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Einrichtung zur Erzeugung eines Schwebe-Drehstromes.
Bei Drehfeldmaschinen ohne Zufuhr eines Rotorstromes von aussen ist eine Energieumsetzung nur dann möglich, wenn zwischen der Drehfelddrelizahl und der Rotordrehzahl eine Differenz besteht.
Im synchronen Lauf kann die Maschine nur arbeiten, wenn der Rotor von aussen gespeist wird.
Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erzeugung einer neuen Stromart, die es ermöglicht, Drehfeldmaschinen sowohl im asynchronen als auch insbesondere im synchronen Lauf ohne Rotorspeisung zu betreiben.
Wird ein Drehfeldmotor mit normalem Drehstrom gespeist, so entsteht im magnetischen Kreis der Maschine ein umlaufendes Feld, dessen Drehzahl entsprechend der Polpaarzahl der Maschine der Netzfrequenz synchron ist und dessen Feldstärke konstant bleibt. Ein solches Feld ist nicht in der Lage, in einer Wicklung eines Rotors der mit diesem Feld synchron läuft, einen Strom zu erzeugen, da kein Kraftlinienschnitt mit den Rotorleitern auftrifft. Anders liegen die Verhältnisse, wenn während der Rotation des Feldes die Feldstärke wechselt. Pulsiert das Feld während seiner Rotation, so wird in den mit dem Feld synchron umlaufenden Wicklungen ein Strom induziert, der nunmehr mit dem Drehfeld ein Drehmoment entwickelt.
Die Maschine läuft also synchron und kann Arbeit leisten, ohne dass von aussen dem Rotor Strom zugeführt wird.
In Fig. 1 sind vektoriell die Zusammensetzungen der Spannungen zweier gleichsinnig umlaufenden Drehstromsysteme verschiedener Frequenz dargestellt. el, e2, e3 sind die gegeneinander um 120 verschobenen Spannungen des ersten Drehstromsystems, dessen Winkelgeschwindigkeit Wrist ; el', e2'und e3' sind die Phasenspannungen des zweiten Drehstromsystems, die gleichfalls gegeneinander um 120 verschoben sind und mit der Winkelgeschwindigkeit W2 rotieren.
In Fig. 2 ist die Seriensehaltung zweier Drehstromgeneratoren zwecks Erzeugung eines Sehwebedrehstromes dargestellt. Die Wicklung der Phase Mi-i des Generators I ist in Serie geschaltet mit der Wicklung der Phase M/-K/des Generators ll. Analog sind die Wicklungen der übrigen beiden Phasen in Serie geschaltet. Im Generator I sind die drei Phasen im Sternpunkt 0 verkettet. M1 und M2 sind die Gleichstromerregungen der beiden Synchronmaschinen. An den Klemmen U, V, W tritt nunmehr eine Spannung auf, die dem Zusammenwirken der Phasenspannungen der Einzelmaschinen entspricht.
Aus Fig. 1 ist zu ersehen, dass diese Klemmenspannung in jedem Zeitaugenblick der geometrischen Summe der Phasenspannungen beider Maschinen gleich ist.
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- (ei + el) ab. Genau so wie der Vektor jEi variiert der Vektor E2 und jEg. Sind die beiden zusammengesetzten Drehstromspannungen symmetrische Drehstromsysteme, so sind die Phasenverschiebungen
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erfahren. Es entsteht ein Drehfeld mit sinusförmig schwingender Feldstärke, also ein Schwebedrehfeld.
In Fig. 3 ist eine Phase eines solchen pulsierenden Drehstromes (Schwebedrehstrom) im Diagramm dargestellt. Die Zeit a-b stellt die Halbperiode der Schwebung dar, während mit e-d eine ganze Periode einer Phase des Schwebedrebstromes veranschaulicht ist. Wie ersichtlich, ist die Frequenz desselben konstant.
Die Wicklung des Rotors ist einphasig, da die transformatorische Energieübertragung zwischen Stator und Rotor der Art eines Einphasentransformators entspricht. Eine mehrphasige Rotorwicklung würde für alle Lagen des Rotors gegenüber dem Schwebedrehfeld einen Kurzschluss darstellen.
Eine Mehrphasenwicklung kann nur dann verwendet werden, wenn zumindest für den Betriebszustand im synchronen Lauf wesentliche Unterschiede in den Impedanzen der Rotorphasen bestehen.
Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen die Wirkung eines Wechselfeldes auf eine kurzgeschlossene
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Die Kurzschlusswicklung ist durch das Leiterviereck A, B, C, D dargestellt. Das Leiterviereck ist um die horizontale Achse o-p drehbar. Die Ebene des Leiterviereckes schliesst augenblicklich einen Winkel ss mit der Richtung der Kraftlinien ein. Durch die in der Figur eingezeichnete Richtung des Kurzschlussstromes des Leiterviereckes tritt ein Drehmoment D auf, das die Ebene des Leiterviereckes in die Richtung der Kraftlinien zu drehen trachtet. Würde der Winkel ss einen negativen Wert haben, so würde auch die Stromrichtung im Leiterviereck, hervorgerufen durch die Transformation des Wechselfeldes (D, eine umgekehrte Richtung haben und es würde sich damit auch die Richtung des Drehmoments umdrehen.
