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Wechselstrommaschine, insbesondere Wechselstromgenerator
Es gibt bekanntlich Verstärkermaschinen für Gleichstrom, z. B. Amplidynen, bei denen mit Hilfe einer kleinen Steuerenergie vielfach stärkere Änderungen der Ausgangsspannung hervorgerufen werden.
Solche Maschinen werden häufig in Regelanordnungen, aber auch als Erregermaschinen für grosse Generatoren, z. B. Turbogeneratoren, verwendet.
In vielen Fällen besteht ein Bedürfnis nach Verstärkermaschinen, die Wechselstrom oder Drehstrom liefern, da dieser beliebig transformiert werden kann. Es sind auch bereits Wechselstromverstärkermaschinen bekannt. Bei ihnen trägt der umlaufende Erregerteil eine Erregerwicklung, während der Stator mit einer gewöhnlichenDrehstromwicklung versehen ist. Parallel zu den Phasenanschlüssen sind Kondensatoren angeordnet, die die Blindwiderstände der Ständerwicklungen kompensieren. Dies hat zur Folge, dass der Laststrom, der der Ständerwicklung entnommen wird, ein reiner Wirkwiderstand ist, so dau das von ihm aufgebaute Luftspaltfeld in die Querachse in bezug auf das Steuerfeld fällt. Auf diese Weise wird von der Statorwicklung ein in der Querachse liegendes im Raum rotierendes Drehfeld erzeugt.
Ein empfindlicher Nachteil dieser bekanntenAnordnung besteht darin, dass die Verstärkermaschine nur mit Wirkwiderständen belastet werden darf. Blindwiderstände würden zu einer Verrückung des Statorfeldes aus der Querachse führen und damit die Wirkung des Querfeldes mehr oder weniger aufheben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wechselstromverstärkermaschine zu schaffen, die von den eben genannten Nachteilen der bekannten Wechselstromverstärkermaschinen frei ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung eine Wechselstromverstärkermaschine, insbesondere ein Wechselstromgenerator, vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Erregung durch ein Querfeld erzeugt wird, dessen Stromkreis gesteuerte Stromrichterelemente, vorzugsweise steuerbare Siliziumzellen, enthält, die im Rhythmus der Rotation Strom führen. Die Stromrichter sind an ein möglichst vielphasiges Wechselstromsystem angeschlossen, von dessen Phasen einige mit den Hauptphasen des Generators zusammenfallen. Die Stromrichter sind gesperrt zu Zeiten, in denen die vom Hauptfeld herrührende Spannung ihr Maximum hat, während sie freigegeben werden in einem um den Nulldurchgang dieser Spannungen herumliegenden Bereich. Eine solche Maschine ist schematisch in den Fig. 1-3 der Zeichnung dargestellt.
Im Gegensatz zu der bekannten Wechselstromverstärkermaschine, bei der die Lage des Ankerfeldes durch die komplexe Belastung der Statorwicklung bestimmt wird, ist bei der Anordnung nach der Erfindung die Lage des Ankerfeldes festgelegt, ähnlich wie bei einer Gleichstrommaschine durch die Stellung. der Bürstenbrücke. Die Wirkung der Stromrichterbelastung bei der Maschine nach der Erfindung entspricht der Funktion der Bürstenbrücke einer Kollektormaschine. Dies hat zur Folge, dass unabhängig von der Art der Belastung das Ankerfeld aus der neutralen Zone nicht herausgedreht werden kann, denn seine Achse wird durch die Zündzeitpunkte der Stromrichter festgelegt.
Ebenso wie bei einer Amplidyne spielt auch in diesem Fall die Frage der Kompensation der Ankerrückwirkung eine erhebliche Rolle. Deshalb wird diese Maschine so ausgebildet, dass der auf der Wechselstromseite fliessende Strom unter Zwischenschaltung wenigstens eines Stromwandlers gleichgerichtet wird und dass an die sekundäre, vorzugsweise ohmsche Bürde, die mit der Feldwicklung gleichachsige Kompen-
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sationswicklung des Erregerteiles angeschlossen ist. Schaltungen für dieseArt der Kompensation sind in den Fig. 4, 5, 6 der Zeichnung dargestellt.
