Neuerungen auf dem Gebiete der elektrischen Maschinen. Von Dipl.-Ing. Bujes, Charlottenburg. (Schluß von S. 408 d. Bd.) Neuerungen auf dem Gebiete der elektrischen Maschinen. Bilden die Einphasen-Kollektormotoren die einzige Motorenart, die für diejenigen Wechselstrombetriebe in Frage kommt, die von den Motoren ein serienmotormäßiges Verhalten verlangen, so bleibt dennoch der Kollektor ein sehr empfindliches und schwieriges Konstruktions- und Betriebselement. Deshalb sympathisiert man noch, nicht ohne Recht, mit dem in seiner Bauart ideal einfachen Drehstrommotor, der aber leider infolge seiner Betriebseigenschaften der oben erwähnten Bedingung, dem serienmotormäßigen Verhalten, nur vermittels besonderer Einrichtungen einigermaßen Genüge leistet. Das Anlassen der Drehstrommotoren durch Einschalten von Widerständen im Rotorkreis bedeutet stets einen Energieverlust, der in manchen Betrieben, wie Förderanlagen, Walzwerken, Bahnen u. dergl. sehr beträchtlich sein kann, weil die Anlaßperioden oft in kurzen Zwischenzeiten aufeinander folgen. Auch die verbesserte Methode des Anlassens der Drehstrommotoren in einfacher Kaskadenschaltung bringt noch immer große Schlüpfungsverluste, große Phasenverschiebung im Zuleitungsnetz mit sich und entwickelt nur ein geringes Drehmoment. Diese Schwierigkeiten glaubt Heyland vermittelst seiner erweiterten Kaskadenschaltung überwinden zu können. Wir wollen hier auf zwei seiner Methoden etwas näher eingehen, ohne jedoch Anspruch auf eine genaue Erklärung der Methode, in allen ihren Einzelheiten erheben zu wollen, da dies weit über die Rahmen des vorliegenden Aufsatzes führen würde; deshalb muß auf die unten angeführten Stellen in der Literatur verwiesen werdenZ.d.V.d.I. 07. S. 1420. Wellner: „Das Heylandsche Verfahren zum Anlassen und Regulieren und Kompensation der Phasenverschiebung.“E.K.u.B. 07. S. 521. Kübler: „Das Heyland-Getriebe.“E.T.Z. 07. S. 893 u. 922. Heyland: „Allgemeine Gesichtspunkte über die Entwicklung und die Aussichten des Einphasen-Bahnbetriebes.“E.K.u.B. 08. Heft 1 u. 2. Heyland: „Periodenumformer.. Beide Methoden haben das gemeinsam, daß die Motoren in Kaskade geschaltet sind, zwischen beide aber ein Hilfsmotor elektrisch angeschlossen ist und daß ein Teil des Hilfsmotors einen Periodenumformer bildet. Bei einer Methode kommen nur Wechselstrommaschinen in Frage, während die andere einen gemischten Betrieb aufweist. Textabbildung Bd. 324, S. 423 Fig. 33. Bei der ersten Methode stellt der Periodenumformer das Bindeglied zwischen den beiden Betriebsmotoren und formt den Wechselstrom, den er den Schleifringen des ersten Motors entnimmt, in einen von variabler Periodenzahl und führt ihn dem zweiten Betriebsmotor in günstigster Weise zu. Das Prinzip eines solchen Umformers soll das Schaltungschema in Fig. 33 erklären. C', dem der Primärstrom zugeführt wird, ist ein sogen. „Görges-Motor,“ ein Kommutatormotor, bei dem der Stator und Rotor hintereinander geschaltet sind und der durch Verstellung der Bürsten seine Drehzahl ändern kann. C'' ist ein gewöhnlicher Induktionsmotor mit Schleifringanker. Laufen beide Motoren synchron mit der primären Periodenzahl, so kann natürlich an den Schleifringen S keine Energie abgenommen werden. Erhöht man aber durch Verstellen der Bürsten am Motor C seine Tourenzahl, so daß er übersynchron läuft, dann treibt er selbstverständlich den Induktionsmotor als Generator. Im Induktionsmotor treten nun zweierlei Umformungen auf, erstens