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Elektrische Synchronmaschine
Die Erfindung betrifft eine elektrische Synchronmaschine, die sich besonders zur Verwendung als Bahnmotor eignet.
Herkömmliche 3-Phasen-Synchronmotoren können als Einphasenmaschinen betriebenwerden, indem jedem Paar ihrer Dreiphaseneingangsklemmen ein Einphasenwechselstrom zugeführt wird.
. Wenn der Motor auf diese Weise als Einphasenmaschine betrieben wird, kann man den Einphasenstrom als zwei symmetrische Dreiphasenkomponenten entgegengesetzter, positiver und negativer Aufeinanderfolge betrachten. Der der positiven Folge entsprechende Strom führt zu einem normalen Synchronbetrieb. Der der negativen Folge entsprechende Strom fliesst durch die der negativen Folge entsprechende Impedanz der Maschine. Diese Impedanz wird hauptsächlich durch den ohmschen Widerstand und den Blindwiderstand der Anlass-und der Dämpfungswicklung bestimmt. Diese Wicklung ist in das Feld der Maschine eingebaut ; in einer Maschine einer beträchtlicheren Grösse ist sie eine Läuferwicklung.
Normalerweise ist es bei Einphasenmaschinen nötig, eine Hilfsanlasswicklung vorzusehen, welche auf den Ständer gewickelt ist. Es ist niemals leicht, in einer solchen aus einem Einphasen-Wechselstromnetz gespeisten Maschine Vorkehrungen zu treffen, die ein hohes Anlassdrehmoment ergeben, aber es erweist sich für manche Anwendungen ein hohes Anfahrmoment auch als unnötig und daher findet diese Betriebsweise praktische Anwendung.
Um mittels einer solchen Einphasenmaschine hohe Leistung und einen günstigen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es nötig, den Wert der Impedanz der der negativen Folge zugeordnet ist, zu vermindern.
Es ist bekannt, beispielsweise aus dem Werk"Die synchronen Wechselstrommaschinen"von Arnold und La Cour, 1913, das inverse Drehfeld durch eine besondere Dämpfungswicklung zu dämpfen. Es ist dies das allgemein angewandte Mittel. Eine solche Dämpfungswicklung vermindert das inverse Drehfeld, kann es aber niemals ausschalten. Eine solche Dämpfungswicklung bedingt einen grossen Verbrauch an Kupfer und grossen Platzbedarf in der Maschine.
Zusätzlich ist in der österr. Patentschrift Nr. 136186 vorgeschlagen, einen weitergehenden Ausgleich des inversen Drehfeldes durch eine kapazitive Schaltung herbeizuführen. Obgleich kapazitiv-induktive Resonanzkreis des öfteren in rotierenden Wechselstrommaschinen für verschiedene Zwecke vorgeschlagen wurden, haben sie sich allgemein zufolge der geschwindigkeits-und lastabhängigen Veränderung der Wick- lungsinduktanz, was eine übermässige Veränderung des Resonanzeffektes zur Folge hat, als nicht zufriedenstellend erwiesen.
Gegenstand der Erfindung ist es, das inverse Drehfeld, dadurch zu kompensieren, dass ein HilfsdrehFeld einer Frequenz erzeugt wird, die ein Mehrfaches der Einphasen-Speisefrequenz ist.
Diese Vorgangsweise erweist sich den vorgeschlagenen und verwendeten einschlägigen Massnahmen als überlegen, weil sie eine vollständigere Kompensation des inversen Feldes erlaubt und infolgedessen zu einer Vergrösserung der im Vorwärtsfeld wirkenden Nutzspannung führt und den grösseren Kupfer- und Raumbedarf von mit einer Dämpfungswicklung ausgestatteten Maschinen vermeidet und die unverlässlichen Re- ionanzschaltungen überflüssig macht. Diese Massnahme ist zu bevorzugen, trotzdem sie an die Verwendung eines Hilfsgenerators und einer Eingangsenergiequelle für ihn gebunden sind, um den mehrfachfre- agenten Strom zu erzeugen.
Demgemäss betrifft die Erfindung eine elektrische Synchronmaschine mit einer Hauptwicklung, die
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aus einerEinphasenwechselstromquelle erregt wird, und mit einem Feldsystem, das eine aus einer Gleich- stromquelle erregte Wicklung umfasst und mit Einrichtungen, um das inverse Drehfeld auszugleichen und sie ist dadurch gekennzeichnet, dass das Feldsystem ausserdem eine Dreiphasenwicklung umfasst, die aus einer Dreiphasenquelle erregt wird, die die doppelte Frequenz der genannten Einphasenquelle aufweist, wobei die Dreiphasenwicklung eine solche Phasenlage ergibt, dass sie ein Drehfeld einer Frequenz liefert, die die doppelte Frequenz der Einphasenquelle ist und von einer Grösse, die dem inversen Drehfeld, wel- ches durch den Strom negativer Folge der Einphasenspeisung erhalten wird, entgegengesetzt ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei auf die Zeichnung verwiesen, an Hand welcher beispiels- weise zwei praktische Ausführungsformen beschrieben seien. Es zeigt Fig. 1 das Schaltbild der Feldwick- lungen und von Hilfsstromquellen eines vierpoligenEinphasen-Synchroninduktionsmotors für eine Speisung mit 50 Hz und Fig. 2 das Schaltbild der Feldwicklung und der Hilfsstromquellen einer ähnlichen Maschine jedoch abgeänderter Bauweise, in der eine gemeinsame Wicklung sowohl der Erregung als auch dem Aus- gleich des Drehfeldes dient.
