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Einrichtung zur Unterdrückung der Oberwellen bei synchronen oder asynchronen Wechselstrommaschinen.
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denkliche Steigerungen der Spannung in don Stromverbrauchsvorrichtungen und Leitungen hervorrufen, wenn diese mit Kapazität behaftet sind, indem einzelne dieser Oberwellen nacheinander Resonanzoffekte bewirken, wenn die Belastung der Maschine sich ändert.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist der, zu verhüten, dass diese Resonanz der Oberwellen bedenklich wird, wenn sie sich einmal einstellt.
Es sei zur Fixierung der Ideen im folgenden angenommen, dass die Ankerleitungen
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der Unterdrückung der Oberwellen genügt es, auf dem Rotor der Wechselstrommaschine oder der Induktionsmaschinen in sich geschlossene Leitungen von hohem Widerstand an- /nbrngoll.
Es durchfliesse ein Mehrphasenstrom von der Frequenz x die Ankorloitungen einer Wechselstrommaschine oder einer Induktionsmaschine mit zwei Polen und die Wechsel- strommaschine drehe sich mit der Tourenzahl α und die Induktionsmaschine mit einer l'ourenzahl, welche von αsehr wenig verschieden ist, wie dies in der Praxis meist der Fail ist.
Die Ströme von der Frequenz n x, die der Phase nach regelmässig gegeneinander versetzt sind, obenso wie die dieselben Leitungen durchSiossenden Mehrphasenströme, er- /eugen ein Drohfeld, das sich mit der Tourenzahl (t- x oder mit einer Tourenzahl, welche sehr wenig verschieden ist von diesem Wort gegenüber den in sich geschlossenen Leitungen von hohem Widerstand auf dem Rotor, dreht. Es ist nun zu untersuchen, was geschieht, wenn diese Wechselströme von der Frequenz n αder Phase nach nicht gleichmassig gegenemander versetzt sind.
Bekanntlich kann, wenn ein Wechselstrom von der Frequenz n αin eine der Ankerleitungen einer zweipoligen Wechselstrommaschine oder Induktionsmaschine geleitet wird, das dann gebildete Feld als die Übereinanderlagerung zweier Drehfelder von konstanter Stärke angesehen werden, die sich beide mit der Ge- schwindigkeit n αaber in entgegengesetzten Richtungen drehen.
Sendet man nun in alle Aukerleitungen der betrachteten Maschine Wechselströme von der Frequenz n α, wobei die Phasenunterschiede dieser Ströme beliebig sind, so kann das resultierende Feld als die Cboreinanderiagorung von Drehfeldern von konstanter Stärke
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wenig davon verschiedenen Tourenzahl. Dieses Drehfeld erzeugt daher in diesen Leitungen keine merkliche Wärmeontwicklung und die Gegenwart dieser Leitungen behindert in keiner Weise die induktive Einwirkung auf die Ankerleitungen durch Ströme von der Frequenz z.
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Mehrphasentransformator darstellt, dessen Primärleitungen durch die Ankoricitongon gebildet worden,
und dessen Sekundärleitungen auf dem Rotor angeordnet und in sich geschlossen sind, aber einen hohen Widerstand aufweiten. Die durch die Ströme von der Frequenz n ot erzeugten Felder bewegen sich mit einer mindestens -J) x betragenden Geschwindigkeit gegenüber den in sich geschlossenen Leitungen am Rotor, dadurch werden in letzteren Ströme induziert und Wärme entwickelt und diese induzierten Ströme erzeugen ihrerseits Drehfelder, die sich mit der Geschwindigkeit n a gegenüber den Statorleitungen drehen und dort eine elektromotorische Kraft induzieren, welche den Strömen von der Frequenz n at entgegenwirkt.
Man kann zwei extreme Fälle in Betracht ziehen :
Die Frequenz (t-J) oc ist so kloin, dass die Selbstinduktion der in sich geschlossenen Leitungen des Rotors gegenüber ihrem ohmischen Widerstand vernachlässigt werden kann.
In diesem Falle ist die in diesen Leitungen entwickelte Energiemenge verkehrt proportional ihrem ohmischen Widerstand und proportional dem Quadrat der Kraftlinionzahl, die durch
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gedruckt werden zu können.
