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Einrichtung zur Erregung und Regelung von Dynamomaschinen.
Die Aufgabe, ans Dynamomaschinen, deren Drehrichtung und Geschwindigkeit ; inde- rungen unterworfen ist, stets gleichgerichteten Strom von möglichst geringer Schwankung abzunehmen, ist bisher auf vielerlei Art durch Zuhilfenahme von ausser der Maschine liegenden Ililfsapparaten gelöst worden. Die Aufgabe spielt insbesondere bei Zugsbeleuchtungsmaschinen,die direkt von der Achse angetrieben werden, eine sehr wichtige Rolle.
In der vorliegenden Erfindung wird der erste Teil der Aufgabe, Unabhängigkeit der Stromrichtung von der Drehrichtung dadurch gelöst, dass gleichzeitig-oder nahezu gleichzeitig-mit der Umkehr der Drehrichtung auch eine Umkehr des Magnetfeldes erfolgt.
Die Erregung kann durch eine besondere Erregermaschine erfolgen, die mit der Hauptdynamo mechanisch verbunden ist, beispielsweise bei Zugsbelouchtung von derselben oder einer anderen Wagenachse wie die Hauptdynamo ihren Antrieb erhält, natürlich auch mit der Hauptdynamo eine gemeinsame Achse haben kann. Die Erregermaschine ist durch Fremdstrom erregt, die Ankerpolarität und damit auch der in die Hauptdynamo geschickte Erregerstrom wechseln daher bei Umkehr des Drohsinnes ihre Richtung.
In Fig. 1 bedeutet A den Anker, F die Felderregerwicklung der Hauptmaschine,
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Beispie ! eine Batterie, welche die Erregerwicklung.f speist. Durch den einfachen Pfeil sei beispielsweise die Stromrichtung bei Rechtsdrehung, durch den gefiederten Pfeil die Strom- richtung bei Linksdrehung angegeben.
Man kann die besondere Erregermaschine auch dazu verwenden, um als Regulator fur die Spannung oder Stromstärlie der Hauptmaschine zu dienen. Die Erregermaschine lunn z. B. nach Fig. 2 neben der von der fremden Stromquelle gespeisten Wicklung/
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der Spannung niemals erreichen kann, nämlich jenen , wo die entmagnetisierende Wirkung dpr Wicklung f' der magnetisierenden Wirkung der Wicklung f gleich kommt. Der ge- nannte Grenzwert kann, wenn man von Remanenz absieht, deshalb nie erreicht werden, weil dann das Feld der Erregermaschine Null würde und ihr Anker somit keinen Erregerstrom für die Hauptmascbine liefern könnte.
Bei Steigerung der Umdrehungszahl vom Normalen bis ins Unendliche würde sich die Dynamospannung asymptotisch dem genannten Grenzwert nähern. Diese Einrichtung hat beispielsweise eine grosse Bedeutung für Dynamomaschinen, welche von Turbinen angetrieben werden und bei denen eine plötzliche Entlastung und daher eine Steigerung der Tourenzahl auf das Doppelte eintreten kann. Durch richtige,
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auf ein beliebiges Mass fixieren.
Bei Maschinen, die mit Akkumulatoren parallel arbeiten, wie dies in der Regel bei Zugsbeleuchtungsmaschinen der Fall ist, ist es vorteilhafter, die Wirkung der Gegenwicklung f' nicht von der Spannung, sondern vom Strom der Hauptdynamo abhängig zu
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machen, weil die Stromstärke sich erheblich stärker ändert als die Spannung.Diese Schaltung ist in Fig. 8 gezeichnet. Selbstverständlich, kann die Wicklung 111 I welche jetzt der Wick.
