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Dynamoelektrische Maschine
Die Erfindung bezieht sich auf dynamoelektrische Kommutatormaschinen, bei denen vorwiegend die Ankerrückwirkung als Erregungsquelle dient.
Eine dynamoelektrische Maschine mit Erregung durch Ankerrückwirkung hat normalerweise einen Rotor oder Anker, der eine Wicklung und einen Kommutator der bei Gleichstrommaschinen üblichen Art aufweist. Die stärkere Komponente der Erregung wird bei dieser Maschinenart durch den Ankerrückwirkungsfluss gebildet, welcher von dem durch die Ankerwicklung fliessenden Strom hervorgerufen wird. Um das Entstehen dieser Ankerrückwirkung zu begünstigen, wird eine Mehrzahl von gegeneinander versetzten Bürstensätzen vorgesehen, wovon wenigstens ein Satz an einen niederohmigen Kreis angeschlossen ist, der im wesentlichen einen Kurzschluss darstellt. Ein weiterer Bürstensatz ist bei Verwendung der Maschine als Generator an einen Lastkreis bzw. bei Verwendung der Maschine als Motor an einen Speisekreis angeschlossen.
Der Stator einer solchen Maschine ist derart ausgebildet, dass er für die verschiedenen magnetischen
Flüsse, welche von den Ankerströmen erzeugt werden, einen Weg geringer Reluktanz darstellt ; er ist ferner mit verschiedenen Wicklungen zur Verbesserung oder Steuerung des Betriebes der
Maschine versehen. Diese Statorwicklungen umfassen eine Erreger- oder Steuer wicklung zur
Spannungsinduktion im Querkreis des Rotors, wodurch der starke Stromfluss in dem vorgesehenen niederohmigen Kreis entsteht, der seinerseits wieder den gewünschten starken Ankerrück- wirkungsfluss hervorruft, welcher das Hauptfeld bildet.
Bei der wirksamsten Bauweise ist noch eine
Kompensationswicklung vorgesehen, um bei Ver- wendung der Maschine als Generator die vom
Strom im Lastkreis herrührende Ankerrück- wirkung bzw. bei Verwendung der Maschine als
Motor die vom Speisestrom herrührende Anker- rückwirkung im wesentlichen zu kompensieren.
Eine dynamoelektrische Maschine dieser Bauart kann bei geeigneter Bemessung der verschiedenen
Kreise als gleichstromerregter Generator zur
Lieferung einer veränderbaren Spannung oder eines veränderbaren Stromes benutzt werden ; sie spricht auf eine Regelung des erregenden Steuerfeldes rasch an und ergibt ein sehr hohes Verstärkungsverhältnis zwischen der Änderung im Ausgang und der Änderung im Eingang des Steuerfeldes. Wenn diese Maschinenart als Gleichstrommotor verwendet wird, vermittelt das Steuerfeld eine ausserordentlich genaue Drehzahlregelung bei geringer Eingangsleistung und man kann daher bei einer solchen Maschine einfache, leistungsschwache Drehzahlregler verwenden.
Eine dynamoelektrische Maschine der beschriebenen Art wird allgemein als"Amplidyne" bezeichnet, wobei diese Bezeichnung auf eine durch Ankerrückwirkung erregte dynamoelektrische Maschine hinweist, die eine Steuerfeldwicklung, einen niederohmigen Querbürstenkreis sowie eine Kompensationswicklung hat, welche die sekundäre Ankerrückwirkung aufhebt.
Man hat bisher dynamoelektrische Amplidynemaschinen wegen der hohen Eigeninduktivität der verschiedenen Feldwicklungen allgemein als nur für den Gleichstrombetrieb verwendbar gehalten.
Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der dynamoelektrischen Amplidynemaschinen.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine ver- besserte dynamoelektrische Amplidynemaschine, die mit Wechselstrom betrieben werden kann, zu schaffen.
Ferner betrifft die Erfindung einen verbesserten
Wechselstrommotor mit veränderbarer Drehzahl.
Weiters befasst sich die Erfindung mit einem ver- besserten Wechselstromgenerator,-bei dem die erzeugte Frequenz unabhängig von der Drehzahl der Maschine ist.
Weitere Zwecke und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dei nachfolgenden Beschreibung an Hand der beigegebenen Zeichnungen.
In Fig. 1 der Zeichnung ist eine übliche Ampli- dynemaschine für Gleichstrombetrieb dargestellt, die als Generator ausgebildet und hier nur zur
Erläuterung wiedergegeben ist. Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen verschiedene Möglichkeiten zur An- wendung kapazitiver Blindwiderstände bei
Amplidynegeneratoren für Wechselstrom, um die Maschine mit höheren Frequenzen betreiben zu können. In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungs- form der Erfindung in Anwendung auf einen
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Amplidynegenerator für Wechselstrom dargestellt und die Fig. 6 und 7 zeigen Spannungsdiagramme, die mit der Maschine nach Fig. 5 erhalten werden können.
In Fig. 8 ist die Anwendung der Erfindung auf einen AmplidyneMotor für Wechselstrom wiedergegeben und Fig. 9 zeigt eine vollständige Schaltung eines Amplidynemotors für Wechselstrom mit einer Einrichtung zur Drehzahlregelung. In Fig. 10 ist die räumliche Anordnung der verschiedenen Statorwicklungen einer typischen Amplidynemaschine für Wechselstrom dargestellt.
Es ist bekannt, dass ein Gleichstrom-Serienmotor seine Laufrichtung nicht ändert, wenn man die Speisespannung umpolt. Dieses Verhalten beruht auf der gleichzeitigen Umkehr der Richtung von Feld-und Ankerstrom, wodurch das Drehmoment im gleichen Sinn erhalten bleibt. Aus diesem Grunde läuft ein solcher Motor auch bei Speisung mit Wechselstrom. Ein Gleichstromgenerator erzeugt eine Spannung umgekehrter Polarität, wenn das Feld umgepolt wird. Aus dieser Tatsache ergibt sich, dass es durchaus möglich wäre, einen Amplidynemotor mit Wechselstrom zu betreieben bzw. mit einem Amplidynegenerator, dessen Feld mit Wechselstrom erregt wird, Wechselstrom zu erzeugen, sofern der induktive Blindwiderstand der verschiedenen Wicklungen in irgendeiner Weise neutralisiert werden kann.
Ein Merkmal dieser Erfindung, welches es er- möglicht, eine dynamoelektrische Amplidynemaschine mit Wechselstrom zu betreiben, besteht in der Anwendung geeignet gewählter Mittel zur Abstimmung der induktiven Wicklungen der Maschine. Bei Anwendung solcher Mittel kann man durch Abstimmung der Steuer-und Querkreise eine Maschine, die ursprünglich nur als gleich- stromerregter Amplidynegenerator für Gleichstrom verwendbar ist, im Anschluss an eine Erregungs- quelle für Wechselstrom als Wechselstrom- generator betreiben. Bei dieser Art der Erregung ist die Frequenz einer solchen Maschine unab- hängig von ihrer Polzahl und Drehzahl und hängt ausschliesslich von der Erregungsquelle ab, die eine sehr schwache Energiequelle sein kann, wie etwa ein Röhrenoszillator, ein Stimmgabel- oszillator usw.
Es ist daher möglich, einen schwachen Wechselstrom ohne Änderung seiner ursprünglichen Frequenz hoch zu verstärken, wobei der Ausgangswechselstrom durch ge- eignete, leistungsschwache Mittel unter An- wendung eines oder mehrerer Steuerfelder ge- regelt oder gesteuert werden kann.
Als ebenso wichtiges Ergebnis der Anwendung des Abstimmprinzips auf dynamoelektrische
Amplidynemaschinen erhält man einen Wechsel- strommotor, der mit einer beliebigen, nicht syn- chronen Drehzahl laufen kann. Die Drehzahl solcher Maschinen hängt weder von der Polzahl noch von der Speisefrequenz, sondern vorwiegend von der angelegten Spannung, von der Stärke des
Querflusses (Hauptfeld), von der Belastung, von den Wicklungen und von der Temperatur ab. Wegen der dem Amplidynemotor eigentümlichen hohen Verstärkung kann überdies ein sehr leistungsschwacher Drehzahlregler verwendet werden.
In Fig. 1 ist ein üblicher Amplidynegenerator gemäss der amerikanischen Patentschrift Nr. 2,227. 992 dargestellt. In der genannten Patentschrift ist überdies die Verwendung eines Kondensators in Verbindung mit einem üblichen Amplidynegenerator für Gleichstrom beschrieben. Der Kondensator liegt hiebei in Serie mit einer zusätzlichen Wicklung, weiche ein Pendeln''r Maschine unterdrückt und zu diesem Zwecke über den Kondensator jeweils nur dann gespeist wird, wenn im sekundären Kreis Schwingungen vorhanden sind, wodurch sie dem Auftreten von wechselstrommässigen Schwingungen in der Kompensationswicklung entgegenwirkt Der Kondensator dient also hier als ein Kopplungsglied, welches nur im Falle unerwünschter Schwingungen wirksam ist, erfüllt somit eine Aufgabe, welche auch durch einen Transformator gelöst werden kann.