Die inFig. l dargestellte Maschine ist eine Vierpolmaschine der Bauart mit vorspringenden Polen, mit einer Haupt-Vierpolwicklung auf dem Maschinenläufer, bestehend aus Spulen 21, 22, 23 und 24, die zwi- schen Klemmen 25 und 26 in Serie geschaltet sind. Die Klemmen 25 und 26 sind durch Leiter 27 bzw. 28 mit denAusgangsklemmen einer Gleichstromerregermaschine 30 verbunden, die mit der Vierpolmaschine eine gemeinsame Welle besitzt.
Zwischen die Klemmen 25 und 26 ist ein Schalter 31 und eine Erregerwicklung 32 in Serie liegend eingeschaltet.
Der Rotor der Vierpolmaschine ist zusätzlich mit einer vierpoligen Dreiphasen-Polstirnwicklung für Wechselstromspeisung versehen, die aus drei Phasenwicklungen 1, 2 und 3 besteht, die zwischen dem Sternmittelpunkt 4 und Endpunkten 5, 6 bzw. 7 liegen. Die. Endpunkte 5, 6 und 7 sind über Leitungen 8, 9 bzw. 10 mit den beweglichen Kontakten a eines dreipoligen Umschalters 11, 12, 13 verbunden. Wenn die Kontakte a und b verbunden sind, sind die Leitungen 8, 9 und 10 über die Leitung 14 miteinander direkt verbunden.
Wenn die Kontakte a und c geschlossen sind, stehen die Leitungen 8, 9 bzw. 10 über die Leitungen 15, 16 bzw. 17 mit den Endpunkten einer achtpoligen Dreiphasenwechselstromerregermaschine für 100 Hz in Verbindung, deren Rotor auf derselben Welle sitzt wie der Rotor der Vierpol-Dreiphasenwechselstrommaschine und der Gleichstromerregermaschine 30.
Die Rotorhauptwicklung 33 der Vierpolmaschine ist über Leitungen 34 und 35 zwischen die Klemmen 36 und 37 gelegt. Die Klemmen 36 und 37 stehen mit einer Wechselstrom von 50 Hz liefernden Leitung 41 bzw. 42 in Verbindung.
Mit einem Schalter 38 ist eine Anlasswicklung 39 zwischen die Leitungen 34 und 35 gelegt.
Um die Vierpolmaschine in Gang zu setzen, wird der dreipolige Schalter 11, 12, 13 in eine Lage verstellt, in der er die Kontakte a und b schliesst, um die Klemmen 5, 6 und 7 miteinander zu verbinden. Der Schalter 31 ist offen, so dass die Wicklung 32 stromlos ist und der Schalter 38 ist geschlossen, damit die Anlasswicklung 39 erregt wird.
Der Schalter 31 wird später geschlossen, um die Erregerwicklung 32 aus dem Erreger 30 mit Energie zu versorgen, um die Vierpolmaschine zu synchronisieren.
Nachdem die Maschine ihre Drehzahl erreicht hat, wird der Dreipolschalter 11, 12, 13 in eine Lage verstellt, in der er die Kontakte a und c schliesst, um die Wicklungen 1, 2 und 3 aus dem 100 Hz-Wechselstromerreger 20 unter Spannung zu setzen.
Der Schalter 38 ist offen, um die Anlasswicklung 39 im Laufzustand des Motors abzuschalten.
Der Dreiphasen-100 Hz-Wechselstrom, der aus der Erregermaschine 20 in die drei Wicklungen 1 ; 2 und 3 geliefert wird, erzeugt ein Drehfeld. Die Leitungen 15, 16 und 17 sind derart geschaltet, dass das erzeugte Drehfeld die Auswirkung der negativen Folgen, die sich aus der Einphasenarbeitsweise der aus den Leitungen 41 und 42 gespeisten Maschinen ergibt, ausgleicht.
Die Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Schaltung eines Einphasensynchronmotors, der eine Ausgleichsfeldwicklung aufweist, in der dieselbe Wicklung für die Erregung und für die Erzeugung des ausgleichenden Drehfeldes verwendet wird. Schaltelemente, die jenen der Fig. l entsprechen, sind in beiden Figuren durch gleiche Bezugszeichen kenntlich gemacht.
Die Hauptmaschine der Fig. 2 ist ein herkömmlicher Vierpolsynchronmotor mit zylindrischem Läufer.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist die Vierpol-Dreiphasen-Wechselstromsekundärwicklung des Motors auf den Rotor der Maschine und die Primärhauptwicklung des Ankers auf den Stator gewickelt.
