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Feldspulenanordnung, insbesondere Erregerwicklungsanordnung für selbstregelnd elektrische Maschinen
Bei elektrischen Maschinen mit vom Widerstand der Erregerwicklung abhängiger Erregung, z. B. bei nicht automatisch geregelten Gleichstromnebenschlussmaschinen, macht sich häufig die Temperaturabhängigkeit dieses Widerstandes störend bemerkbar. Je nach der Endtemperatur, welche die Erregerwicklung während des Betriebes erreicht, können die Änderungen des Erregerstromes bis zu 30% und mehr betragen.
Auf konstante Spannung kompoundierte Maschinen halten daher-normale Sättigung vorausgesetzt-nur im Endzustand der Erwärmung ihre Spannung annähernd gleich, während bei schwachen Belastungen und insbesondere bei Leerlauf ihre Spannung sehr stark vom Erwärmungszustand der Erregerwicklung abhängig ist. Solche Maschinen müssen daher nach der Inbetriebsetzung vom kalten Zustand aus mittels Handregler nachgeregelt werden, bis die Enderwärmung erreicht ist.
Nach der Erfindung wird die Erregerwicklung einer elektrischen Maschine oder eine anderen Zwecken dienende Feldspule mit einer parallel geschalteten entgegenwirkenden Wicklung versehen, die einen stärkeren temperaturbedingten Stromabfall aufweist als die Haupterregerwicklung und dadurch die Temperaturabhängigkeit des Feldes vermindert, aufhebt oder umkehrt. Dass die Gegenwicklung einen stärkeren temperaturbedingten Stromabfall aufweist als die Hauptwicklung, wird durch Verwendung von Leitern mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten für die beiden Wicklungen oder z. B. durch Vorschaltung eines temperaturunabhängigen Widerstandes vor die Hauptwicklung, vorzugsweise aber dadurch bewirkt, dass man die Gegenwicklung für höhere Erwärmung bemisst als die Hauptwicklung.
Damit sich die Gegenwicklung stärker als die Hauptwicklung erwärmt, wird sie z. B. aus gleichem Material wie diese, jedoch mit grösserer spezifischer Strombelastung ausgeführt. Auch kann sie-vorzugsweise auch aus weiter unten angeführten Gründen-so gestaltet und angeordnet werden, dass sie eine verhältnismässig kleine Oberfläche und einen kleinen Wärmeabgabekoeffizienten aufweist, ersteres durch möglichst kreisförmigen oder quadratischen Spulenquerschnitt, letzteres durch dicke Isolation oder geringe Lüftung. Gerade die umgekehrten Massnahmen können dazu dienen, die Erwärmung der Hauptwicklung klein zu halten.
Damit sich nicht nur am Anfang und am Ende, sondern auch während des Erwärmungsvorganges die gewünschte Wirkung, z. B. eine gleichbleibende oder auch in bestimmter Weise anoder absteigende Spannung, ergibt, können des weiteren die Zeitkonstanten der Erwärmungen der beiden entgegenwirkenden, vorzugsweise verschieden hohe Endtemperaturen erreichenden Wicklungen einander angeglichen werden. Hiezu können ebenfalls die vorstehend angegebenen, die Wärmeabgabefähigkeit beeinflussenden Massnahmen sowie gegebenenfalls eine geeignete Bemessung der vor allem vom Leitermaterial abhängigen Wärmekapazität der Wicklungen dienen.
Da die Gegenwicklung im allgemeinen kleiner als die Hauptwicklung ist, wird meist die Zeitkonstante der ersteren künstlich zu erhöhen bzw. die der letzteren zu vermindern sein. Umgekehrt kann auch durch passende Wahl verschieden grosser Zeitkonstanten für die beiden Wicklungen ein etwa gewünschter besonderer Verlauf des Feldes bzw. der Spannung während des Erwärmungsvorganges erzielt werden.
