DE114306C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Der Erfindungsgegenstand bezieht sich auf ein Erregungsverfahren für Wechselstromerzeuger und Triebmaschinen, und zwar sowohl für einfache als auch mehrphasige synchrone und asynchrone Maschinen.

In der deutschen Patentschrift 113552 ist eine »Maschine mit Sinuswickelung« beschrieben, mit welcher man vermittelst eines magnetischen Wechsel- oder Drehfeldes Gleichströme oder mehrphasige Wechselströme erzeugen kann, deren Periodenzahl, wie im Folgenden gezeigt werden soll, durch ein einfaches Verhältnifs bestimmt ist, und zwar durch die Verbindung dieser oder irgend einer anderen, gleichwirkenden Maschine mit einer synchronen oder asynchronen Wechselstrommaschine und einem nachstehend zu beschreibenden, als »Compoundirungstransformator« (transformateur de compoundage) bezeichneten Apparat.

Wie in der oben genannten Patentschrift auseinandergesetzt, kann man bei einer Maschine mit Sinuswickelung, wenn das magnetische Feld mit einer Geschwindigkeit w und der Anker mit einer Geschwindigkeit Ω kreist, zwischen welchen die Beziehung u> = — k Q besteht, wo k einen von der Art der Wickelung abhängigen Coefficienten bedeutet, zwischen den im Winkel

auf dem Strom-

k + i

wender zu einander stehenden Bürsten einen Gleichstrom abnehmen. Die elektromotorische Kraft dieses Stromes ist E = e_x Ω, in welcher Formel β_λ hauptsächlich von der Kraftlinienzahl abhängt. Ist die Feldgeschwindigkeit οι = — k Ω -f Σ, so wird der zwischen den gleichen Bürsten gesammelte Strom ein Wechselstrom. Die elektromotorische Kraft dieses

Stromes ist E = e, 2—
V

cos ε t und

zwischen anderen genau in der Mitte der erstgenannten liegenden Bürsten ist die gesammelte elektromotorische Kraft

sin ε t.

E — e, 9 —
\

Angenommen beispielsweise, eine Maschine besäfse zwei Pole und es sei k = — 2. Das Feld mufs sich dann mit der doppelten Geschwindigkeit wie der Anker drehen, so dafs also, wenn beispielsweise die inducirenden Ströme 50 Perioden aufweisen und das Feld 3000 Umdrehungen in der Minute macht, der Anker deren 1500 machen mufs, um zwischen den beiden um einen Winkel ττ von einander entfernten Bürsten Gleichstrom zu erzeugen. Wenn sich der Anker mit einer Geschwindigkeit von 1500 Umläufen dreht, besitzt die elektromotorische Kraft zwischen den Bürsten, da das Feld stets 3000 Umdrehungen macht, eine Frequenz von zwei Perioden pro Secunde und die Schwingungsweite ist 2 π ■ ιη · e_x.

Schiebt man den Anker dieser Dynamomaschine verstellbar auf die Welle einer vierpoligen Synchron -Wechselstrommaschine auf,

welche infolge dessen mit der Geschwindigkeit von ι 500 Umläufen Ströme von der Periodenzahl 50 erzeugt, und zweigt die inducirenden Stromkreise der Dynamomaschine auf die Ankerstromkreise der Wechselstrommaschine ab, so wird man zwischen den Dynamobürsten einen Gleichstrom sammeln, welcher zur Erregung der Inductoren der Wechselstrommaschine dienen kann. Man erhält so eine Erregermaschine, welche selbst wieder durch die Wechselstrommaschine erregt wird.

