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Einrichtung zur Erzeugung eines synchronen Wechselstromes begrenzter Stärke.
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Nr. 38959 beschrieben worden ist. Vor allem soll angegeben werden, in welcher Weise der ursprüngliche Erfindungsgedanke auf einphasige Anordnungen angewendet werden kann und welche neuen Ausführungsformen sich hierbei ergeben.
Eine strenge Übertragung der Mehrphasenschaltung auf Einphasenstrom würde in Fig. 1 dargestellt sein, bei welcher beispielsweise die konstanten Amperewindungen wie in Fig. 2 des Stammpatentes durch Gleichstrom erzeugt werden. Es bedeutet wieder s den Ständer der Hauptmaschine, e die Erregerwicklung, k die mit Gleichstrom gespeiste Wicklung des Läufers. Der Einfachheit halber ist der Erregertransformator in Fig. 1 fortgelassen und die Erregerwicklung durch Bürsten : unmittelbar an die Ständerwicklung s angeschlossen gezeichnet. Ebenso sind sämtliche Regulierwiderstände hier wie in den folgfüden Figuren für Einphasenstrom. soweit sie nicht für die Arbeitsweise geradezu erforderlich sind, weggelassen.
Eine solche Maschine nach Fig. 1 kann nun natürlich nicht selbsterregend sein, da sich die Ständerwicklung s zur Erreger- läuferwicklung'c in dieser Schaltung genau so verhält, wie wenn die Maschine in Ruhe wäre, wie wenn sich also die beiden Wicklungen auf einem ruhenden Transformator befänden.
Bei den im Stammpatent beschriebenen Anordnungen werden die von der Spannung abhängigen Amperewindungen im Läufer durch einen mehrphasigen Strom hervorgebracht,
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Bezüglich der in Fig. 2 gezeigten Anordnung muss jedoch noch folgendes berücksichtigt werden. Denkt, man sich nämlich vorerst die Gleichstromläuferwicklung k stromlos und durch irgend ein Mittel in die Erregerbürsten 3 einen synchronen Wechselstrom eingeleitet, so wird die an diesen Bürsten bestehende Spannung nahezu in Phase mit dem Strom sein. Hingegen ist die Ständerspannung, welche durch das von demselben Strome erzeugte Läuferfeld hervorgebracht wird, um 9 () O gegen den Strom verschoben. Die Ständerspannung kann also nicht an
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eine Drosselspule oder ein Kondensator o in die Erregerleitung eingefügt werden. Die Bürsten werden im allgemeinen auch aus der gezeichneten Stellung mehr oder weniger herausgerückt werden müssen.
Es ist weiter zu beachten, dass im Läufer doch ein geringes Wechselfeld vorhanden bleibt, das durch den ohmi8chen Abfall in der Erregerwicklung e und bei Belastung der Maschine durch die Streuung zwischen den beiden Liuferwicklungen ermöglicht wird. In der Läuferwicklung k wird also eine geringe Wechselspannung auftreten, die ungefähr von der Grössenordnung der Gleichstromspannung ist und einen übergelagerten Wechselstrom in der Gleichstromleitung erzeugen wird. Um diesen Wechselstrom zu verhindern, kann eine Drosselspule n in die Gleichstromleitung eingeschaltet werden.
Die Drosselspule (oder der Kondensator) o in der Erregerleitung liesse sich ersparen, wenn 'man die Kurzschlussbürsten a : ungefähr in die Achse der Ständerwicklung stellt, wie es in Fig. 3 angegeben ist. Die Erregung findet dann gewissermassen durch die x-Bürsten statt und die Ständer- spannung ist mit der anzulegenden Läuferspannung in Phase. Der Kurzschluss über die x-Bürsten hat aber gleichzeitig die Eigenschaft, die Ständeramperewindungen teilweise aufzuheben. Die
Anordnung gleicht dann, abgesehen von der Gleichstromwicklung k, einer selbsterregenden und kompoundierenden Maschine, wodurch sie für den Zweck der Erfindung etwas unstabil wird.