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Wird der Strom der Hauptdynamo verzweigt, z. B. für direkte Speisung von Lampen und Ladung einer Batterie verwendet, so kann auch einer dieser Zweigströme allein-zum Beispiel der Ladestrom-zur Regulierung der Erregerdynamo verwendet werden. Die Gegenwicklung, die bei Stromabgabe der Dynamo oder Stromaufnahme der Batterie das Feld der Erregermaschine schwächt, wird bei entgegengesetzter Stromrichtung das Feld verstärken und so bei zu niedriger Drehzahl der Maschine die Stromaufnabme derselben aua der Batterie verringern.
Wenn es sich nicht um Maschinen handelt, die einer Änderung der Drehrichtung unterworfen sind, so ist eine mechanische Verbindung der Erregermaschine mit der Hauptmaschine nicht nötig, sondern es kann die Erregermaschine auf irgendeine Weise angetrieben sein. Die gleichsinnige Schaltung der Wicklung fa und der Feldwicklung f der Erregermaschine, entgegengesetzt der Fig. 3, wird sich dort empfehlen, wo man bei konstanter Antriebszahl mit steigender Stromabgabe eine annähernd gleichbleibende oder steigende Spannung der Hauptdynamo wünscht, die entgegengesetzte Schaltung (Anordnung der Fig. 3) empfiehlt sich dort, wo man die Leistung der Hauptdynamo möglichst konstant halten will, wo man z.
B. bei konstanter Antriebszahl bei Steigerung der Stromstärke eine Verminderung der Spannung erzielen will, andererseits bei Erhöhung der Antriebszahl die Leistung nur in geringen Grenzen wachsen lassen Will. Bei dieser Anordnung findet eine Begrenzung der Stromstärke statt. Dies bedeutet bei Akkumulatoren auch indirekt eine Begrenzung der Spannung. Unabhängig davon, ob Akkumulatoren vorhanden sind, hat diese Anordnung einen grossen Wert dort, wo Kurzschlüsse zu befürchten sind, z. B. bei Karbid- 1\1'\agen. Es wird dadurch der Kurzschlussstrom auf ein beliebig festzusetzendes Mass herabgedrückt, was man sonst nur durch Maschinen mit grosser Ankerrückwirkung oder durch Maschinen mit sogenannter Gegenkompoundschaltung erreicht.
Die hier gewählte Anordnung hat gegenüber der Gegenkompoundschaltung der Haupt- maschine einen bedeutenden Vorteil. Bei letzterer muss die Nebenschtusswicktung der Haupt- maschine ständig den höchsten Erregerstrom führen. Die für Erregung aufgewendete Leistung bei Belastung setzt sich aus der in der Nebonschlusswicldung und in der gegen geschalteten
Hauptstromwicklung verlorenen zusammen. Der Wickleiraum und das ganze Magnetsystem muss dementsprechend gross dimensioniert sein. Demgegenüber wird bei der vorliegenden Er- findung die Erregerenergie der Hauptmaschine bei steigender Stromabgabe kleiner und nur bei der Erregermaschine, deren Leistung wenige Prozent der Hauptmaschinenleistung ausmacht, werden die Verluste grösser.
Daher kann man bei dieser Anordnung die Hauptmaschino kleiner und mit besserem Wirkungsgrade herstellen, als bei der Gegenkompoundanordnung und es worden in den meisten Fällen die Ersparnisse in Herstellungskosten und Erreger- leistung der Hauptmaschine die Kosten und Leistungsverluste der kleinen Erregermaschino reichlich decken.
Aus der Patent-Literatur sind eine Reihe von Anordnungen bekannt, welche gleiche
Elemente wie die vorbeschriebene Erfindung enthalten. So. st aus der amerikanischen Patent- schrift Nr. 547537 bekannt, dass durch Anordnung einer mechanisch gekuppelten Erreger- maschinf die Stromrichtung der Hauptdynamo unabhängig von der Drehrichtung wird, weil das Feld der Hauptmaschine mit Umkehr der Drehrichtung gleichzeitig umpolarisiert wird.
