Anordnung zur Messung des Bürstenkurzschlussstromes einer elektrischen Kommutatormaschine und zu deren Steuerung
Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Messung des Bürstenkurzschlussstromes einer elektrischen Kommutatormaschine und zu deren Steuerung, die im Gegensatz zu den bekannten Verfahren gestattet, an normalen betriebsmässig installierten Maschinen während des Betriebes den Kurzschlussstrom in den Bürsten bei der Stromwendung unmittelbar zu messen.
Bisher kann der Querstrom durch die Bürsten (Bürstenkurzschlussstrom) bekanntlich nur indirekt über eine punktweise erfolgende Feldmessung oder über aufwendige Messung des Wendestromes ermittelt werden.
Im letzten Falle kann die Messung jedoch nicht an einer normalen, betriebsmässig installierten Maschine erfolgen, sondern es muss die Läuferachse durchbohrt und mit gesonderten Messschleifringen versehen werden, an die ein in einer Ankerspule angebrachter Messwiderstand angeschlossen ist. Es ist nun aber oftmals notwendig, den Bürstenkurzschlussstrom betriebsmässig mit einfachen Mitteln zu erfassen, um die Wendepole von Gleichstrommaschinen richtig einstellen zu können. Diese Wendepole haben bekanntlich den Zweck, ein Bürstenfeuer zu vermeiden, das hauptsächlich vom Verlauf des Wendestromes in der durch die Bürsten jeweils kurzgeschlossenen Spule abhängt. Der Verlauf des Wendestromes wiederum hängt davon ab, ob in der durch die Bürste kurzgeschlossenen Spule ein (Bürsten-) Kurzschlussstrom induziert wird, und wenn ja, in welcher Richtung derselbe fliesst.
In Figur 1 sind die charakteristischen Zeitfunktionen des Wendestromes dargestellt. Die Kurve b zeigt die sogenannte Spätwendung, die bei Fehlen von Wendepolen infolge der verzögernd auf die Stromwendung wirkenden Selbstinduktion über die Streuinduktivität der kommutierenden Spule auftritt. Ist dagegen die Streuinduktivität bzw. bei unkompensierten Maschinen das im gleichen Sinn wirkende Feld der Ankerrückwirkung, verhältnismässig gross, dann liegt Unterstromwendung gemäss Figur 1d vor. Wird das Feld der Ankerrückwirkung und die Selbstinduktionsspannung mit Hilfe von Wendepolen kompensiertdie Ankerrückwirkung kann auch durch Kompensationswicklungen aufgehoben werden - dann erhält man die lineare Stromwendung nach der Geraden a.
Bei einer Überkompensation erhält man eine Frühwendung gemäss Kurve c und bei noch stärkerer Überkompensation die Überstromwendung nach Kurve e. Der in der kurzgeschlossenen Ankerspule auftretende Wendestrom setzt sich gemäss Figur 2 aus dem Nutzstrom iN und dem Bürstenkurzschlussstrom iE zusammen. Der Nutzstrom ergibt für sich allein eine gleichmässige Stromdichte über dem Bürstenquerschnitt. Aus Figur 2, wo ein Bürstenkurzschlussstrom eingetragen ist, wie er bei Spätwendung fliesst, erkennt man, dass sich die beiden Ströme bei der Bürstenauflagefläche auf der Seite der ablaufenden Bürstenkante addieren und somit dort eine grosse Stromdichte vorliegt. Bei der auflaufenden Bürstenkannte sind sie entgegengesetzt gerichtet; sie heben sich also zum Teil oder ganz auf, so dass die Stromdichte hier also gering oder gleich Null ist.
Bei linearer Stromwendung fliesst kein Bürstenkurzschlussstrom. Bei Frühwendung fliesst der Bürstenkurzschlussstrom entgegengesetzt, also in Figur 2 von links nach rechts. Das hat geringe oder Stromdichte Null bei der ablaufenden Bürstenkante zur Folge. Zur Vermeidung von Bürstenfeuer ist daher eine Frühwendung notwendig, die so verlaufen soll, dass an der ablaufenden Kante möglichst die Stromdichte Null herrscht. Die dabei auftretende hohe Stromdichte an der auflaufenden Bürstenkante hat keine nachteilige Wirkung.
Die Grösse und Richtung des Kurzschlussstromes gibt somit ein Mass für die Art der Stromwendung. Um den Bürstenkurzschlussstrom mit einfachen Mitteln betriebsmässig erfassen zu können, weist die Anordnung nach der Erfindung zwei in Berührung mit dem Kommutator stehende Leiter auf, die einen praktisch der Lamellenbreite entsprechenden Mindestabstand voneinander haben und durch einen Messwiderstand miteinander verbunden sind, an dem ein Spannungsabfall auftritt, der ein Mass für den Bürstenkurzschlussstrom ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Die Anordnung ist gemäss Figur 3 als Messbürste aufgebaut, die entweder in einem gesonderten Bürstenhalter eingefügt und mit dem Kommutator in Verbindung gebracht ist, oder die bei Maschinen mit mehreren Bürsten an Stelle einer normalen Bürste in den Bürstenhalter eingesetzt ist.