Bei einer andern Form der Kompensation der Ankerrückwirkung kann die Anordnung so getroffen sein, dass in der das Querfeld erzeugenden Wicklung der Maschine ein Kompensationsstrom hervorgerufen wird, der die gegebenenfalls von einer Blindlast herrührende Ankerrückwirkung aufhebt. Eine Prinzipschaltung
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bei ist die Anordnung so getroffen, dass zur Sicherung der Kommutierung die vom Hauptfeld hervorgerufene Komponente der Spannung im Stromrichterkreis allein ausgeglichen wird in der Weise, dass in Reihe mit dem gesteuerten Stromrichter wenigstens eine der vom Hauptfeld induzierten Spannung entgegengesetzt gerichtete, etwa gleich grosse Spannung eingefügt wird. Diese Ausführung wird an Hand der Prinzipschaltungen Fig. 11 und 12 und der Kurvendarstellungen Fig. 13 erläutert.
Bevor Einzelheiten erläutert werden, ist ganz allgemein zum Verständnis der nachstehend angegebenen Anordnungen folgendes zu sagen :
Belastet man einen mehrphasigen Wechselstromgenerator mit einem mehrphasigen gesteuerten Gleichrichter und regelt man diesen Gleichrichter durch Verschiebung der Gittersteuerung etwa auf die Gleich- spannung"Null", so kann der Gleichstromkreis in seinem Widerstand und bei entsprechender Vielphasigkeit auch in seiner Induktivität so weitgehend reduziert werden, dass nahezu ein Kurzschluss vorliegt, der Gleichstrom aber von Anode zu Anode weiter kommutiert wird. Der so betriebene Stromkreis kann weitgehend die Aufgabe der Erregung des-gesamten Generators übernehmen, wobei seine Stromstärke bei festgelegter Gleichrichteraussteuerung von der Feldwicklung des Generators gesteuert wird.
Für die Haupterregung des Generators wird somit die Verstärkerwicklung der Maschine ausgenutzt, d. h. die Leistung hiefür wird durch den Antrieb und die im Steuerfeld bewegte Wicklung geliefert.
Liegt beispielsweise die Feldwicklung des Generators fest und rotieren die Wechselstromwicklungen, so kann durch die Kommutierung des Stromrichters der beschriebenen Art eine räumlich im wesentlichen feste Lage des Hauptfeldes des Generators erreicht werden. In den dieses Feld schneidenden Wicklungen wird dann in bekannter Weise eine Wechsel-EMK hervorgerufen. Es kann dann entweder Phase für Phase einzeln oder verkettet Wechselstrom entnommen werden, oder die Wechselstromwicklungen können über einen Gleichrichter zur Speisung eines Gleichstromnutzkreises herangezogen werden.
In diesem letzteren Fall wird gemäss einer Weiterbildung der Erfindung bei Belastung die Ankerrückwirkung auf das Feld durch eine zusätzliche Steuerwicklung ausgeglichen, die ähnlich wie die eingangs erwähnte Feldsteuerwicklung auf das Hauptfeld wirkt, das durch den auf nahezu"Null"heruntergeregelten Stromrichterkreis gespeist wird.
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tiert, so ergibt sich eine besonders vorteilhafte Konstruktion. Im ruhenden Statoreisen ist dann, ebenfalls ruhend, die für das Hauptfeld erforderliche Wicklung untergebracht, die über den gleichfalls ruhend angeordneten gesteuerten Stromrichter geschlossen ist. Ruhend sind ebenfalls die Wechselstromwicklungen angeordnet, die ganz oder teilweise mit den den Stromrichter speisenden Wicklungen identisch sein können.