Die K & mplikation einer besonderen Erregermaschine wird sich aber bei der Anordnung des angezogenen Patentes kaum lohnen, weil nur der selbsttätige Umschalter gespart wird, aber selbsttätige Regler der Stromstärke erforderlich sind. Bei der hier gewählten An- or ni werden aber diese letzteren entbehrlich. Dies ist von grosser Wichtigkeit. Es ist vor allem klar, dass bei dem mechanisch-elektrischen Regler, wenn anders man keinen Flüssigkeitswiderstand verwendet, nur eine sprungweise Regelung stattfinden kann. Ferner ist es selbst bei Verwendung eines Flüssigkeitswidorstandes unmöglich, die Feldstärke auf ein beliebig kleines Muss bis Null stossfrei zu bringen. Dies wird sich z.
B. bei Zugs- belcuchtungsmaschinen insbesondere dann störend bemerkbar machen, wenn der Zug eine exzessive Geschwindigkeit annimmt, für die der Apparat nicht gerechnet ist. Es wird dann die Feldstärke erhebhch zu gross sein, so dass übcrstarke Stromlieferung entsteht oder es wird ein voiiständiges Ausschalten stattfinden.
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nicht überschritten werden. Während bei Anwendung eines mechanischen Reglers stets eine gewisse Verzögerung eintreten muss, die oft hinreichen wird, die Maschine zu beschädigen, ist bei unserer Schaltung der Wort des Kurzschlussstromes von vornherein bestimmt.
Der Vorteil der vorliegenden Regelungseinrichtung zeigt sich aber auch bei zu geringen Geschwindigkeiten, wo die vom Hauptanker erzeugte elektromotorische Kraft geringer ist als die elektromotorische Kraft des Netzes, z. B. der Batterie, auf die der Anker arbeitet.
Bei der Anordnung der amerikanischen Patentschrift wird, wenn die Nutzstromstärke auf Null heruntergebt, der Regler kurzgeschlossen, womit die Regelung ihr Ende erreicht hat.
Bei unserer Anordnung (Fig. 3) wird, wenn der Nutzstrom sich umkehrt, die Spule 1" auf das Feld der Spule. f verstärkend wirken, wodurch auch das Hauptfeld verstärkt wird.
Es wird deshalb der Anker A, mit zu geringer Tourenzahl betrieben, einen kleineren Strom aufnehmen, als er es könnte, wenn die Feldspule f allein vorhanden wäre. Dies ist deshalb von grösster Wichtigkeit, weil eine Verzögerung in der Wirkung des Ankerausschaltorgancs
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Patentschrift.
Bei unserer Anordnung ist auch das Überregulieren ausgeschlossen, welches bei mechanischen Reglern stets vorkommt. Des weiteren wird durch den Wegfall eines solchen Reglers mit der diesen Apparaten anhaftenden Unzulässigkeit und Empfindlichkeit eine viel weitergehende Benutzungsmöglichkeit eröffnet.
Bekanntlich wurde schon vielfach versucht, durch Hilfsmaschinen, die mechanische Regulierung zu umgehen. Beispielsweise ist in der schweizerischen Patentschrift Nr. 2330tel eine Schaltung angegeben, bei welcher genau wie in Fig. 3 der vorliegenden Patentanmeldung, eine mit der Hauptmaschine mechanisch gekuppelte Hilfsmaschine in konstantem Sinne erregt und in ihrer Feldstärke durch eine vom Strom der Hauptdynamo
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in der schweizerischen Patentschrift diese Hilfsmaschine nicht selbst die positive Erregung der Hauptmaschine besorgt, sondern in Gegenwirkung zu der ebenfalls von der konstanten ¯Stromquelle herrührenden Erregung der Hauptmaschine das Feld der letzteren mit steigender Tourenzahl schwächt,
während bei der vorliegenden Einrichtung die Hilfsmaschine die alleinige Erregung der Hauptdynamo besorgt. Dadurch sind die beiden Einrichtungen grundsätzlich verschieden. Abgesehen davon, dass die Anordnung des schweizerischen Patentes mit anderen in der Patent-Literatur bekannten ähnlichen Einrichtungen den Übelstand teilt, dass bei Überschreitung einer gewissen Tourenzahl eine Umpolarisierung des Feldes möglich ist, erkennt man auch ohne weiteres, dass gerade durch die Verwendung einer von einer konstanten Stromquelle gespeisten Erregung der Hauptdynamo letztere unbedingt eine zusätzliche Umschaltevorrichtung benötigt, 1 um bei Wechsel der Drehrichtung betrieben werden zu können.