Das Leiterviereck trachtet also auch von der entgegengesetzten Seite seine Ebene in die Kraftlinienrichtung zu stellen. Steht das Leiterviereck in der Richtung der Kraftlinien, dann wird es von keiner Kraftlinie durchsetzt, ist daher stromlos und kann kein Drehmoment hervorrufen. Rotiert das Wechselfeld (D um die Achse o-p, so wird im Falle der vollen Reibungslosigkeit das Leiterviereck A, B, 0, D in seiner Grenzlage mitgenommen und rotiert mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie das Feld. Tritt an der Achse des Leiterviereckes irgendein hemmendes Drehmoment auf, dann wird sich ein derartiger Winkel ss einstellen, dass der nunmehr transformatorisch erzeugte Kurzschlussstrom des Leiterviereckes mit dem Feld (P ein solches Drehmoment erzeugt, dass mechanisches Gleichgewicht herrscht.
Der Rotor läuft dabei mit konstanter, synchroner Drehzahl weiter.
Der Rotor kann mit Kurzsehlusswieklung oder mit einer offenen Wicklung, die über Widerstände geschlossen wird, ausgeführt werden.
Das Anlassen geschieht wie bei einem normalen Drehfeldmotor. Die Maschine kann auch gezwungen werden, asynchron zu laufen. Für einen bestimmten Schwebedrehstrom ist die Art des Ganges synchron oder asynchron durch die Wahl der Impedanz des Rotorstromkreises bestimmt.
Sind die Phasenspannungen der beiden zusammengesetzten Drehstromsysteme (Fig. 1) nicht gleich gross, so wird auch für den Fall, dass a = m ist, der Vektor der Spannung des Schwebedrehstromes nicht
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der Winkelgeschwindigkeit W1 oder W2 darüber hinwegläuft.
Ist die Feldstärke jenes Drehstromes, der die höhere Winkelgeschwindigkeit hat, die grössere, dann wird auch im synchronen Lauf, bezogen auf die Schwebedrehfelddrehzahl, eine asynchrone Wirkung unter Vergrösserung des synchronisierenden Drehmomentes eintreten.
Die primäre Wicklung, im allgemeinen Ständerwicklung, entspricht der eines normalen Drehstrommotors.
Rotor und Stator können miteinander vertauscht werden.
In Fig. 6 und 7 sind zwei Motoren schematisch im Ausführungsbeispiel dargestellt.
In Fig. 6 ist S die. beispielsweise im Stern geschaltete Ständerwicklung, W die kurzgeschlossene Rotorwicklung und o-p die Rotorachse.
In Fig. 7ist die Ständerwicklung Sin Dreieckschaltung dargestellt. Wist die offene Rotorwicklung mit den Schleifringen a1 und a2, den Bürsten b1 und b2 und dem Rotorwiderstand c. o-p ist wieder die Drehachse.
In den Figuren sind die Rotorwicklungen einwindig dargestellt. Die tatsächliche Windungszahl hängt von den Leistungsdaten und den Betriebsbedingungen der Maschine ab.
Der Schwebedrehstrom wird erzeugt, indem zwei Drehstromgeneratoren verschiedener Frequenz beliebiger Art in Serie geschaltet werden oder indem eine Synchronmaschine durch pulsierenden Strom erregt wird.
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Die gemäss der Erfindung gebauten und betriebenen Motoren zeichnen sich durch vollkommen konstante Tourenzahl und gegenüber den bekannten Synchronmaschinen durch ihre einfache sohleifringlose Bauart aus, so dass sie namentlich zum Antriebe von Spindeln, Spinnzentrifugen u. dgl. besonders geeignet sind.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Erzeugung eines Schwebedrehstromes, dadurch gekennzeichnet, dass jede der drei Phasen eines Drehstromsystemes aus zwei Wechselströmen gebildet wird, wobei jedes der beiden Systeme von Wechselströmen in allen drei Phasen gleiche Konstante hat, aber beide Systeme voneinander verschiedene Frequenzen besitzen.
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Device for generating a floating three-phase current.
In rotary field machines without a rotor current being supplied from the outside, energy conversion is only possible if there is a difference between the rotary field number and the rotor speed.
The machine can only work in synchronous operation if the rotor is fed from outside.
The subject of the invention is a device for generating a new type of current which makes it possible to operate induction machines both in asynchronous and, in particular, in synchronous operation without rotor supply.
If a rotary field motor is fed with normal three-phase current, a rotating field is created in the machine's magnetic circuit, the speed of which is synchronous with the mains frequency according to the number of pole pairs of the machine and the field strength remains constant. Such a field is not able to generate a current in a winding of a rotor that runs synchronously with this field, as no force line intersection with the rotor conductors occurs. The situation is different if the field strength changes during the rotation of the field. If the field pulsates during its rotation, a current is induced in the windings rotating synchronously with the field, which now develops a torque with the rotating field.