des zugeführten Primärstromes durch Induktion, entsprechend dem Asynchronismus, in einen Wechselstrom niederer Periodenzahl, der an den Schleifringen abgenommen werden kann, zweitens Umformung der mechanischen, vom Motor C' zugeführten Energie in diejenige elektrischer Art, in welcher Form sie dem Primärmotor wieder zurückgegeben wird, so daß die Verluste im Aggregat sich nur auf die Leerlaufsverluste der beiden Motoren beschränken und, von diesen abgesehen, ist E1 × J1 primär, gleich E2 × J2 sekundär. Da E2 im allgemeinen größer sein wird als E1, wird auch J2 > J1. Um die Größe der Maschinen zu reduzieren, trifft Heyland folgende Anordnung (Fig. 34): Textabbildung Bd. 324, S. 423 Fig. 34. Die Statorwicklungen der beiden Motoren sind hier hintereinander geschaltet, durch die gleichzeitige Hintereinanderschaltung der beiden Rotorwicklungen tritt an den Schleifringen die Summe der in den Rotoren erzeugten Spannungen auf. Die vom Motor C'' durch Generatorwirkung erzeugte Energie wird hier direkt über den Kommutator des Motors C' und den Rotor des Motors C'' den Schleifringen zugeführt. Die Größe der beiden Motoren könnte hier auf die Hälfte derselben bei der Anordnung in Fig. 33 unter sonst gleichen Verhältnissen sinken. Einen Periodenumformer, in der zuletzt beschriebenen Zusammenstellung, schließt Heyland elektrisch zwischen zwei in Kaskade geschalteten Motoren (Fig. 36). Die Betriebsmotoren A und B sind als Drehstrommotoren gedacht, A mit Schleifring, B mit Kurzschlußanker, der im Stator verkörpert ist. Bei Stillstand der Betriebsmotoren wird an den Schleifringen des Asynchronmotors A eine der Schlüpfung 100% und dem Uebersetzungsverhältnis von Stator- zu Rotorwindungen entsprechende Spannung erzeugt, welche dem Periodenumformer zugeführt wird. Durch Schließen des Schalters U wird der Motor B abgeschaltet und beide Hilfsmotoren laufen leicht an; durch Oeffnen des Schalters U, bekommt nun auch der Motor B elektrische Energie und läuft als Asynchronmotor an, bei dem natürlich die Statorwicklung kurzgeschlossen ist. (Die Schleifringe des Motors C'' entsprechen den mit 4, 5, 6 in Fig. 34 bezeichneten.) Der Periodenumformer formt dabei den dem Primärmotor entnommenen Strom, bei jeder Geschwindigkeit der Hauptmotoren, in einen dem Sekundärmotor entsprechenden Strom variabler Periodenzahl um, und zwar in der Weise, daß die Geschwindigkeit der beiden Hauptmotoren nicht nur bis zu dem der Kaskadenschaltung entsprechenden Synchronismus, sondern ohne Umschaltung bis zum Synchronismus der Netzperiodenzahl variieren kann, wobei der Sekundärmotor B sich dann allmählich entlastet. Hierbei variiert die Drehzahl des Periodenumformers nur in mäßigen Grenzen. Will man jedoch eine Veränderung der Tourenzahl des Umformers herbeiführen, so braucht man nur den Primärmotor mit einer anderen Periodenzahl, als der des Hintermotors B, ausführen. Hat der Primärmotor z.B. zweimal soviel Pole als der Hintermotor, so sinkt die Tourenzahl des Umformers vom Synchronismus auf zwei Drittel. Diese Abnahme kann man, durch Anbringen eines Schwungrades auf der Welle des Umformers praktisch verwerten, denn die durch diese Abnahme der Geschwindigkeit freiwerdende lebendige Kraft des Schwungrades kommt dadurch wieder zur Erscheinung, daß sie in dem als Generator arbeitenden Hilfsmotor C'' in elektrische Arbeit umgesetzt wird und den Anlauf des Motors B unterstützt, ohne das Netz stärker zu belasten. Da der Hilfsmotor nur die dem Hintermotor