In einer Abänderung der beschriebenen Maschine wird in diesem Sinne ein Transformator an Stelle des Kondensators verwendet.
Eine Erklärung der Arbeitsweise dieser Maschine sei als zweckdienliche Einführung in die Theorie der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung vorausgeschickt. Die Anordnung nach Fig. l umfasst einen Generator mit einem Rotor 1, der durch eine (nicht gezeichnete) mechanische Kraftquelle angetrieben wird und dessen Ankerwicklung mit einem für Gleichstrommaschinen üblichen Kommutator verbunden ist. In der schematischen Darstellung ist auch der die Pole tragende Stator weggelassen. Der Anker ist mit einem Satz von Bürsten 2 und 3 ausgerüstet, die miteinander durch einen kurzschliessenden Leiter 4 verbunden sind und auf diese Weise einen niederohmigen Primäroder Querkreis durch den Anker 1 bilden.
Auf dem Kommutator des Ankers 1 gleiten ferner die Bürsten 5 und 6 eines zweiten Bürstensatzes, der am Kommutator elektrisch gegen den ersten Bürstensatz 2, 3 versetzt ist und einen Sekundäroder Längskreis durch den Anker bildet. Um eine im wesentlichen ausgeglichene Verteilung der elektrischen Ströme durch die verschiedenen Teile des Ankers zu erhalten, ist der zweite Bürstensatz
5, 6 um 90 elektrische Grade gegen den ersten
Bürstensatz 2, 3 versetzt. Da der erste Bürstensatz kurzgeschlossen ist, ist nur ein sehr schwacher Fluss erforderlich, um zwischen diesen Bürsten eine
Spannung zu induzieren, welche einen verhältnis- mässig starken Primärstrom durch den zwischen diesen Bürsten liegenden Teil der Ankerwicklung hervorruft.
Dieser Primärstrom erzeugt, wie durch einen Pfeil 7 angedeutet wurde, längs der Primär- achse einen magnetischen Fluss oder eine primäre
Ankerrückwirkung. Die verschiedenen Pfeile sind für eine vorgegebene Polarität der Speisequelle 12 dargestellt. Bei der Drehung des Ankers 1 schneiden die Leiter, die mit dem zweiten Bürsten- satz 5, 6 verbunden sind, den in der oben be- schriebenen Weise erzeugten primären Ankerrück- wirkungsSuss, so dass zwischen diesen Bürsten
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eine Spannung induziert wird. Wenn die Bürsten an den Klemmen 18, 19 mit einer Last verbunden sind, dann fliesst durch den Sekundärkreis des Ankers ein Sekundär-oder Laststrom, der längs dieser Bürstenachse eine durch den Pfeil 8 angedeutete sekundäre Ankerrückwirkung hervorruft.
Wie bereits erläutert wurde, ist nur ein sehr schwacher Fluss erforderlich, um einen starken Strom über die primären Bürsten zu erzeugen. Zur Regelung der sekundären Ausgangsspannung des Generators ist deshalb eine Erregerwicklung 9 vorgesehen, welche die erforderliche schwache magnetische Erregung für die Erzeugung des Hauptfeldes oder primären Ankerrückwirkungsflusses hervorruft. Die von dieser Wicklung bewirkte Erregung induziert zwischen den Bürsten und 3 in der Ankerwicklung eine E. M. K., so dass infolge der Kurzschlussverbindung 4 ein hoher Primärstrom zwischen diesen Bürsten auftritt.
Zur Änderung der Speisung der Wicklung 9 durch die Gleichstromquelle 12 zwecks Regelung der von dieser Wicklung bewirkten Erregung können beliebige geeignete Mittel vorgesehen werden, wie etwa ein veränderbarer Widerstand 11 in Serie zu dieser Wicklung.
Diejenige Komponente des Erregerfeldes, die von der Steuerwicklung 9 erzeugt wird, fällt in die sekundäre Kommutatorachse der Maschine und ist durch den Pfeil 10 angedeutet. Wie bereits dargelegt wurde, fällt die sekundäre Ankerrückwirkung 8 in die gleiche Achse wie die Erregung 10 vom Steuerfeld. In dem hier betrachteten Fall eines Generators ist die vom Steuerfeld hervorgerufene Erregung gegensinnig zur sekundären Ankerrückwirkung, während sich im Falle eines Motors die sekundäre Ankerrückwirkung und die Steuerfelderregur. g unterstützen. Um einen stabilen Generator zu erhalten, der mit einer minimalen Steuerfelderregung regelbar ist, muss diese sekundäre Ankerrückwirkung 8 vollständig neutralisiert werden.
Es ist bekannt, dass die Ankerrückwirkung, die von einem zwischen zwei Bürsten einer dynamoelektrischen Kommutatormaschine fliessenden Strom erzeugt wird, an einem um 90 elektrische Grade gegen den ersten Bürstensatz versetzten Bürstensatz eine Spannung hervor- ruft. Aus diesem Grunde muss die Ankerrück- wirkung neutralisiert werden oder es entsteht zwischen den Bürsten 2 und 3 eine Spannung, die umgekehrte Polarität und grösseren Wert als die infolge des Steuerfeldes 9 induzierte Spannung hat, so dass die Wirkung des Steuerfeldes über- troffen und vernichtet wird. Die vollständige
Neutralisation dieser magnetischen Rück- kopplung wird durch Anwendung einer Kom- pensationswicklung 13 am Stator erreicht, die im allgemeinen über die Wicklungsnuten verteilt ist, um die sekundäre Ankerrückwirkung an allen Stellen vollständig auszugleichen.
Diese Wicklung erzeugt eine Erregungskomponente längs der sekundären Kommutatorachse, die durch einen
Pfeil 14 angedeutet ist. Wenn eine Wicklung dieser Art mit richtiger Windungszahl in Reihe zu den sekundären ùstbürsten 5 und 6 geschaltet ist, dann heben sich die gegensinnigen Flüsse 8 und 14 auf und es können durch diesen Kreis starke Ströme fliessen, ohne dass infolge Rückkopplung auf den niederohmigen Kreis der Bürsten 2 und 3 in diesem ein wesentlicher Strom erzeugt wird.
Wenn die beschriebene Kompensationeinrichtung für die sekundäre Ankerrückwirkung richtig arbeitet, muss die Steuerfeldwicklung 9 nur eine verhältnismässig schwache Erregung hervorrufen und kann daher für einen sehr schwach. Eingangsstrom und ein niedriges Verhältnis von Induktivität zu Widerstand bemessen werden, wodurch die Ansprechgeschwindigkeit und die Regelempfindlichkeit anwachsen. Der durch Anker-rückwirkung erregte Generator kann daher mit einem hohen Verstärkerfaktor g baut werden, da die Erregerwicklung des Steuerfeldes nur eine verhältnismässig geringe Leitung erfordert und der Maschine eine hohe Empfindlichkeit eigentümlich ist. Die bisher beschriebene, durch Ankerrückwirkung erregte Maschine gemäss Fig. 1 ist eine Gleichstrommaschine nach der amerikanischen Patentschrift Nr. 2,227. 992.
Bei dieser Maschine müssen sowohl der Steuerstrom als auch der Ausgangsstrom Gleichströme sein bzw. wurde gefunden, dass diese Ströme höchstens eine Frequenz von 5 Hz haben dürfen.
Um den beschriebenen Gleichstrom-Amplidyne-
Generator unter Erregung mit Wechselstrom zur Wechselstromerzeugung verwenden zu können, wird die nun zu beschreibende Anordnung ge- troffen. Es hat sich gezeigt, dass die in Fig. 1 dar- gestellte Maschine bei Frequenzen zwischen
0 und 5 Hz ohne Abstimmung irgendeines
Kreises betrieben werden kann. In Fig. 2 ist nun eine Anordnung dargestellt, die im Frequenz- bereich von 5 bis 20 Hz befriedigend arbeitet.
