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Verfahren und Anordnung zur Steuerung oder Regeluny der
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Drehzahl von Asynchron- oder Reluktanz-Motoren Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl eines drehzahlvcrstellbaren
elektrischen Asynchron- oder Reluktanz-Motors oder mehrerer oder vieler solcher
unter sich gleich ausgebildeten Motoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und
eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Es ist bekannt, Asynchronmotoren oder Reluktanz-Motoren über statische
Frequenzumrichter zwecks stetiger Drehzahlverstellung mit eingeprägter Spannung
zu speisen. lsisher ging man dabei so vor, daß man ein konstantes Verhältnis der
eingeprägten Spannung Ue zur Speisefrequenz fs des oder der durch den Frequenzumrichter
mit eingeprägter Spannung und Speisestrom gespeisten Motoren einhielt,
also
U /f = konstant vorsah, wobei man allenfalls diesem konstanten Verhältnis noch eine
nur bei niedrigen Speisefrequenzen wirkende I.RKompensation (I=Strom, R=Ohm'scher
Widerstand) hinzu,fügte, die bei niedrigen Frequenzen vollen Motorfluß und damit
volles Drehmoment gewährleistete. (Prospekt der Fa.
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AEG-Telefunken über den Frequenzumrichter "Semiverter".) Dies ändert
jedoch an den ungünstigen cos 9 -Werten über große Last- und Drehzahlbereiche nichts.
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Dabei ging man so vor, daß man dieses Verhältnis eingeprägt Spannung/Speisefrequenz
so traf, daß der cosf,d.h.der Leistungsdes Motors bei dem Nennlastmomentoptimal
war faktor also dem bei Nennlast erreichbaren Maximalwert ungefähr entsprach. Dies
führt jedoch dazu, daß der cos ç bei yrößerem oder kleinerem Lastmoment auf ungünstige
Werte absinkt, die den Wirkungsgrad des Motores verschlechtern und damit die Motorverlust
erhöhen. Auch wirkt sich dies nachteilig auf den statischen Frequenzumrichter aus,
da schlechte cos S -Werte erhöhten baulichen Aufwand des Frequenzumrichters erforderlich
machen und auch die Energieverluste des Frequenzumrichters vergrößern.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen,
das es auf einfache Weise ermöglicht, bei allen Lastmomenten des oder der Motoren
günstige cosy -Werte erreichen zu können. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren
gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist in
Anspruch 10 beschrieben.
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Es versteht sich, daß bei Speisung mehrerer Motoren mit tels des
Frequenzumrichters, diese Motoren unter sich gleich oder ähnlich sind und unter
sich auch jeweils ungefähr
gleich große Lastmomente aufbringen müssen,
so daß ihrc cos # -Werte jeweils ungefähr gleich groß sind. tß= Phas.en-/-winkel
zwischen Klemmenspannung undSpeisestrom, cosi # Leistungs-faktor.
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Indem nicht mehr wie bisher das Verhältnis der eingepräcten Spannung
zur Speisefrequenz des oder der vom Frequenz umrichter gespeisten Motoren konstant
gehalten wird, sondern zur Verbesserung der cos + -Werte in Abhängigkeit der Motorlast
(Motorlastmoment) und der Speisefrequenz verstellt wird, ergeben sich eine ganze
Reihe von Vorteilen. So läßt sich der bauliche Aufwand des Frequenzumrichters infolge
der günstigeren cosg -Werte verringern.