Die vorliegende Erfindung hingegen gestattet mit den einfachsten Mitteln Gleichrichtung des Stromes bei wechselnder Antriebsrichtung und gleichzeitig Regelung der Feldstärke je nach der Antriebsgeschwindigkeit und Belastung.
In manchen Fällen wird sich der Wunsch geltend machen, eine besondere Erregermaschine zu vermeiden und das gewünschte Resultat unter Beibehaltung des Prinzipes in einer einzigen Maschine zu erzielen.
Das Problem ist also, auf einen einzigen Anker mit einer oder zwei Wicklungen zwei Magnetfelder wirken zu lassen, eines, das ständig seine Richtung beibehält, so dass den zugehörigen Ankerbürsten ein mit der Drehrichtung wechselnder Strom entnommen
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machen. Dazu bieten sich zwei Wege. Der eine, dass man die beiden Felder und Wicklungen für verschiedene Polzahlen einrichtet, der andere, dass man die magnetischen Achsen der beiden Felder, auf ein zweipoliges Feld bezogen, senkrecht zueinander stellt.
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entnommen werden kann. Die Schwächung des zweipoligen Erregerfeldes bei wachsender Hanptstromspannung oder Hauptstromstärke lässt sich natürlich ebenso wie bei der besonderen Erregermaschino durchführen.
Es ist nicht erforderlich, getrennte Pole für das zweipolige und vlerpolige Magnetfeld zu verwenden. Man kann auch, wie es Fig : 4 zeigt, mit einem einzigen vierpoligen Magnetsystem auskommen. In Fig. 4 ist schematisch die zweipolige Ankerwicklung durch einen
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N, S haben. Es werden nun beispielsweise bei Rechtsdrehung, wie gezeichnet, beim linken oberen und linken unteren Pol beide Spulen gleich, beim rechten oberen und rechten unteren entgegengesetzt wirken. Ist beispielsweise die vierpolige Wicklung eine Reihenwellenwicklung, so dass die Unsymmetrie des Magnetfeldes keine Ausgleichsströme hervorruft, so wird auf die vierpolige Ankerwicklung nur die Erregung der Feldwicklung F, auf die zweipolige nur die Erregung der Feldwicklung f Einfluss haben. Die Anordnung der Fig. 4 entspricht somit vollständig der Fig. 1.
Die Nutzstrombürsten B, B geben bei wechselnder Drehrichtung gleichgerichteten Strom.
Man kann noch einen Schritt weiter gehen und den Erregerstrom, der mit dem drehsinne seine Richtung ändern soll, aus der gleichen Wicklung und dem gleichen Kommutator abnehmen, wie den Nutzstrom, dessen Richtung bei wechselndem Drehsinne die gleiche bleiben muss.
In Fig. 5 ist schematisch ein Grammescher Anker mit vier Bürsten Bl, B2, 1) 3, 114 dargestellt. Die vier Pole des Magnetsystemes tragen verschiedene Wicklungen. Zuerst die
Wicklung/, welche von einer beliebigen Stromquelle Q in konstanter Richtung erregt wird und die-beiden oberen Pole in gleicher Richtung, die beiden unteren in entgegengesetzter Richtung magnetisiert. Mit dieser Erregung allein stellt die Maschine eine zweipolige Maschine dar, so dass zwischen den Bürsten BI und Bg eine Spannung erzeugt wird, während B2 B2 und B4 äfluipotentiell sind.