zuzuführende elektrische Energie umzuformen hat, so wäre bei gleicher Polzahl und derselben Drehzahl, wie der Hauptmotoren, seine Größe nur halb so groß, als die der Hauptmotoren; läßt man ihn aber mit einer höheren Drehzahl laufen und führt den Hintermotor mit einer kleineren Polzahl aus, als den Primärmotor, so kann die Größe auf einen Bruchteil des aktiven Gewichts der Hauptmotoren sinken. Die Schwierigkeiten des Kommutierens kommen bei dem hier vorhandenen Görges-Motor in Fortfall, da er gerade während seiner stärksten Belastung (beim Anlauf der Hauptmotoren) synchron mit der Periodenzahl des zugeführten Stromes läuft, wobei die Wechselzahl im Anker und damit die bei Kommutatormotoren bekannte Transformatorspannung (s. S. 407) Null wird. Haben dagegen die Betriebsmotoren ihre normale Drehzahl erreicht, dann wächst erst die Transformatorspannung; die Periodenzahl, Spannung und Stromstärke nimmt jedoch ab. Der Hauptteil der zugeführten Arbeit wird in den kommutatorlosen Wicklungen des Motors C'' umgeformt, der Kommutatormotor hat, sozusagen, nur die Rolle eines Taktgebers zu erfüllen. Die Hilfsmotoren lassen sich so einstellen, daß ohne Nachregulierung die Hauptmotoren von Stillstand bis zur annähernd vollen Geschwindigkeit mit annähernd konstantem Primärström anlaufen, der z.B. durch einmalige Einstellung der Bürsten am Hilfsmotor C' gegeben ist, während ihre Zugkraft sich den jeweiligen Geschwindigkeiten anpaßt. Textabbildung Bd. 324, S. 424 Fig. 35. Anlaufskurven der Betriebsmotoren ohne NachregulierungPrimärstromverbrauch; Phasenverschiebung des Primärstromes; Gesamte Zugkraft der Betriebsmotoren; Gesamter Wirkungsgrad der Gruppe. Außerdem kann man, durch Ueberkompensierung im Görges-Motor, eine Voreilung des Stromes gegenüber der Spannung eintreten lassen, was durch seine Rückwirkung auf den Primärmotor eine Phasenkompensation in der Primärleitung bewirken kann. Textabbildung Bd. 324, S. 424 Fig. 36. Heyland gibt auch ein Diagramm der maßgebenden Größen, die bei einem Versuch mit zwei größeren 12poligen und auf obige Weise geschalteten Rotoren auftraten. Die Periodenzahl war 25, volle Drehzahl i.d. Minute = 250 (Fig. 35). (E.K.u.B. 08. Heft 2. Fig. 23.) Textabbildung Bd. 324, S. 424 Fig. 37. Der Motor O war überkompensiert, daher die Phasenverschiebung im Primärkreis beim Anlauf gleich Null, nachher fällt sie auf 0,8. Der Wirkungsgrad der Anlage soll laut Diagramm bei voller Drehzahl = 88% sein. Wie sich aus obigen Ausführungen ergibt, eignet sich diese Schaltung für Drehstromanlagen mit starken Belastungsstößen, also Förderanlagen, Walzwerke und dergleichen. Falls, wie Heyland an den angeführten Stellen angibt, die Schaltung auch für Einphasenstrom verwendbar wäre, so könnten die Induktionsmotoren den Kampf mit den Kommutatormotoren um die Beherrschung des Bahnbetriebes ohne weiteres aufnehmen. Aus dem Schaltungsschema Fig. 36 ist ersichtlich, daß man durch Umlegen der Schalter U' und U'' die Fahrrichtung der Motoren ändern kann, wobei die Hilfsmotoren ihren Drehsinn beibehalten. Ein großer Vorteil dieser Schaltung ist auch darin nicht zu verkennen, daß der Hochspannungstransformator in Fortfall käme und alle Umschaltungen im Niederspannungskreis vorgenommen werden könnten. Nun kommen wir zur zweiten Methode, bei welcher auch Gleichstrom in Verwendung kommt, so daß diese Methode z.B. für Bahnen mit gemischtem Betrieb benutzt werden könnte. Die Anordnung zeigt Fig. 37. A und B sind