Anordnung zum Unterdrücken der Lamellenoberwellen bei kommutierenden elektrischen Maschinen. Der Strom einer kommutierenden Wechsel- oder Gleichstrommaschine weist praktisch immer höhere Harmonische auf, und zwar vorzugsweise von Periodenzahlen, die in ein facher Beziehung stehen zur Anzahl der Kommutatorlamellen, die in der Sekunde eine Bürste passieren. Diese Harmonischen können als Lamellenoberwellen bezeichnet werden, und ihre Entstehung kann etwa in der folgenden Weise erklärt werden: Während des Vorüberganges von zwei aneinanderliegenden Kommutatorlamellen an einer Bürste soll der Strom in der zwischen den Lamellen liegenden Spule seine Richtung ändern.
Während der Umkehrungsperiode ist die Spule durch die Bürste kurzgeschlossen, wodurch mehr oder weniger unregelmässige Spannungsabfälle in letzterer entstehen. Die Gesamtspannung von Bürstenhalter zu Bür stenhalter wird durch diese Spannungsabfälle beeinflusst, und hierdurch entstehen also (primäre) Lamellenoberwellen einer Art in der Maschinenspannung, bezw. im Strom. Oberwellen zweiter Art, die bedeutend ernsthafter sein können, entstehen aber sekun där in gewissen Maschinen, und zwar in folgender Weise: Die während der Kommu tation kurzgeschlossene Spule umschlingt im allgemeinen den ganzen Eisenkern eines Pol paares der Maschine.
Derselbe Eisenkern ist auch mit der Erregerwicklung verkettet, welche also zusammen mit der kurzgeschlos senen Spule als eine Art von Transformator betrachtet werden kann, dessen Primärstrom ein hochfrequenter Wechselstrom ist. In der Sekundärwicklung - der Erregerwicklung der Maschine, - welche eine grössere Win dungszahl hat, wird deshalb eine verhältnis mässig hohe Spannung erzeugt, welche die Lamellenobertöne bedeutend verstärkt. In Gleichstrommaschinen; wo ein wesentlicher Teil des magnetischen Kreises im allgemeinen aus massivem Eisen besteht, wirkt der letz tere gewissermassen dämpfend auf die Ober wellen, aber in kommutierenden Wechsel strommaschinen, wo der ganze Magnetkreis lamelliert ist, tritt keine solche Dämpfung ein.
Hierin dürfte der Hauptgrund liegen, weshalb die Lamellenoberwellen, die sich vorwiegend als Quellen von Schwachstrom störungen im Eisenbahnbetrieb bemerkbar ge macht haben, im allgemeinen als gefährlicher bei Wechselstrom-Kommutatormaschinen als bei Gleichstrommaschinen betrachtet wurden. Die in vorbeschriebener Weise in der Erregerwicklung erzeugte Spannungsoberwelle schickt eine entsprechende Stromoberwelle durch die Leitung, und letztere Welle ist die unmittelbare Quelle der meisten Störungen.
Um sowohl die erste als die zweite Welle zu unterdrücken, wird nach der Erfindung ein kapazitativer Nebenschluss zur Erreger wicklung vorgesehen, welcher zweckmässig eine solche Kapazität besitzt, dass er die ge nannte Wicklung für Frequenzen von der Grössenanordnung der Lamellenfrequenz prak tisch kurzschliesst, während er für die nie drige Maschinenfrequenz als ein grosser (be ziehungsweise bei Gleichstrom unendlicher) Widerstand wirkt. Da die fraglichen Ma schinen (vorzugsweise Bahnmotoren) oft bei sehr veränderlicher Geschwindigkeit arbeiten, wird auch die Lamellenfrequenz oft verän derlich. In solchen Fällen ist es von beson derer Wichtigkeit, dass der Nebenschluss einen niedrigen Widerstand für die Frequenz besitzt, die sich als besonders störend für das Telephongespräch erwiesen haben, d. h. etwa 800 pro Sekunde oder mehr.