Handelt es sich um Einpbasenstrommaschinen, so ruft der Durchgang eines Stromes von der Frequenz α in ihrem Anker zwei sich mit der Tourenzahl x drehende Drehfelder
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in den in sich geschlossenen Leitungen notwendige Induktion hervorruft, aber man kann diesen Leitungen stets einen hinreichend grossen Widerstand geben, damit die in ihnen entwickelte Wa.
rmemenge klein bleibt. Ordnet man die Ankerbewicklungen derart an, dass die Cher-
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Ordnung sind, was bei einer Einphasenmaschino, wo am Umfang des Ankers nur je eine Leitung per l'ol zu verlegen ist, und wo man nach Belieben die Windungen entlang des Zwischenraumes zwischen Anker und Feldmagneten verteilen kann, keinen Schwierigkeiten unterliegt und nimmt man an, dass für Ströme von der Frequenz 12 x die Selbstinduktion der in sich geschlossenen Leitungen des Rotors gegenüber ihrem ohmischen Widerstand
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Das andere Feld dreht sich entgegengesetzter Richtung mit der Geschwindigkeit 10 a, also fünfmal so schnell gegenüber den in sich geschlossenen Leitungen, wie das vom einen Strom der Frequenz αerzeugte und sich mit der Geschwindigkeit 2x drohende Feld und entwickelt daher 25mal so viel Wärme wie dieses. Es wird also der Durchgang eines Stromes von der Frequenz 11 α durch die Ankerleitungen eine Wärmeentwicklung im Rotor hervorrufen, welche 36 + 25 == 61mal so gross ist, wie die durch den Durchgang eines
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Die wosentlieho Bedingung zur Erzielung dos angestrebten Zweckes ist die, dass die durch die Oberwellen erzeugten Drehfelder die in sich geschlossenen Leitungen von hohem Widerstand durchsetzen, ohne eine andere unmittelbar in sich geschlossene Leitung von geringem Widerstand auf dem Rotor zu durchschneiden. Diese Leitungen von geringem Widerstand dienen als Dämpfungsschirm und verhindern die Entstehung sich rasch drehender Felder, denn die in ihnen hervorgerufenen Ströme wurden Kraftlinien erzeugen, welche jenen Kraftlinien entgegengesetzt sind, die diese Ströme hervorgerufen haben.
Handelt es sich um eine Wechselstrommaschine, so kann man die in sich geschlossenen Leitungen von hohem Widerstand längs dos Zwischenraumes zwischen Anker und Feldmagneten rn der unmittelbaren Nähe des Ankers anordnen, derart, dass sie fast die gesamten, durch den letzteren erzeugten Drehfelder aufnehmen, wie in Fig. 1 gezeigt ist, was die auf denselben Polen befindlichen Feldspulen nicht zu tun vermögen. Andererseits wird die durch die Voreinigung dieser Spulen gebildete Leitung durch eine Errogormaschine geschlossen, deren Selbstinduktion die Entwicklung von Wechselströmen in dieser Lage verhütet. Diese Leitung kann sich dann gegenüber Kraftlinien, welche diese Wechselströme von hoher Periodenzahl zu erzeugen suchen, nicht als Dämpfungsschirni verhalten.
Damit eine Leitung als Dämpfungsschirm wirken könne, muss der in ihr fliessende Strom Kraftlinien erzeugen können, welche den diesen Strom hervorrufenden entgegengesetzt sind. Jede Steigerung der Selbstinduktion einer Leitung, die nicht von einer korrespondierenden Steigerung des-Koeffizienten der wechselseitigen Induktion mit einer anderen Leitung begleitet ist, kann daher nur eine Verringerung der Intensität der in der ersten Leitung induzierten Ströme hervorrufen und wird daher nur eine Verringerung der Zahl der von dieser ersten Leitung hervorgerufenen Gegenkraftlinien zur Folge haben.
Von diesem Standpunkt aus wäre es von Vorteil, eine Selbstindnktionsspulo in die Feldspulenleitung einzuschalten, da hiedurch der Durchgang dos zur Erregung dienenden Gleich- btromes nicht behindert wird, dies wird jedoch im allgemeinen nicht empfehlenswert sein.