Es ist daher günstig, die Bürsten x aus der Achse der Ständerwicklung herauszudrehen, um die Komponndierungswirkung abzuschwächen.
Dann ist aber wieder zur Herstellung einer voll- kommenen Selbsterregung eine Induktionsspule o oder dergleichen in der Erregerleitung erforderlich, wenn auch von kleineren Abmessungen wie in Fig. 2.
Es mag noch erwähnt werden, dass man bei praktischen Ausführungen, wenn es sich um die Ableitung eines. von der Ständerspannung abhängigen Stromes handelt, manchmal die Ableitung nicht gerade an den Enden der Ständerwicklung vornimmt, sondern nur an einem
Teile der Windungen derselben. Da nun im allgemeinen bei den üblichen Ständerwicklunge'i die einzelnen W indungen nicht koaxial mit der Gesamtwicklung angeordnet sind, wird die Spannung einer Gruppe von Windungen wohl zur Gesamtspannung proportional, aber nicht in Phase mit ihr sein. Eine phasenverschiebende Induktionsspule o (oder dergl. ) würde dann also ebenfalls in der
Erregerleitung überflüssig werden, ebenso, wenn die Wicklung e an besondere Windungen des Ständers gelegt wird.
Anstatt die Läuferwicklung k mit Gleichstrom zu speisen, kann dies ähnlich wie bei der
Drehstromanordnung auch mit Drehstrom oder Wechselstrom geschehen, der von einer zwang- läufig gekuppelten Erregermaschine geliefert wird. Eine gleichwertige Abänderung der Schaltung nach Fig. 3 mit nur einer Läuferwicklung ist in Fig. 4 gezeichnet, wo die konstanten Ampere- windungen durch die einphasige Erregermaschine d hervorgerufen werden. Letztere ist mit der
Läuferwicklung l und mit der Ständerwicklung (bezw. dem nicht gezeichneten Erregertrans- formator) in Reihe geschaltet. Bei dieser Anordnung besitzt die Erregermaschine schon eine genügende Selbstinduktion, so dass eine weitere Induktionsspule überflüssig wird, Die Bürsten werden also ungefähr in die angegebene Lage gebracht werden müssen.
Es lässt sich beweisen, dass sich mit einer solchen Anordnung ein vollkommen unveränderlicher oder ein in gewissen, leicht zu bestimmenden Grenzen veränderlicher Strom bei beliebigen Verhältnissen im Netz erzielen lässt, genau so wie bei Drehstrom.
Um ine in der Wirkungsweise den Mehrphasenanordnungen ähnliche Anordnung zu erzielen, kann man nun gemäss der Erfindung noch eine andere Ausbildung für Einphasenstrom treffen.
Man kann nämlich auf dem Läufer statt Kurzschlussbürsten eine Kurzschlusswicklung bringen. Dieplbe überführt bei Synchronismus die Wechselfelder in Drehfelder, so dass sich wieder ähnliche Verhältnisse wie bei Mehrphasenerregung ergeben.
Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt, bei welchem die konstanten Ampere- windungen durch Gleichstrom in der Wicklung k erzeugt werden. Die Kurzschlusswicklung ist mit i bezeichnet. Die an die Erregerbürsten z anzulegende Spannung ist nahezu in Phase mit dem Erregerstrome. Wie sich leicht finden lässt, muss die Achse der Bürsten z ebenfalls nahezu senkrecht zur Ständerachse stehen, wenn Selbsterregung stattfinden soll. Diese Anordnung entspricht also jener in Fig. 3 ; dagegen würde eine mit Fig. 4 gleichwertige Anordnung mit einer zwangläut1gge kuppelten Einphasen-Erregermaschine in Fig. 6 dargestellt sein. Hier sind die Wicklungen e und k ebenfalls in eine einzige l vereinigt.
