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Woher das Hauptfeld der Maschine rührt, und wie es erzeugt und erhalten werden kann, soll zunächst unberücksichtigt bleiben und. später erst untersucht werden. Für die Höhe der Eigenfrequenz der Wechselströme ist diese Frage gleichgiltig.
Will màn nun, nach der in Fig. 1 dargestellten Schaltung, die Rotor-und Statorspannungen aneinanderlegen, so müssen sie wieder der Bedingung genügen, dass ihr Verhältnis numerisch gleich dem Ubersetzungsverhältws ü des Transformators ist. Das Spannungsverhältnis ist aber im Leerlaufzustande der Maschinen fast genau, bei stärkerer Belastung immer noch sehr an-
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die Tourenzahl des Generators konstant gehalten wird.
Umgekehrt aber entspricht noch jedem einmal eingestellten Übersetzungsverhältnis des Transformators eine ganz bestimmte Drehfeldgesch windigkeit in der Maschine. Durch einfaches Rege) n den Transformators kann man daher dem einmal vorhandenen Drehfelde jede beliebige gewünschte Geschwindigkeit erteilen. Diese Erscheinung ist das genaue Gegenstück zur Tourenzahlregelung am Motor. Bei diesem hat das Hauptfeld der Maschine konstante, von aussen gegebene Geschwindigkeit, der Rotor variable, am Transformator einstellbare Tourenzahl, hier dagegen ist die Rotortourenzahl von aussen gegeben, die Drehfeldgeschwindigkeit lässt sich am Transformator beliebig einstellen. Die Statorfrequenzen, aus der man unmittelbar die Drehfeld-
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durch elektrische Kupptung in synchronem Laufe mit dem Generator halten.
Man kann etwa auf beide Wellen eine kleine Synchronmaschine setzen oder noch einfacher einen mit heiden Generatorfrequenzen gespeisten Induktionsmotor zum Antriebe verwenden oder auch den Frequenzwandler mit einer passend gespeisten Statorantriebswicklung versehen. Die Verwendung eines getrennten Frequenzwandlers beietet den Vorteil, dass man ihn unabhängig von der Generator- drehzahl mit der für seinen Kollector günstigsten Geschwindigkeit laufen lassen kann.
Die eben hergeleiteten Beziehungen für die Rotor-und Statorfrssquenzen gelten streng nur für den stromlosen Zustand der Maschine, weil nur dann die Spannungen mit den EMKen über- einstimmen. Sobald Ströme fliessen, weichen diese Grössen wegen der Widerstände und Streuungen ein wenig voneinander ab und die Gleichung 2) gilt nur noch näherungsweise. Die Folge davon ist, dass sowohl die Drehfeldgesch windigkeit, als auch die Frequenzen hei Belastung ein wenig gegen ihre Leerlaufswerte schlüpfen.
Diese Eigenschaft ist für manche Zwecke sehr erwünscht,
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sie ermöglicht beispielsweise ein sehr sicheres Parallelarbeiten derartiger Generatoren, indem sie Fendeterscheinungen verhindert.
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liegen genau so wie bei der Bestimmung der Eigenfrequenz von elektrischen Schwingungskreisen mit Selbstinduktion und Kapazität, die auch eine Systemkonstante iat und unabhängig von etwa auftretenden Schwingungen besteht.
Es ist dagegen sehr bemerkenswert, dass mit den hier beschriebenen Anordnungen schwingungsfähige Systeme ohne Anwendung von Kapazitäten hergestellt werden können, die sogar die Eigenschaft haben, elektrische Energie mit beliebiger Frequenz aus mechanischer erzeugen zu können. Ganz vereinzelt steht diese Erscheinung immerhin nicht da, denn es ist
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mit einer bestimmten Wechselstromfrequenz arbeiten können.
Die hier beschriebenen Schwingungen unterscheiden sich aber von jenen durch zwei wesentliche Merkmale : Erstens sind dort allein die Zeitkonstanten der Stromkreise für die Höhe der Eigenfrequenz massgebend, während hier Widerstand und Selbstinduktion vöilig gleichmltig sind und die Schwingungszahlen von dem Übersetzungsverhältnisse zwischen Stator-und Rotorkreisen abhängen, und zweitens sind die hier behandelten Schwingungen der Tourenzahl des Generators proportional. während jene ganz unabhängig davon sind. Der Mechanismus der Wechselstromerzeugung ist demnach ein
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Ausser dieser Magnetisierung von aussen gibt es noch einen anderen einfacheren Weg, um ein Feld in der Maschine zu erhalten. Die Anordnung lässt sich nämlich selbsterregend machen. und zwar bei jeder beliebigen Geschwindigkeit des Drehfeldes oder jeder beliebigen Periodenzam derWechselströme.