Hiebei ist in Serie zum Steuerfeld 9 des Generators nach Fig. 1 ein Kondensator 15 eingeschaltet. Die
Induktivität der Steuerfeldwicklung hat solchen
Wert, dass sie mit einem Kondensator ange- messener Grösse abgestimmt werden* kann, bei- spielsweise mit einem Kondensator in der Grössen- ordnung von 40 Mikrofarad bis herunter zu 5 Hz bei einer Maschine mit einer Ausgangsleistung in der Grössenordnung von 1000 Watt. Bei diesen niedrigen Frequenzen wäre es unpraktisch, auch die Querachse, also den Primärkris, abzustimmen, -nachdem sich zeigte, dass zur Abstimmung dieses
Kreises, die bei 60 Hz mit einem Kondensator von
450 Mikrofarad möglich ist, bei 5 Hz ein Kon- densator von 65.000 Mikrofarad erforderlich wäre.
Wenn eine Frequenz von 18 bis 20 Hz erreicht wird, dann werden Blind-und Wirkwiderstand im Querkreis ungefähr gleich. gross und es ist dann zweckmässig, die in Fig. 3 dargestellte Schaltung anzuwenden, bei der zu dem Generator nach Fig. 2 ein Serienkondensator 16 im Querkreis zuge- schaltet ist, so dass die in Fig. 1 dargestellte Kurz- schlussverbindung 4 durch einen Kondensator in der Grössenordnung von 4000 Mikrofarad bei
20 Hz bis 450 Mikrofarad bei 60 Hz ersetzt wird, welcher an die primären Bürsten 2 und 3 ange-
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schlossen ist.
Es hat sich gezeigt, dass diese Anordnung bis zu 200 Hz befriedigend arbeitet, wobei die Grösse des Kondensators bei wachsender Frequenz zu vermindern ist. Eine Über- prüfung hat erwiesen, dass die kompensierende Feldwicklung 13 die Rückwirkung des sekundären Ankerkreises über den gesamten Frequenzbereich aufhebt.
Wenn dem Steuerfeld 9 Frequenzen über 200 Hz zugeführt werden, dann wird der Blindwiderstand des Sekundärkreises wirksam und es ist daher notwendig, die Maschine gemäss Fig. 4 vollständig abzustimmen. Hiebei wird dem Generator nach Fig. 3 noch ein Kondensator im sekundären Anker-oder Lastkreis zugeschaltet. Es ist nun verständlich, dass eine dynamoelektrische Amplidynemaschine mit abgestimmten Kreist'11 deI he- schriebenen Art bei Verwendung als Generator einen Wechselstrom mit einer Frequenz erzeugt, die unabhängig von der Drehzahl ist, und dass infolge der eigentümlichen Verstärkereigenschaften dieser Maschinenart die von der Leitung 12 dem Steuerfeld zugeführte Erregerleistung verhältnismässig schwach, d. h. in der Grössenordnung von 2 bis 4 Watt, sein kann.
Diese Tatsache befähigt die Maschine zur Wechselstromerzeugung innerhalb eines weiten Frequenzbereiches (der von der Möglichkeit der Speisung mit entsprechenden Frequenzen abhängt) bei extrem genauer Frequenzregelung, da die Leistungsanforderungen an das Steuerfeld hinreichend gering sind, um die Erregung der Maschine durch eine Präzisionsfrequenzquelle, wie durch einen Signalgenerator oder einen kristallgesteuerten Oszillator mit geeigneten Multivibrator-und Verstärkerkreisen, zu gestatten.
Die beschriebene stufenweise Abstimmung der drei Wicklungskreise, nämlich des Steuerfeldes, des Querfeldes und des Längsfeldes, lasst eine beträchtliche Vielseitigkeit hinsichtlich der Be- messung eines Wechselstrom-Amplidyne-
Generators zu, da die jeweilige Wahl des kapazi- tiven Blind-Widerstandes in den einzelnen Kreisen nach Massgabe der gewünschten Ausgangs- frequenz getroffen werden kann.
Aus den Fig. 3 und 4 ist zu erkennen, dass bei genauer Abstimmung des Steuer-und des Quer- kreises und bei Neutralisation des Widerstandes im Ankerkreis durch das Kompensationsfeld oder durch zusätzliche Abstimmung die erzeugte Aus- gangsspannung in Phase mit der Spannung an der
Steuerfeldwicklung ist. Durch die Abstimmung der Steuerfeldwicklung ist der Strom durch diese
Wicklung in Phase mit der Spannung und der
Fluss des Steuerfeldes, der in Phase mit dem Er- regerstrom ist, ist daher ebenfalls in Phase mit der Spannung an der Steuerfeldwicklung. Die zwischen den Querbürsten induzierte Spannung ist proportional zum Steuerfluss und in Phase mit diesem und daher auch in Phase mit der
Spannung an der Steuerfeldwicklung. Der Quer- strom ist infolge des Kondensators im Querkreis
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strom ist, in Phase mit der Spannung an der Steuerfeldwicklung.
Die Spannung an der Längsachse ist in Phase mit dem Querfluss und daher ebenfalls mit der Spannung an der Steuerfeldwicklung.
In Fig. 5 ist eine Anordnung dargestellt, welche die Erzeugung von Spannungen mit unregelmässiger Wellenform gestattet. Hier ist der Anker 20 mit den Quer-oder Primärbürsten 21, 22 und den Längs-oder Sekundärbürsten 23, 24 dargestellt. In Serie zu den Bürsten 23 und 24 sind Kompensationswicklungen 25 bzw. 26 geschaltet"nd über die Leitungen 27 und 28 mit der Last verbunden. In Serie zum Querkreis, also zum primären Kreis, liegt eine Erregerwicklung 29 für einen Querfluss. Diese Feldwicklung erzeugt eine Erregerkomponente längs der primären Kommutatorachse entsprechend dem Pfeil 30, also in gleicher Richtung wie die primäre Ankerrückwirkung, die durch den Pfeil 31 angedeutet ist.
Diese Wicklung, die aus verhältnismässig wenigen Windungen bestehen kann und daher geringe Induktivität aufweist, dient zur Verbesserung der Verteilung des Ankerrückwirkungsquerflusses sowie zur Verminderung der Stromstärke im Querkreis. Der Ankerrückwirkungsquerfluss, der durch den infolge der Steuerfelderregung im Ankerquerkreis fliessenden Strom erzeugt wird, hat eine im wesentlichen dreieckige Verteilung, während die Feldverteilung der Querfeldwicklung 29 im wesentlichen rechteckig ist.
Durch die Superposition der vom Querfeld hervorgerufenen rechteckigen Feldverteilung und der dreieckigen Verteilung des Ankerrückwirkungsflusses wird eine gleichmässigere Feldverteilung angenähert ; ferner wird auch der Strom vermindert, der über die Querbürsten 21 und'22 bei gegebener Feldstärke fliessen muss, weil die zusätzlichen Amperewindur. gen vom Feld 29 eine Verminderung des gesamten Feldstromes zulassen. Dieses beruht darauf, dass der von der Querwicklung erzeugte Fluss den primären Ankerrückwirkungsfluss unterstützt, so dass die zur Erzielung einer vorgegebenen Sekundärspannung erforderliche Stärke des primären Ankerstromes um den zur Erregung der Wicklung 29 aufgewendeten Strom vermindert wird.
Infolge dieser Verminderung des im Querkreis erforderlichen Stromes kann auch die von den Steuerfeldern 32 und 33 ge- forderte Erregung herabgesetzt werden.
Die Erregerwicklungen 32 und 33 für das
Steuerfeld können mit Gleichstrom bzw. Wechsel- strom gespeist werden, wobei die Erreger- wicklung 33 für den Wechselstrom mit einem
Serienkondensator 34 versehen ist. Die Erreger- wicklung 33 für Wechselstrom wird von einer
Wechselstromwelle 36,37 gespeist und der ver- änderbare Widerstand 35 dient zur Verminderung der Netzspannung auf den für das Steuerfeld 33 erforderlichen Wert. Die Erregerwicklung 32 für Gleichstrom wird von der Gleichstrom- leitung 39, 40 gespeist und auch hier ist ein ver- änderbarer Widerstand 38 zur Verminderung der
Netzspannung auf den gewünschten Wert vor- gesehen. An die Querbürsten 21 und 22 ist
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parallel zur Querwicklung 29 ein Abstimmkondensator 41 geschaltet.
Diese Parallelschaltung des Abstimmkondensators ist eine Alternativlösung für die Reihenabstimmung gemäss den Fig. 2-4.
Diese Anordnung kann zur Erzeugung einer Wechselspannung verwendet werden, die gemäss Fig. 6 einer Gleichspannung überlagert ist oder aber gemäss Fig. 7 abgeflachte Kuppen aufweist, welche dann entstehen, wenn die Erregerwicklung 32 bis zur Sättigung mit Gleichstrom gespeist wird.
