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Synchronmaschine.
Die Erfindung bezieht sich auf Dynamomaschinen von der Art, wie sie im Patente Nr. 82741 beschrieben sind. Derartige Maschinen laufen normalerweise als Synchronmotoren bei einer Kaskadenumdrehungszahl, während sie als Induktionsmotoren angelassen werden können, die eine normale Umdrehungszahl besitzen, welche einer der Normalpolzahlen entspricht, wobei diese Umdrehungszahl höher als die Kaskadenumdrehungszahl ist. Daher können solche Maschinen angelassen werden und anlaufen ungefähr bis zu der Umdrehungszahl für synchronen Lauf mit Belastung, und wenn die Kaskadenumdrehungszahl erreicht ist, können die Stromverbindungen auf diejenige für synchrone Arbeitsweise umgeschaltet werden.
Im Patente Nr. 82741 ist gezeigt worden, wie Dreiphasen-Ständerwicklungen für Gleichstromerregung geeignet gemacht werden können, indem Anzapfpunkte an Paaren entsprechender Punkte in einer oder zweier der Phasen vorgesehen werden, während entsprechende Punkte in einer dritten Phase zu Dämpfungszwecken kurzgeschlossen werden können.
Bei der Wicklung gemäss der vorliegenden Erfindung fliesst der für die synchrone Erregung benötigte Gleichstrom ebenfalls durch die Hauptfeldwicklung, aber sein Weg in dieser ist vollständig von dem bekannten verschieden. Gemäss der vorliegenden Erfindung haben die. Wicklungen das Eigentümliche, dass sie zwei oder mehrere parallele Wege für jede Phase in der Haupt-oder Wechselstromwicklung vorsehen, so dass-ein oder mehrere Paare unabhängig in Sternschaltung verbundener neutraler Punkte entstehen, und der zur Erregung benötigte Gleichstrom wird durch diese neutralen Punkte eingeführt. Die Wicklungen sind ferner so angeordnet, dass Strombahnen vorgesehen sind, in denen lokale Ströme fliessen können. Diese Ströme sind nützlich, um die Maschine in Synchronismus zu bringen und später den Lauf der Maschine bei synchroner Kaskadenumdrehungszahl aufrecht zu erhalten.
Es ist zweckmässig, für die Beschreibung der Erfindung durchwegs anzunehmen, dass der Strom dem stehenden Teil der Maschine zugeführt wird, während der Läufer eine Kaskadenwicklung besitzt, wie sie beispielsweise in Fig. 2 des Patentes Nr. 82741 dargestellt ist. Die Feldströme können natürlich in dem rotierenden Teil der Maschine sein, während die Kaskadenwicklung auf dem stehenden Teile angebracht ist. Diese zweite Möglichkeit bedarf hier keiner weiteren Erläuterung. Für die folgende Beschreibung soll angenommen werden, dass die Feldwicklung sich auf dem Ständer befindet. In den Zeichnungen bedeutet Fig. i ein Diagramm der Ständerwicklung, Fig. 2 ist ein Schema, welches den Stromfluss in den Wicklungen der Fig. i darstellt. Fig. 3 zeigt die Entwicklung einer anderen Art von Wicklung mit den Normalpolzahlen 4 und 8.
Fig. 4 zeigt die Darstellung einer Anwendung der Erfindung auf eine Maschine mit Zweiphasenwicklungen an
Stelle der Dreiphasenwicklungen, welche in den anderen Figuren der Zeichnungen dargestellt sind. In den Figuren sind dieselben Zeichen und Linien zur Angabe der verschiedenen augenblicklichen Phasen in den Wicklungen angegeben, wie sie beispielsweise in der österr. Patentschrift Nr. 82741 benutzt worden sind, d. h. der Strom in der Phase a, welcher durch ausgezogene Linien dargestellt ist, soll sich auf seinem Maximalwert befinden, während die Ströme in den Phasen b und c, welche durch strichpunktierte Linien bzw. lediglich punktierte Linien dargestellt sind, sich in demselben Augenblick auf der Hälfte ihres Maximalwertes befinden. In Fig. i und in den anderen ähnlichen Figuren stellt ein dicker, schwarzer Strich die Sternverbindung dar.