Anstatt den Anker dieser Dynamomaschine verstellbar auf die Welle einer synchronen Wechselstrommaschine aufzuschieben, wird er auf die Welle einer Asynchronmaschine von der gleichen Periodenzahl und der gleichen Geschwindigkeit aufgeschoben, deren feststehender oder Primärtheil auch noch mit den Inductoren der Dynamomaschine verbunden ist. Macht nun der umlaufende oder Secundärtheil der Asynchronmaschine 1 500 Umdrehungen in der Minute, so wird bekanntlich diese Maschine Stromerzeugerin und die im umlaufenden Theil vorhandenen Ströme werden die Periodenzahl 2 besitzen. Vorher wurde für die gleiche Geschwindigkeit' gezeigt, dafs die zwischen den Bürsten der Dynamomaschine mit Sinuswickelung gesammelten Ströme genau die Frequenz 2 besitzen; man kann also zwischen vier rechtwinklig zu einander angeordneten Bürsten Zweiphasenströme erzeugen, welche zur Erregung der Stromkreise des kreisenden Theils der Asynchronmaschine dienen können, so dafs man also eine Erregermaschine erhält, welche selbst wieder durch die Asynchronmaschine erregt wird.

Prüft man nun die Vorgänge in beiden Fällen und untersucht, wie man auf diese Weise Stromerzeuger und Motoren erhält, deren Spannung unabhängig von den durch den Apparat gelieferten bezw. aufgenommenen Strömen ist, so ergiebt sich Folgendes:

i. Synchronmaschine.

Angenommen, man wollte eine synchrone Zweiphasenwechselstrommaschine herstellen, welche sich mit 1500 Umläufen in der Minute dreht und Ströme von 50 Perioden liefert, deren Spannung unabhängig von der Maschinenleistung sei, so mufs sich die Erregung nach einem bestimmten Gesetz ändern, in welchem die von der Maschine geleisteten Ströme und ihre Phase auftreten.

Gesetzt, es sei E sin w t die elektromotorische Kraft an den Klemmen einer der Inductionswickelungen und J₁ sin (ω t -f- φ) der von dieser Wickelung gelieferte Strom, dann wird man zugeben, dafs die elektromotorischen Kräfte, die Intensität und die Entnahme in der zweiten, der Cosinuswickelung die gleichen sind. Der Erregungsstrom des Inductors ist in seiner Wirkung, der geleisteten Intensität und der Entnahme bestimmt durch die Formel:

J = ]/ (A + B I₁ sin ψ) ² + (B I₁ cos ψ) ²,

in welcher A und B von den Constructionselementen der Wechselstrommaschine abhängige Constanten bilden.

Es folgt daraus, dafs der Erregungsstrom sich ändert, wenn I₁ und φ sich ändern.

Um der aufgestellten Bedingung zu genügen, wird die durch Fig. 1 veranschaulichte Bauart einer gewöhnlichen, zweiphasigenWechselstrommaschine gewählt, bei welcher der Inductor b beweglich und der Anker c feststehend ist. Umgekehrt ist bei der Erregermaschine d, welche Sinuswickelungen besitzt, der Inductor e feststehend und der Anker/" drehbar, der Compoundirungstransformator g ist zweiphasig. Der Anker f der Erregermaschine d ist auf die Welle der Wechselstrommaschine α aufgekeilt, welche schon den Inductor b trägt. Die Wickelung h des letzteren ist von der gewöhnlichen Art und durch Schleifringe und Bürsten j j mit den auf dem Stromwender m der Erregermaschine gleitenden Bürsten / / verbunden. Jede der Wickelungen η des Erregerinductors liegt im Nebenschlufs zur entsprechenden Wickelung ρ des Wechselstrommaschinenankers, wobei die Secundärwickelung q des Transformators g zwischen beide Wickelungen geschaltet ist, während die Primärwickelung r desselben mit dem Hauptstromkreis des Wechselstromankers in Reihe geschaltet ist.

Da die zwischen den Bürsten der Erregermaschinen gesammelte continuirliche elektromotorische Kraft proportional der Zahl der wirksamen Kraftlinien dieser Erregermaschine und der Potentialunterschied an den Klemmen einer jeden Wickelung dieses Inductors gleichfalls proportional der Zahl der wirksamen Kraftlinien ist, so kann man daraus schliefsen, dafs die continuirliche, zwischen den Bürsten gesammelte elektromotorische Kraft genau proportional dem Potentialunterschied an den Klemmen einer der Inductorwickelungen ist.