In Fig. 8 ist als Ausführungsform der Er- findung eine als Motor dienende dynamoelektrische Amplidynemaschine dargestellt. Hiebei ist der
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mit dem Wechselstromnetz verbunden sind ; dienen zur Neutralisation der sekundären Ankerrückwirkung infolge des zwischen den Längsbürsten 45 und 46 fliessenden Stromes. Die Steuerfeldwicklung 51 wird ebenfalls von der Netzleitung 49, 50 her erregt und ist mit Hilfe des Reihenkondensators 52 abgestimmt. Der ver- änderbare Widerstand 53, der in Serie mit der Steuerfeldwicklung liegt, dient zur Herabsetzung der Netzspannung auf einen geeigneten Wert. Der Querkreis ist durch einen Kondensator 54 abgestimmt, der in der Kurzschlussverbindung der Querbürsten 43 und 44 liegt.
Bei dieser Ausführungsform ist eine weitere Feldwicklung 55 für den Anlauf in Serie mit den Längsbürsten und den Kompensationswicklungen vorgesehen, die im Stator in Richtung der Querbürsten angebracht ist.
Der Strom fliesst hier von der Leitung 49, 50 durch den Längskreis, der die Kompensationwicklungen 47 und 48 enthält, und durch die zwischen den Längsbürsten 45 und 46 liegenden Ankerwicklungen. Dieser Stromfluss erzeugt eine Ankerrückwirkung in Längsrichtung, die jedoch durch die Kompensationswicklungen im wesentlichen neutralisiert wird. Die seriengeschaltete Anlaufwicklung 55 erzeugt eine Anfangskomponente der Erregung in der gleichen Richtung, die später der Ankerrückwirkungsquerfluss einnimmt. Der durch die seriengeschaltete Anlauf- wicklung erzeugte Anlauffluss wirkt mit dem im
Längskreis fliessenden Strom zusammen und erzeugt das Anlaufdrehmoment. Gleichzeitig mit dem Stromfluss im Längskreis wird auch die
Steuerfeldwicklung 51 gespeist.
Sobald sich der
Anker 42 infolge des Zusammenwirkens des
Längsstromes und des von der seriengeschalteten
Anlaufwicklung erzeugten Flusses zu drehen be- ginnt, induziert die vom Steuerfeld hervor- gerufene Erregung zwischen den Querbürsten 43 und 44 eine Spannung. Infolge der kurz- schliessenden Verbindung zwischen diesen Bürsten fliesst ein starker Ankerquerstrom, der das Haupt- feld oder den Ankerrückwirkungsquerfluss erzeugt.
Dieser Ankerrückwirkungsquerfluss wirkt mit dem im Längskreio fliessenden Strom zusammen und erzeugt das Drehmoment für den normalen Lauf des Motors. Die Maschine läuft daher bei dieser Anordnung ähnlich wie ein üblicher Serienmotor an, wird jedoch unmittelbar nach dem Anlauf in einen Amplidynemotor umgewandelt und läuft sodann als solcher weiter.
Es ist leicht zu erkennen, dass die oben beschriebene Anordnung ähnlich der in Fig. 3 dargestellten ist mit der Ausnahme, dass die Längsbürsten anstatt mit der Last mit dem Wechselstromnetz verbunden sind. Die Drehzahl der Maschine wird durch die Stärke der vom Steuerfeld hervorgerufenen Erregung bestimmt. d kann daher mit Hilfe des veränderbaren Widerstandes 53 eingeregelt werden. Da die Zeitkonstante eines Amplidynemotors niedrig ist, kann die Drehzahl des Motors innerhalb eines weiten Bereiches durch geringfügige Einregelung des veränderbaren Widerstandes 53 schnell ge- ändert werden.
Es ist nun offensichtlich, dass sich ein wechselstrombetriebener Amplidynemotor gut zur Drehzahlregelung durch das Steuerfeld mit einem leistungsschwachen Regler eignet, wie beispielsweise mit einem Fliehkraft-Kontaktregler, der an die Stelle des veränderbaren Widerstandes
53 in Fig. 8 tritt. In Fig. 9 ist als Ausführungsform der Erfindung ein wechselstrombetriebener Amplidynemotor mit einem Regelkreis für die Drehzahl dargestellt. Der Anker 56 ist hiebei mit
Querbürsten 57, 58 und Längsbürsten 59, 60 versehen. In Serie mit den Längsbürsten liegen die Kompensationswicklungen 61 und 62 sowie eine Anlaufwicklung 63 am Wechselstromnetz 64,
65. Der Querkreis enthält einen Abstimm- kondensator 66 und die Querfeldwicklung 67.
Die Wirkungsweise der Querfeldwicklung wurde bereits im Zusammenhang mit Fig. 5 be- schrieben ; diese Wicklung vermindert hier zu- sätzlich die Grösse des Kondensators, u. zw. infolge der erhöhten Induktivität des Kreises.
Die Steuerfeldwicklungen 68 und 69 werden von der Leitung 64, 65 her gespeist und liegen in einem Regelkreis, der ähnlich dem in der amerikanischen Patentschrift Nr. 2,270. 709 be- schriebenen ist. Die Kondensatoren 70 und 71 stimmen die Steuerfeldwicklungen 68 bzw. 69 ab und der Widerstand 72 dient zur Vermin- derung der Netzspannung auf den für den Regel- kreis erforderlichen Wert. An die Serienschaltung von Steuerfeldwicklung 69 und Kondensator 71 sind die Kontakte eines vom Motor angetriebenen
Drehzahlreglers 73 angeschlossen. Dieser Regler kann eine beliebige bekannte Bauart haben und beispielsweise gemäss der amerikanischen Patent- schrift Nr. 1,795. 240 ausgebildet sein.
Unter gewissen Umständen können die beim Öffnen und Schliessen der Reglerkontakte auf- tretenden Impulse übermässig stark sein und es ist deshalb zur Herabsetzung dieser Impulse ein aus dem Widerstand 74, dem Widerstand 7. ? und der
Kapazität 76 bestehender Funkenlöscher vor- gesehen.
Die Steuerfeldwicklungen 68 und 69 sind der- art angeordnet, dass sie im wesentlichen gleich- grosse und gegensinnige Flüsse erzeugen, die
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diese Pfeile die augenblickliche Beziehung der Flüsse für eine gegebene Polarität oder Halbperiode des Wechselstromes der Leitung 64, 65 darstellen. Bei Inbetriebnahme fliesst in der Ruhelage des Motors und bei offenen Kontakten des Reglers 73 der Strom von der Leitung 64, 65 über die Kompensationswicklungen 61, 62 über den zwischen den Längsbürsten 59, 60 liegenden Anker und die seriengeschaltete Anlaufwicklung 63.
Die Kompensationswicklungen 61 und 62 erzeugen einen Fluss, der im wesentlichen gleichgross und gegensinnig zu dem Ankerrückwirkungslängsfluss ist, so dass er diesen neutralisiert ; die Steuerfeldwicklungen 68 und 69 erzeugen im wesentlichen gleichgrosse und gegensinnige Flüsse und der resultierende 5teuertluss hat daher den Wert Null. Der Motor läuft unter dem Einfluss der seriengeschalteten Anlaufwicklung 72 als gewöhnlicher Serienmotor an, wobei das ursprünglich starke Anlauffeld mit anwachsender Drehzahl unter rascher Beschleunigung des Motors schnell abnimmt. Wenn die Nenndrehzahl des Reglers 73 erreicht ist, schliessen sich seine Kontakte und dabei wird die Steuerfeldwicklung 69 kurzgeschlossen.
Die Steuerfeldwicklung 68 ist daher allein wirksam und erzeugt einen Steuerfluss durch den Anker, der zwischen den Querbürsten 57 und 58 eine Spannung induziert und dadurch den starken Ankerquerstrom hervorruft, welcher seinerseits den starken Ankerrückwirkungsquerfluss in gleicher Richtung wie das Anlauffeld 63 erzeugt. Dieser Ankerrückwirkungsquerfluss wirkt mit dem im Längskreis von der Leitung her fliessenden Strom zusammen und erzeugt so das betriebsmässige Drehmoment des Motors. Der
Motor läuft nun als Amplidynemaschine weiter und das rasche Ansprechen auf die Erregung seitens des Steuerfeldes 68 vermindert die Dreh- zahl des Motors schnell. Wenn die Drehzahl des Motors unter die Nenndrehzahl des Reglers 73 absinkt, dann werden dessen Kontakte geöffnet und die Steuerfeldwicklung 69 wird wieder einge- schaltet, worauf sich der Regelzyklus für die Dreh- zahl fortsetzt.
Im Betrieb vibrieren die Regler- kontakte sehr rasch und gewährleisten dadurch eine weiche Geschwindigkeitsregelung. Da die
Zeitkonstante eines Amplidynemotors sehr gering ist, ergibt sich durch diesen Kreis eine ausser- ordentlich genaue Geschwindigkeitsregelung.