In den Fig. i und 2 ein die dargestellten Wicklungen die normalen oder einfachsten möglichen Wicklungen zur praktischen Ausführung der Erfindung. Jede Wicklung ist hierbei derart angeordnet, dass sie ein vierpoliges Feld zum Anlassen ergibt, wenn die Maschine als Induktionsmotor läuft und dass sie als Synchronmaschine in Kaskadenschaltung mit dem Äquivalent von sechs Polen laufen kann, wenn die Gleichstromerregung eingeschaltet wird. In der Praxis ist eine derartige Polzahl nicht befriedigend wegen des resultierenden unausbalancierten magnetischen Feldes, aber die nötige Verdopplung der Wicklungen, wenn die Normalpolzahlen erhöht werden, beispielsweise von vier auf acht Pole oder auf irgendeine andere Pohlzahl, welche ein ausbalanciertes magnetisches Feld ergeben, ist einfach und wird noch später behandelt.
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Die in Fig. i dargestellte Wicklung ist eine vier-und zweipolige Wicklung, welche in zwei Teile geteilt ist, deren Polzahl mit der Zahl der sekundären Pole übereinstimmt (zwei Pole im vorliegenden Falle). Jeder Teil ist in Sternverbindungen verbunden, welche in Fig. i mit x bzw. y bezeichnet sind. Die Dreiphasenströme werden durch die Klemmen 13, 14 und 15 in die drei Phasen a, b und c eingeführt.
0 Die Leiter werden abgezweigt und zu Stäben in Nuten geführt, welche um r800 auf dem Umfang des Feldes versetzt sind. Beispielsweise wird in der Phase a der Strom in die oben liegenden Stäbe in Nuten 5 und 11 eingeführt. In der Phase b wird der Strom in die oben liegenden Stäbe 1 und 7 eingeführt. In Phase c wird der Strom in die oben liegenden Stäbe in den Nuten 3 und 9 eingeführt. Der Verlauf der Ströme kann in dem Diagramm verfolgt werden, wobei zu erkennen ist, dass die Kreuze in den Kreisen, welche die Stäbe darstellen, Ströme angeben, welche nach unten fliessen, während die Punkte in den Kreisen Ströme angeben, die nach oben fliessen. Es ist zu erkennen, dass der Stromfluss ein gleichförmig verteiltes vierpoliges Feld ergibt.
Verfolgt man die Wicklungen, so ergibt sich, dass sie zu den Sternverbindungen x und y führen. Diese sind durch die Anzapfpunkte 16 und 17 mit einem Gleichstromerzeuger 18 verbunden, welcher mit dem Läufer der Maschine direkt gekuppelt sein kann oder irgendeine andere geeignete Gleichstromquelle sein kann. Diese Maschine ist nur der Einfachheit halber im Schema als ein unabhängiger Stromerzeuger dargestellt. In dem Gleichstromkreise ist kein Schalter eingezeichnet, aber natürlich kann ein geeigneter Schalter und, falls notwendig, ein Regulierwiderstand vorgesehen werden.
Wenn man den Stromfluss von der Gleichstromquelle 18 verfolgt, so ist zu erkennen, dass der Gleichstrom in die Wicklungen bei der neutralen Verbindung x eintritt und durch jede der drei Phasen parallel fliesst, welche in Sternschaltung durch die genannte neutrale Verbindung verbunden sind. Der Strom fliesst zurück durch den anderen Teil der Wicklung zu der anderen Sternverbindung y und dem Leiter 17 zur Gleichstromquelle 18.