Die Messbürste besteht aus einem isolierendem Bürstenkörper 1, in dem zwei senkrecht zur Kommutatoroberfläche liegende Kupferbleche oder -drähte oder Kohlescheiben 2 und 3 in entsprechenden Öffnungen 4 und 5 des Bürstenkörpers geführt sind. Die Leiter 2 und 3 werden durch Federn 6 und 7, die sich gegen eine Abschlussplatte 8 des Bürstenkörpers abstützen, an den Kommutator 9 gedrückt. Die einzelnen Lamellen 10 des Kommutators sind durch einen Spalt 11 voneinander getrennt. Die Breite der Leiter 2 und 3 ist etwas grösser als der Spalt 11 gewählt, um Beschädigungen der Leiter im Betrieb zu verhindern. Der Abstand der beiden Leiter voneinander ist etwa gleich der Lamellenbreite gewählt. Die beiden Leiter sind ausserhalb des Bürstenkörpers 1 durch einen Messwiderstand 12 miteinander verbunden.
Parallel zum Messwiderstand 12 liegt ein Voltmeter 13, das so geeicht ist, dass es den Bürstenkurzschlussstrom unmittelbar anzeigt, der durch den Messwiderstand 12 fliesst. Bei linearer Kommutierung fliesst - wie bereits erwähnt - kein Bürstenkurzschlussstrom, während bei Frühwendung ein Bürstenkurzschlussstrom in der einen Richtung und bei Spätwendung ein Bürstenkurzschlussstrom in der anderen Richtung den Messwiderstand durchfliesst und einen Ausschlag des Voltmeters in der einen oder anderen Richtung ergibt. Die Messbürste erfasst der Reihe nach die Bürstenkurzschlussströme in den Spulen.
Es werden also nicht wie bei den bekannten Messmethoden nur der Bürstenkurzschlussstrom in einer einzigen Spule erfasst, sondern die Bürstenkurzschlussströme aller Ankerspulen, so dass durch die Messbürste ein dauernder Gleichstrom fliesst.
Zur Vermeidung von Bürstenfeuer werden - wie bereits erwähnt - die Wendepole so eingestellt, dass Frühwendung erfolgt. In diesem Fall hat der in der kurzgeschlossenen Spule fliessende Bürstenkurzschlussstrom einen Magnetfluss s6 zur Folge, der beim Motor feldschwächend, beim Generator feldverstärkend wirkt.
Ändert sich der Bürstenkurzschlussstrom il ;, dann be- wirkt er also beim Motor eine Drehzahländerung und beim Generator eine Spannungsänderung, was bei Laständerungen zu Pendelerscheinungen führt, weil der Laststrom durch die Wendepolwicklungen fliesst und bei Laststössen eine Änderung des Bürstenkurzschlussstromes hervorruft. Durch das Feld des Bürstenkurzschlussstromes wird das Hauptfeld verändert und diese Änderung ist umso grösser, je weiter der Arbeitspunkt der Maschine ausserhalb des Sättigungsbereiches liegt.
Eine Beeinflussung des Hauptfeldes erfolgt auch durch die Ankerrückwirkung. Diese kann aber bei entsprechender Auslegung der Maschine weitgehend herabgesetzt werden.
Es ist nun bekannt, zur Vermeidung von Pendelerscheinungen infolge der Bürstenkurzschlussströme am Hauptpol der Maschine eine Zusatzerregerwicklung anzubringen und diese vom Ankerstrom durchfliessen zu lassen, derart, dass sie ein Zusatzfeld z erzeugt, das dem Feld 0K entgegengesetzt gerichtet und so gross wie dieses ist. Durch diese bekannte Massnahme ist nur eine statische Stabilität gewährleistet. Die dynamische Stabilität bei den heute immer grösser geforderten Steuerbereichen wird aber nur schlecht erfüllt. Dar über hinaus kann sie nicht für Umkehrantriebe angewendet werden, weil bei der Richtungsumkehr entweder die Richtung des Hauptfeldes oder die des Ankerfeldes umkehren muss.
Bei der Umkehrung würde dann das Zusatzfeld dz in der gleichen Richtung wie das Feld s1 wirken, so dass dieses nicht mehr kompensiert würde.
Diese Nachteile können gemäss einer Weitergestaltung der Erfindung vermieden werden und es kann eine Kompensation des Feldes oi bei jedem Betriebsfall auch bei Umkehrantrieben erreicht werden. Hierzu wird der Strom der Zusatzerregerwicklung in Steuer abhängigkeit vom Bürstenkurzschlussstrom i1 ; gebracht.