Fig. 1 zeigt schematisch die Anwendung der Erfindung bei einer Gleichstromdoppelschlussmaschine. Es bedeutet 1 den Anker, 2 die Reihenschlusswicklung, 3 die Nebenschlusswicklung und 4 die dieser entgegenwirkende Wicklung. Ist die Temperaturzunahme der letzteren so gross bemessen, dass die Abnahme ihrer Amperewindungszahl gleich der Abnahme der Amperewindungszahl der Hauptwicklung 3 ist, so liefert die Maschine im betriebswarmen Zustand dieselbe Spannung wie im kalten Zustand. Auch während des Erwärmungsvorganges werden nennenswerte Spannungsabweichungen vermieden, wenn die Erwärmungszeitkonstanten der beiden Wicklungen annähernd übereinstimmen.
Die Erfindung ist bei allen Maschinen mit von der Erwärmung abhängiger Erregung anwendbar, also z. B. auch bei selbst-oder fremderregten Wechselstromgeneratoren oder bei Motoren zwecks Gleichhaltung der Drehzahl. Besonders vorteil-
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haft gestaltet sich häufig die Durchführung des
Erfindungsgedankens bei Verwendung einer Hilfs- maschine. Die Hauptmaschine erhält hiebei z. B. eine kleine, keine Typenvergrösserung bedingende
Zusatzerregerwicklung, die von einer ganz kleinen
Hilfsmaschine gespeist wird. Diese wird unter
Anwendung der Erfindung so erregt, dass ihre
Spannung mit steigender Erwärmung, statt zu fallen, stark zunimmt. Der Strom in der Zusatz- erregerwicklung der Hauptmaschine steigt dann mit wachsender Erwärmung des Maschinensatzes so stark an, dass der Stromabfall der Haupt- erregerwicklung ausgeglichen wird.
Zwei Aus- führungsbeispiele derartiger Anordnungen sind in den Fig. 2 und 3 gezeigt.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 speist die Hilfs- maschine 7 die Zusatzerregerwicklung 8 der
Hauptmaschine 1. Zwecks Erzielung starker
Temperaturabhängigkeit der Spannung der Hilfs- maschine werden deren einander entgegen- wirkende Erregungen 4 und 5 vorzugsweise so bemessen, dass sie im kalten Zustand gleiche
Amperewindungszahlen aufweisen, so dass die erzeugte Spannung Null oder sehr klein ist.
Damit diese Spannung mit zunehmender Er- wärmung bzw. zunehmender Temperatur- differenz der beiden Wicklungen möglichst stark ansteigt, kann der gegebenenfalls bereits für sehr geringe Erwärmung bemessenen Erregerwicklung 5 noch ein temperaturunabhängiger Widerstand 6 vorgeschaltet werden, der den Stromabfall in diesem Kreis vermindert, oder es kann. diese Erregerwicklung selbst aus einem Leitermaterial mit völlig oder nahezu temperaturunabhängigem Widerstand hergestellt sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 handelt es sich um einen Drehstromgenerator 1, der in an sich bekannter Weise über eine eigene Erregermaschine 7 auf konstante Spannung kompoundiert ist. Die Leerlauferregung erfolgt etwa, wie gezeichnet, mittels eines an der Generatorspannung liegenden Gleichrichters. Ist der Generator eine Aussenpolmaschine, so kann z. B. auch eine im Drehstromanker untergebrachte Gleichstromhilfswicklung mit Hilfskollektor zur Erzeugung der Leerlauferregung dienen. Die Hilfsmaschine 7 benötigt in der gezeigten Ausführung auf den Polschenkeln keine Erregerwicklung, so dass der Platz hiefür zur Anbringung der Hilfswicklungen 4 und 5 verwendet werden kann. Diese werden dabei zweckmässigerweise auf verschiedenen Polen angeordnet.
Die Hilfsmaschine 7 speist in dieser Anordnung die Zusatzwicklung 8 mit einer Spannung, welche sowohl bei wachsender Belastung als auch mit fortschreitender Erwärmung zunimmt, wodurch die Spannung des Generators 1 konstant gehalten werden kann.