An Stelle der Hintereinanderschaltung von Erregermaschine d, gemeinsamer Läufer- wirklun und Erregertransformator (hier Ständerwicklung) kann auch wie bei Drehstrom eine Parallelschaltung unter den dort angegebenen Vorsichtsmassregeln stattfinden. Als Beispiel ist eine solche in Fig. 7 angegeben, wo die Erregermaschine sechsphasig mit den Bürsten y an die
Läuferwicklung I angeschlossen ist, dagegen der Erregerstrom über einen Widerstand w zu zwei gemeinsamen Bürsten 2 :-y geführt wird. Es könnten auch besondere Erregerbürsten angewendet und, wie z. B. in Fig. 8. die Erregermaschine einphasig mit einem zu den z-Bürsten senkrechten
Bürstenpaar y angeschlossen werden.
Der Widerstand M'ist dann auch nicht unbedingt erforderlich.
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stehende kurzgeschlossene Bürstenpaare (oder mehrere solcher) ersetzt werden. Ferner lassen sich gleichzeitig Kurzsehlussbürsten und eine Kurzachlusswickhmg anwenden, so dass beispielsweise eine Vereinigung der Schaltungen nach Fig. 3 und 5 oder nach Fig. 4 und 6 sich ergibt.
Bekanntlich hat die Kurzschlnsswicklung auch die Eigenschaft, die Kommutierung wesentlich zu verbessern. Dies ist ein Grund, dieselbe auch bei Drehstromsan uwenden. Die Bemessung der
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und der übrigen Teile erreichen lässt.
Die Wechselstrom-Erregermaschine für einphasige Anordnungen, wie z. B. in Fig. 4,6, 7 und 8, wird man zweckmässig ebenfalls mit einer Dämpfer-oder Kurzschlusswicklung auf den Induktor versehen und man kann auch in die Gleichstrom-Erregerleitung dieser Erregermaschine eine Drosselspule legen aus ähnlichen Gründen wie in Fig. 2.
Die Einrichtung zur Einstellung der Erregeramperewindungen für vollkommen konstanten Einphasenstrom kann in derselben Weise wie bei Drehstrom getroffen werden, mit Hilfe einer zwangläufig synchronen Hilfswechselstrommaschine. Soll vollkommen unveränderlicher Strom erreicht werden, so müssen, wie dort, alle Teile so eingestellt werden, dass bei beliebiger zugeführter Maschinenspannung der Maschinenstrom Null ist. Die Erregermaschine soll jedoch hier bei der Einstellung der Bürsten im Gegensatz zu Drehstrom stets, auch bei getrennten Läuferwicklungen k und e, angeschlossen bleiben, damit die Rückwirkung der, wenn auch kleinen, Wechselfelder auf die Erregermaschine berücksichtigt werde.
Soll sich der Strom nur in gewissen Grenzen ändern, so war für Drehstrom eine Regel gegeben, nach welcher bei dem Versuch die Bürsten so eingestellt werden müssen, dass das Verhältnis,, Maschinenstrom zu Maschinenspannung"am kleinsten ist.
Nimmt man nun den Ständer als verlustlos an, so gibt diese Stellung bei dem Versuch einen Zustand, bei dem die Ständeramperewindungen in Phase sind mit den resultierenden Läuferamperewindungen (letztere bei Einphasenstrom natürlich bezogen auf die Achse der Ständerwicklung). Das bedeutet auch, dass ehe Phasenverschiebung zwischen Ständerstrom und-Spannung 900 beträgt und dieses Kennzeichen soll bei Einphasenstrom benutzt werden, um eine leicht berechenbare (begrenzte) Stromänderung zu erreichen.