Handelt es sich um eine Induktionsmaschino, 80 ist eine Diunpfungsleitung von hohem
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aufnehmen, die von den Primärleitungen erzeugt werden und sind demnach der Dämpfungsleitung übergelagert. Diese Leitungen würden sich daher notwendig wie ein magnetischer Schirm gegenüber den von den Oberwellen herrührenden Feldern verhalten, wofern sie nicht statt in sich selbst geschlossen zu sein, durch Spulen geschlossen sind, deren Selbstinduktionskoeffizient hinreichend klein ist, damit sie Ströme von der Schlüpfnngsfrequenz hindurchlassen, d.
h Ströme von höchstens der Frequenz x, dagegen hinreichend gross ist, um den Durchgang von Strömen von einer höheren Frequenz als 1% eine grosse Impedanz entgegen zu setzen. Die Gegenwart dieser Selbstinduktionsspulen bietet allerdings einige Nachteile bei gewöhnlichen Induktionsmotoren, weil sie ihre Leistung und ihr Maximal- drehmoment bei einer gegebenen Spannung verringert.
Sind aber die Ankerleitungen dieser Motoren durch Kapazitäten geschlossen oder sind sie, was auf dasselbe hinauskommt, wie weiter unten erörtert werden soll, mit einem Anker mit Stromsammler ausgestattet, wie die Motoren von Görges, Heylautl oder Latour, oder sind sie mit Erregermaschinon aus-
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Westinghouse eingerichtet sind, so verschwindet der angegebene Mangel.
Es ist unmöglich auf denselben Magnetkernen Dämpfungsleitungen (Amortisoure nach Hutin-Leblane) und Unterdrückungsleitungen nach der vorliegenden Erfindung anzubringen.
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linicnänderungen bocintlusst werden, deren Frequenz gegenüber der normalen Freqnenx x der die Anker der Maschinen dnrchniessenden Ströme nur klein ist. Die zur Aufhebung der Oberwellen jedoch dienenden Leitungen haben im Gegenteil dann viel Energie aufzunehmen, wenn sie von Kraftlinienänderungen beeinflusst werden, die gegenüber dieser Frequenz x eine grosse Frequenz besitzen, d. i. von Kraftlinien, die durch die Oberwellen erzeugt werden, deren Frequenz ein Vielfaches von α ist. Die Dämpfungsleitungen müssen sehr
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Der Nutzen der Dämpfungsleitungen bei parallel zu schaltenden Wechselstrommaschinen ist den Patentauchern sehr wohl bekannt.
Diese einander scheinbar widersprechenden Bedingungen können miteinander in Einklang gebracht werden, wenn man die Dämpfungsleitungen an einzelnen Polpaaren und die Leitungen zur Unterdrückung der Oberwellen an anderen Polpaaren anbringt. Alle in sich geschlossenen Leitungen von hohem Widerstand, die an den Feldmagnetpolen einer Wechselstrommaschine angebracht oder über die Ankeleitungen von Induktionsmaschinen gelegt sind, können zur Unterdrückung der Oberwellen dienen, vorausgesetzt, dass ein ausreichender Teil der Kraftlinien, die vom Durchgänge der Oberwellen durch die Ankerleitungen herrühren, sie durchschneidet, ohne dass er von anderen Schirmen oder Dämpfung bildenden Leitungen aufgehalten worden wäre. Um zu verhüten, dass eine Leitung als Schirm oder dämpfend wirkt,
braucht man in dieselbe bloss eine Selbstinduktion8spule einzuschalten.
Im nachfolgenden sollen die Einrichtungen beschrieben weiden, welche man zweckmässig diesen Leitungen gibt ; es versteht sich aber von selbst, dass diese Anordnungen nur beispielsweise gewählt sind und dass die Leitungen zur Unterdrückung der Oberwellen in mancherlei anderer Weise angewendet werden könnten, wofern nur die vorstehend angegebenen Bedingungen eingehalten werden.
Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht eine Wochselstrommaschine, bei welcher man die Feldmagnete nicht mit Dämpfungsleitungen auszustatten wünscht. Der in dieser Figur dargestellte Feldmagnet ist aus Eisenblechen aufgebaut, so dass keine Foucault-Strömc darin entstehen können. An den Enden der Polschuhe in der nächsten Nähe des Luftzwischenraumes sind in Nuten Metallstäbe von sehr hohem Widerstand angeordnet, deren Enden an den beiden Seiten des Feldmagneten leitend miteinander verbunden sind. Die Foldmagnetspulon sind im Gegensatz zu den zur Aufhebung der Oberwellen dienenden Leitungen durch eine äussere Leitung mit hoher Selbstinduktion zu schliessen.
Fig. 2 zeigt den Feldmagneten einer Wochselstrommaschine, die mit Dämpfungsleitungen und gleichzeitig mit Leitungen zur Aufhebung der Oberwellen ausgestattet ist. Die Dämpfungsleitungen sind an den Polschuhen 1, 2, 5 und 6'angebracht und die Leitungen zur Unterdrückung der Oberwellen an den Polschuhen 3,4, 7 und 8. Diese Leitungen sind in gleicher Weise angeordnet, nur bestehen die Dämpfungsleitungen aus sehr gut leitenden Stäben, während die Leitungen zur Unterdrückung der Oberwellen aus Stäben von sehr hohem Widerstand bestehen.
Fig. 3 zeigt im Schnitt einen Rotor, welcher die induzierte Leitung einer Induktionsmaschine trägt. Diese Leitungen endigen in drei Ringen, welche sie entweder durch Selbstinduktionsspulen oder noch besser durch Leitungen einer Erregermaschine hekannter Art zu schliessen gestatten, welche durch Erzeugung entsprechender elektromotorischer Kräfte ihre scheinbare Selbstinduktion für Ströme von der Schlüpfungsfrequenz zu verringern, sie dagegen für Ströme bedeutend zu erhöhen gestattet, deren Frequenz höher ist, als die normale Frequenz der den Anker durchfliessenden Ströme.
Die zur Unterdrückung der Oberwellen dienenden Leitungen dagegen worden von einem System von Stäben von sehr hohem Widerstand, beispielsweise aus Neusilber, gebildet, das am Boden jeder Nut gelagert ist, wie Fig. 3 zeigt, wobei die Enden der Stäbe untereinander durch zwei Ringe verbunden sind, die beiderseits am Rotor angebracht sind, weicher diese Vorrichtung aufnimmt. Die übrigen induzierten Leitungen sind in den Nuten über den Stäben angebracht, und zwar in gewöhnlicher Weise.
Man könnte die Bewicklungen auch an dem Boden der Nuten und die Untcrdrückungsleitungen in der nächsten Nähe des Luftzwischenraumes unterbringen. Diese Anordnung
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Gründen minder vorteilhaft.
Diese gewöhnlichen induzierten Leitungen können durch Selbstinduktionsspulen ge-
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liegenden Leitungen sicb 80 vorbalten, als ob sie Selbstinduktion besassen. Wenn der Rotor sich rasch dreht, als das Feld, so verhalten sich die zwischen den Bürsten liegenden Leitungen wie Kondensatoren. Die den Anker durchfliessenden Notzströme haben die schr geringe Schlüpfnngsfrequenz. Jene Ströme dagegen, welche durch Induktion seitens der Oberwellen hervorgerufen worden, haben im Gegenteil eine sehr hohe Frequenz.
Unter diesen Bedingungen ist es leicht, die Geschwindigkeit des Rotors derart zu bemessen, dass seine Leitungen sich ebenso verhalten, wie Kondensatoren für Nutzströme und wie Selbstinduktionsspulen für die von den Oberwellen herrührenden Ströme. Es ist sonach die gestellte Aufgabe vollkommen gelöst.
Görges, Heyland, Latour u. a. haben Induktionsmaschinen gebaut, deren Rotor aus dem Rotor einer Gleichstrommaschine mit Kommutator besteht, wie ein solcher in Fig. 6, 7 und 8 dargestellt ist. Derselbe wird in diesen Figuren als zweipolig angenommen.