Will man die Anbringung einer Zusatzwicklung 8 auf der Hauptmaschine 1 vermeiden, so kann man die Spannung der Hilfsmaschine 7 bei entsprechender Bemessung der Anordnung auch in Reihe zur Haupterregerwicklung 3 legen, so dass sie sich zu der Spannung, an der diese Wick- lung bei den Anordnungen nach Fig. 2 oder 3 liegt, addiert.
Auch im Falle der Verwendung einer Hilfsmaschine kann man die gewünschte Wirkung nicht nur am Anfang und am Ende, sondern auch während des Erwärmungsvorganges erzielen, wenn man die Erwärmungszeitkonstanten aller auf der Hilfs-und auf der Hauptmaschine angeordneten Erregerwicklungen in entsprechender Weise wählt bzw. untereinander gleich macht.
Bei allen Anwendungen der erfindungsgemässen Erregeranordnung kann diese so bemessen bzw. eingestellt werden, dass das Feld mit wachsender Erwärmung um soviel zunimmt, als zum Ausgleich der temperaturbedingten Erhöhung des Spannungsabfalles im Hauptstromkreis erforderlich ist. Die Klemmenspannung der Maschine ist dann temperaturunabhängig. Man kann sie aber auch mit zunehmender Erwärmung ansteigen lassen, um die Erwärmung temperaturabhängiger Ohm'scher Belastungen auszugleichen. Handelt es sich z.
B. um die Erregermaschine einer Synchronmaschine, so kann man derart die Widerstandszunahme der gespeisten Feldwicklung ausgleichen, wodurch gegebenenfalls der Regelbereich eines vorzusehenden Reglers vermindert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Feldspulenanordnung, insbesondere Erregerwicklungsanordnung für elektrische Maschinen, mit bei steigender Erwärmung infolge Widerstandszunahme abnehmender Stromstärke, gekennzeichnet durch eine parallel geschaltete entgegenwirkende Wicklung, die einen stärkeren Stromabfall aufweist als die Hauptwicklung, so dass sie die Temperaturabhängigkeit des Feldes vermindert, aufhebt oder umkehrt.
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Field coil arrangement, in particular excitation winding arrangement for self-regulating electrical machines
In electrical machines with excitation dependent on the resistance of the excitation winding, e.g. B. in the case of DC shunt machines that are not automatically controlled, the temperature dependence of this resistance often becomes noticeable in a disturbing manner. Depending on the final temperature that the field winding reaches during operation, the changes in the field current can be up to 30% and more.
Machines compounded to constant voltage therefore - assuming normal saturation - keep their voltage approximately the same only in the final heating state, while their voltage is very much dependent on the heating state of the exciter winding under low loads and especially when idling. After commissioning, such machines must therefore be readjusted from the cold state by means of a manual controller until the final heating is achieved.
According to the invention, the excitation winding of an electrical machine or some other field coil serving other purposes is provided with a parallel counteracting winding which has a greater temperature-related current drop than the main excitation winding and thereby reduces, eliminates or reverses the temperature dependence of the field. The fact that the counter-winding has a greater temperature-related current drop than the main winding is ensured by using conductors with different temperature coefficients for the two windings or e.g. B. by connecting a temperature-independent resistor in front of the main winding, but preferably caused by dimensioning the counter-winding for higher heating than the main winding.
So that the opposite winding heats up more than the main winding, it is z. B. made of the same material as this, but with a greater specific current load. It can also be designed and arranged - preferably for reasons listed below - so that it has a relatively small surface area and a low heat dissipation coefficient, the former through the most circular or square coil cross-section possible, the latter through thick insulation or low ventilation. Precisely the opposite measures can serve to keep the heating of the main winding small.
So that the desired effect is achieved not only at the beginning and at the end, but also during the heating process, e.g. B. a constant or in a certain way increasing or decreasing voltage, the time constants of the heating of the two counteracting, preferably different end temperatures reaching windings can be adjusted to each other. The above-mentioned measures influencing the heat dissipation capability and, if necessary, suitable dimensioning of the heat capacity of the windings, which is primarily dependent on the conductor material, can also be used for this purpose.