In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein, eine Kapazität und eine Induktanz in Reihe zwischen die Klemmen der Erreger wicklung zu schalten, welche dabei derart bemessen werden können, dass eine Resonanz bei etwa 800 Perioden eintritt. Ist C die Kapazität in Farad und L die Induktanz in Henry, so soll also
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sein. In vielen Fällen kann jedoch eine der artige besondere Induktanz entbehrt werden. Die Kapazität soll jedenfalls grösser sein als diejenige, die mit der Streuinduktanz der Erregerwicklung bei den wichtigsten vor kommenden Oberwellen in Resonanz ist, aber nicht so gross, dass sie mit jener Induk tanz bei der gewöhnlichen Maschinenfrequenz, etwa 15-25 pro Sekunde, Resonanz bildet. Die Resonanzfrequenz für die Kapazität und die genannte Streuinduktanz soll also etwa zwischen 50 und 500 liegen.
Durch den Kurzschluss wird die Sekundär spannung des aus der Ankerspule und der Erregerwicklung gebildeten Transformators sehr niedrig und ist deshalb nicht im Stande, merkbare störende Oberwellen in der Leitung zu erzeugen. Da bei einer solchen niedrigen Spannung die elektrische Festigkeit des Kondensators im allgemeinen nicht ganz aus genutzt wird, ist es oft zweckmässig, zwischen Erregerwicklung und Kondensator einen Transformator einzuschalten. Die Wirkung eines solchen Transformators wird gleich bedeutend mit einer Vermehrung der Kapa zität des Kondensators im Verhältnis des Quadrates der Übersetzung. Letztere wird in der Praxis nicht durch die von der Oberwelle hervorgerufene elektrische Beanspruchung, sondern durch diejenige der transformierten Erregerspannung gewöhnlicher Periodenzahl begrenzt.
Falls die Schaltung einer Induktanz in Reihe mit dem Kondensator zwecks Schaffung einer Resonanz erwünscht ist, kann die Streu induktanz des Transformators leicht für die sen Zweck hinreichend gross gemacht werden.
Obwohl die Erregerwicklung, wie oben dargelegt wurde, die Hauptquelle der Lamel lenoberwellen sein dürfte, können solche doch unter Umständen auch in den übrigen festen Wicklungen der Maschine, d. h. in der Kom- pensations- und Wendepolwicklung, entstehen. Zur Unterdrückung von diesen können auch letztere Wicklungen mit kapazitativen Ne benschlüssen versehen werden, welche dann aber von dem Nebenschluss der Erregerwick lung getrennt sein sollen.
Im Gegenfalle kann es nämlich eintreffen, dass Spannungs- oberwellen in jeder Wicklung für sich ent stehen, welche sich zwar in ihrer- unmittel baren äusseren Wirkung aufheben, gleichzeitig aber infolge ihrer verschiedenen magnetischen Beziehung zum Ankerstromkreis tertiäre Oberwellen im letzteren hervorrufen können.
Falls bei mehrpoligen Maschinen die Er regerspulen für sich in Reihe geschaltet sind, können sie zusammen an einem gemeinsamen Kondensatorkreis angeschlossen sein. Zwar können dann die Lamellenoberwellen der verschiedenen Spulen in verschiedenen Phasen liegen, aber die äussere Wirkung ihrer Resul tierenden wird doch unterdrückt. Dasselbe gilt auch für die übrigen Wicklungen, falls sie mit kapazitativen Nebenschlüssen ver sehen sind.
Arrangement for suppressing the lamellar harmonics in commutating electrical machines. The current of a commutating alternating or direct current machine has practically ever higher harmonics, preferably of periods that are in a multiple relationship to the number of commutator bars that pass a brush per second. These harmonics can be referred to as lamellar harmonics, and their origin can be explained as follows: During the transition of two adjacent commutator segments on a brush, the current in the coil between the segments should change its direction.