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schaltungsmässig jedes Spulenbündel mehrere verschiedene Steuerfeldwicklungen enthalten. Auf jeden Fall sind jedoch die Steuerfeldwicklungen, die an den beiden Polen angebracht sind, natürlich in Serie geschaltet und bilden so die vollständige Steuerfeldwicklung.
Die Querwicklung ist ebenfalls in zwei Spulen 83 und 84 unterteilt, wobei jede Spule beide Pole erfasst und in den der Längsachse benachbarten Wicklungsnuten angeordnet ist. Für jeden Pol ist eine Kompensationsspule vorgesehen und die beiden Spulen 85 und 86 sind in üblicher Weise mit den beiden Bürsten der Längsachse verbunden. Jede Spule ist konzentrisch in den Wicklungsnuten des Poles untergebracht und besteht gewöhnlich aus einer geringen Anzahl von Win- dungen rines starken Drahtes.
Mit einem kleinen wechselstrombetriebenen Amplidynegenerator gemäss Fig. 4 wurde eine Frequenz von 400 Hz bei einer Drehzahl von 3600 U/min erreicht. Die für die Untersuchung verwendete Maschine war besonders für den Betrieb als Wechselstrom-Amplidyne-Generator geeignet, u. zw. auf Grund der dünnen Lamellierung im Rotor und Stator, wo in beiden
Fällen eine Blechstärke von 0-254 mm verwendet wurde. Bei dieser geringen Blechstärke wurde eine Impedanz erzielt, die nur ungefähr das Vierfache des Gleichstromwiderstandes betrug. Die
Statorbleche dieses Generators hatten einen
Aussendurchmesser von 130 mm und einen Innen- durchmesser von 83-058 mm.
Der Rotor hatte einen Aussendurchmesser von 82. 55 mm, so dass sich ein einfacher Luftspalt von 0. 254 mm ergab ;
Rotor und Stator waren zu einer Dicke von
47-6 mm geschichtet. Der Rotor war mit 24 Nuten versehen und trug 48 Spulen mit 4 Windungen je Spule bei einer Drahtstärke von 1. 15 mm, wobei zwei Spulen je Nut vorgesehen waren.
Der Widerstand der Ankerwicklung zwischen zwei diametral gegenüberliegenden Punkten be- trug 0-27 Ohm bei 25 0 C. Der Kommutator war so angeschlossen, dass die neutrale Zone, also die Zone der maximalen erzeugten Rotor- spannung, aber der geringsten Spannung zwischen den Kommutatorlamellen, mit der Mittellinie der
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Bürsten hatten eine Dicke von 2-38 mm, wobei jede Bürste nur eine Rotorspule erfasste. Die Abstimmung der Maschine wurde durch Anwendung eines Kondensators von 7 Mikrofarad im Querkreis und eines Kondensators von 100 Mikrofarad im Längskreis erreicht.
Ein anderer kleiner Wechselstromgenerator, der gemäss Fig. 3 gebaut war und überdies eine Querwicklung enthielt, erzeugte bei Erregung mit 60 Hz Wechselstrom 784 Watt bei 3600 U/min.
Diese Maschine hatte einen lamellierten Stator mit einem Aussendurchmesser von 205 mm und einem Innendurchmesser von 128-27 mm. Der Aussendurchmesser des Rotors betrug 127 mm, so dass der einfache Luftspalt 0-635 mm stark war.
Rotor und Stator waren bei einer Blechstärke von 0-635 mm auf eine Dicke von 140 mm geschichtet.
Der Rotor war mit 24 Wicklungsnuten versehen und trug 72 Spulen mit einer Drahtstärke von 1-45 MM, also drei Spulen je Nut, wobei 5 Windungen je Spule vorgesehen waren.
Die Querwicklung bestand aus zwei Spulen mit 20 Windungen je Spule bei einer Drahtstärke von 105 sum. Die Steuerfeldwicklung umfasste zwei Spulen mit je 500 Windungen bei einer Drahtstärke von 4-55 55 mm. Die Kompensationswicklung bestand aus zwei Spulen mit einer Drahtstärke von 1-45 mm, wobei jede Spule 32 Windungen um den mittleren Zahn, 20 Windungen um drei Zähne, 30 Windungen um fünf Zähne und 24 Windungen um sieben Zähne aufwies. Der Querkreis der Maschine war mit einem Kondensator von 50 Mikrofarad abgestimmt.
Die oben beschriebene Maschine wurde bei 60 Hz als Motor betrieben und erzeugte eine Ausgangsleistung von li PS bei 3200 U, min mit einem Wirkungsgrad von 70% und einem Leistungsfaktor von 94 %. Die für die Untersuchung verwendete Schaltung entsprach im wesentlichen der Schaltung nach Fig. 9, wobei jedoch der Dreh- zahlregler weggelassen war.
Aus der obigen Beschreibung ergeben sich viele
Anwendungsmöglichkeiten für Wechselstrom-
Amplidyne-Generatoren bzw.-Motoren. Durch
Anwendung des beschriebenen Abstimmprinzips ist es möglich, mit Hilfe eines Wechselstrom-
Amplidyne-Generators, der mit hoher Drehzahl läuft, einen Wechselstrom niedriger Frequenz zu erzeugen, so dass die Schwierigkeit der grossen
Abmessungen, die sich sonst bei niedrigen Fre- quenzen ergibt, vermieden wird. Umgekehrt kann ein Wechselstrom-Amplidync-Motor bei hoher Drehzahl von einer Quelle niedriger Fre- quenz betrieben werden.
Infolge der eigentüm- lichen schwachen Erregung einer Wechselstrom-
Amplidyne-Maschine ist eine ausserordentlich genaue Drehzahl-oder Spannungsregelung mit leistungsschwachen Reglern für das Steuerfeld möglich. Überdies kann eine ungenaue Frequenz- queUe in eine sehr genaue Frequenzquelle um- gewandelt werden, indem man einen Amplidyne- generator für Wechselstrom durch einen üblichen
Induktionsmotor antreibt, der von dieser un- genauen Quelle gespeist wird.
Da ein Wechsei- strom-Amplidyne-Motor durch Anderung der Spannung an der Steuerfeldwicklung innerhalb eines beträchtlichen Drehzahlbereiches betrieben werden kann, ist es möglich, nach diesem Prinzip einen in der Drehzahl regelbaren Motor für eine Speisefrequenz von 60 Hz herzustellen, der ein Anlaufmoment und eine Regelbarkeit der Drehzahl aufweist, die mit dem Gegenstück des regelbaren Gleichstrommotors vergleichbar sind.
Darüber hinaus kann eine Mehrzahl von Wechsel- strom-Amplidyne-Generatoren im Parallelbetrieb verwendet werden, ohne dass es erforderlich ist, dass diese auf die gleiche Drehzahl gebracht werden, da ihre Ausgangsfrequenz von der gleichen Frequenzquelle gesteuert werden kann.
Es wurden zwar besondere Ausführungsformen dieser Erfindung dargestellt und beschrieben, doch ist es für den Fachmann offenkundig, dass im
Rahmen der Erfindung noch verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich sind, so dass die beschriebenen Ausführungsformen nur als Beispiele ohne Einschränkung der allge- meinen Ausführungsmöglichkeiten zu werten sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Dynamoelektrische Maschine der ankererregten Type, die mit einem Stator, einem Rotor mit Kommutator und mit gegeneinander versetzten primären und sekundären Bürstensätzen ausgestattet ist, welche einen primären bzw. sekundären Kreis durch den Rotor bilden, und die ferner eine Kompensationsfeldwicklung aufweist, welche die vom Strom im sekundären Rotorkreis hervorgerufene Ankerrückwirkung im wesentlichen neutralisiert, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem dieser Kreise ein Kondensator zur Neutralisation des induktiven Widerstandes des betreffenden Kreises vorgesehen ist.
2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine oder mehrere
EMI7.1
dieser Felderregerwicklungen, welcher den induktiven Widerstand des betreffenden Kreises im wesentlichen neutralisiert (Fig. 5).
3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Kondensator (16 bzw. 17) in den primären bzw. sekundären Rotorkreis eingeschaltet ist, um den induktiven Widerstand dieser Kreise im wesentlichen zu neutralisieren (Fig. 4).
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Dynamo-electric machine
The invention relates to dynamo-electric commutator machines in which the armature reaction is primarily used as the source of excitation.
