-Verfahren zum Erweitern des Bürstenverstellungsbereichs von Gleichstromdynamos, sowie synchrone Wechselstrommaschine mit Selbsterreger-Gleichstrommaschine zur Ausführung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft ein Verfah ren zum Erweitern des Bürstenverstellungs bereichs von Selbsterreger-Gleichstromdyna mos mit feststehenden Magneten sowie eine synchrone Selbsterreger-Wechselstrom maschine mit Selbsterreger - Gleichstrom maschine zur Ausführung des Verfahrens.
Die Beeinflussung der Betriebsverhält nisse einer elektrischen Anlage mittels blosser Bürstenverstellung war bisher wegen der damit verbundenen starken Funkenbildung nur innerhalb äusserst enger Grenzen zulässig. Diesen Nachteil hat man nicht unmittelbar beheben können, weil ja die schädliche Ankerfeldspannung sich organisch aus den massgebenden Elementen der elektrischen Maschinen ergibt, beispielsweise quadratisch mit der Anzahl der gleichzeitig kommutieren den Wicklungsgänge ansteigt.
Davon rührt es her, dass man die Kommutatorbürsten bis her, zwecks Regelung, kaum um einige Grade verstellen durfte. Die Grösse der Ankerfeldspannung kann nach Pichelmayer wie folgt geschätzt werden: d = 15.L.w.AS.v.10-8, wo A = die Ankerfeldspannung, L = die Eisenlänge in cm, w = die Windungszahl zwischen zwei Lamellen, A<B><I>S</I></B> = die lineare Stromdichte (Strom belag) und v = die Umfangsgeschwindigkeit in cm bedeutet.
Das Verfahren gemäss der Erfindung, um im beliebig wählbaren Sinne und Masse die Bürsten von Selbsterreger-Gleichstrommaschi- nen mit feststehenden Magneten in bezug zur Neutrallage verstellen zu können, besteht darin, dass die Funkenbildung des Gleich stromdynamos auf die Weise praktisch unter drückt wird, dass man die Ankerwicklung desselben in dem magnetischen Kraftlinien raum einer solchen synchronen Selbsterreger Wechselstrommaschine umlaufen lässt,
deren den induzierten Wechselstrom liefernde Ankerwicklung mit der des Gleichstrom dynamos an einem gemeinsamen Körper untergebracht ist und deren Erregerstrom von diesem Dynamo geliefert wird, wobei die Lei stung der Synchronmaschine die dieses Er regerdynamos vielfach übersteigt.
Praktische Versuche an Ausführungsbei spielen zur Durchführung des Verfahrens haben ergeben, dass die Gefahr einer Funken bildung auch bei einer auf 60-70 elektrische Grade belaufenden und sogar bei einer noch weiteren Bürstenverstellung gänzlich ver schwindet. Diese günstige Wirkung lässt sich offenbar damit erklären, dass es genügt, \nenn die Stärke der mit dem Gleichstromdynamo herzustellenden Erregerenergie bloss einen Bruchteil der mit der Synchronmaschine herzustellenden Netz- bezw. Nutzenergie be trägt.
Da nämlich die Grösse der bezüglichen magnetischen Kraftlinienräume, unter den gegebenen Umständen, das gleiche Verhält nis zeigt, so wird die Erregerdynamo in einem vielfach grösseren magnetischen Kraft linienraum umlaufen können, als ein solcher für dieselbe nötig wäre. Der Anker des Er regerdynamos wird sodann gerade in einem solchen magnetischen Kraftlinienraum einer geringen Anzahl von Wicklungsgängen be dürfen.
Der regelnde Einfluss der gemäss der Er findung ermöglichten beträchtlichen Bürsten verstellungen zeigt sich zunächst in einer Abnahme der Leerlauf-Erregerspannung. Als eine weiterer und nicht minder einzuschätzen der regelnder Einfluss ergibt sich bei den Bürstenverstellungen in der Umlaufrichtung des Erregerdynamos das Kompensieren von Belastungsänderungen der Synchronmaschine und im Falle von Bürstenverstellungen in der entgegengesetzten Richtung ein steiler Abfall der Wechselstrom-Betriebsspannung bei Zu nahme der Belastung der Synchronmaschine. Unter einer Ohmschen, induktiven oder kapa- zitiven Belastung der Synchronmaschine wird nämlich auch die Gleichstrom-Erregerspan nung entsprechend ab- bezw. zunehmen.
