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Wechselstromgenerator.
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie mittels ein-und mehrphasiger Wechselströme. Derartige Ströme werden nach der Erfindung in der Weise erzeugt und verteilt, dass die Spannung bei jeder Art der Belastung der Hauptleitungen selbsttätig geregelt wird.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, Wechselströme derart zu
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Generator zu stören, selbsttätig darauf hinwirken, das Potential der Hauptleitungen konstant zu erhalten. Die Vorteile einer solchen Anordnung leuchten ohne weiteres ein, da die sonst auftretenden störenden Wirkungen von Stromverbrauchern, wie Motoren und Transformatoren mit offenem Stromkreis, wegfallen.
Die Neuerung beruht darauf, die induzierenden und induzierten Wicklungen des Stromerzeugers in eine solche Beziehung zu bringen, dass ausser der gewöhnlichen dynamischen Wirkung, welche bei allen Dynamomaschinen zwischen den beiden Stromkreisen vorhanden ist, eine gegenseitige Induktionswirkuug wie bei einem gewöhnlichen Transformator auftritt.
Sind zwei Stromkreise so angeordnet, dass sie eine gute gegenseitige Induktion haben, so wird, wenn der induzierte Strom zurückbleibt, dieser zurückbleibende Strom auf den induzierenden Stromkreis zurückwirken und den induzierenden Strom bis auf das erforderliche Mass vergrössern, um die induzierende magnetische Strömung konstant zu erhalten und wenn der induzierte Strom voreilt, wird er auf den induzierenden Stromkreis zurückwirken und den induzierenden Strom ebenso auf das erforderliche Mass verringern.
Bei den üblichen Wechselstromgeneratoren wird das magnetische Feld durch einen Gleichstrom erzeugt, dessen Stärke vom Ohmschen Widerstande seines Stromkreises abhängt. Das erzeugte magnetische Feld wird durch den Zustand d. tr im Anker induzierten Ströme beeinflusst. Wenn jene Ströme infolge der Verhältnisse im Verbrauchsstromkreis zurückbleiben, so wird das magnetische Feld geschwächt und die Spannung an den Ankerklemmon unter die Normalspannung berabgemindert. Eilt der Ankerstrom voraus, so wird die Kraft des Feldes vergrössert und die Spannung an den Ankerklemmen über die Normalspannung erhöht.
Statt eines Gleichstromes zum Magnetisieren des Feldes kommen nun Wechselströme zur Verwendung, welche nach der Erfindung zum grossen Teil durch die Veränderung des induktiven Widerstandos ihrer Stromkreise geregelt werden. Die Ankerströme wirken auf den induktiven Widerstand und infolgedessen auf den Erregerstrom in der Weise ein, dass das magnetische Feld konstant erhalten wird, und zwar auch dann, wenn der Ankerstrom zurückbleibt. Durch die Verwendung von Wechselströmen zur Erregung eines passend gebauten Stromerzeugers wird ee also möglich, die störenden Wirkungen der zurück- bleibenden Ströme, wie sie bei den bisherigen durch Gleichstrom erraten Maschinen auf- treten, zu vermeiden.
Es wirken also die zurückbleibenden oder voreilenden Ankerströme auf die mit Mehr- phasenstrom erregten Feldstromkreise ein. Der Widerstand der Erregerfeldwicklungen wird
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elektromotorischen Kräfte und die darin entstehenden elektromotorischen Gegenkräfte stets im wesentlichen gleich sind und die Stromäuderung in den Erregerstromkreisen fast ausschliesslich durch die Reaktion der Ankerströme geregelt wird.
Im folgenden ist eine Maschine nach vorliegender Erfindung beschrieben und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht der Maschine.
Fig. 2 ist eine schematische. Ansicht des Systems mit dem Generator und dem Verbrauchsstromkreis.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Generators und Erregers.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Ankerwicklung.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des Feldes oder der ErregerwickltÁ1gen.
Fig. 6 und 7 sind Ansichten von Teilen der Maschine.
A ist ein Generator, dessen Anker B induzierte Windungen b von solch geringem Widerstand hat, dass der durch den Ohmschen Widerstand verursachte Verlust an elektromotorischer Kraft bei Vollast unter normalen Betriebsverhältnissen praktisch vernachlässigt werden kann. C ist der erregende Teil, dessen Windungen c, cl mit dem Mehrphasenstrom von annähernd konstanter Spannung von der kleinen Erregermaschine D gespeist werden, wobei die Windungen c, cl so angeordnet sind, dass die Mehrphasenerregerströme in dem Feld C ein magnetisches Drehfeld erzeugen, welches die Ankerleitsr b schneidet. Diese Windungen c, cl haben einen so geringen Widerstand, dass ihre elektromotorischen Kräfte und Gegenkräfte bei normalem Betriebe stets nahezu gleich sind.