A dynamo-electric machine with armature reaction excitation usually has a rotor or armature that has a winding and a commutator of the type common to DC machines. In this type of machine, the stronger component of the excitation is formed by the armature feedback flow, which is caused by the current flowing through the armature winding. In order to promote the occurrence of this armature reaction, a plurality of sets of brushes offset from one another is provided, at least one set of which is connected to a low-resistance circuit which essentially represents a short circuit. Another set of brushes is connected to a load circuit when the machine is used as a generator or to a supply circuit when the machine is used as a motor.
The stator of such a machine is designed in such a way that it is suitable for the various magnetic
Fluxes generated by the armature currents represent a low reluctance path; It is also available with various windings to improve or control the operation of the
Machine. These stator windings include an excitation or control winding for
Voltage induction in the transverse circuit of the rotor, which creates the strong current flow in the intended low-resistance circuit, which in turn causes the desired strong armature feedback flow, which forms the main field.
In the most effective construction, there is one more
Compensation winding is provided in order to reduce the output from the machine when the machine is used as a generator
Armature reaction resulting from the current in the load circuit or, when the machine is used, as
Motor to essentially compensate for the armature reaction resulting from the feed current.
A dynamo-electric machine of this type can, with suitable dimensioning, the various
Circuits as a DC generator for
Supply of a variable voltage or a variable current are used; it responds quickly to regulation of the exciting control field and results in a very high amplification ratio between the change in the output and the change in the input of the control field. If this type of machine is used as a DC motor, the control panel provides an extremely precise speed control with low input power and you can therefore use simple, low-power speed controllers with such a machine.
A dynamo-electric machine of the type described is generally referred to as "Amplidyne", this designation indicating an armature reaction excited dynamo-electric machine which has a control field winding, a low-resistance cross-brush circuit and a compensation winding which cancels the secondary armature reaction.
Up to now, dynamo-electric amplidyne machines have generally been considered to be usable only for direct current operation because of the high self-inductance of the various field windings.
The invention aims to improve the dynamoelectric amplidyne machines.
It is an object of the invention to provide an improved dynamo-electric amplidyne machine that can be powered by alternating current.
The invention also relates to an improved
AC motor with variable speed.
The invention also relates to an improved alternating current generator, in which the frequency generated is independent of the speed of the machine.
Further purposes and features of the invention emerge from the following description with reference to the accompanying drawings.
In Fig. 1 of the drawing, a conventional amplitude machine for direct current operation is shown, which is designed as a generator and here only for
Explanation is reproduced. FIGS. 2, 3 and 4 show various possibilities for using capacitive reactances
Amplidynegeneratoren for alternating current in order to operate the machine with higher frequencies can. In FIG. 5, a further embodiment of the invention is applied to a
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Amplidynegenerator for alternating current shown and FIGS. 6 and 7 show voltage diagrams that can be obtained with the machine of FIG.
FIG. 8 shows the application of the invention to an Amplidyne motor for alternating current and FIG. 9 shows a complete circuit of an Amplidyne motor for alternating current with a device for speed control. FIG. 10 shows the spatial arrangement of the various stator windings of a typical amplidyne machine for alternating current.
It is known that a direct current series motor does not change its direction of rotation if the polarity of the supply voltage is reversed. This behavior is based on the simultaneous reversal of the direction of the field and armature current, whereby the torque is retained in the same sense. For this reason, such a motor also runs when supplied with alternating current. A DC generator generates a voltage of reverse polarity when the polarity of the field is reversed. This fact shows that it would be entirely possible to operate an Amplidynemotor with alternating current or to generate alternating current with an Amplidynegenerator whose field is excited with alternating current, provided that the inductive reactance of the various windings can be neutralized in any way.
A feature of this invention which enables a dynamo-electric amplidyn machine to be operated with alternating current consists in the use of appropriately chosen means for tuning the inductive windings of the machine. When such means are used, by coordinating the control and transverse circuits, a machine that can originally only be used as a DC-excited amplidine generator for direct current can be operated as an alternating current generator following an excitation source for alternating current. With this type of excitation, the frequency of such a machine is independent of its number of poles and speed and depends exclusively on the excitation source, which can be a very weak source of energy, such as a tube oscillator, a tuning fork oscillator, etc.
It is therefore possible to highly amplify a weak alternating current without changing its original frequency, it being possible for the output alternating current to be regulated or controlled by suitable, low-power means using one or more control fields.
As an equally important result of the application of the tuning principle to dynamo-electric
Amplidyn machines you get an alternating current motor that can run at any non-synchronous speed. The speed of such machines depends neither on the number of poles nor on the supply frequency, but mainly on the applied voltage, on the strength of the
Transverse flux (main field), the load, the windings and the temperature. Because of the high gain peculiar to the Amplidynemotor, a very inefficient speed controller can also be used.
In Fig. 1 is a conventional amplidynegenerator according to the American patent no. 2,227. 992 shown. The cited patent also describes the use of a capacitor in conjunction with a conventional amplidine generator for direct current. The capacitor is in series with an additional winding, which suppresses oscillation of the machine and for this purpose is only fed via the capacitor when oscillations are present in the secondary circuit, which prevents alternating current oscillations in the compensation winding counteracts The capacitor is used here as a coupling element which is only effective in the case of undesired oscillations, thus fulfilling a task which can also be achieved by a transformer.
In a modification of the machine described, a transformer is used in place of the capacitor in this sense.
An explanation of the operation of this machine is preceded as a convenient introduction to the theory of operation of the present invention. The arrangement according to FIG. 1 comprises a generator with a rotor 1 which is driven by a mechanical power source (not shown) and the armature winding of which is connected to a commutator customary for DC machines. The stator carrying the poles has also been omitted from the schematic illustration. The armature is equipped with a set of brushes 2 and 3, which are connected to one another by a short-circuiting conductor 4 and in this way form a low-resistance primary or cross circuit through the armature 1.
The brushes 5 and 6 of a second set of brushes slide on the commutator of the armature 1 and are electrically offset from the first set of brushes 2, 3 on the commutator and form a secondary or longitudinal circle through the armature. In order to obtain a substantially even distribution of the electrical currents through the various parts of the armature, the second set of brushes is
5, 6 by 90 electrical degrees from the first
Brush set 2, 3 offset. Since the first set of brushes is shorted, very little flow is required to run one between these brushes
To induce voltage, which causes a relatively strong primary current through the part of the armature winding located between these brushes.
This primary current, as indicated by an arrow 7, generates a magnetic flux or a primary along the primary axis
Anchor reaction. The various arrows are shown for a predetermined polarity of the supply source 12. During the rotation of the armature 1, the conductors that are connected to the second set of brushes 5, 6 cut the primary armature feedback flow generated in the manner described above, so that between these brushes
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a voltage is induced. When the brushes are connected to a load at the terminals 18, 19, a secondary or load current flows through the secondary circuit of the armature, which along this brush axis causes a secondary armature reaction indicated by the arrow 8.
As already explained, only a very weak flux is required to generate a large current across the primary brushes. To regulate the secondary output voltage of the generator, an excitation winding 9 is therefore provided, which produces the weak magnetic excitation required for generating the main field or primary armature feedback flux. The excitation caused by this winding induces an E.M.K. between the brushes 3 and 3 in the armature winding, so that a high primary current occurs between these brushes as a result of the short-circuit connection 4.
Any suitable means, such as a variable resistor 11 in series with this winding, can be provided for changing the supply of the winding 9 by the direct current source 12 for the purpose of regulating the excitation caused by this winding.
That component of the excitation field that is generated by the control winding 9 falls into the secondary commutator axis of the machine and is indicated by the arrow 10. As already stated, the secondary armature feedback 8 falls on the same axis as the excitation 10 from the control panel. In the case of a generator considered here, the excitation caused by the control field is in the opposite direction to the secondary armature reaction, while in the case of a motor the secondary armature reaction and the control field regulation are opposite. support g. In order to obtain a stable generator that can be regulated with a minimal control field excitation, this secondary armature reaction 8 must be completely neutralized.
It is known that the armature reaction, which is generated by a current flowing between two brushes of a dynamo-electric commutator machine, causes a voltage at a set of brushes which is offset by 90 electrical degrees from the first set of brushes. For this reason, the armature reaction must be neutralized or a voltage arises between brushes 2 and 3 that has the opposite polarity and a higher value than the voltage induced as a result of control field 9, so that the effect of the control field is exceeded and destroyed . The full
This magnetic feedback is neutralized by using a compensation winding 13 on the stator, which is generally distributed over the winding slots in order to completely compensate for the secondary armature reaction at all points.
This winding creates an excitation component along the secondary commutator axis, which is driven by a
Arrow 14 is indicated. If a winding of this type with the correct number of turns is connected in series with the secondary brushes 5 and 6, then the opposing fluxes 8 and 14 cancel each other out and strong currents can flow through this circuit without feedback to the low-resistance circuit of the brushes 2 and 3 in this a substantial current is generated.