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von der Masschine selbst geliefert werden. Denkt man sich nun die Kollektormaschine zunächst als Motor laufen, in derselben Schaltung und mit derselben Frequenz, mit der sie als Generator arbeiten soll und stellt die Bürsten auf Phasenkompensierung ein, so bleiben die inneren Magnetisierungsströme vollständig erhalten, wenn man die Richtungen der Arbeitsströme umkehrt und dadurch aus dem Motor einen Generator macht.
Dass eine Selbsterregung der hier geschilderten Generatoren durch passende Bürstenverschiebung bei allen Frequenzen möglich ist, ist hiernach einleuchtend, ihre Notwendigkeit ist damit aber noch nicht bewiesen. In der Tat verliert eine Kollektormaschine, die als Motor mit Phasenkompensierung ausgezeichnet läuft, ihr Feld sehr leicht beim Arbeiten als Generator, wenn man nicht auf eine ganz bestimmte Bedingung achtet, die für eine stabile Selbsterrer-ing notwendig ist. Um diese Bedingung herzuleiten, muss auf die Wirkungsweise der Generatoren diagrammatisch näher eingegangen werden.
Wir betrachten dazu den Leerlaufzustand eines Kollektorgenerators, dessen Stator- und Rotorwicklung über einen Transformator mit dem Übersetzungsverhältnis ü aneinandergeschlossen sind, entsprechend der Fig, 1. Dae dann herrschende Diagramm der Ströme und
Spannungen ist in Fig. 5 dargestellt. Das Hauptfeld # induziert in den Stator- und Rotor- wicklungen die EMKe EI und E2, die, mit dem Ohmschen Spannungsabfällen JI fp J'}./'2 und
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Diagramm ist für einen bestimmten Betriebsfall gezeichnet, der ,,über Synchronismus" liegt. bei dem sich also das Hauptfeld langsamer bewegt als der Rotor. Da dann die Schnittrichtung
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Phasen der beiden EMKe entgegengesetzt gerichtet.
Das Diagramm enthält die Phasen aller Spannungen und Ströme so, wie sie innerhalb der Maschine bestehen, wenn man sie vom ruhenden Raume aus betrachtet. Von diesem Standpunkte aus gesehen besitzen auch alle Grössen dieselbe Periodenzahl, nämlich die des Stators. so dass man sie in einem Diagramme vereinigen darf. Denkt man sich in den Rotor hineinversetzt, dann besitzen die Ströme und Spannungen natürlich die Rotorfrequenz. man wird diesem Wechsel im Diagramm dadurch gerecht, dass man die Zeitlinie mit einer anderen Geschwindigkeit rotieren lässt, und zwar muss man der ursprünglichen Zeitlinie, deren Drehrichtung in Fig. 5 durch einen Pfeil dargestellt ist, genau diejenige Geschwindigkeit als Zusatzgeschwindigkeit geben, die man selbst mit dem Rotor angenommen hat.
Die im Rotor herrschende Zeitlinie dreht sich aber mit der Rotorfrequeuz gegen den Drehsinn des Diagrammpfeiles. Auf diese Weise kommt es zustande. dass im richtigen Diagramme nicht nur die EMKe. sondern auch die Streuspannungen bei Übersynchromsmus entgegengesetzte Richtung erhalten. Die induzierten Spannungen eilen zwar. vom Rotor aus betrachtet, ihren Feldern und Stromen um 90 nach, vom Stator aus betrachtet
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der Bürsten um 180", in die ,,Leerstellung" kommt, die entgegengesetzte Phase wie die Stator- Spannung hat. Um die im Diagramme der Fig. 5 dargestellte Arbeitsweise zu verwirklichen, muss
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Durch die Verschiebung der Kollektorbürsten ändert sich nicht nur die Phase der Bürstenspannung gegenüber der vom Stator aus betrachteten Rotorspannung selbst, sondern in genau demselben Masse auch die Phase der Bürstenströme gegenüber den Rotorstromen selbst. Da äussere Ströme im Leerlauf nicht geliefert werden und auch im Regeltransformator keine Phasenverschiebung der Ströme hervorgerufen werden soll, so sind Statorstrom und Bürsten8trom in
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Rotorstrom durch die Übersetzung des Transformators gegeben ist.
Das reziproke Verhältnis besitzen natürlich die entsprechenden KJemmell8pannungen.
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und Rotorwicklung schalten. Die Ausführung der Kompensationswicklung selhst und ihre räumliche Anordnung richtet sich nach den für Mehrphmenmotoren bereits bekannten Regeln.
Bei einigen der Schaltungen erhält man Seriencharakter des Generators, bei anderen Nebenschlusscharakter.