Da der Widerstand des Wechselstrominductors constant ist, so genügt es mithin, dafs die Klemmenspannung an einer der Inductorwickelungen der Erregermaschine in der obigen Formel einen Werth constant beibehält, welcher dem Werth J gleich ist. Im Folgenden soll gezeigt werden, dafs dies auch bei der Anordnung nach Fig. 1 der Fall ist.

L sei der Selbstinductionscoefficient einer Inductorwickelung der Erregermaschine und L₂ der Selbstinductionscoefficient der mit dem Stromkreis der Erregerwickelung in Reihe geschalteten Transformatorwickelung. Ferner sei m der Inductionscoefficient zwischen den beiden

Transformatorwickelungen. Die Rechnung ergiebt als Klemmenspannung an einer der In-

ductorwickelungen der Erregermaschine den .Werth

L (E + ω m /, sin φ) . e_x = ——- =—j—γ¹ -¹— sin cu t

und der Maximalwerth ist

w Lm _T

—■—— J₁ cos φ cos w t;

L-J-I₂ ^

e, =

■t/l LE L (pm

Lwm

^cosφ

Diese,Formel ist identisch mit der oben für J angegebenen, wenn man in derselben setzt

LE

/_a

■ = A und —■

Lwm

L +I,

= B.

Nebenbei sei bemerkt, dafs die so erzeugte selbstthätige und vollkommene Compoundirung keine solche sein würde, wenn man diese Erregermaschine durch einen gewöhnlichen Umformer ersetzen wollte, denn die vorstehenden Gleichungen sind nur erfüllt worden, weil die Stromkreise η der Fig. ι keinen Wattstrom, sondern nur wattlosen Strom aufnehmen; ein Umformer, welcher zugleich Wattstrom und wattlosen Strom aufnimmt, würde mithin nicht brauchbar sein.

2. Asynchronmaschine.

Wird die Wechselstrommaschine des vorigen Beispiels durch eine gleichfalls zweiphasige und vierpolige Asynchronmaschine ersetzt, so gelangt man zu der in Fig. 2 dargestellten Anordnung.

Die Wechselstrommaschine α besitzt noch einen Inductor b und einen Anker c; während jedoch der letztere mit demjenigen der Fig. 1 identisch ist, ist der Inductor aus Lamellen zusammengesetzt und mit 2, 3 oder η vielphasigen Wickelungen (im vorliegenden Falle zwei, h und t) versehen. Der Anker der Wechselstrommaschine ist, wie in Fig. 1 mit dem Compoundirungstransformator g und mit dem Inductor der Erregermaschine verbunden. Von den Wickelungen h und t des Wechselstrominductors wird die erste, /2, mit den gleichen Bürsten // der Erregermaschine durch Vermitlelung der gleichen Ringe und Bürsten j j verbunden, wie in Fig. 1, die zweite, i, mit zwei anderen, genau in der Mitte zwischen den Bürsten / / angeordneten Bürsten ν ν, und zwar durch Vermittelung von Ringen und Bürsten s s.

Bezeichnet man mit

ε die mit 2 π multiplicirte Frequenz der im umlaufenden Theil der Asynchronmaschine inducirten Ströme,

jR den Gesammtwiderstand des einen Stromkreises des rotirenden Theils, Wickelung und Erregermaschine zwischen den Bürsten,

/ den Selbstinductionscoe'frkienten des einen Stromkreises des feststehenden Theils, welcher der Einfachheit wegen gleich dem wechselseitigen Inductionscoefficienten zwischen diesem Stromkreis und einem der feststehenden Stromkreise angenommen wird, so zeigt eine für den vorliegenden Zweck zu weitgehende Berechnung, dafs man in jedem der Stromkreise des umlaufenden Theils eine elektromotorische Kraft e₂ einschalten mufs, welche der Formel entspricht:

' = — R ( J- I₁ sin φ I sin Σ ί— ί— E — RI₁ cos φ I cos Σ t,

\lu) ) \w J

worin, wie oben erläutert, Σ = ω -\- k Q ist.