Betriebsmotoren; A ein Asynchronmotor, B ein Einankerumformer, der hier den Periodenumformer in der letzten Anordnung ersetzt. C und D sind Hilfsmotoren; C ist ein Asynchronmotor, D eine Gleichstrommaschine. Durch Oeffnen des Schalters U und Kurzschließen des Rotors vom Motor C über Widerstände, bringt man den Motor C zum Anlaufen; erregt man nun die Maschine D und verbindet wiederum die Motoren B und G elektrisch, dann erhält der Einankerumformer von zwei Seiten, von der Gleichstrom- und Wechselstromseite, Energie und läuft an. Beim Anlauf der Betriebsmotoren nimmt die Tourenzahl des Hilfsaggregates ab und der Einankerumformer B arbeitet gleichzeitig als Periodenumformer mit variablem Uebersetzungsverhältnis. Textabbildung Bd. 324, S. 424 Fig. 38. Zentrifugalpumpe mit 450 PS Dreiphasen-Wechselstrommotor. Bei Stillstand der Betriebsmotoren und erregter Maschine D schließt sich ihr Gleichstrom einmal über den Anker des Motors B, zweitens gelangt er über seine Schleifringe zum Motor C und erregt ihn mit Gleichstrom, so daß er also als Synchronmotor weiterläuft; durch entsprechende Uebererregung kann man sogar ein Voreilen des Stromes erlangen, was einer Phasenkompensation in der Primärleitung entspricht. Auch hier ist also eine Phasenkompensation beim Anlauf der Motoren möglich, durch Umlegen des Schalters U1 und U2 und des Erregungsschalters U8 ist die Fahrrichtung umsteuerbar. Dadurch, daß der Motor beim Anlaufen von beiden Maschinen C und D gleichzeitig Strom bekommt, kann ihre Größe kleiner ausfallen als bei der Anordnung Fig. 36. Noch eine Eigentümlichkeit haftet der zweiten Methode an: Auf Grund derselben ist man imstande, die Spannung in der Zentrale zu erhöhen. Denken wir uns den Einankerumformer gegenüber der von C erhaltenen Spannung übererregt, dann drückt er dem Motor C einen voreilenden Strom auf, der über den Motor A in der Zentrale bekanntlich eine Spannungserhöhung hervorruft, genau so, wie ein nacheilender Strom einen Spannungsabfall bewirkt. Da nun der voreilende Strom mit der Geschwindigkeit der Betriebsmotoren steigt, was aber auch einer gleichzeitigen Steigerung des Stromes und des Spannungsabfalles in der Primärleitung entspricht, so kann man durch eine sinngemäße Einregulierung der Erregung des Motors B den Spannungsabfall in der Hauptleitung aufheben. Auch bei diesem System ist ein Belastungsausgleich möglich, indem man dem Hilfsmotor Schwungmassen anhängt und während der Anlaufsperiode ihre frei werdende lebendige Kraft auf die Betriebsmotoren übertragen wird, während der Bremsperiode dagegen die frei werdende Energie der Betriebsmotoren in den Schwungmassen aufgespeichert wird. Für Bahnzwecke käme auch diese Anordnung erst zur vollen Geltung, wenn sie für Einphasenstrom sich brauchbar erwiese; bei den beschriebenen Schaltungen scheint die Einführung von einphasigem Wechselstrom nicht möglich zu sein. So bleibt denn das Anwendungsgebiet der erweiterten Kaskadenschaltung: die mit Drehstrom ausgerüsteten Förderanlagen und Walzwerke. Dam den beiden beschriebenen Fällen nur ein Teil der zugeführten Energie umgeformt wird, fällt die Größe des Umformers viel kleiner aus, als bei der bekannten Ward-Leonard-Schaltung für Förderanlagen (s. S. 389), die Phasenkompensierung in der Primärleitung und der Belastungsausgleich mit kleineren Schwungmassen, als bei den Jlgner-Umformern, könnte dieser Schaltung in den obenerwähnten Betrieben Bahn brechen, falls die Praxis die theoretischen Erwägungen