Die Kreuze und Punkte, welche sich ausserhalb der die Stäbe darstellenden Kreise befinden, geben die Richtung an, in welcher der Gleichstrom fliesst, wobei angenommen wird, dass der Gleichstrom nur in den Wicklungen fliesst. Wo sich ein Kreuz ausserhalb und ein Punkt innerhalb des einen Stab darstellenden Kreises befindet, fliesst der augenblickliche Strom in dem Stabe in einer Richtung, welche nur mit der Resultante der Wechselströme und der
Gleichströme übereinstimmt, wie es ohne weitere Erklärung verständlich erscheint.
Es ergibt sich, dass das Gleichstromfeld ein zweipoliges Feld ist, aber der Strom fliesst in entgegengesetzten Richtungen in den oberen und unteren Stäben bzw. in den Nuten 2, 3, 4 und 8, 9 10, so dass nur die Hälfte der Spulen bei der Erregung benutzt wird. Dies folgt aus dem Umstand, dass der Wicklungsschritt nur die Hälfte desjenigen des sekundären
Polwicklungsschrittes beträgt, wobei hier das sekundäre Feld ein zweipoliges ist, während der Wicklungsschritt drei Nutenräume, wie dargestellt, beträgt. Wenn die Maschine bei einer anderen Umdrehungszahl als der Kaskadensynchronumdrehungszahl läuft, werden durch das rotierende Feld in dem Läufer lokale Ströme in der Wicklung induziert. Der Weg für diese lokalen Ströme kann in zwei Gruppen eingeteilt werden.
Die erste Gruppe von drei parallelen Wegen umschliesst die Gleichstromquelle M, wo sie in den Stromkreis eingeschaltet ist, die Wicklungen der drei bezüglichen Pha'sen und ihre Endverbindungen. Die andere Gruppe der Wege umfasst die geschlossenen Kreise durch eine Phase, einen neutralen Punkt, eine andere Phase und einen anderen neutralen Punkt, so dass sie die Gleichstrom- quelle nicht mit einbegreift. Diese letztere Gruppe der drei Wege ist deshalb immer geschlossen und die lokalen Ströme in beiden Gruppen fliessen in entgegengesetzten Richtungen in den Stäben der einen Hälfte der Nuten genau so wie die Erregerströme fliessen, so dass nur eine Hälfte des Kupfers in den Wicklungen in der Praxis für die lokalen Ströme oder zur Dämpfung benutzt wird.
Die lokalen Ströme, deren Stromkreise die Erregerquelle um- fassen, sind symmetrisch verteilt, während diejenigen, welche die Phasenwicklung umfassen, unsymmetrisch verteilt sind und daher nicht vollständig ausreichen. Versuche ; die mit einer Wicklung dieser Art an einer kleinen Maschine engestellt worden sind, haben jedoch nicht gezeigt, dass die Maschine Neigung hat, durchzugehen, wie es aus der unsymmetrischen
Verteilung der lokalen Ströme oder der Dämpfungsströme zu vermuten gewesen wäre.
Wenn man Fig. i betrachtet, so ergibt sich, dass die Ströme in den Wicklungen jeder einzelnen der Phasen a und b zunächst in einen oberen Stab fliessen, dann durch einen unteren Stab in eine Nut fliessen, welche drei Schritte nach rechts entfernt liegt, dass sie dann zurückfliessen in einen unteren Stab in der ersterwähnten Nut und dann durch den oberen Stab einer Nut, welche drei Schritte nach links liegt, zurückfliessen. In dem
Falle der Phase c hingegen tritt der Strom ein in einen oben gelegenen Stab in einer Nut ; er fliesst zurück durch einen unteren Stab in einer drei Schritte nach rechts gelegenen Nut, dann wieder in einen unteren Stab, welcher drei Schritte nach rechts liegt, und zurück in
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von derjenigen der beiden anderen Phasen.