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Auch seine Energieverluste lassen sich verringern. Rauch wird der
Wirkungsgrad des oder der Motor in dem oder den Bereichen, in denen der cosf -Wert
verbessert wird, ebenfalls verbessert und entsprechend die Motorverluste in diesen
Bereichen verringert. Ein solcher Bereich ist insbesondere der Lastbereich unterhalb
der Nennlast. Bei Nennlast hat man, wie erwähnt, bisher bereits mit optimalem cos
# gearbeitet. Die Erfindung ermöglicht es, auch in den Lastbereichen beidseits der
Nennlast optimale cos ff -Werte zu erzielen, d. h. cos # -Werte, die möglichst groß
sind oder zumindest nahezu möglichst groß sind. Man kann die optimalen cos ç -Werte
in Abhängigkeit der Motorlast und der Speisefrequenz des Motors ermitteln, indem
man bei gegebener Motorlast und gegebener Speisefrecuenz das Verhältnis eingeprägte
Spannung/Speisefrequenz verstellt und dabei den cos T mißt und den Maximalwert des
cos # bei dieser Motorlast und Speisefrequenz ermittelt. Man kann so durch Messung
der bei unterschiedlichen Lastmomenten und Speisefrequenzen erzielbaren größtmöglichen
cos
P -Werden für den betreffenden Motor geltenden funktionellen Zusammenhang zwischen
diesen drei Größen beispielsweise in Form eines Kennlinienfeldes erfassen.
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Wenn man vorsieht, daß sich das Verhältnis der eingeprägten Spannung
zur Speisefrequenz manuell verstellen läßt, kann dann eine Bedienungsperson den
betreffenden Antrieb je nach Lastmoment und Drehzahl anhand des Kennlinienfeldes
auf den jeweils größtmöglichen cos T -Wert einstellen. Im allgemeinen ist es jedoch
zweckmäßiger, selbsttätige Einstellung der größtmöglichsten cos + -Werte oder nahezu
größtmöglichster cos + -Werte in Abahängigkeit des Motorlastmomentes und der Speisefrequenz
vorzusehen. Zu diesem Zweck kann ein Kennliniengeber vorgesehen sein, dem als Eingangssignale
oder Eingangsdaten zur Speisefrequenz und zum Motorlastmoment proportionale Größen
eingegeben werden, aus denen er das zur Erzielung des jeweils größtmöglichen oder
nahezu größtmöglichsten cos ç erforderliche Verhältnis der eingeprägten Spannung
zur Speisefrequenz ermittelt, bspw.
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berechnet, welche dann selbsttätig eingestellt wird.
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Die Erfindung ist bei beliebigen Asynchronmotoren anwendbar, gleichgültig
ob es sich um einen Einphasen- oder Nehrphasen-Motor handelt. Bevorzugt können Drehstrom-Asynchronmotoren
vorgesehen sein.
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Die Verbesserung des cos + durch die Verstellung des Vcrhältnisses
eingeprägte Spannung/Speisefrequenz verbessert bei Asynchronmotoren auch die Steilheit
der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie zwischen Kippunkt und Synchronpunkt, so daß hierdurch
bei gegebener Speisefrequenz
durch Lastschwankungen verursachte
Drehzahlschwankungen ebenfalls verringert werden. Allerdings fällt der jeweils größtmöglichste
cos f -Wert normalerweise nicht mit der durch Verstellung des VerhälttI (1 nisses
eingeprägte Spannung/Speisefrequenz erzielbaren größten Steilheit dieser Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
genau zusammen, so daß man gegebenenfalls einen Kompromiß zwischen einem möglichst
großen cos f und möglichst großer Steilheit der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie vorsehen
kann.
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Ein möglichst großer cos t ist bei Lastbetrieb besonders wichtig.
Jedoch kann auch bei Motorleerlauf ebenfalls vorgesehen sein, den cosg durch entsprechende
Ein,tellung des Verhältnisses eingeprägte Spannung/Speisefrequenz zu optimieren.