Es muss hinzugefügt werden, dass die Einrichtung zur Einstellung der Erregerampere- windungen für Ein-und Mehrphasenstrom nicht auf die Anordnungen zur Erzeugung von Strom begrenzter Stärke beschränkt, sondern ganz allgemein auch für andere selbsterregende Maschinen mit Stromwender anwendbar ist.
Wie bereits im Stammpatent angeführt ist, kann man die hier beschriebenen Maschinen auch als Synchronmotoren verwenden. Man könnte z. B. einen solchen Motor (z. B. leerlaufend) mit einem, elektrische Energie verzehrenden, Apparat (z. B. für metallurgische Zwecke) in Reihe schalten. Dann würde man die in den Apparat von einem Netz aus zufliessende Stromstärke beliebig einstellen können und diese Stromstärke würde unbedingt aufrecht erhalten werden, wenn sich auch der Widerstand des Apparates beliebig verändert. Die Einstellung der Stromstärke erfolgt nur durch Regelung des Gleichstromes bei den Anordnungen nach Fig. 2,3 und 5 (auch Fig. 2 des Stammpatentes) oder durch alleinige Regelung der Erregung an der Erregermaschine z. B. bei den Anordnungen nach Fig. 4, 6, 7 und 8 (ebenso Fig. 3 und 4 des Stammpatentes).
Man hat also die Einstellung der Stromstärke des Apparates vollkommen in der Hand.
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Es wurden bisher (ebenso im Stammpatent) unter anderen einzelne Anordnungen angegeben, bei welchen die konstanten Amperewindungen und jene, welche durch Selbsterregung zu erzeugen sind, in zwei getrennten Läuferwicklungen bei gemeinsamem Ständer hervorgebracht werden.
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erzeugt werden, welche nun gemeinsam den gewünschten Strom zu liefern haben. Dadurch wird erreicht, dass man für einen Teil der Einrichtung, nämlich für die Hauptmaschine, unter Umständen einen gewöhnlichen Wechselstromgenerator verwenden kann.
In Fig. 9 ist eine solche Anordnung allgemein für Dreiphasenstrom dargestellt. Die konstanten Amperewindungen werden im Läufer k der Hauptmaschine erzeugt, zu welcher der Ständer S gehört ; die von der Spannung abhängigen Amperewindungen dagegen im Läufer e, welcher sich im Ständer s der Nebenmaschine befindet. Die beiden Ständer ; S und s sind zueinander parallel geschaltet, die Läufer k und e miteinander z. B. direkt gekuppelt. Die Läuferwicklung kder Hauptmaschine wird hier beispielsweise mit Gleichstrom über einen regelbaren Widerstand r und Schleifringe q gespeist. Die Hauptmaschine hat also eine von den gebräuchlichen Wechselstromgeneratoren nicht wesentlich abweichende Form, die man auch beliebig wählen darf.
Man könnte allenfalls den Induktor k ohne ausgeprägte Pole, also mit einer verteilten Wicklung ausführen, um eine möglichst genaue Arbeitsweise zu erzielen. Ferner kann natürlich auch die Wicklung k als Gleichstromankerwicklung ausgebildet werden, welcher mittels Stromwenders ein ein-oder mehrphasiger Wechselstrom von einer zwangläufig gekuppelten Erregermaschine zugeführt wird. Hierbei würde die Hauptmaschine für sich mit ihrer Erregermaschine wieder eine Synchronmaschine mit den gewöhnlichen Eigenschaften darstellen. Haupt-und Nebenmaschine, besonders aber die letztere, sollen eine geradlinige Sättigungskurve haben.
Die Speisung des Läufers e der Nebenmaschine erfolgt wie bei den bereits beschriebenen Einrichtungen, beispielsweise über einen Spannungstransformator h, einen regelbaren Widerstand w mittels Bürsten b und Stromwenders.
Die Wirkungsweise einer solchen Anordnung lässt sich nun in folgender Weise erklären.