Die Steuerung der Kompensation von O abhängig von der Störgrösse, also vom Bürstenkurzschlussstrom, hat weiterhin den Vorteil, dass bei Auswahl geeigneter Übertragungsglieder die Zeitkonstante sehr kurz gehalten werden kann.
Da bei Frühwendung das Feld Sk auch bei einer Drehrichtungsumkehr seine Richtung beibehält und der Zusatzstrom iz also stets in derselben Richtung fliessen muss, kann dieser aus einer gesonderten Stromquelle entnommen werden. Die Grösse dieses Zusatzstromes kann durch eine Steuereinrichtung proportional dem Bürstenkurzschlussstrom i1 ; gemacht werden, so dass das Feld K stets durch das Feld o' kompensiert wird.
In Figur 4 ist eine Anordnung hierzu gezeigt, bei der eine Gleichstrommaschine 20 mit den Hauptpolen 21 und 22 und den Wendepolen 23 und 24 gezeigt ist.
Die im Bereich des Wendepols 24 zusammen mit der nicht dargestellten normalen Bürste vorgesehene Messbürste 1 steuert einen Steuerverstärker 25, der von einer nicht dargestellten gesonderten Stromquelle gespeist wird. Der Ausgang des Steuerverstärkers speist die zusätzlichen Erregerwicklungen 26 und 27, die zueinander in Reihe liegen. Als Steuerverstärker kann z. B. ein Röhren- oder Transistorverstärker bekannter Bauart vorgesehen sein. Die Messbürste wirkt dabei als Steuergeber.
In Figur 5 ist die Abhängigkeit des Spannungsabfalles tUk des Bürstenkurzschlussstromes iz am Widerstand Rli als Funktion des Wendepolstromes iwp gezeigt, die bei einer nicht kompensierten Maschine mit 17 kW gemessen wurde. Bei nicht eingeschaltetem Wendepolfeld ist der Bürstenkurzschlussstrom und damit auch AUI ; am grössten. Bei einem bestimmten Wendestrom iwp wird der Bürstenkurzschlussstrom Null und bei weiterer Vergrösserung fliesst der Bürstenkurzschlussstrom in der anderen Richtung. Aus der im Bereich der Frühwendung vorliegenden Krümmung der Kennlinie ist ersichtlich, dass die Wendepole mit wachsendem Wendepolstrom in Sättigung gehen.
Während es bei reinen Messungen des Kurzschlussstromes weniger auf eine hohe Lebensdauer der Messbürsten ankommt, soll bei der Steuerung von Zusatzerregerfeldern die Messbürste eine Lebensdauer aufweisen, die mit der normalen Bürste vergleichbar ist. Es ist also darauf zu achten, dass die Messbürste stabil und robust ausgeführt wird. Eine vorteilhafte Lösung besteht darin, dass zwischen zwei Kohlenstücken eine Schicht aus Isoliermaterial geringerer Härte als Kohle angeordnet ist, deren Dicke etwa einer Lamellenbreite des Kommutators entspricht.
Die Kohlestücke können aus dem gleichen Material wie normale Bürsten hergestellt werden, haben dann also auch die gleiche Festigkeit und den gleichen Übergangswiderstand. Isoliermaterialien, die weicher als Bürstenkohle sind, stehen in grosser Zahl zur Verfügung, beispielsweise lässt sich das unter der Bezeichnung Pertinax bekannte Material verwenden.
In Figur 6 sind die Kommutatorlamellen 10 angedeutet, die durch Spalte 11 voneinander getrennt sind.
An zwei benachbarte Lamellen ist jeweils eine kommutierende Wicklung angeschlossen. Die Messbürste besteht aus zwei Kohlenstücken 14 und einer Schicht 15 aus Isoliermaterial. Die Dicke dieser Schicht entspricht etwa der Breite einer Lamelle 10. An die beiden Kohlestücke kann ein Messwiderstand 12 und ein Voltmeter 13 angeschlossen werden.
Die Dicke der Kohlestücke 14 ist weitgehend freigestellt und kann den normalen Bürsten angepasst werden. Die Messung des Bürstenkurzschlussstromes wird dadurch nicht gestört.
Die Verbindung der einzelnen Teile der Messbürsten untereinander kann durch Kleben oder durch geeignete isolierte Schraub- oder Nietverbindungen hergestellt werden. Durch die kompakte Ausbildung der Messbürsten ist es möglich, sie für Steuer- und Regelzwecke dauernd auf dem Kommutator schleifen zu lassen.
Um das Kurzschliessen der beiden Bürstenhälften durch den Bürstenhalter zu vermeiden, werden die Innenwände des Bürstenhalters mit isolierendem Material ausgelegt. Man kann dazu Kunststoff in Plattenform verwenden oder die Innenwände mit einem überzug aus Giessharz versehen. Es ist auch auf die Iso lierung der Bürste von den Konstruktionselementen zu achten, die zur Erzeugung des Anpressdrucks auf den Kommutator dienen.