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Wenn der oder die Motoren der Durchführung eines bestimmten Arbeitsablaufes
dienen, beispielsweise, wie bevorzugt vorgesehen, dem Einzelantrieb der Spindeln
einer Spinnmaschine, Zwirnmaschine oder Texturiermaschine dienen, dann ändert sich
im Falle konstanter Antriebsdrehzahl das Lastmoment des oder der Antriebsmotoren
während des Aufwindens der Vorgarne oder Fäden auf die Spindeln, da der Luftwiderstand
der auf den Spindeln befindlichen Spulen oder Kopse zunehmend grösser wird. Man
kann dann zeitprogrammierte Verstellung des Verhältnisses eingeprägte Spannung/Speisefrequenz
vorsehen. Die Spulen oder Hülsen tragenden Spindeln nennt man auch Textilspindeln.
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Anstatt zeitprogrammierter Verstellung des Verhältnisses eingeprägte
Spannung/Speisefrequenz kann auch eine andere geeignete Programmierung vorgesehen
sein, beispielsweise in Abhängigkeit irgend eines anderen Parameters des betreffenden
Arbeitsablaufes, bspw. des Durchmessers eines an einer Spinn- oder Zwirnmaschine
in Aufwindung befindlichen Kopses, welcher Durchmesser beispielsweise fotooptisch
gefühlt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann sehr unterschiedliche Anwendungsgebiete
haben. Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch den Frequenzumrichter mehrere Motoren,
vorzugsweise viele Motoren parallel gespeist werden, die unter sich gleich ausgebildet
sind und jeweils ungefähr gleich große Lastmomente aufbringen müssen. Bevorzugte
Anwendungsgebiete sind Textilmaschinen, wie erwähnt insbesondere Spinn-,Zwirn- oder
Texturiermaschinen mit Einzelantrieb der Spindeln, d. h. bei denen jede Spindel
durch einen eigenen Motor angetrieben ist, wobei alle Motoren der Spindeln einer
Maschine oder einer Maschinenseite durch einen gemeinsamen Frequenzumrichter gespeist
werden können.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
FrequenzumricI in Blockschaltbild-Darstellung,
Fig. 2 ein Diagramm,
welches an einem Beispiel zeigt, daß sich die Leistungsaufnahme eines Motors durch
die Erfindung beträchtlich verringern läßt.
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In Fig. 1 ist mit 10 ein von einem Drehstromnetz 11 gespeister statischer
Frequenzumrichter bezeichnet, der einen statischen Wechselrichter 12 aufweist, dessen
Ausgangsdrehstrom eine Vielzahl von zueinander parallel geschalteten elektrischen
Asynchronmotoren 13 oder Reluktanzmotoren speist, die unter sich gleich ausgebildet
sind und dem Antrieb gleich ausgebildeter Arbeitsorgane einer Maschine dienen können,
vorzugsweise dem Einzelantrieb von unter sich gleich ausgebildeten Arbeitsorganen
von Textilmaschinen.
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Der statische Frequenzumrichter 10 weist einen Gleich,sAìnungszwischenkreis
mit einem netzgeführten statischen Gleichrichter 14 auf, dessen Gleichspannungsausgang
über eine Induktivität 21 an den Eingang des statischen, gesteuerten Weicht richters
12 angeschlossen ist. Eine zwischen einen Nulleiter 15 und die die Induktivität
21 aufweisende Leitung 16 zwischengeschalteter Kondensator 17 dient der Blindstromeinspeisung
für den Wechselrichter. Der Cleichspannuiszwischenkreis weist einen Spannungsregler
18 und einen dem Spannungsregler 18 unterlagerten Stromregler 19 auf. Der verstellbare
Sollwert der eingeprägten Spannung, d. h.
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die Führungsgröße für den Spannungsregler 18 wird von einem Multiplikationsglied
20 in Form einer zur
Ftihrungsgröße proportionalen Gleichspannung
geliefert.