Durch Vermehrung des Wicklungsschrittes wird die wirksame Stabzahl für die Gleichstromerregung erhöht.
Die Wicklungen können paarweise in jeder Phase parallel geschaltet sein. Fig. 3 zeigt eine Wicklungsform, welche von dem bisher Dargestellten abweicht. Diese Wicklungsform arbeitet mit geringeren Ständerverlusten für denselben Effekt, während die Gesamtheit der Windungen für die Gleichstromerregung nutzbar ist. Dieses Ergebnis kann ohne ein Opfer in der Wirksamkeit für die Betriebsweise bei Wechselstrom erzielt werden. Das Schaltungs-
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kommt, Bezug, aber die Spulen sind, anstatt dass sie sich in entsprechender Weise, wie in Fig. i dargestellt, überspringen, in Gruppen von drei angeordnet, wobei jede Gruppe in diesem Falle sechs Nuten einnimmt, während die Sternverbindungen, in welche der Gleichstrom fliesst, zwischen den Spulen zu zweien dieser Gruppen liegen.
Die Figur zeigt eine vier-und achtpolige Wicklung, welche 24 Nuten umfasst, wobei 13, 14 und 15 die Dreiphasenklemmen sind und X und y die Sternverbindungen darstellen, wie in den anderen oben beschriebenen Figuren. Die Wechselstromverbindungen der einen Phase sind versetzt dargestellt im Vergleich zu denjenigen der beiden anderen Phasen, und in dem dargestellten Beispiel ist es die Phase b, deren Verbindungen von der Klemme 14 sich in der Figur nach links erstrecken, während diejenigen der Phase a und c sich nach rechts erstrecken.
Es ist zu erkennen, dass die zur Erzeugung eines vierpoligen Feldes benötigten Gleichströme in einer Richtung in sechs Nuten hintereinander fliessen und in der umgekehrten Richtung in den nächsten sechs Nuten, wobei keine Aufhebung resultierender Effekte eintritt, so dass alle Spulen wirksam zur Bildung des Gleichstromfeldes ausgenutzt werden. Natürlich kann ein derartige Wicklung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, verdoppelt werden und die Spulen können entweder hintereinander oder parallell geschaltet werden, wenn eine grössere Anzahl von Polen vorzusehen ist.
Einige der Wicklungen können derart abgeändert werden, dass sie an Stelle der Dreiphasenströme zum Betrieb mit Zweiphasenströmen benutzt werden können. Die Entwicklung der Wicklung für vier und acht Pole für Zweiphasenstrom ist in Fig. 4 dargestellt. Die beiden Phasen sind hier mit gestrichelten Linien und mit strichpunktierten Linien dargestellt. Die Klemmen der einen Phase sind mit 20 und 21 bezeichnet, während diejenigen der anderen Phase mit 22 und 23 bezeichnet sind. Der Gleichstrom der Stromquelle 18 wird durch die Verbindungen 16 und 11 zu den Punkten x und y geführt, wo sich beide Phasen begegnen und kreuzen. Diese Wicklung kann natürlich verdoppelt werden und für eine geeignete Anzahl von Polen angepasst werden.
Es ist auch hier möglich, zwei parallele Wege oder Spulenreihen in jedem Zweig einer jeden Phase vorzusehen.
Obwohl in den oben beschriebenen Wicklungen die Teilung immer in zwei Gruppen erfolgte, die zwei neutrale Punkte ergaben, lässt sich erkennen, dass durch Verdopplung beispielsweise eine grössere Anzahl, z. B. vier neutrale Punkte, in einer Wicklung für ein vier-und achtpoliges Feld erreicht werden können, und wenn es aus irgendeinem Grunde erwünscht ist, können die Gleichströme von gesonderten Stromquellen oder von besonderen Wicklungen des einen Stromerzeugers zu den gesonderten Paaren neutraler Punkte geführt werden. Dies wird jedoch gewöhnlich nicht notwendig sein.