If the described compensation device for the secondary armature reaction is working correctly, the control field winding 9 only has to cause a relatively weak excitation and can therefore be very weak for one. Input current and a low ratio of inductance to resistance, which increases the response speed and the control sensitivity. The generator excited by armature feedback can therefore be built with a high amplifier factor g, since the excitation winding of the control field only requires a relatively small line and the machine is particularly sensitive. The machine described so far and excited by armature reaction according to FIG. 1 is a direct current machine according to the American patent specification No. 2,227. 992.
With this machine, both the control current and the output current must be direct currents or it has been found that these currents may have a maximum frequency of 5 Hz.
In order to achieve the described direct current Amplidyne-
To be able to use a generator under excitation with alternating current for alternating current generation, the arrangement now to be described is made. It has been shown that the machine shown in FIG. 1 operates at frequencies between
0 and 5 Hz without tuning any
Circle can be operated. In FIG. 2, an arrangement is now shown which works satisfactorily in the frequency range from 5 to 20 Hz.
A capacitor 15 is connected in series with the control panel 9 of the generator according to FIG. The
The inductance of the control field winding has such
Value that it can be matched * with a capacitor of an appropriate size, for example with a capacitor in the order of 40 microfarads down to 5 Hz for a machine with an output power in the order of 1000 watts. At these low frequencies it would be impractical to also tune the transverse axis, i.e. the primary crisis, after it was found that this
Circuit running at 60 Hz with a capacitor of
450 microfarads is possible, at 5 Hz a capacitor of 65,000 microfarads would be required.
When a frequency of 18 to 20 Hz is reached, the reactive and effective resistance in the cross circuit become approximately the same. large and it is then expedient to use the circuit shown in FIG. 3, in which a series capacitor 16 is connected in the cross circuit to the generator according to FIG. 2, so that the short-circuit connection 4 shown in FIG on the order of 4000 microfarads
20 Hz to 450 microfarads at 60 Hz, which is attached to the primary brushes 2 and 3.
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is closed.
It has been shown that this arrangement works satisfactorily up to 200 Hz, the size of the capacitor having to be reduced as the frequency increases. A check has shown that the compensating field winding 13 cancels the reaction of the secondary armature circuit over the entire frequency range.
If frequencies above 200 Hz are fed to the control field 9, the reactance of the secondary circuit becomes effective and it is therefore necessary to completely tune the machine according to FIG. A capacitor in the secondary armature or load circuit is connected to the generator according to FIG. 3. It is now understandable that a dynamo-electric amplidyn machine with tuned circles'11 of the type described, when used as a generator, generates an alternating current with a frequency that is independent of the speed, and that, due to the peculiar amplifier properties of this type of machine, that of the line 12 The excitation power supplied to the control field is comparatively weak, d. H. in the order of 2 to 4 watts.
This fact enables the machine to generate alternating current within a wide frequency range (which depends on the possibility of supplying the corresponding frequencies) with extremely precise frequency control, since the power requirements on the control panel are sufficiently low to excite the machine from a precision frequency source such as a Signal generator or a crystal-controlled oscillator with suitable multivibrator and amplifier circuits.
The described step-by-step coordination of the three winding circuits, namely the control field, the transverse field and the longitudinal field, allows considerable versatility with regard to the dimensioning of an alternating current amplitude.
Generator, since the respective choice of the capacitive reactive resistance in the individual circuits can be made according to the desired output frequency.
From FIGS. 3 and 4 it can be seen that with precise coordination of the control circuit and the transverse circuit and with neutralization of the resistance in the armature circuit through the compensation field or through additional coordination, the output voltage generated is in phase with the voltage at the
Control field winding is. By tuning the control field winding, the current is through this
Winding in phase with the voltage and the
The flow of the control field, which is in phase with the excitation current, is therefore also in phase with the voltage on the control field winding. The voltage induced between the cross brushes is proportional to and in phase with the control flux and therefore also in phase with the
Voltage on the control field winding. The cross current is in the cross circuit due to the capacitor
EMI4.1
current is in phase with the voltage on the control field winding.
The voltage on the longitudinal axis is in phase with the transverse flux and therefore also with the voltage on the control field winding.
In Fig. 5 an arrangement is shown which allows the generation of voltages with an irregular waveform. The armature 20 is shown here with the transverse or primary brushes 21, 22 and the longitudinal or secondary brushes 23, 24. Compensation windings 25 and 26 are connected in series with brushes 23 and 24 and connected to the load via lines 27 and 28. An excitation winding 29 for a cross flow is connected in series with the cross circuit, i.e. the primary circuit Excitation component along the primary commutator axis according to arrow 30, that is to say in the same direction as the primary armature reaction, which is indicated by arrow 31.
This winding, which can consist of relatively few turns and therefore has a low inductance, is used to improve the distribution of the armature feedback cross flow and to reduce the current intensity in the cross circuit. The armature reaction cross-flow that is generated by the current flowing in the armature cross-circuit as a result of the control field excitation has an essentially triangular distribution, while the field distribution of the cross-field winding 29 is essentially rectangular.
The superposition of the rectangular field distribution caused by the transverse field and the triangular distribution of the anchor reaction flow approximates a more uniform field distribution; Furthermore, the current is also reduced, which must flow over the cross brushes 21 and 22 at a given field strength, because the additional amperes. gene from field 29 allow a reduction in the total field current. This is based on the fact that the flux generated by the transverse winding supports the primary armature feedback flow, so that the strength of the primary armature current required to achieve a predetermined secondary voltage is reduced by the current used to excite the winding 29.
As a result of this reduction in the current required in the transverse circuit, the excitation required by the control fields 32 and 33 can also be reduced.
The excitation windings 32 and 33 for the
Control fields can be fed with direct current or alternating current, the excitation winding 33 for the alternating current with a
Series capacitor 34 is provided. The excitation winding 33 for alternating current is from a
Alternating current wave 36, 37 is fed and the variable resistor 35 is used to reduce the mains voltage to the value required for the control field 33. The excitation winding 32 for direct current is fed by the direct current line 39, 40 and here, too, there is a variable resistor 38 to reduce the
Mains voltage provided for the desired value. To the cross brushes 21 and 22 is
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A tuning capacitor 41 is connected in parallel with the transverse winding 29.
This parallel connection of the tuning capacitor is an alternative solution for series tuning according to FIGS. 2-4.
This arrangement can be used to generate an alternating voltage, which is superimposed on a direct voltage according to FIG. 6 or has flattened peaks according to FIG. 7, which arise when the excitation winding 32 is fed with direct current until it is saturated.
In FIG. 8, as an embodiment of the invention, a dynamoelectric amplidyn machine serving as a motor is shown. Here is the
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connected to the AC network; serve to neutralize the secondary armature reaction due to the current flowing between the longitudinal brushes 45 and 46. The control field winding 51 is also excited by the power line 49, 50 and is tuned with the aid of the series capacitor 52. The variable resistor 53, which is in series with the control field winding, is used to reduce the mains voltage to a suitable value. The cross circuit is adjusted by a capacitor 54 which is in the short-circuit connection of the cross brushes 43 and 44.
In this embodiment, a further field winding 55 is provided for start-up in series with the longitudinal brushes and the compensation windings, which is mounted in the stator in the direction of the transverse brushes.
The current flows here from the line 49, 50 through the longitudinal circuit, which contains the compensation windings 47 and 48, and through the armature windings located between the longitudinal brushes 45 and 46. This flow of current generates armature feedback in the longitudinal direction, which is, however, essentially neutralized by the compensation windings. The series-connected start-up winding 55 generates an initial component of the excitation in the same direction that the armature reaction cross-flow later assumes. The start-up flux generated by the series-connected start-up winding acts with the im
In the longitudinal circuit, the current flowing together and generates the starting torque. Simultaneously with the flow of current in the series circuit, the
Control field winding 51 fed.
As soon as the
Anchor 42 as a result of the interaction of the
Longitudinal current and that of the series-connected
When the flux generated by the start-up winding begins to rotate, the excitation produced by the control panel induces a voltage between the transverse brushes 43 and 44. As a result of the short-circuiting connection between these brushes, a strong armature cross-current flows, which creates the main field or the armature reaction cross-flow.
This armature reaction cross-flow interacts with the current flowing in the longitudinal circuit and generates the torque for the normal running of the motor. With this arrangement, the machine therefore starts up similarly to a normal series motor, but is converted into an Amplidynemotor immediately after start-up and then continues to run as such.
It can easily be seen that the arrangement described above is similar to that shown in FIG. 3, with the exception that the longitudinal brushes are connected to the AC mains instead of the load. The speed of the machine is determined by the strength of the excitation produced by the control panel. d can therefore be adjusted with the aid of the variable resistor 53. Since the time constant of an Amplidynemotor is low, the speed of the motor can be changed quickly within a wide range by slightly adjusting the variable resistor 53.