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Der Istwert der eingeprägten Gleichspannung wird mittels der Spannungserfassung
22 von den beiden Verbindungsleitungen 15, 16 zwischen dem gesteuerten Gleichrichter
14 und dem Wechselrichter 12 abgenommen und als Gleichspannung zur Vergleichsstelk
23 geliefert, wo die Differenz zwischen der Führungsgröße und dem Istwert der eingeprägen
Spannung gebildet wird, die als Regelabweichung dem Spannungsregler 18 aufgedrückt
wird. Der Spannungsregler 18 kann beispielsweise ein hochverstärkender, rückyekoppelter
Operationsverstärker sein. Die Ausgangsspannung des Spannungsreglers 18 bildet den
variablen Sollwert, d.h. die Führungsgröße für den unterlagerten Stromregler 19,
indem diese gleichgerichtete Ausgangsspannung an eine Vergleichsstelle24 mit dem
über einen Gleichrichter 25 zugelieferten, zu dem dem Gleichrichter 14 zugeleiteten
Netzstrom proportionalen Istwert verglichen wird, d.h., die Differenz zwischen diesem
Sollwert und Istwert des Stromes gebildet und dem unterlagerten Stromregler 19 als
Regelabweichung aufgedrückt wird.
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Auch dieser Stromregler 19 kann ein hochverstärkender, rückgekoppelter
Operationsverstärker sein. Der Stromregler 19 steuert über einen Steuersatz 26 (Impulsbildner)
den netzgeeührten Stromrichter 14 an, derart, daß am Ausgang des Gleichrichters
14 eine eingeprägte Gleichspannung auftritt, deren Größe durch die vom Multiplikationsglied
20 gelieferte Führungsgroße
bestimmt wird, indem auftretende Relabweichungen
dieser Gleichspannung sofort mittels des Spannungsreglers 18 und des unterlagerten
Stromreglers 19 ausgeregelt werden. Derartige Frequenzumrichter sind an sich bekannt.
Bspw. vertreibt die Fa. AEG-Telefunken einen geeigneten Frequenzumrichter unter
dem Handelsnamen Semiverter.
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Die Stärke des vom Gleichrichter 14 zum Wechselrichter 12 gelieferten
Gleichstromes und damit auch die StromstArke des Ausgangsstromes des Wechselrichters
12 stellt sich jeweils selbsttätig so ein, wie es die Regelung der eingeprägten
Gleichspannung erforderlich macht. Mann kann dies auch so ausdrücken, daß sich die
Motoren 13 den Speist.-aus dem Frequenzumrichter 10 strom/holen, aen sle traucnen.
Dagegen ist infolge der eingeprägten Gleichspannung auch die Ausgangsspannung des
Frequenzumrichters 10, die die Ständer- oder Klemmenspannung der Motoren 13 bildet,
eine eingeprägte Spannung, deren Amplitude der Höhe der eingeprägten Gleichspannung
entspricht.
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Das Verhältnis der eingeprägten Gleichspannung zur Speisefrequenz
der Motoren 13, d.h. zur Ausyangsfrequenz des Wechselrichters 12 wird in Abhängigkeit
des Motorlastmomentes und der Speisefrequenz der Motoren selbsttätig so verstellt,
daß im gesamten Lastbereich und vorzugsweise auch im Leerlaufbereich günstige cos
q -Werte vorliegen, vorzugsweise möglichst große, d. h. optimale cos-Werte. Falls
erwünscht, kann, wie erwähnt,
im Falle von Asynchronmotoren 13
auch die Steilheit der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des einzelnen Motors zwischen
dem Kippunkt und dem Synchronpunkt mit berücksichtigt werden, indem die Verstellung
des Verhältnisses eillgerägte Spannung/Speisefrequenz so getroffen wird, daß ein
günstiger Kompromiß zwischen möglichst hohen com bp -Werten und möglichst großer
Steilheit der genannten Drehmoment-Drehzahl -Kennlinie stattfindet oder in manchen
Fällen kann auch die größtmöglichste Steilheit dieser Kennlinie eingestellt werden.