Stets entspricht die Wirkungsweise den hergeleiteten Beziehungen und Diagrammen, wobei man natürlich allgemein die Vektoren der Spannungen als massgebend für die Spannung pro effektive Windung, und die der Ströme für die Grösse und Phase der effektiven GesamtAmperewindungen im Stator und Rotor anzusehen hat.
Für viele Verwendungszwecke, besonders für schwere mechanische Antriebe, ist es wünschenswert, die Drehzahl mehrphasiger asynchroner Induktionsmotoren ökonomisch zu regeln. Will man hiezu mechanisch sehr einfache und betriebssichere Kurzschlussmotoren ver- wenden, dann ist ea nötig, ihnen Ströme von veränderlicher Frequenz und Spannung zuzuführen.
Eine entsprechende, dem Leonardsvstem für Gleichstrom nachgebildete Schaltungsanordnung ist in Fig. 13 schematisch dargestellt. Der regelbare Kurzschlussmotor m erhält seine Energie aus dem Anker eines Kollektorgenerators y, dessen Ströme zur Neutralisation des Ankerfeldes durch eine Kompensationswicklung auf seinem Stator geführt sind.
Die Erregung des Generatorfeldes, das nicht nur, wie bei Gleichstrom. in seiner Stärke. sondern auch in seiner l'eriodenzahl geregelt werden muss, besorgt beispielsweise eine synchrone Drehstrommaschine e. deren Feldstärke und Drehzahl gleichzeitig geändert werden muss und die ihren Strom in eine besondere Erregerwicklung senden kann.
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maschinen komplizieren und verteuern die Anlage, die Anordnung kann nur durch Einschaltung eines besonderen Transformators für Hochspannung geeignet gemacht werden. besonders aber ist sie ungeeignet, schnelle Geschwindigkeitsänderungen des Motors zu bewirken. Der Grund hiefür liegt in folgender Erscheinung.
Beim Steigern der Frequenz des Generators < /wird gleichzeitig auch dessen Feld mitgeändert.
Ks itiuss also eine erhebliche Energiezufuhr aus der Erregermaschine e stattfinden. um die Feld- enerpie dea Genprn. tors auf den erhöhten neuen Betrag zu bringen. Da nun aber das Feld der Erregermaschine nur um mässige Beträge, namlich proportional der Frequenzänderung, erhöht wird, so vergeht eine gewisse Zeit, bis das Generatorfeld seinen neuen Wert angenommen hat.
Die Schnelligkeit der FeldÅanderung richtet sieh nach der Zeitkonstante der gesamten Stromkreise des Generators g und der Erregermaschine e, die bekanntlich von dem Quotienten aus
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Ob man einen derartigen Generator selbsterregend macht oder ihn von einer fremden Stromquelle aus erregt, ist für seine Wirkungsweise gleichgiltig. In jedem Falle ist die Erregung und
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die Regulierung der Frequenz nach dem im vorangehenden beschriebenen Gesichtspunkte aus- zuführen. Anstatt den : Sollektor direkb an die Rotorwicklung anzuschliessen, kann man ihn, wie dort bereits beschrieben ist, auch als besonderen Frequenzwandler ausbilden, ohne an den hier durchgeführten Überlegungen etwas zu ändern.
Drehfeld-Induktionsgeneratoren, deren Stator-und Rotorkreise durch Kollektoren oder Frequenzwandler aneinandergeschlossen sind und deren Periodenzahl eingestellt oder geregelt werden kann, zeigen nun zwei Eigenschaften, die nicht für alle Verwendungszwecke erwünscht sind.
Einerseits ist die Frequenz der abgegebenen Wechselströme bei konstant gehaltener Übersetzung zwischen Rotor-und Statorwicklung fast konstant. Sie schlüpft mit zunehmender Strombelastung nur sehr wenig gegen ihren Leerlaufswert, während es oft erwünscht ist, beispielsweise zur Pufferung von Motoren, stärkeren Abfall der Frequenz mit der Belastung zu haben.
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mit der Belastung, ganz ähnlich wie es von Gleichstromdynamos her bekannt ist und wie es speziell für Drehfeldgeneratoren bereits früher näher erläutert ist.
Die Stärke des Feldabfalles mit zunehmender Belastung richtet sich, wie erwähnt wurde, im wesentlichen nach der Grösse der Streuung des Generators und kann bei ungünstigen Verhältnissen oder starker Überlastung sogar bis zum völligen Aussertrittfallen der Selbsterregung fortschreiten. Auch bei günstigen Verhältnissen ist es meist wünschenswert, mit möglichst konstantem Generatorfelde zu arbeiten, damit bei plötzlichen Stössen keine zu geringe Sicherheit gegen das Verlieren des Feldes besteht.