It is now obvious that an AC-powered Amplidynemotor is well suited for speed control through the control panel with a low-power controller, such as a centrifugal contact controller, which takes the place of the variable resistance
53 in FIG. 8 occurs. In Fig. 9, as an embodiment of the invention, an AC-operated Amplidynemotor with a control loop for the speed is shown. The anchor 56 is included here
Cross brushes 57, 58 and longitudinal brushes 59, 60 are provided. In series with the longitudinal brushes are the compensation windings 61 and 62 and a start-up winding 63 on the alternating current network 64,
65. The transverse circuit contains a tuning capacitor 66 and the transverse field winding 67.
The mode of operation of the transverse field winding has already been described in connection with FIG. 5; this winding also reduces the size of the capacitor, u. betw. due to the increased inductance of the circuit.
The control field windings 68 and 69 are fed from the line 64, 65 and are in a control loop similar to that in US Pat. No. 2,270. 709 is described. The capacitors 70 and 71 match the control field windings 68 and 69, respectively, and the resistor 72 is used to reduce the mains voltage to the value required for the control circuit. The contacts of one driven by the motor are connected to the series connection of control field winding 69 and capacitor 71
Speed controller 73 connected. This regulator can be of any known type and, for example, in accordance with American patent no. 1,795. 240 be formed.
Under certain circumstances, the impulses that occur when the regulator contacts are opened and closed can be excessively strong and it is therefore necessary to reduce these impulses using a resistor 74, resistor 7.? and the
Capacity 76 existing spark extinguishers provided.
The control field windings 68 and 69 are arranged in such a way that they generate essentially equally large and opposing fluxes which
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these arrows represent the instantaneous relationship of the fluxes for a given polarity or half cycle of the alternating current on line 64,65. When the motor is started up and the contacts of the controller 73 are open, the current flows from the line 64, 65 via the compensation windings 61, 62 via the armature located between the longitudinal brushes 59, 60 and the series-connected starting winding 63.
The compensation windings 61 and 62 generate a flux that is essentially of the same size and opposite to the armature feedback longitudinal flux, so that it neutralizes this; the control field windings 68 and 69 generate essentially equally large and opposing fluxes and the resulting control flow therefore has the value zero. The motor starts up under the influence of the series-connected start-up winding 72 as a normal series motor, the originally strong start-up field rapidly decreasing as the speed increases and the motor accelerates rapidly. When the rated speed of the controller 73 is reached, its contacts close and the control field winding 69 is short-circuited.
The control field winding 68 is therefore only effective and generates a control flux through the armature, which induces a voltage between the cross brushes 57 and 58 and thereby causes the strong armature cross-flow, which in turn generates the strong armature reaction cross-flow in the same direction as the start-up field 63. This armature reaction cross flow interacts with the current flowing in the longitudinal circuit from the line and thus generates the operational torque of the motor. Of the
The motor now continues to run as an amplidyn machine and the rapid response to the excitation on the part of the control field 68 quickly reduces the speed of the motor. If the speed of the motor falls below the nominal speed of the controller 73, its contacts are opened and the control field winding 69 is switched on again, whereupon the control cycle for the speed continues.
The controller contacts vibrate very quickly during operation, thereby ensuring smooth speed control. Since the
The time constant of an Amplidynemotor is very low, this circuit results in an extremely precise speed control.
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In terms of circuitry, each coil bundle contains several different control field windings. In any case, however, the control field windings that are attached to the two poles are of course connected in series and thus form the complete control field winding.
The transverse winding is also divided into two coils 83 and 84, each coil covering both poles and being arranged in the winding slots adjacent to the longitudinal axis. A compensation coil is provided for each pole and the two coils 85 and 86 are connected in the usual way to the two brushes of the longitudinal axis. Each coil is housed concentrically in the winding slots of the pole and usually consists of a small number of turns of strong wire.
A frequency of 400 Hz at a speed of 3600 rpm was achieved with a small alternating current-operated amplidine generator according to FIG. 4. The machine used for the investigation was particularly suitable for operation as an AC Amplidyne generator, u. because of the thin lamination in the rotor and stator, where in both
Cases a sheet thickness of 0-254 mm was used. With this thin sheet metal, an impedance was achieved which was only about four times the direct current resistance. The
The stator laminations of this generator had one
Outside diameter of 130 mm and an inside diameter of 83-058 mm.
The rotor had an outer diameter of 82.55 mm, so that a simple air gap of 0.254 mm resulted;
The rotor and stator were to a thickness of
47-6 mm layered. The rotor was provided with 24 slots and carried 48 coils with 4 turns per coil and a wire thickness of 1. 15 mm, two coils per slot.
The resistance of the armature winding between two diametrically opposite points was 0-27 ohms at 25 ° C. The commutator was connected in such a way that the neutral zone, i.e. the zone of the maximum generated rotor voltage, but the lowest voltage between the commutator segments, with the center line of the
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Brushes were 2-38 mm thick, with each brush covering only one rotor coil. The tuning of the machine was achieved by using a capacitor of 7 microfarads in the cross circuit and a capacitor of 100 microfarads in the longitudinal circuit.
Another small alternating current generator, which was built according to FIG. 3 and also contained a transverse winding, produced 784 watts at 3600 rpm when excited with 60 Hz alternating current.
This machine had a laminated stator with an outer diameter of 205 mm and an inner diameter of 128-27 mm. The outer diameter of the rotor was 127 mm, so that the simple air gap was 0-635 mm thick.
The rotor and stator were layered with a sheet thickness of 0-635 mm to a thickness of 140 mm.
The rotor was provided with 24 winding slots and carried 72 coils with a wire thickness of 1-45 MM, i.e. three coils per slot, with 5 turns per coil.
The transverse winding consisted of two coils with 20 turns per coil with a wire thickness of 105 sum. The control field winding comprised two coils with 500 turns each and a wire thickness of 4-55 55 mm. The compensation winding consisted of two coils with a wire thickness of 1-45 mm, each coil having 32 turns around the middle tooth, 20 turns around three teeth, 30 turns around five teeth and 24 turns around seven teeth. The cross circle of the machine was tuned with a 50 microfarad capacitor.
The machine described above was operated as a motor at 60 Hz and generated an output power of 1 HP at 3200 rpm with an efficiency of 70% and a power factor of 94%. The circuit used for the investigation essentially corresponded to the circuit according to FIG. 9, but the speed controller was omitted.
Many emerge from the above description
Applications for alternating current
Amplidyne generators and motors. By
Applying the voting principle described, it is possible to use an alternating current
Amplidyne generator, which runs at high speed to produce an alternating current of low frequency, so that the difficulty of the large
Dimensions that would otherwise arise at low frequencies are avoided. Conversely, an AC Amplidync motor can be operated at high speed from a low frequency source.
As a result of the peculiar weak excitation of an alternating current
Amplidyne machine enables extremely precise speed or voltage regulation with low-power regulators for the control field. In addition, an imprecise frequency queue can be converted into a very precise frequency source by connecting an Amplidyne generator for alternating current with a conventional
Drives induction motor fed by this imprecise source.
Since an alternating current Amplidyne motor can be operated within a considerable speed range by changing the voltage on the control field winding, it is possible, according to this principle, to produce a motor with adjustable speed for a supply frequency of 60 Hz, which has a starting torque and a Has controllability of the speed, which are comparable to the counterpart of the controllable DC motor.
In addition, a plurality of AC Amplidyne generators can be used in parallel without it being necessary for them to be brought to the same speed, since their output frequency can be controlled by the same frequency source.
While particular embodiments of this invention have been shown and described, it will be apparent to those skilled in the art that im
Various changes and modifications are possible within the scope of the invention, so that the embodiments described are only to be assessed as examples without restricting the general implementation options.
PATENT CLAIMS:
1. Dynamo-electric machine of the armature-excited type, which is equipped with a stator, a rotor with commutator and with mutually offset primary and secondary brush sets, which form a primary or secondary circuit through the rotor, and which also has a compensation field winding, which the from The armature reaction caused by the current in the secondary rotor circuit is essentially neutralized, characterized in that a capacitor for neutralizing the inductive resistance of the circuit in question is provided in at least one of these circuits.
2. Dynamoelectric machine according to claim 1, characterized by one or more
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this field excitation windings, which essentially neutralizes the inductive resistance of the circuit concerned (Fig. 5).
3. Dynamo-electric machine according to claim 2, characterized in that a capacitor (16 or 17) is switched on in the primary or secondary rotor circuit in order to essentially neutralize the inductive resistance of these circuits (Fig. 4).
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