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Es ist ein Speisefrequenz-Einstellglied 30 zum Einstellen der Steuerfrequenz
des Wechselrichters 12 und damit der Motor-Speisefrequenz, die der Ausgangsfrequenz
des vom Wechselrichter 12 gelieferten Drehstromes entspricht, vorhanden. Dieses
Einstellglied 30 kann von Hand oder gegebenenfalls auch selbsttätig auf die jeweils
vorgesehene Speisefrequenz eingestellt werden oder bei fortlaufender Verstellung
der Speisefrequenz selbsttätig in der erforderlichen Weise verstellt werden. Sein
Ausgangssignal ist ein Gleichspannungssignal, dessen Höhe proportional zur Speisefrequenz
ist. Diese Gleichspannung wird in einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 31 in eine zur
Höhe seiner Eingangsgleichspannung proportionale Frequenz umgesetzt und diese Frequenz
wird direkt oder nach Umformung in einem nicht dargestellten Impulsformerglied einem
Ringzähler 32 aufgedrückt, dessen Ausgangsimpulse den Wechselrichter 12 steuern.
Beispielsweise kann
der Ringzähler 32 sechs Ausgangsleitungen haben,
auf denen phasenverschoben die Steuerimpulse auftreten, die entsprechend sechs Steuereingängen
des Wechselrichters 12 zu dessen Steuerung aufgedrückt werden. Dieser Wechselrichter
12 kann in bekannter Weise Thyristoren aufweisen. Es ist ferner ein Stellglied 33
für das Verhältnis eingeprägte Gleichspannung/Speisefrequenz der Motoren 13, d.
h. für Ue/fs vorhanden. Da die eingeprägt Gleichspannung die Höhe der Amplitude
der AuscJungsspannung des Wechselr3Schters hat, kann man auch sagen, daß dieses
Stellglied 33 das Verhältnis der eingeprägten Ausgangsspannung des Umrichters 10
zur Speisefrequcnz der Motoren 13 vorgibt. Der Ausgang dieses "Verhaltnis"-Stellgliedes
33 ist an den einen Eingang des Multiplikationsgliedes 20 angeschlossen, dessen
anderer Eingang an den Ausgang des Speisefrequenz-Stellgliedes 30 angeschlossen
ist.
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Das Multiplikationsglied führt also die Multiplikatio (Ue/fs) . fs
= Ue durch und der so berechnete Wert Ue dient als Führungsgröße für den Spannungsregler
18.
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Das "Verhältnis"-Stellglied 33 kann beispielsweise von Hand verstellt
werden. Zusätzlich ist hier vorgesehen, 11ß dieses "verhältnis"-stellglieSidurch
eine Progranmsteuervorrichtung 40 verstellt wird. Alternativ ist hier ferner vorgesehen,
dieses "Verhältnis"-Stellglied/mittel eines als Rechner ausgebildeten Kennliniengebers
41 zu verstellen, der aus einer zur Motorspeisefrequenz proportionalen
Frequenz,
die hier über die Leitung 42 von der Ausgangsleitung es Spannungs-Frequenz-Umsetzers
31 abgeleitet ist, und einer zum Lastmoment eines der Motoren 13 proportionalen
Größe das jeweils für opoptimaler, cos ff der Motoren 13 (gegebenenfalls kann, wie
erwähnt, auch die Steilheit der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der Motoren 13 mit
berücksichtigt werden) erforderliche Verhältnis Ue/fs e s berechnet und das "Verhältnis"-Stellglied
33 selbsttätig entsprechend einstellt.
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Wenn die Programmsteuervorrichtung 40 benutzt wird, kann sie beispielsweise
der zeitabhängigen Programmierung des Verhältnisses Ue/fs während eines Arbeitsablaufes,
den die Motoren durchführen, dienen. Wenn während dieses Ai-beitsablaufes das Lastmoment
der Motoren stetig ansteigt, dann ist zur Erzielung optimaler cos # in der Regel
das Verhältnis Ue/fs e s ebenfalls stetig zu erhöhen. Wenn während des Arbeitsablaufes
die Speisefrequenz der Motoren stetig erhöht wird, wird in der Regel im Falle konstanten
oder ebenfalls ansteigenden Lastmomentes das Verhältnis Ue /f5 zur Erzielung optimaler
cos + -Werte ebenfalls erhöht.