Beide Aufgaben sollen durch die nachfolgend beschriebene Erfindung gelöst werden, die eine Kompoundierung des Drehfeld-Induktionsgenerators bewirkt. sowohl hinsichtlich seines Feldes als auch seiner Periodenzahl. Die Kompoundierung soll durch eine gegenseitige Übertragung der Spannungen zwischen Stator-und Rotorwicklung hervorgerufen werden, die beispielsweise durch eine Anordnung nach Fig. 16 erzielt wird.
Es bedeutet dort g den Drehfeld-Induktionsgenerator, t einen Nebenschlusstransformator
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und zum Energieaustausche zwischen Stator und Rotor dienen soll.
Um einen Energiefluss zwischen den beiden Wicklungen des Serientransformators zu et möglichen, muss dafür gesorgt werden, dass ein Feld in ihm besteht, das zeitlich senkrecht auf der Richtung der Vektoren der Arbeitsströme steht. Dieses Feld, auf dessen Erzeugung später
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Richtungen, wenn die Arbeitsströme derart durch den Transformator geführt werden, dass sie sich gegenseitig aufheben. Der Einfachheit wegen sollen alle Überlegungen auf Maschinen mn gleichen effektiven Amperewindungen in Rotor- und Statorkreisen bezogen werden.
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geschriebene Kreisbahn durchlaufen lässt. Der Drehfeldgenerator ist mit g bezeichnet, m bedeutet einen Transformator mit fester Übersetzung und r einen regelbaren Phasentransformator. z. B. in der Ausführung als einfacher Drehfeldtransformator.
Die Sekundärspannungen em des festen
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transformators entspricht eine ganz bestimmte Drehfeldgeschwindigkeit des Generators g, die Feldstärken aller Magnetkreise bleiben beim Regulieren stets konstant, wenn die Sekundär-
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Die ganze mechanische Regulierung findet nur an dem einen Transformator r statt, die richtige Grösse und Phase des Übersetzungsvektors wird durch die Serienschaltung der Transformatoren automatisch auf rein elektrischem Wege bewirkt.
Fig. 21 stellt ein Beispiel für eine kombinierte elektrisch-mechanische Regulierung dar.
Mit x und y sind zwei Transformatoren bezeichnet. deren Sekundärspannungen um 90 - oder auch um einen beliebigen anderen Betrag-in der Phase versetzt sind und die durch Stufenschatter oder als Induktionsregler reguliert werden können. Diese Regulierung soll nun in an sich bekannter Weise, z. B. durch Leitkurven oder ähnliche Vorrichtungen, derart geschelien. dass die resultierende Spannung aus ex und e@ stets die für die reine Frequenzregulierung er wünschte Grösse und Phase besitzt. Sie soll sich beispielsweise wieder, wie in Fig. 19, auf einem Kreise bewegen.
In Fig. 22 ist schliesslich ein Beispiel für eine rein mechanische äussere Abhängigkeit von Grösse und Phase der Übersetzung gegeben, wobei am Transformator t nur die Grösse der Spannung et und durch die Verschiebung der Bürsten b oder ein äquivalentes Mittel nur die Phase x der Rotorspannung geändert werden kann. Durch eine mechanische Abhängigkeit der beiden Bewegungen, die auf beliebige Weise erzielt werden kann. lässt sich wieder jede gewünschte Reguiierungskurve, z. B. der Kreis der Fig. 19. beschreiben.
Man kann auch Regelungsverfahren anwenden, die sich aus mehreren der beschriebenen Beispiele zusammensetzen. So kann man z. B. eine konstante Übersetzungsspannung der Grö e cx in Fig. 19 zusammenwiken lassen mit einer regelbaren Spannung e@ und einer gteicbzeing regelbaren Rotorphase x.
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mit Kurzschlussrotor, also ein gewöhnlicher Asynchronmotor, der bis über das Knie seiner Charakteristik magnetisiert ist, den Zweck des Stabüisierens. Wenn der Drehfeldgenerator sowieso asynchrone Motoren antreiben soll, dann kann man natürlich auch diese selbst zum Stabilisieren verwenden, indem man sie hoch genug magnetisiert.
Man vermeidet dadurch jede unnötige Komplikation der Anlage und spart an Maschinen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum unabhängigen oder gemeinsamen Regeln der Eigenfrequenz und Stärke der Erregung von Drehfeldinduktionsgeneratoren, deren Stator-und Rotorkreise durch einen Kollektor- oder Frequenzwandler beliehiger Art und einen Regelapparat für die Übersetzung der Stromkreise verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse und Phase der Übersetzung der Stator-und Rotorkreise mit Hilfe an sich bekannter Vorrichtungen, wie anzapfbare Wicklungen, Bürstenverschiebungen, regelbare Transformatoren usw. gleichzeitig derart eingestellt oder geregelt wird, dass die Spannung der Maschine sich bei beliebig veränderlicher Frequenz in stabiler Selbsterregung erhält.