Da die Lage der Bürsten auf dem Kommutator für die magnetomotorische Lage des Ankers gegenüber der der feststehenden Erregerwick lung ebenso bestimmend ist wie wie magneto- motorische Kraft der umlaufenden Anker wicklung der Synchronmaschine, so wird man von vornherein den Sinn und das Mass der Kommutatorbürstenverstellung an die Be schaffenheit und an das stetige oder wech selnde Mass der Betriebsbelastung des Syn- chrongenerators anpassen können.
Werden beispielsweise die Kommutatorbürsten im voraus derart eingestellt, dass sie sich auch in dem extremsten Falle in einer für die maximale Kraftliniendichte der belasteten Synchronmaschine neutralen Lage befinden sollen, so kann man ohne weiteres auch das erreichen, dass die von dem Dynamo gelieferte Gleichstrom-Erregerspannung bei der be lasteten Synchronmaschine grösser sei als bei der leerlaufenden. Die gesteigerte Erreger spannung erhöht die Stärke des magnetischen Feldes und gleicht somit die unter der Be lastung auftretende Abnahme desselben aus.
Die durch die Erfindung funkenlos er möglichte freie Verstellung der Kommutator bürsten wird somit die Wechselstrom-Be triebsspannung fortlaufend selbsttätig und augenblicklich ausgleichen können.
Das Wesen einer zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zweckmässi gen synchronen Selbsterreger-Wechselstrom maschine mit einem einzigen Anker, mit fest stehenden Magneten, mit Schleifringen sowie mit Kommutator ist, dass die Synchron maschine und ihr Erreger-Gleichstrom- dynamo ein gemeinsames elektromagnetisches System haben und dass die Arbeitslage zu mindest einer Kommutatorbürste des Gleich stromdynamos, in bezug zu der neutralen Lage derselben, zumindest um 15 elektrische Grade verstellt ist.
Vorteilhaft ist eine solche Bemessung der einen Gleichstrom leitenden, ortsfesten sowie umlaufenden Wicklungen der Synchron- maschine, die bei den in Betracht kommen den Bürstenverstellungen gültig ist, nämlich dass
EMI0003.0000
En = die in der Neutrallage der Kommu tatorbürsten auftretende Gleichstrom- Erregerspannung, <I>Im =</I> die Intensität des zum Hervorbrin gen der Wechselstrom-Betriebsspan nung erforderlichen Magnetisierstro- mes, Rm = den Ohmschen Widerstand der Ma- gnetisierwicklung und der Gleich stromankerwicklung und u = die in elektrischen Graden gemessene Verstellung der Kommutatorbürsten bedeutet.
Der grössere Wert gilt vornehmlich für den Fall, wenn in den Erregerkreis, bei spielsweise zwecks Ausgleichung der Tempe raturverhältnisse oder dergleichen, auch ein Reglerwiderstand geschaltet wird, dessen Ohmscher Wert mit zu berücksichtigen ist.
Auf der beiliegenden Zeichnung stellen die Figuren Maschinen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens sowie Be triebskennlinien dieser Maschine dar. Fig.1 bis 3 sowie 7 und 8 sind Schemas von Syn chrongeneratoren, und Fig. 4-6 zeigen ver schiedene Kennlinien dieser Maschinen.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Synchrongenerator hat einen gommutator 1, Kommutatorbürsten 2, 3, eine Gleichstrom- Ankerwicklung 4, Schleifringe 5, 6 und Bür sten 7, 8, ferner die Wechselstrom-Anker wicklung 9, das Magnetgestell -10 und den einzig dargestellten Pol 11 mit der Erreger wicklung 12, die mittels der Leitungen 13, 14 an die Kommutatorbürsten 2, 3 ange schlossen ist. Die Wechselstrom-Ankerwick lung 9 ist mittels der Leitungen 15, 16 an die Schleifringe 5, 6 angeschlossen, an deren Bürsten 7, 8 das Netz 17, 18 angeschlossen ist. Die Gleichstrom-Ankerwicklung 4 und die Wechselstrom-Ankerwicklung 9 sind auf dem gleichen Anker angebracht.