Der Rotor besteht dann im wesentlichen aus einem Eisenkern, durch den der Hauptfluss seinen Rückschluss findet. Er trägt jedoch nicht die Wicklung für den Hauptfluss, sondern nur die verhältnismässig kleine Steuerwicklungund siehthiefür dengeringen erforderlichenEisenweg vor, der senkrecht zu dem des Hauptflusses steht. Auf dem gleichen Steuerkern kann auch die Steuerwicklung zur Kompensation angeordnet sein.
DieSpeisung dieser und eventueller weitererSteuerwicklungen des Rotors kann über Schleifringe vorgenommen werden diese Schleifringe können aber völlig in Wegfall kommen, wenn man, gemäss einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens, eine kleine Wechselstromerregermaschine mit dem Rotoi verbunden anordnet, die über mitrotierende Gleichrichter und ohne Schleifringe die nunmehr zusammengefasste Steuerwicklung auf dem Rotor der Hauptmaschine speist. Die ruhende Erregerwicklung dieser kleinen Hilfserregermaschine übernimmt dann beispielsweise die Funktionen der vorher erwähnten Steuerwicklung und Kompensationswicklung.
Für die Ausführung der Erfindung ist Aufbau, Art, Polzahl und Frequenz des Generators nicht entscheidend ; beispielsweise ist sie sinngemäss auch bei Maschinen der Klauenpoltype anwendbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. I-3 der Zeichnung schematisch dargestellt. Dabei zeigt Fig. l eineAnordnung mit einem feststehenden Erregerteil und einem rotierendenwechselstromteil.
Bei Fig. 2 ist der Erregerteil rotierend, während die Wechselstromwicklungen im Stator ruhend angeordnet sind. Die Fig. 3 schliesslich zeigt eine Ausführung, bei der die Wechselstromwicklungen für den Nutzkreis
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er besteht aus einer in Stern geschalteten Drehstromwicklung mit den Phasen R, S, T. An den Phasenenden sind die Anoden eines Stromrichters 3 angeschlossen. Es handelt sich in dem Ausführungsbeispiel um einen dreiphasigen Quecksilberdampfgleichrichter mit Gittersteuerung. S eine Kathode ist über eine Gleichstromdrossel 4 mit demSternpunktderGeneratorwicklungen verbunden. In der praktischen Ausführung wird man eine möglichst grosse Phasenzahl vorsehen.
Die Gittersteuerung für den Stromrichter ist aus dem Wechselstromnetz abgeleitet und wird beispielsweise mit Hilfe eines Drehreglers 5 so einreguliert, dass im Gleichstromkreis trotz der Herabregelung auf eine sehr kleine Spannung noch kein lückender Strom auftritt.
Die Enden der Phasenwicklungen R, S, T sind ferner über einen Gleichrichter 9 und eine Drossel 6 mit dem Verbraucher 7 und über einen Shunt 8 mit dem Sternpunkt verbunden. An den Shunt 8 ist eine zweite
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Hauptwicklungen auch auf der Wechselstromseite belastet werden.
In der Fig. 2 ist die Konstruktion und Wirkungsweise des Generators gemäss der Erfindung für den Fall dargestellt, dass das Feld rotiert und die Wechselstromwicklungen im Stator ruhend angeordnet sind. Der Rotor 20 trägt die kleine Steuerwicklung 21 für das Feld, die auf verhältnismässig kleinen Polen angeordnet ist. Diese Steuerwicklung ruft in der Wicklung 22, die eine Phase des auf'Null" regulierten Gleichrichters darstellt, entsprechend dem geringen Widerstand dieses Kreises einen grosse. i Strom hervor, der das Hauptfeld der Maschine (Pfeil 23) zur Folge hat, das sich über den wicklungslosen Teil des Rotors schliesst. Dieses Hauptfeld ruft infolge der Rotation in der Phase 24 der im Stator angeordneten Wechselstromwicklung die EMK hervor, die im gezeichneten Augenblick gerade ihr Maximum hat.