Die Nebenmaschine liefert, sobald sie eine geradlinige Spannungscharakteristik hat, einen Strom, welcher stets der Spannung proportional ist, wie sich leicht einsehen lässt. Hat nun auch die Hauptmaschine eine geradlinige Sättigungskurve, so liefert sie für sich allein bei konstanter Gesamterregung in der Wicklung k einen Strom, welcher der geometrischen Differenz aus der Gesamterregung in k und den für die jeweilige Spannung erforderlichen Erregeramperewindungen (diese im engeren Sinne) proportional ist. Der Strom der Hauptmaschine nimmt also um so viel ab, als die Erregeramperewindungen verbrauchen. Diese Stromabnahme steht daher in einem konstanten Verhältnis nach Richtung und Grösse zur Spannung.
Da nun die Nebenmaschine einen der Spannung proportionalen Strom zu liefern imstande ist, kann man es so einrichten, dass die Stromabnahme bei der Hauptmaschine durch den zusätzlichen Strom der Nebenmaschine nach Richtung und Grösse genau ausgeglichen wird.
Für eine solche Arbeitsweise müssen die Bürsten b an der Nebenmaschine, wie sich zeigen lässt, so eingestellt werden, dass der von der Nebenmaschine gelieferte Strom zur Spannung im allgemeinen ungefähr um 900 verschoben ist. Zur Einstellung der Bürsten und übrigen Teile der Nebenmaschine kann man dieselbe Hilfseinrichtung wie im Stammpatent oder bei den früher beschriebenen Anordnungen anwenden, indem man Haupt-und Nebenmaschine als ein Ganzes betrachtet.
Der Antrieb der Nebenmaschine kann wie in Fig. 9 beispielsweise durch zwangiäutige, mechanische Kuppelung mit der Hauptmaschine erfolgen. Die Nebenmaschine kann aber auch an entfernterer Stelle durch einen Synchronmotor angetrieben werden. Dagegen bietet es wegen der Inbetriebsetzung Schwierigkeiten, die Nebenmaschine selbst als Synchronmotor, etwa leer, zu betreiben. Die Anordnung in Fig. 9 ist ebenfalls zweipolig und dreiphasig dargestellt, natürlich lässt sich auch hier jede beliebige Pol-und Phasenzahl anwenden.
Zur Erzeugung einphasigen Wechselstromes müssen dieselben Vorkehrungen wie früher getroffen werden, indem also alle W ec hse1felder in der Nebenmaschine durch Kurzschlussbürsten oder eine Kurzschlusswicklung beseitigt oder in Drehfelder übergeführt werden. An der Hauptmaschine werden dann zweckmässig die Feldpulsationen höherer Periodenzahl ebenfalls durch eine Dämpfer- (Kurzschluss-) Wicklung vermieden und es kann in der Gleichstromzuführung eine Drosselspule zur Verhinderung eines übergelagertenWechselstromes eingeschaltet werden.
Wird die Hauptmaschine, wie bereits erwähnt, mit einem Stromwender versehen und durch Wechselstrom von einer ihrerseits mit Gleichstrom gespeisten zwangläufig gekuppelten Wechselstromerregermaschine erregt, so können diese Vorkehrungen (Dämpferwicklung und Drosselspule) auch auf die Erregermaschine Anwendung finden.
In Fig. 10 ist noch ein Anwendungsbeispiel für sämtliche im Stammpatente und hier beschriebenen Anordnungen (der Einfachheit halber für Einphasenstrom) dargestellt. Soll z. B. in den Nebenkreisen I, II. III, IV usw. ein Strom begrenzter Stärke hergestellt werden, so ist es natürlich nicht notwendig für jeden Kreis eine besondere Einrichtung zu treffen, sondern man braucht nur in dem Hauptkreise L einen Strom dieser Eigenschaft zu erzeugen, indem man z. B. an den Punkten K die beschriebenen Anordnungen anschliesst. In den Nebenkreisen fliesst dann entweder derselbe Strom wie im Hauptkreis, z. B. im Nebenkreise I, oder ein Strom von beliebig wählbarer Grösse.