Since the counter-winding is generally smaller than the main winding, the time constant of the former has to be artificially increased or that of the latter has to be reduced. Conversely, by appropriately choosing different time constants for the two windings, a particular course of the field or the voltage that may be desired can be achieved during the heating process.
Fig. 1 shows schematically the application of the invention in a DC double circuit machine. It means 1 the armature, 2 the series winding, 3 the shunt winding and 4 the counteracting winding. If the temperature increase of the latter is so large that the decrease in its number of ampere-turns is equal to the decrease in the number of ampere-turns of the main winding 3, the machine delivers the same voltage when it is warm as it does when it is cold. Even during the heating process, significant voltage deviations are avoided if the heating time constants of the two windings approximately match.
The invention is applicable to all machines with excitation dependent on the heating, so z. B. also with self-excited or separately excited alternating current generators or with motors to keep the speed constant. Particularly advantageous
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The implementation of the
Concept of the invention when using an auxiliary machine. The main engine receives z. B. a small, no type enlargement conditional
Additional excitation winding from a very small one
Auxiliary machine is fed. This is under
Application of the invention so excited that their
Tension increases sharply with increasing warming, instead of falling. The current in the auxiliary exciter winding of the main machine then rises so sharply as the machine set is heated that the current drop in the main exciter winding is compensated for.
Two exemplary embodiments of such arrangements are shown in FIGS. 2 and 3.
In the arrangement according to FIG. 2, the auxiliary machine 7 feeds the additional field winding 8 of the
Main engine 1. In order to achieve strong
As a function of the temperature of the voltage of the auxiliary machine, its opposing excitations 4 and 5 are preferably dimensioned such that they are identical in the cold state
Have ampere-turns so that the voltage generated is zero or very small.
So that this voltage increases as much as possible with increasing heating or increasing temperature difference of the two windings, a temperature-independent resistor 6 can be connected upstream of the exciter winding 5, which may already be dimensioned for very low heating, which reduces the current drop in this circuit, or it can. this excitation winding itself can be made of a conductor material with a completely or almost temperature-independent resistance.
The exemplary embodiment according to FIG. 3 is a three-phase generator 1 which is compounded to constant voltage in a manner known per se via its own exciter 7. The no-load excitation takes place, for example, as shown, by means of a rectifier connected to the generator voltage. If the generator is an external pole machine, z. B. also serve a housed in the three-phase armature DC auxiliary winding with auxiliary collector to generate the no-load excitation. In the embodiment shown, the auxiliary machine 7 does not require an exciter winding on the pole legs, so that the space for this can be used to attach the auxiliary windings 4 and 5. These are expediently arranged on different poles.
In this arrangement, the auxiliary machine 7 feeds the additional winding 8 with a voltage which increases both with increasing load and with progressive heating, whereby the voltage of generator 1 can be kept constant.
If you want to avoid attaching an additional winding 8 to the main machine 1, the voltage of the auxiliary machine 7 can also be laid in series with the main exciter winding 3 if the arrangement is dimensioned accordingly, so that it is related to the voltage at which this winding is used Arrangements according to Fig. 2 or 3 is added.
Even if an auxiliary machine is used, the desired effect can be achieved not only at the beginning and at the end, but also during the heating process, if the heating time constants of all the exciter windings arranged on the auxiliary and main machine are selected accordingly or are equal to one another power.
In all applications of the exciter arrangement according to the invention, it can be dimensioned or adjusted in such a way that the field increases with increasing heating by as much as is necessary to compensate for the temperature-related increase in the voltage drop in the main circuit. The terminal voltage of the machine is then independent of temperature. However, it can also be allowed to increase with increasing heating in order to compensate for the heating of temperature-dependent ohmic loads. Is it z.
B. to the exciter of a synchronous machine, so you can compensate the increase in resistance of the fed field winding, whereby the control range of a controller to be provided is possibly reduced.
PATENT CLAIMS:
1.Field coil arrangement, in particular excitation winding arrangement for electrical machines, with decreasing current intensity as the temperature rises due to the increase in resistance, characterized by a parallel-connected counteracting winding which has a greater current drop than the main winding, so that it reduces, eliminates or reverses the temperature dependence of the field.