Für die Speisung der Steuerwicklung sind in Fig. 2 Schleifringe 25 eingezeichnet, über die Steuer- und Regelbefehle zugeführt werden. Es kann aber auch eine Hilfserregermaschine mi'kleinem mitrotierendem Gleichrichter vorgesehen sein, die die Schleifringe überflüssig macht und deren Erregerwicklung die Steuerbefehle zur Regelung und Kompensation ruhend zugeführt werden können.
Die Fig. 3 schliesslich zeigt eine Ausbildung des Generators gemäss der Erfindung, bei der die Wechselstromwicklungen für denNutzkreis und für den Hauptfeldkreis mit seinem Stromrichter elektrisch nicht verbunden sind. Die Anordnung besteht wieder aus dem Erregerteil l, der als rotierend angenommen ist.
Der Wechselstromteil besteht aus zwei elektrisch getrennten, je für. sich in Stern geschalteten Drehstromwicklungen 2', 2"mitdenPhasen R', S', T* bzw. R", S", T". Teil 2'ist wiebei Fig. l über einen Gleichrichter 9, eine Drossel 6 mit dem Verbraucher 7 und über einen Shunt 8 mit dem Sternpunkt verbunden. Teil 2" dagegen ist an eine sechsphasige Gleichrichterschaltung angeschlossen. Obwohl auch in diesem Ausführungsbeispiel die dreiphasige Wicklungsanordnung noch beibehalten ist, ist im Stromrichterkreis eine Schaltung gewählt, die sechsphasig arbeitet, somit eine stetigere Wirkung ausübt und eine geringere Induktivität als Drossel im Gleichstromkreis benötigt.
Je mehrphasiger der Kurzschlusskreis entsprechend der Erfindung ausgebildet wird, umso gleichmässiger ist das erzeugte Hauptfeld und umso rascher kann es, entsprechend der verringerten Drossel im Gleichstromkreis, den Steuerbefehlen folgen.
Nachstehend werden Wege angegeben, wie bei ohmscher Belastung der Wechselstromamplidyne die Ankerrückwirkung in ihrem Einfluss auf das Funktionieren der Maschine kompensiert wird.
Zu diesem Zweck wird der beispielsweise in einer Wechselstromphase fliessende Strom zweckmässig unter Zwischenschaltung eines Stromwandlers gleichgerichtet, an dessen sekundärer, vorzugsweise ohmscher Bürde die Kompensationswicklung der Amplidyne angeschlossen ist, die dieselbe Lage hat wie die Steuerwicklung in der Amplidyne. In der Zeichnung Fig. 4-6 sind schematisch einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Die Fig. 4 zeigt den Erregerteil 200, der feststehend oder rotierend sein kann und aus der eigentlichen Feldwicklung 201 und der gleichachsig angeordneten Kompensationswicklung 202 besteht. Der rotierende bzw. feststehende Wechselstromteil 203 enthält eine in Stern geschaltete Drehstromwicklung mit den Phasen R, S, T. Die übrige Schaltung des Wechselstromteils ist nicht dargestellt, aber die gleiche wie in den früheren Ausführungsbeispielen. In der Phase R liegt ein Stromwandler 204, dessen Sekundärkreis Gleichrichter 205 und eine Bürde 206 enthält, an die die Kompensationswicklung 202 angeschlossen ist.
In einer Abwandlung dieser Ausführungsform können auch alle Phasen des Wechselstromgenerators zur Kompensation der Ankerrückwirkung ihrer ohmschen Belastung herangezogen werden. Das kann beispielsweise durch Verdreifachung der in Fig. 4 dargestellten Anordnung erfolgen, wobei auch drei Kompensationswicklungen in der Amplidyne vorgesehen werden können.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform ist in Fig. 5 schematisch und vereinfacht dargestellt. In
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