Wenn man zwischen B1 und g eine vierpolige Feldwicklung, wie in Fig. 4, schaltet, so wird diese von einem. mit der Drehrichtung wechselnden Strom durchflossen werden.
Der Hauptstrom lässt sich abnehmen einerseits von den beiden miteinander-eventuell durch einen Widerstand-verbundenen Bürsten B2 und B4 (Stromabnahmestelle D), andererseits vom Mittelpunkte C der Erregerwicklung F1, F3. da diese die #zweipolige"
Spannung zwischen B1 und zig halbiert.
Wenn man die Felderrogerwicklung, wie in Fig. 5 ge- zeichnet, in zwei Teile F und Fg zerlegt, so werden die Spulen jedes einzelnen Magnet- poles von dem zwischen , und B3 fliessenden Ausgleichstrome gleichsinnig durchflossen, während der Nutzstrom, den beide Bürsten zur Stromabgabestelle C schicken, die Wick- lungen Fj und Fg in verschiedenem Sinne durchfliesst, so dass die magnetisierende Wirkung dieses Stromes gleich Null ist. Diese Anordnung entspricht sonach in ihrer Wirkung der Fig. 1.
Will man hingegen mit steigendem Hauptstrom cine Verstärkung oder Schwächung des zweipoligen Erregerfeldes erzielen, so ist hier keine neue Gegenwicklung erforderlich, sondern es kann diese Wirkung dadurch erreicht werden, dass man abwechselnd auf den
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laUt. Ef ! überwiege z. It. auf dem Magnetpol II und III die Spulenhälfte F1, auf dem Pol 1 und IV die Spulenhälfte F3. Wenn der Nutzstrom bei der angenommenen Dreh- riehtul1g- in F1 mit dem Ausgleichstrom gleichsinnig, in F3 entgegengesetzt demselben verlauft, so wird die Wirkung diesel. e sein, als wenn eine besondere, der zweipoligen Erregerwicklung entgegenwirkende, vom Nutzstrom durchflossene Wicklung angebracht wäre.
Der zweite Weg zur Erreichung des Zweckes ist die Anordnung eines Hilfsmagnct feldes, dessen Achse, auf ein zweipoliges Feld bezogen, senkrecht zu der des Hauptfeldes steht. Dabei ist es, um die sämtlichen Bürsten in eine neutrale Zone zu bringen, vorteil-
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der Anker mit zwei getrennten Wicklungen und Kommutatoren oder mit einer einzigen Wicklung und einem einzigen Kommutator ausgerüstet sein. Die von eiMr beliebigen Stromquelle in konstanter Richtung erregte Wicklungf erzeugt oben zwei gleiche Pole n, n,
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nittela. der Wicklung F das Häuptfeld derart erregen, dass je die beiden linken und die meiden rechten Pole gleiche Polarität haben. Da die Polarität der letzteren N, N, S, S
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Die gleiche Wirkung lässt sich'sogar ohne besondere Feldwicklung F, nur durch Ausnutzung der Ankerrückwirkung, erzielen. Schliessen wir die Ankerbürsten und kurz (Fig. 7), sa giesst durch den Anker ein Strom, welcher die Summe der Feldstärken über der Horizontalen und ebenso unter der Horizontalen auf nahezu Null reduziert. Ausserdem erzeugt aber der Anker auch ein Querfeld, welches, wie gewünscht, senkrecht zu dem ursprünglichen Felde liegt. Es wird der im Sinne der Drehrichtung vordere Teil des Feldes unter den Mittelwert erniedrigt, der im Sinne der Drehrichtung hintere Teil
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um 900 im Sinne der Drehrichtung verschoben. Bei Linksdrehung (Fig. 8) wird ganz ebenso eine Verschiebung der Feldsymmetralen um 900 nach links stattfinden.