Die Kommutatorbürsten 2, 3 sind aus ihrer in die waagrechte geometrische Achse fallenden neutralen Lage in der mit Pfeil angegebenen Umlaufrichtung der Maschine um ein beträchtliches Mass verstellt. In Fig. 4, wo die Abszissen die in elektrischen Graden gemessenen Bürstenverstellüngswin- kel und die Ordinaten die Gleichstrom-Er regerspannungen angeben, zeigt die gestri chelte Kurve 19, dass die Grösse der Gleich strom-Erregerspannung Vo beim Leerlauf des Synchrongenerators, nach Massgabe der in Umlaufrichtung der Maschine erfolgenden Verstellung der Kommutatorbürsten 2, 3 ab nimmt, und zwar von einem Maximum in der Neutrallage bis Null bei der Verstellung um 90 .
Die voll ausgezogene Kurve 20 zeigt die Änderung der Gleichstrom-Erregerspan nungen V, bei gleichen Bürstenverstellungen, jedoch beim belasteten Synchrongenerator. Diese Kurve verläuft anfangs unterhalb, spä ter aber oberhalb der andern und fällt mit dieser bis Null ab.
Wenn man nun für eine jede Abszisse der beiden Kurven das Produkt aus den Gleich strom-Erregerspannungen der Kurve 19 mit dem Unterschied der jeweiligen Spannungs werte der beiden Kurven 20 und 19, d. h. mit jenem Unterschied bildet, den man erhält, wenn man aus der beim belasteten Synchron generator auftretenden Gleichstrom-Erreger- spannung die beim unbelasteten Synchron generator auftretende Gleichstrom-Erreger- spannung subtrahiert und diese Produkte in das Diagramm aufträgt, so erhält man die strichpunktierte Kennlinie 22.
Diese ergibt anfangs negative Werte, sodann bei der Ordinate 21 sowie in dem gemeinsamen End punkte der beiden Kurven 19, 20 Null und erreicht zwischen _den beiden Nullwerten ein Maximum. Nach praktischen Versuchen an Maschinen zur Durchführung des Verfah rens gemäss der Erfindung ist es am zweck mässigsten, wenn man einen in den Scheitel bereich der Kennlinie 22 fallenden Bürsten verstellungswinkel wählt. Das Optimum stellt sich in der Regel bei einem Winkel von etwa 60-70 ein. In. diesem optimalen Bereich kann man aus den Polschuhen Kommutations lücken aussparen, womit die Gefahr der Fun kenbildung noch weiter herabgesetzt und die Regelung mittels einer Bürstenverstellung noch mehr erleichtert wird.
In den beiden Fig. 5 und 6 wurden die Wechselstrom-Betriebsspannungen P als Ordi naten und die Wechselstrom-Belastungen 1 des Synchrongenerators als Abszissen aufge tragen. Aus den somit erhaltenen Charakte ristiken der Maschine gilt Fig. 5 für Ver stellungen derKommutatorbürsten in der Um laufrichtung, Fig. 6 aber gegen die Umlauf richtung.
In Fig. 5 zeigt die Kurve 23 die Ände rungen der Wechselstrom-Betriebsspannung in Abhängigkeit von der Belastung des Syn chrongenerators, wenn die Kommutatorbür sten in der für das Erregerdynamo neutralen Lage bleiben. Die Kurve 24 zeigt ebensolche Änderungen, wenn die Kommutatorbürsten in Umlaufrichtung der Maschine um etwa (>0 elektrische Grade verstellt Werden. Der Unter schied zwischen den beiden Spannsingen ist entlang jenes Teils der Kurve 24 gering, wo man mit der Maschine in der Wirklichkeit arbeitet. Bei andern Bürstenverstellungen erhält man andere Kurvenpaare.
Die Schwan kungen der Weehselstrom-Betrielisspannung zwischen dem unbelasteten und dem belaste ten Zustand des Synchrongenerators und ebenso die mit den Belastungsänderungen verbundenen Spannungsschwankungen kön nen daher mit einer blossen Bürstenverstel- lung beliebig vermindert und sogar gänzlich behoben werden.
Einen diesbezüglichen Er folg hat man bisher entweder mit einer Über bemessung des ganzen Synchrongenerators, d. h. mit Stoffverschwendung, Gewichts- erhöhung und mit einer Unwirtschaftlichkeit des Betriebes, oder aber mit teueren, kompli zierten und nur schwer übersichtlichen und überwachbaren Reglereinrichtungen errei chen können.