Aufserdem ist bei der Anwendung des gleichen Compoundirungstransformators wie bei der Synchronmaschine die Klemmenspannung an einer Inductorwickelung der Erregermaschine'

_τ ,' £ 4- u> W2 J₁ sin φ \ . W Lm

e, = L I ^!—;—_;—= — I sin «ι ί — I₁ cos φ cos cu t,

so dafs bei geeigneter Anordnung der Bürsten die Spannung zwischen den letzteren, zwischen welchen die in Rede stehende Wickelung ab-· gezweigt ist, sein wird:

[7 LE Lwm \ . Lwm Ί

Hieraus folgt, dafs, wenn man — E vertu

nachlässigen kann, der Werth e., gleich dem von e^l.₂ ist, unter der Bedingung, dafs

X-

L w in LA-L

— R und m = I ist,

das bedeutet, dafs bei Erfüllung dieser Bedingungen die Asynchronmaschine durch die sehr kleinen Werthe von Σ, also für den Synchronismus sehr nahekommende Geschwindigkeiten compoundirt wird.

Es mögen noch einige Bemerkungen zu den so erregten Synchron- und Asynchronmaschinen folgen.

1. Die in den beiden gewählten Beispielen verwirklichte Compounderregung kann einfach in Abzweigung ausgeführt werden, d. h. die Inductoren der Erregermaschine können einfach in Abzweigung zum Maschinenanker eingeschaltet werden. Die Erregung kann aber auch noch in Reihe geschehen, d. h. die Inductoren der Erregermaschine können von dem von der Maschine geleisteten Hauptstrom einfach durchlaufen werden.

2. Man kann das Ganze so anordnen, dafs die Maschine nur wattlosen Strom liefert, oder dafs sie weder irgend einen wattlosen Strom liefert noch aufnimmt.

3. Die in den beiden, dem Fall k ——2 entsprechenden Beispielen gewählte besondere Erregermaschine ist nicht die einzige, welche diese Ergebnisse zu erzielen gestattet, es kann vielmehr jede Maschine, welche ähnliche Ergebnisse liefert, angewendet werden; beispielsweise eignen sich hierzu auch die verschiedenen, in der Patentschrift 113552 genannten Maschinen mit Sinuswickelungen, und unter diesen besonders die Maschine, bei welcher k == ι ist.

Diese Maschine gestattet thatsächlich, Gleichstrom aus einfachem Wechselstrom zu erhalten; sie kann mithin vortheilhaft zur Erregung einfacher Wechselstrommaschinen verwendet werden. Fig. 3 der beiliegenden Zeichnung stellt eine einfache Synchronwechselstrommaschine dar, welche in Verbund durch eine dieser mit einem Compoundirungstransformator versehenen Maschinen erregt wird. Es ist überflüssig, dies besonders zu beschreiben.

4. Die beschriebenen Anordnungen können für Maschinen mit beliebig vielen Polen und Phasen verwendet werden.

Claims (2)

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren zur Erregung von ein- oder mehrphasigen, synchronen oder asynchronen Wechselstrommaschinen und Motoren, dadurch gekennzeichnet, dafs mit der Wechselstrommaschine eine Dynamomaschine mit Sinuswickelung nach Patentschrift 113552 derart verbunden wird, dafs letztere die erstere erregt und ihrerseits durch von der Wechselstrommaschine gelieferte oder aus dem Wechselstromnetz entnommene Ströme erregt wird.

2. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch ι zur Compoundirung der Wechselstrommaschine, dadurch gekennzeichnet, dafs in den Erregungsstromkreis der Dynamomaschine mit Sinuswickelung die Secundärwickelung eines ein- oder mehrphasigen Compoundirungstransformators eingeschaltet wird, dessen Primärwickelung vom Hauptwechselstrom durchflossen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.