In letzterem Falle wird beispielsweise im Kreis II durch einen gewöhnlichen
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Reihentrgnsfrmator der Strom vom Hauptkreis abgeleitet, in III durch einen regelbaren Transformator und in IV durch einen regelbaren Reihentrausformator ih Sparschaltung. Das Abschalten der Nebenkreise kann durch Kurzschliessen derselben, etwa durch die Schalter 1-4, auf der Primär-oder Sekundärseite der Reihentransformatoren erfolgen.
Eine Überlastung in einem Kreise kann dadurch eintreten, dass der Widerstand dieses Kreises und damit die Spannung zu hoch anwächst, weshalb auch das Schliessen der Schalters 1-4 oder auch des Hauptschalter 5 gegebenenfalls in Abhängigkeit von der Spannung durch bekannte Vorrichtungen selbsttätig geschehen kann. Die Überlastung der Maschine selbst kann dadurch verhindert werden, dass bei zu hoher Spannung die Selbsterregung oder in Fig. 9 auch die Nebenmaschine durch einen von der Spannung beeinflussten Schalter automatisch abgeschaltet wird. Ein solches Verteilungssystem ist natürlich auch anwendbar bei irgendwelchen anderen Einrichtungen zur Erzeugung eines konstanten Stromes, da dieses System nur die sinngemässe Umkehrung eines gebräuchlichen Spannungsnetzes darstellt.
Die in Fig. 9 dargestellte Nebenmaschine kann ausser der bereits beschriebenen Aufgabe noch eine etwas selbständigere erfüllen, indem sie zur Lieferung eines Ersatzstromes benützt wird, wenn z. B. in einer Leitung unvermeidliche oder beabsichtigte Widerstände parallel liegen, die einen unveränderlichen wahren oder scheinbaren Widerstandswert besitzen, als welche die Ableitungswiderstände und Kapazitäten anzusehen sind. Solche Widerstände verzehren einen mit der Spannung proportionalen Strom.
Eine Maschine von der Art der Nebenmaschine in Fig. 9 kann nun dazu benützt werden, um auch am Ende der Fernleitung einen konstanten Strom zu erzielen. Es wurde gezeigt, dass die Nebenmaschine für sich einen der Spannung ihres Ständers proportionalen Strom liefert.
Da nun auch alle Kapazitäts-oder Isolationsströme der Spannung in der Leitung proportional sind, solange die Kapazitäts-und Isolationswerte als konstant angesehen werden, so kann die Nebenmaschine so eingestellt werden, dass sie einen Ersatzstrom für diese Stromverluste in der Leitung- liefert, wenn sie an beliebiger Stelle der Leitung zu derselben parallel gelegt wird.
Auch für diese Anwendungsart können alle Teile an der Nebenmaschine durch den Versuch
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und Ende abschaltet und ihr bei angelegter und laufender Nebenmasehine von einer synchron mit dieser angetriebenen Hilfswechselstrommaschine, etwa durch eine Hilfsleitung, eine Spannung aufdrückt. Man hat dann bei der Nebenmaschine die Einstellung an den Bürsten und übrigen Teilen so vorzunehmen, dass bei beliebiger aufgedrückter Spannung kein Strom von der Hilfsleitung in die Fernleitung übergeht. Das ist eben ein Zeichen dafür, dass von der Nebenmaschine die bei der betreffenden Spannung auftretenden Verluststrome (Kapazität oder Isolationsstrume oder überhaupt jene Strome, welche in konstanten zur Leitung parallel liegenden Widerständen auftreten) gedeckt werden.
Im normalen Betriebe wird dann am Ende der Strom konstant bleiben. wenn er sich auch von dem im Anfang konstant gehaltenen Wert des Stromes um eine konstante Differenz im allgemeinen unterscheiden wird.
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