Fig. 6 versinnbildlicht ähnliche Zusam menhänge wie Fig. 5, und zwar die- Kurve 25 bei unverschobenen, die Kurve 26 aber bei gegen die Umlaufrichtung der Maschine um etwa 30 elektrische Grade verstellten Kommu tatorbürsten. Das Abfallen der Kurve 26 lässt sich mit einer weiteren Verstellung der Kommutatorbürsten noch steiler gestalten. Maschinen mit einer solchen Charakteristik, die man lediglich durch Bürstenverstellung wählen kann, finden an manchen Gebieten der Industrie, beispielsweise zu Schweisszwek- ken, Verwendung. Der Winkel der Bürsten verstellung kann entsprechend der gewünsch ten Spannungsabnahme gewählt werden.
Fig. 2 zeigt einen Synchrongenerator nach Fig. 1 mit einem Hilfsmagnet 27, der in der mit Pfeil angedeuteten Umlaufrichtung der Maschine nach dem Hauptmagnet 11 angeord net ist. Dieser Hilfsmagnet übernimmt einen Teil der Kompensierung und entlastet somit die mit der Bürstenverstellung bewirkte Re gelung. Er bewerkstelligt nämlich eine etwas ähnlichc Wirkung wie die Bürstenverstellung, wobei sowohl die Hilfsmagnete Wie auch die Bürsten vornehmlich im Bereiche der maxi malen Kraftliniendichte des den Wechsel strom erzeugenden Generatorteils angeordnet Werden sollen.
Der mit gestrichelten Linien gezeichnete Hilfsmagnet 28 soll andeuten, dass Hilfs magnete den jeweiligen Umständen, beispiels weise der wechselnden Umlaufrichtung, an gepasst werden können.
Fig. 3 zeigt ein weiter vereinfachtes Schema des Synchrongenerators nach Fig. 1, wo neben der < in die verstellten Kommutator bürsten "'?, 3 angeschlossenen Erregerwick lung 12 auch eine zweite Erregerwicklung 29 mit in der Nezitrallage verbleibenden Kom- mutatorbürsten 30, 31 zur Verstärkung des Hauptniagnetisierfeldes vorhanden ist. Diese Lösung weist ähnliche Vorteile wie das An bringen von Hilfsmagneten auf und ermög licht die Entnahme eines Teils des Gleich stromes zu Nebenzwecken.
Fig. 7 und 8 zeigen je eine weitere Alter native der Maschine nach Fig. 1.
Die Tragweite der Erfindung lässt sich aus den Ergebnissen von eingehenden Prüf versuchen beurteilen, nach welchen die Anker feldspannung ohne weiteres auf den '/,o und sogar 1/10o Teil der bisher zugelassenen Werte verringert und somit Synchronmaschinen ge baut werden konnten, die bei gleicher Lei stung und bei einer beträchtlichen Verminde rung der Wechselstrom-Spannungsschwan kungen bedeutend leichter und billiger aus fallen und noch dazu einfacher zu behandeln sind als die bisherigen Maschinen.
Kennzeichnend für die Synchrongenera toren gemäss Fig.1 und 2 ist, dass die Zurück stellung der Kommutatorbürsten in ihre Neu trallage die Betriebsverhältnisse weitgehend verschlechtern, beispielsweise die Leerlauf wechselspannungen derart sprunghaft er höhen würde, dass dies die an das Netz ge schalteten Instrumente, Glühlampen usw. ge fährden könnte.
Die dargestellten Generatoren eignen sich mit Rücksicht auf die feststehenden Magnete insbesondere für kleinere Leistungen, etwa unterhalb 20-30 Kilowatt. Solche Maschi nen werden zum Beispiel zu landwirtschaft lichen Beleuchtungsanlagen, in fahrbaren Röntgeneinrichtungen usw. gebraucht.
Die angedeuteten Vorteile der beschriebe nen freien Verstellung der Kommutatorbür sten kommen jedoch auch in grossen Anlagen zur Geltung, weil ja die Möglichkeit der fuu- kenfreien Bürstenverstellung sich eigentlich r nach der Belastung des die Leistung des Er regerdynamos vielfach übertreffenden Syn- chrongenerators richtet.