Die Sekundärwicklung umfasst drei Phasenwicklungen 1, 2 und 3, die zwischen einem Sternmittelpunkt 4 und Endpunkten 5, 6 und 7 im Stern geschaltet sind, und von dort zu Leitungen 8, 9 und 10 gehen.
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Die Leitungen 8, 9. und 10 sind, wie in der Schaltung nach Fig. 1, durch Leitungen 15, 16 und 17 an den
Ausgang eines Achtpol-Dreiphasenwechselstrom-100 Hz-Erregers geschaltet, der auf der gemeinsamen
Rotorwelle sitzt. In diesem Beispiel werden die Verbindungen zwischen den Leitungen 8,9 und 10 und den
Leitungen 15, 16 und 17 mittels eines dreipoligen Einwegschalters hergestellt.
Mit den Leitungen 8,9 und 10 ist ferner ein dreipoliger Doppelwegschalter 51, 52, 53 verbunden. Wenn sich der Schalter 51, 52, 53 in der Lage befindet, in welcher er die Kontakte a und b schliesst, sind die
Leitungen 8, 9 und 10 durch die Leitungen 54 miteinander verbunden. Wenn der Schalter 52, 51, 53 die
Stellung einnimmt, in welcher er die Kontakte a und c schliesst, sind die Leitungen 8, 9, 10 mit den Tei- len 55, 56 bzw. 57 einer Dreiphasendrossel verbunden. Die äusseren Enden der Drosselspulen 55 und 56 sind über Leitungen 58 und 59 mit den Endpunkten 25 einer Gleichstromerregermaschine 30 verbunden, die ebenfalls auf der gemeinsamen Welle sitzt. Das andere Ende der Drosselspule 57 ist mit der Klemme 26 der Erregermaschine 30 verbunden.
Die primäre Rotorhauptwicklung der Vierpolmaschine ist so geschaltet, wie dies aus dem Schaltbild der Fig. l ersichtlich ist, nämlich durch Leitungen 34 und 35 an Klemmen 36 und 37 und von dort zu einer
50 Hz-Wechselstrom führenden Leitung 41, 42 geführt. In ähnlicher Weise ist eine Anlasswicklung 39 mit der ein Schalter 38 in Serie liegt, an die Leitungen 34, 35 parallel zur Wicklung 33 angeschlossen.
Um die durchFig. 2 veranschaulichte Maschine in Gang zu setzen, ist der Dreipolschalter 11, 12, 13 offen, der Dreipolschalter 51, 52, 53 wird so betätigt, dass er die Kontakte a und b schliesst um dadurch die Enden 5, 6 und 7 der Sekundärwicklung 1, 2, 3 kurzzuschliessen. Der Schalter 38 ist geschlossen, um damit die Anlasswicklung 39 aus der 50 Hz führenden Leitung 41, 42 zu speisen.
Um die Maschine zu synchronisieren, wird der Dreipolschalter 51, 52, 53 derart verstellt, dass er die Kontakte a und c schliesst. um so die Wicklungen 1, 2, 3 aus der Gleichstromerregermaschine 30 zu versorgen.
Nach vollzogener Synchronisierung wird der Dreipolschalter 11, 12, 13 verstellt, um die Kontakte a und c zu schliessen und dadurch die Wicklungen 1, 2 und 3 mit Wechselstrom von 100 Hz aus der Erregermaschine 20 zu versorgen.
Um eine zufriedenstellende Kommutierung zu erhalten, ist es wesentlich, dass der 100 Hz aufweisende Wechselstrom nicht durch die Gleichstromerregermaschine 30 fliesse. Man verhindert dies dadurch, dass man in die Schaltung eine Dreiphasendrossel 55. 56, 57 einschliesst. Es spielt keine Rolle, wenn etwas Gleichstrom aus der Erregermaschine 30 durch den Anker der Wechselstromerregermaschine 20 fliesst.
Wenn ein Synchronmotor verwendet wird der eine Drehzahländerung erlaubt, ist es nötig, den Wechselstromerreger so anzutreiben, dass er stets einen 100 Hz zeigenden Wechselstromausgang besitzt. Man kann dies zweckmässig dadurch erreichen, dass man die Erregermaschine 20 durch einen separaten kleinen Synchronmotor antreibt, der an die Speiseleitung 41,42 angeschlossen wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrische Synchronmaschine mit einer Hauptwicklung, die aus einer Einphasenwechselstromquelle erregt ist und mit einem Feldsystem, das eine aus einer Gleichstromquelle erregte Wicklung umfasst, und mit Einrichtungen, um das inverse Drehfeld auszugleichen, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldsystem ausserdem eine Dreiphasenwicklung aufweist, die aus einer Dreiphasenquelle erregt wird, die die doppelte Frequenz der genannten Einphasenquelle aufweist, wobei die Dreiphasenwicklung so aufgebaut und angeordnet ist, dass sie ein Drehfeld mit der doppelten Frequenz der Einphasenquelle liefert, u. zw. mit einer Grösse, die der Grösse des inversen Drehfeldes, welches durch den Strom negativer Folge der Einphasenspeisung erhalten wird, entgegengesetzt ist.