In bezug auf die Nutzstrombürsten B2 und B4 ist daher das Feld bei Rechtsdrehung entgegengesetzt dem bei Linksdrehung und es werden daher diese Bürsten stets Spannung von gleicher Richtung abgeben.
Eine gleiche Wirkung lässt sich mit jeder beliebigen Ankerwicklung und auf verschiedene Arten erzielen. Man kann auch beispielsweise durch Kurzschliessen der Bürsten B, und B4 und der Bürsten B2 und Sg in Fig. 7 zwischen den beiden kurzgeschlossenen Dürstenpaaren einen Aussenstrom von konstanter Richtung erhalten.
Die Anordnung der Fig. 6-8 gestattet eine selbsttätige Regelung der Maschine ohne Anbringung einer Zusatzwicklung. Da das zweite Magnetfeld gegen das erste um db 900 verschoben ist, so ist das vom Nutzstrom erzeugte Ankerquerfeld gegen das konstante erste Magnetfeld um 1800 oder 00 verschoben. Da die Stärke des ersten Magnetfeldes indirekt die Stärke des zweiten beeinflusst, so kann man daher bei den Anordnungen nach
Fig. 6-8 Gegenkompoundierung, bei Fig. 6, falls es gewünscht ist, auch Kompoundierung erzielen. Selbstverständlich lässt sich auch jede dieser Wirkungen noch durch Anbringung einer besonderen, vom Nutzstrom durchflossenen Feldwicklung verstärken oder aufheben.
Wenn es für den speziellen Fall erwünscht ist, kann in allen Fällen (Fig. 1- 8) die Feldwicklung, welche die Erregerbürsten beeinflusst und bisher als von einer beliebigen
Stromquelle Q gespeist angenommen wurde, * auch an die Bürsten, welche den Nntzstrom liefern, angeschlossen werden, so dass das ganze Aggregat mit Selbsterregung arbeitet.
Um sicheres Angehen zu erzielen, kann dabei auch eine der in den deutschen Patent- schriften Nr. 155972 und 156620 vorgesehenen Erregungsanordnungen für Dynamomaschinen verwendet werden, welche es gestatten, mit geringem Fremdstrom sichere Selbsterregung zu erzielen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Erregung und Regelung von Dynamomaschinen, wobei die Erregung durch eine mit proportionaler Geschwindigkeit umlaufende und gleichzeitig umkehrbare
Erregermaschine a mit zwei Feldwicklungen f'oder f,) erfolgt, deren eine von einer beliebigen Stromquelle (Q) stets mit Strom derselben Richtung versorgt wird und deren andere (f'oder f") der ersten entgegenwirkt und vom Anker der Hauptmaschine in Reihe oder Nebenschluss mit dem äusseren Stromkreis oder einem Teile des letzteren gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Anker der Erregermaschino gelieferte
Erregerstrom die alleinige Erregung der Hauptmaschine bildet, zu dem Zwecke,
den von der Hauptmaschine gelieferten Strom in seiner Polarität unabhängig von der Drehrichtung und in seiner Stärke oder Spannung möglichst unabhängig von der Umlaufszahl und dem äusseren Widerstande zu machen.
2. Bei einer Einrichtung zur Erregung und Regelung von Dynamomaschinen eine I Dynamomaschine mit umkehrbarer Felderregung, gekennzeichnet durch einen Anker mit zwei Bürstengruppen und zwei denselben entsprechende Magnetfelder, deren erstes von einer beliebigen Stromquelle in konstanter Richtung erregt wird, während das zweite vom
Strome der ersten Bürstengruppe in einem mit der Drehrichtung wechselnden Sinne erregt wird, zu dem Zwecke, um aus den Bürsten der zweiten Gruppe einen Strom konstanter 'Richtung unabhängig vom Drehsinn abzunehmen, wobei die beiden Felder in. verschiedenen oder in denselben Polen wirken und die Bürsten der einen Gruppe teilweise oder ganz auch der anderen Gruppe angehören können.