Die Statorleitungen sind bei I, II, III und der Rotor bei R angenommen. Auf dem Kommutator schleifen drei um je 1200 versetzte Bürsten, die mit den Wic) : ! ungen des Stators in einer der durch Fig. 6 oder 7 dargestellten Weisen verbunden sind oder in sich oder über ausserhalb der Maschine liegende Leitungen geschlossen sind, wie Fig. 8 zeigt.
Auf derartige Maschinen kann gleichfalls die vorliegende Einrichtung zur Unterdrückung der Oberwellen angewendet werden.
Man braucht hiezu nur die Gleichstromwicklung des Rotors über einen Kern zu wickeln, der bereits mit Untordrückungsleitungen von hohem Widerstand ausgestattet ist,
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Bei der in Fig. 6 dargestellten Anordnung ist die Selbstinduktion der induzierenden Leitungen, die in Reihenschaltung mit den zwischen den Bürsten eingeschalteten Leitungen verbunden sind, wie vorstehend dargelegt, vollkommen ausreichend, um zu verhüten, dass diese letzteren als Schirm oder Dämpfung für die Kraftlinien wirken, welche den Rotor vermöge des Durchganges von Oberwellen durch die Leitungen des Stators durchsetzen. Bei den Schaltungen nach Fig. 7 und 8 sind die zwischen den Bürsten befindlichen Leitungen entweder durch das Netz geschlossen, wie Fig. 7 zeigt, oder in sich geschlossen, wie Fig. 8 zeigt.
In den beiden Fällen kann die Selbstinduktion der äusseren Leitungen, durch welche sie geschlossen sind, vernachlässigt werden ; sie verhalten sich demnach wie magnetische Dämpfungsschirme gegenüber jenen Kraftlinien, weiche durch die den Stator durchströmenden Oberwellen hervorgerufen werden.
Dem kann man entgegenwirken, indem man Selbstinduktionsspulen 1, 2, 3 in die zu den Bürsten führenden Leitungen einschaltet, wie Fig. 7 zeigt, oder die Bürsten durch Selbstinduktionsspulen 1, 2, 3 miteinander verbindet, wie Fig. 8 zeigt.
So oft man mit Induktionsmaschinen zu tun hat, sind die Bewicklungen ihres Stators und Rotors im allgemeinen sehr nahe beieinander gelegen und die induzierten Leitungen umschliessen fast die gesamten Kraftlinien, welche von den induzierenden Leitungen erzeugt werden. Wenn unter diesen Bedingungen diese induzierten Leitungen durch äussere Leitungen von hohem Widerstand geschlossen werden, so können sie selbst gute Unterdrückungsleitungen bilden.
Aus diesem Grund kann man bei Induktionsmaschinen, statt die Unterdrückungsleitungen von sehr hohem Widerstand in der unmittelbaren Nähe der induzierten Leitungen anzubringen, sich damit begnügen, Widerstände (die induktionsfrei sind) im Nebenschluss mit den Klemmen der verschiedenen Rotorspulen oder Leitungen zu verbinden, welche mit Selbstinduktion behaftet sind, wobei selbe verhüten, dass die induzierten Leitungen als Schirm oder Dämpfung für die Kraftlinien dienen, welche durch den Durchgang der Oberwellen durch die induzierenden Leitungen entstehen.
Bezeichnet man mit 1, 1,,. : l drei induktionsfreie, untereinander gleiche Widerstände, so gelangt man auf diese Weise dahin, sie parallel zu den Selbstinduktionsspulen 1, 2, 3 (Fig. 4,7 und 8) zu schalten, oder sie in Parallelschaltung an die Bürsten a, b, c (Fig. 5 und 6) anzuschliessen. Selbstverständlich dürfen diese Widerstände nicht mit den ver- änderlichen Anlasswiderständen verquickt werden, mit denen man Induktionsmaschinen ge- wöhnlich ausstattet. Sie werden stets mit Selbstinduktionsspulen vereint sein, welchen sie beigegeben sein müssen. Man kann übrigens die veränderlichen Antasswiderstände den
Leitungen vorschalten, welche durch Parallelschaltung der gegenwärtigen Selbstinduktions- spulen und Widerstände entstehen.
Immerhin können die Leitungsdrähte sich trennen ; es
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