwicklung ausgeführten Ankerwicklung elektromotorische Kräfte induziert werden, so daß der übrige Teil der Ankerwicklung als induktiver Widerstand auf den ersteren wirkt, zum Zwecke, die Einschaltstromstärke bei möglichst großem Drehmoment niedrig zu halten.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem ersten Teil der Ständerwicklung ein zweiter Teil derselben parallel derart eingeschaltet wird, daß die erzeugten magnetischen Felder in ihrer Stärke mittels einer Drosselspule,

   . eines Induktionsreglers oder von Anzapfungen der zweiten Ständerwicklung derart reguliert werden, daß im Ständer und Läufer Ausgleichströme entstehen, die das Drehmoment des Motors erhöhen.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Ständerwicklung parallel oder in Serie derart eingeschaltet werden,· daß die von ihnen erzeugten magnetischen Felder gegenüber der Ankerwicklung eine solche räumliche Lage einnehmen, oder zeitlich so hintereinander folgen, daß die von ihnen in der Ankerwicklung induzierten elektromotorischen Kräfte sich geometrisch addieren, zum Zwecke, die Anlaufstromstärke und das Drehmoment regulieren zu können.
4. 4. Schaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle um die doppelte Polteilung versetzten Windungen oder Spulen der als Phasenwicklung ausgeführten Läuferwicklung hintereinander in einen in sich stets geschlossenen Stromkreis eingeschaltet werden und jede Windung oder Spule durch einen Ohmschen Widerstand (R) kurzgeschlossen wird, zu dem Zwecke, die Anlaufstromstärke und das Drehmoment sowie die Tourenregulierung durch die Dimensionierung der Widerstände beliebig einstellen zu können.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.