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41 Wenn der Kennliniengeber/das Verhältnis Ue/fs steuert, genügt
ein Lastmoment-Fühler 39 an einem einzigen der Motoren 13, weil alle Motoren 13
gleich ausgebildet sind und sich entsprechende Arbeitsorgane oder dergl. mit ungefähr
gleich großen Lastmomenten antreiben. Das Lastmoment kann beispielsweise
mittels
die Torsion der Antriebswelle des Motores fühlenden Dehnungsmeßstreifen erfasst
werden. Es können auch andere geeignete Lastmomentfühler 39 vorgesehen sein.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird die D1-zahl der Motoren
13 gesteuert. Falls Drehzahlregelun.
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erwünscht ist, kann dies beispielsweise dadurch erIolen, indem die
Drehzahl eines der Motoren 13 mittels eine Tachogenerators gefühlt und dieser Istwert
mit einem von einem Sollwertgeber gelieferten Sollwert verglichen und die Differenz
zwischen Sollwert und Istwert einem Drehzahl regler als Regelabweichung eingegeben
wird, der das Speisefrequenz-Stellglied 30 selbsttätig im Sinne einer Verkleinerung
der jeweiligen Regelabweichung verstellt.
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In Fig. 2 ist ein durch Messung an einem Motor ermittlts Diagramm
als Beispiel dargestellt, bei dem die Abszi der Drehzahl eines üblichen, dem Antrieb
einer Textilspindel einer Ringspinnmaschine dienenden Drehstrom-Asynchronmotors
mit Xurzschlußläufer und die Ordinate der aufgenommenen bzw. abgegebenen Motorleistung
N entspricht. Wie dargestellt, wurde die Motordrehzahl von ca. 7000 U/min bis über
18000 U/min stetig verstellt.
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Auf der durch diesen Motor angetriebenen Spindel war bei diesen Versuchen
stets derselbe volle Kops aufgesteckt.
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Die vom Motor zum Antrieb der Spindel abgegebene Motorleistung ist
durch die Kurve 50 dargestellt. Es wurde
ferner die hierzu erforderliche
Leistungsaufnahme des Motors für zwei unterschiedliche Fälle gemessen.
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Die Kurve 51 zeigt die aufgenommene Motorleistung bei dem konstanten
Verhältnis eingeprägte Spannung/ Speisefrequenz von 1,o, für das dieser Motor vom
Herstellerwerk aus ausgelegt war. Die Kurve 52 zeigt dagegen die aufgenommene Leistung
bei Optimierung des cos tf, im gesamten dargestellten Drehzahlbereich durch entsprechende
Verstellung des Verhältnisses Ue/fs. e s Wie man aus den drei eingetragenen Punkten
dieser Kurve 52 ersieht, mußte zu diesem Zweck dieses Verhältnis Ue/fS von 0,6 in
der Nähe von 7000 U/min bis zu o,9 in der Nähe von 18000 U/min stetig erhöht werden.
Auch wenn man für die Kurve 51 des konstanten Verhältnisses eingeprägte Spannung/Speisefrequenz
einen anderen Wert als 1,o wählen würde, beispielsweise o,7, dann ginge zwar diese
Kurve durch den Punkt o,7 der Kurve 52 hindurch, jedoch würde sie zu beiden Seiten
dieses Punktes von der optimalen Kurve 52 jeweils nach oben abweichen, sodaß die
Leistungsaufnahme des Motors also auch in diesem Fall beidseits des Punktes o,7
größer als bei der Kurve 52 wäre.
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