bestätigen wird. – Es gibt aber auch Betriebe, in welchen die Eigenschaften eines gewöhnlichen Drehstrommotors nur willkommen sind; es handelt sich da meistens um große Kraftübertragungen, bei denen die Rückleitung nicht geerdet werden kann, und wo das Dreiphasensystem schon wegen Kupferersparniß große Vorteile bietet. Noch mehr ins Gewicht fällt aber auch die Raum- und die Gewichtsersparnis der Motoren selbst bei dieser Zuführungsart des Kraftmittels beim Abteufen von Schächten; der am meisten für diese Zwecke geeignete ist der Drehstrommotor, mit seinem Phasen- oder Kurzschlußanker. Vor allem bietet er die Möglichkeit der bequemen vertikalen Anordnung in den zumeist äußerst knappen, zur Verfügung stehenden Schachtprofilen, die nur ein Uebereinanderstellen von Motor und Pumpe gestatten. Umso bequemer wird auch seine direkte Kupplung mit der neuerdings gebräuchlichsten Zentrifugalpumpe, die allerdings eine recht hohe Tourenzahl des Drehstrommotors erfordert. Auch die direkte Zuführung der Hochspannung zum Stator des Drehstrommotors erlaubt noch eine weitere Verminderung des Kupfergewichtes der Zuleitung; die hohe Tourenzahl andererseits vermindert das aktive Gewicht und damit das Volumen des Drehstrommotors. Der letzte Umstand erfordert jedoch insbesondere bei großen Einheiten eine künstliche Kühlung des Motors, da er nur eine geringe, dem kleinen aktiven Volumen entsprechende Abkühlungsoberfläche besitzt. Auch die notwendige Verwendung von gekapselten Typen, wegen des in den Schächten sehr oft auftretenden Tropf- und Spritzwassers, wirkt auf die Abkühlung sehr ungünstig. Für die Lagerung der Motoren wird im oberen Schild ein Traglager vorgesehen, das entweder als Kugel- oder Gleitlager ausgebildet ist; außerdem stützen natürlich noch oben und unten je ein Führungslager die Welle seitlich ab. Das Schmieröl wird infolge der Zentrifugalkraft durch ein Steigrohr aus einem Bassin unter dem Führungslager in ein anderes über dem letzteren befindliches gedrückt, von wo aus es zum Traglager gelangt, gleichzeitig durch das Führungslager nach dem unteren Bassin durchsickert und so auch das Führungslager schmiert. Sehr oft muß man auch zur Anwendung einer Oelpumpe schreiten, die in der bekannten Weise des Oel durch die Lager drückt. Zwecks einer scharfen Kühlung im Innern des Motors sitzt gewöhnlich auf seiner Welle ein Ventilator, der Außenluft durch unten angebrachte Oeffnungen ansaugt, dann durch die im Stator und Rotor vorgesehenen Schlitze treibt. Nicht selten findet man auch Wasserkühlung bei dieser Art Motoren, insbesondere bei größeren Leistungen, bei welchen die Abkühlung durch Luft nicht ausreicht. Die Kühlung erfolgt dann durch einen das Gehäuse umschließenden Kühlmantel, der durch vertikale Wände unterteilt ist, so daß einzelne Kammern gebildet werden, welche von dem Kühlwasser hintereinander durchströmt werden. Damit auch die im Innern des Motors entstehende Wärme an den Kühlmantel gelangt, wird das im Innern eingeschlossene Luftvolumen durch Flügelräder in ständiger Zirkulation gehalten. Die Kupplung des Motors mit der Zentrifugalpumpe kann starr oder elastisch sein. Bei der starren Kupplung kann der achsiale Druck der Pumpe zur Entlastung des oberen gemeinsamen Traglagers benutzt werden. Eine Anordnung dieser Art zeigt Fig. 38. Der Motor ist von der Firma Brown, Boveri & Co. ausgeführt und leistet 450 PS bei einer Tourenzahl = 965. Die Spannung beträgt 1000 Volt bei einer Periodenzahl = 50.