During the reversal period, the coil is short-circuited by the brush, which causes more or less irregular voltage drops in the latter. The total voltage from brush holder to Bür stenhalter is influenced by these voltage drops, and this creates (primary) lamellar harmonics of a kind in the machine voltage, respectively. in the stream. Harmonics of the second type, which can be significantly more serious, arise but secondary in certain machines, in the following way: The coil short-circuited during commu tion generally wraps around the entire iron core of a pole pair of the machine.
The same iron core is also linked to the field winding, which, together with the short-circuited coil, can therefore be viewed as a type of transformer whose primary current is a high-frequency alternating current. In the secondary winding - the excitation winding of the machine - which has a larger number of turns, a relatively high voltage is therefore generated, which significantly amplifies the lamellar overtones. In DC machines; where a substantial part of the magnetic circuit generally consists of solid iron, the latter acts to a certain extent dampening the harmonic waves, but in commutating alternating current machines, where the whole magnetic circuit is laminated, no such damping occurs.
This is likely to be the main reason why the lamellar harmonics, which are predominantly sources of low-voltage disturbances in railway operations, were generally considered to be more dangerous in AC commutator machines than DC machines. The voltage harmonic generated in the excitation winding as described above sends a corresponding current harmonic through the line, and the latter wave is the immediate source of most disturbances.
In order to suppress both the first and the second wave, according to the invention, a capacitive shunt is provided to the exciter winding, which expediently has such a capacity that it practically short-circuits the winding mentioned for frequencies of the size of the lamellar frequency, while it is for the low machine frequency acts as a large (or infinite with direct current) resistance. Since the machines in question (preferably rail motors) often work at very variable speeds, the lamella frequency is also often variable. In such cases, it is of particular importance that the shunt have a low resistance to the frequency which has been found to be particularly disruptive to the telephone conversation; H. about 800 per second or more.
In certain cases it can be advantageous to connect a capacitance and an inductance in series between the terminals of the exciter winding, which can be dimensioned in such a way that a resonance occurs at around 800 periods. If C is the capacitance in Farads and L the inductance in Henry, then should
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his. In many cases, however, such a special inductance can be dispensed with. The capacity should in any case be greater than that which is in resonance with the leakage inductance of the excitation winding for the most important harmonics coming up, but not so large that it resonates with that inductance at the usual machine frequency, around 15-25 per second . The resonance frequency for the capacitance and the leakage inductance mentioned should therefore be between 50 and 500.
As a result of the short circuit, the secondary voltage of the transformer made up of the armature coil and the excitation winding becomes very low and is therefore not able to generate noticeable disturbing harmonics in the line. Since the electrical strength of the capacitor is generally not fully utilized at such a low voltage, it is often advisable to connect a transformer between the field winding and the capacitor. The effect of such a transformer is equivalent to an increase in the capacity of the capacitor in the ratio of the square of the translation. In practice, the latter is not limited by the electrical stress caused by the harmonic, but rather by that of the transformed excitation voltage of the usual number of periods.
If it is desired to connect an inductance in series with the capacitor to create a resonance, the leakage inductance of the transformer can easily be made sufficiently large for this purpose.
Although the excitation winding, as stated above, is likely to be the main source of the lamellar harmonics, such can also be found in the other fixed windings of the machine, i. H. in the compensation and reversing pole winding. To suppress these, the latter windings can also be provided with capacitive shunts, which should then be separated from the shunt of the exciter winding.
In the opposite case, it can happen that voltage harmonics arise individually in each winding, which cancel each other out in their direct external effect, but at the same time can cause tertiary harmonics in the latter due to their different magnetic relationship to the armature circuit.
If, in multi-pole machines, the control coils are connected in series, they can be connected together to a common capacitor circuit. The lamellar harmonics of the various coils can then be in different phases, but the external effect of their resulting animals is suppressed. The same also applies to the other windings if they are seen with capacitive shunts.