Beträgt die gewünschte Frequenz des Generators etwa 60 Perioden in der Sekunde, so wählt man die Frequenz des Erregers D viel geringer, beispielsweise 4 Perioden in der Sekunde, so dass also ein magnetisches Drehfeld entstehen das sich viermal in der Sekunde in derselben Richtung wie das umlaufende magnetische Feld dreht. Dann wird die Welle E des Generators so angetrieben, dass der Foldmagnet C sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 60 minus 4 oder 56mal in der Sekunde dreht ; man erhält also ein Drehfel, i, welches 60mal in der Sekunde umläuft, und zwar teilweise infolge des mechanischen Antriebs der Feldmagnete C und teilweise infolge der Rotation der magnetischen Polo oder Felder relativ zu der Feldwicklung.
Da der Ohmsche Widerstand der Erregerstromkreise wie erwähnt gering ist, hat e keinen merklich störenden Einfluss auf die Erregerströme. Diese werden vielmehr nur durch den induktiven Widerstand der Feldstromkreise beeinflusst, welcher durch die Reaktion der Ankerströme verändert wird. Die Induktanz der Feldstromkreise muss also im Verhältnis zur Resistanz hoch sein. Die gegenseitige Induktion zwischen den Ankerwicklungen und den Feldwicklungen muss ebenfalls gross sein, damit die Ankerströme auf die induktiven Widerstände der Feldstromkreise entsprechend einwirken können, was man dadurch erreicht, dass man die Ankerwicklungen so nahe als möglich an die Feldwicklungen heranbringt, d. h. den magnetischen Widerstand sehr gering macht.
Wenn bei einer solchen Anordnung die von der Erregermaschine D gelieferte
Spannung konstant ist, so bleibt die Klemmenspannung des Generators so lange konstant, als die zugeführte elektromotorische Kraft und die elektromotorische Gegenkraft des
Erregerkreises im wesentlichen gleich sind. Sie wird nicht beeinflusst von irgendwelchem Zurückbleiben oder Voreilen des Stromes in den Ankerwicklungen, indem sie ausschliesslich durch die elektromotorische Kraft des Mehrphasenerregers bestimmt wird. Innerhalb der
Grenzen des Betriebes ist keine Veränderung der elektromotorischen Kraft des Erregers nötig, da der Erreger und Generator unter der Rückwirkung der Netzströme selbsttätig die Erregerfeldstärke regeln, um eine konstante elektromotorische Kraft an den Haupt- generatorklemmen hervorzubringen.
Die Änderungen der Erregerströme erfolgen augen- lslicklich, so dass die elektromotorische Kraft des Hauptgenerators nie durch Veränderungen im Leistungsfaktor der Verbrauchsstromkreise beeinflusst wird.
Die Wirkungen, welche dieses Ergebnis hervorbringen, lassen sich mit Hilfe der Verhältnisse erklären, welche bei einem gewöhnlichen Transformator und bei einer ge- wöhnlichen Dynamomaschine eintreten.
Ein zurückbleibender Sekundärstrom wirkt bei einem gewöhnlichen Transformator mehr auf Verminderung der scheinbaren Selbstinduktion der Primärwicklung, weil infolge des Zurückbleibens sein Maximum dem Zeitpunkt näher kommt, in weichem ein Maximalstrom in der Primärwicklung, aber in der entgegengesetzten Richtung fliesst. Ebenso hat bei einer gewöhnlichen Dynamomaschine ein zurückbleibender Strom im Anker eine grössere entmagnetisierende Wirkung ais ein nicht zurückbleibender Strom, weil infolge des Zurück- bleiben sich der Anker bis zu der Zeit, wo das Maximum des Stromes eintritt, in eine
Stellung gedreht haben wird, worin die magnetische Wirkung dieses Stromes sich mehr im
Gegensatz zur Feldmagnetisierung befindet.
Es kommen bei der vorliegenden Maschine diese
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beiden Einflüsse zur Wirkung. Ein weiteres Zurückbleiben beim Sekundärstrom übt eine grössere entmagnetisierende Wirkung aus und vermindert daher die scheinbare Selbstinduktion der Erregerstromkreise mehr, weil das Zurückbleiben die Maximalwirkungen magnetisierender und entmagnetisierender Ströme sowohl zeitlich als räumlich näher zusammenrückt. Wenn beispielsweise der Ankerstrom um volle 90 Grad zurückbleibt, so wird er sein Maximum im negativen Sinne in demselben Augenblick erhalten, wo der Erregerstrom sein positives Maximum erreicht.