The machine therefore runs synchronously and can do work without any external power being supplied to the rotor.
In Fig. 1, the compositions of the voltages of two three-phase systems rotating in the same direction with different frequencies are shown vectorially. el, e2, e3 are the voltages of the first three-phase system, shifted by 120 relative to one another, whose angular velocity is Wrist; el ', e2' and e3 'are the phase voltages of the second three-phase system, which are also shifted from one another by 120 and rotate at the angular velocity W2.
In Fig. 2 the series arrangement of two three-phase generators is shown for the purpose of generating a three-phase visual current. The winding of phase Mi-i of generator I is connected in series with the winding of phase M / -K / of generator II. Similarly, the windings of the other two phases are connected in series. In generator I, the three phases are concatenated at star point 0. M1 and M2 are the DC excitations of the two synchronous machines. A voltage now occurs at terminals U, V, W that corresponds to the interaction of the phase voltages of the individual machines.
It can be seen from FIG. 1 that this terminal voltage is equal to the geometric sum of the phase voltages of both machines at every instant in time.
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- (ei + el) off. Just like the vector jEi, the vector E2 and jEg vary. If the two combined three-phase voltages are symmetrical three-phase systems, the phase shifts are
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Experienced. A rotating field with sinusoidally oscillating field strength is created, i.e. a floating rotating field.
In Fig. 3, a phase of such a pulsating three-phase current (floating three-phase current) is shown in the diagram. The time a-b represents the half-period of the beat, while with e-d a whole period of a phase of the Schwebedrebstromes is illustrated. As can be seen, its frequency is constant.
The winding of the rotor is single-phase, since the transforming energy transfer between stator and rotor corresponds to the type of a single-phase transformer. A polyphase rotor winding would represent a short circuit for all positions of the rotor in relation to the floating rotating field.
A multi-phase winding can only be used if there are significant differences in the impedances of the rotor phases, at least for the operating state in synchronous running.
4 and 5 illustrate the effect of an alternating field on a short-circuited
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The short-circuit winding is represented by the conductor rectangle A, B, C, D. The ladder quadrangle can be rotated around the horizontal axis o-p. The plane of the ladder rectangle instantly encloses an angle ss with the direction of the lines of force. As a result of the direction of the short-circuit current of the quadrangle of conductors shown in the figure, a torque D occurs which tends to rotate the plane of the quadrilateral in the direction of the lines of force. If the angle ss were to have a negative value, the direction of the current in the conductor quadrangle, caused by the transformation of the alternating field (D, would also have a reverse direction and the direction of the torque would thus also be reversed.
The ladder quadrangle also tries to place its plane in the direction of the force lines from the opposite side. If the quadrangle of conductors is in the direction of the lines of force, no line of force passes through it and is therefore de-energized and cannot produce any torque. If the alternating field (D rotates around the axis op, then, in the case of complete frictionlessness, the conductor quadrangle A, B, 0, D is taken along in its limit position and rotates at the same angular speed as the field. then such an angle ss will be established that the short-circuit current of the conductor quadrangle, now generated by a transformer, with the field (P generates such a torque that mechanical equilibrium prevails.
The rotor continues to run at a constant, synchronous speed.
The rotor can be designed with a short-circuit or with an open winding that is closed via resistors.
Starting happens like a normal rotary field motor. The machine can also be forced to run asynchronously. For a certain three-phase floating current, the type of gear is synchronous or asynchronous by the choice of the impedance of the rotor circuit.
If the phase voltages of the two composite three-phase systems (FIG. 1) are not equally large, then the vector of the voltage of the floating three-phase current is not even in the event that a = m
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the angular velocity W1 or W2 passes over it.
If the field strength of the three-phase current that has the higher angular velocity is greater, then an asynchronous effect will occur with an increase in the synchronizing torque even in synchronous operation, based on the floating rotating field speed.
The primary winding, generally the stator winding, corresponds to that of a normal three-phase motor.
The rotor and stator can be interchanged.
In Fig. 6 and 7, two motors are shown schematically in the embodiment.
In Fig. 6, S is the. For example, star-connected stator winding, W the short-circuited rotor winding and o-p the rotor axis.
In Fig. 7, the stator winding Sin delta connection is shown. W is the open rotor winding with slip rings a1 and a2, brushes b1 and b2 and rotor resistance c. o-p is the axis of rotation again.
In the figures, the rotor windings are shown as single windings. The actual number of turns depends on the performance data and the operating conditions of the machine.
The floating three-phase current is generated by connecting two three-phase generators of different frequencies of any type in series or by exciting a synchronous machine with pulsating current.
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The motors built and operated according to the invention are characterized by a completely constant number of revolutions and, compared with the known synchronous machines, by their simple design without sole rings, so that they are particularly suitable for driving spindles, spinning centrifuges and the like. Like. Are particularly suitable.
PATENT CLAIMS:
1. Device for generating a floating three-phase current, characterized in that each of the three phases of a three-phase system is formed from two alternating currents, each of the two systems of alternating currents having the same constant in all three phases, but both systems have mutually different frequencies.