Infolge der Bewegung des Feldmagneten werden ausserdem die Feld- magnetentwicklungen, deren Ströme ihr Maximum erreicht haben, in jenem Augenblick den Ankerwicklungen direkt gegenüberstehen. Daher wird der um 90 Grad zurückbleibende Strom zwischen den Erregerwicklungen und den Ankerwicklungen und auch zwischen den
Phasen der darin fliessenden Ströme Beziehungen herstellen, die am günstigsten für die Entmagnetisierung der Feldmagnete und die Verminderung der scheinbaren Selbstinduktion seiner Erregerwicklungen sind. Für dazwischenliegende Nacheilungswinkel werden sich entsprechende Wirkungen ergeben.
Wenn im Ankerstromkreis kein Zurückbleiben stattfindet, werden die Anker-und Feldwicklungen beim Maximum der darin fliessenden Ströme die Beziehung haben, welche in Fig. 6 dargestellt ist, wobei die strichpunktierte Linie den Mittelpunkt des Feldes wie auch den Mittelpunkt der Wicklung angibt, deren Strom sein Maximum hat.
Wenn jedoch der Ankerstrom um etwa 30 Grad zurückbleibt, wird diese Wicklung bis zur Zeit, wo der Ankerstrom sein Maximum erreicht hat, sich um eine ent- sprechende Strecke nach rechts bewegt haben, wie Fig. 7 zeigt ; überdies wird die Phase des Ankerstromes mehr im Gegensatz zu derjenigen des Stromes in der erwähnten Wicklung stehen mit dem Ergebnis, dass der Ankerstrom infolge der Phasenbeziehungen der Ströme und der gegenseitigen Beziehungen der Wicklungen einen grösseren Einfluss auf die vor- erwähnte Wicklung ausüben wird. Diese Reaktion der Ankerwicklungen auf das Feld ver- ringert die scheinbare Selbstinduktion der Erregerstromkreise und ermöglicht dem erregenden
Wechselstrom, sich zu vergrössern, um die Spannung der Maschine nahezu konstant zu halten.
Dies steht in entschiedenem Gegensatz zu dem gewöhnlichen System, bei welchem der zurückbleibende Strom einfach das Feld des Generators entmagnetisiert, ohne dass der erregende Strom zunehmen kann, um der entmagnetisierenden Wirkung entgegenzuarbeiten.
Wenn bei der vorliegenden Einrichtung der Strom voreilt, anstatt zurückzubleiben, so wird dadurch die Ankerwicklung, wenn ihr Strom sein Maximum erreicht hat, in eine
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hilft. Dies bewirkt eine Steigerung der Induktanz des Erregerstromkreises und dementsprechende Abnahme der Erregerströmss, so dass also wieder das Feld konstant erhalten und eine Veränderung in der elektromotorischen Kraft an den Hauptgencratorklemmen verhindert wird.
Die Stromstärke der erregenden Wechselströme hängt also von den Veränderungen des induktiven Widerstandes der erregenden Stromkreise ab, wobei stets das Bestreben vorherrscht, das Feld wie bei dem gewöhnlichen Transformator konstant zu erhalten. Jede Rückwirkung des Ankers infolge von zurückbleibenden oder voreilenden Strömen verursacht selbsttätig eine Veränderung der induktiven Widerstände, wodurch die resultierenden Erregerströme so verändert werden, dass das magnetische Feld konstant bleibt. Dadurch, dass das magnetische Feld selbsttätig konstant erhalten wird, erzielt man von selbst eine konstante Spannung.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten System ist A der Generator mit der Erregermaschine D, Jf ildl der Ilauptstromkreis mit verschiedenen Stromverbrauchern in Parallelschaltung, nämlich einem Transformator F mit offenem magnetischen Stromkreis mit Lampen parallel in seinen sekundären Stromkreis geschaltet, einem Transformator G mit geschlossenem magnetischen Stromkreis mit Lampen in seinen sekundären Stromkreis, einem Transformator II mit Lampen in seinem sekundären Stromkreis in Reihenschaltung, sowie einem Wechselstrominduktionsmotor Z, Vorrichtungen, welche bisher nicht von demselben Wechselstromerzeuger gespeist werden konnten, ohne teuere und unbefriedigende Vorrichtungen zum Verhüten der schädlichen Wirkung der Phasenverschiebungen,
welche durch Transformatoren mit offenem magnetischen Stromkreis und ähnliche Apparate verursacht werden. Bei vorliegender Neuerung haben zurückbleibende oder voreilende Ströme keine solche nachteiligen Wirkungen im Gefolge und es können die Vorrichtungen unterschiedslos Verwendung finden, wenn sie für die angewendete Spannung und Frequenz gebaut sind.
Bei der geringen Frequenz des Erregers kann man eine kleine Erregermaschine benutzen. Es soll die Frequenz so gering sein, als mit der gewünschten Regulierung vereinbar ist. Die Setbstinduktion der Erregerwicklungen muss im Verhältnis zum Ohmschen Widerstand verhältnismässig gross sein, so dass wie bei einem ruhenden Transformator die Grösse des primären oder erregenden Stromes sich umgelehrt zum induktn Widerstand
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