DE1240170B

DE1240170B - Compensated direct current shunt machine with reversing poles for rapidly changing loads

Info

Publication number: DE1240170B
Application number: DE1960L0035576
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Ernst Hall
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1960-03-11
Filing date: 1960-03-11
Publication date: 1967-05-11

Description

Kompensierte Gleichstrom-Nebenschlußmaschine mit Wendepolen für schnell veränderliche Belastung Die Verwendung von kompensierten Gleichstrom-Nebenschlußmaschinen bei Walzwerken ist eines der bedeutendsten Anwendungsgebiete derselben; dabei konnten seit dem Bekanntwerden der Stromrichtertechnik und deren Anwendung im Zusammenhang mit einer stetie, verbesserten Regelungstechnik erhebliche Fortschritte hinsichtlich der Geschwindigkeit und der Genauigkeit der Walzvorgänge erzielt werden. Das Fehlen jeglicher mechanischer Trägheit beim Stromrichter gestattet nämlich eine außerordentlich schnelle Änderung von Strom und Spannung und damit auch des Drehmomentes. Die Folge davon ist jedoch für die Gleichstrommaschinen, die bis vor der Anwenduno, der Stromrichtertechnik als Nebenschlußmaschinen mit massivem Ständerjoch ausgeführt wurden, daß die Magnetflußverzögerung bei den schnellen Stromänderungen zu schwierigen Anpassungen führt. Das hier aufgeworfene Problem ist besonders im Wendefeldkreis kompliziert; der Nut-, Zahn- und Wickelkopfstreulluß, der bei der Kommutierung die Reaktanzspannung hervorruft, ist praktisch ungedämpft und daher auch bei den üb- lichen Stromänderungen, welche bis zu einem etwa fünfundzwanzigfachen Nennstrom pro Sekunde auftreten, nicht verzögert. Um eine einwandfreie Kommutierung zu erreichen, muß daher auch der Wendefluß zumindest angenähert verzögerungsfrei sein.Compensated DC shunt machine with reversing poles for rapidly changing loads The use of compensated DC shunt machines in rolling mills is one of the most important areas of application for the same; Since power converter technology became known and its application in connection with steady, improved control technology, considerable progress has been made with regard to the speed and accuracy of the rolling processes. The lack of any mechanical inertia in the converter allows for an extremely rapid change in current and voltage and thus also in torque. The consequence of this, however, is for DC machines, which were designed as shunt machines with a massive stator yoke before the application of converter technology, that the magnetic flux delay leads to difficult adaptations in the case of rapid current changes. The problem raised here is particularly complicated in the Wendefeld district; the slot, tooth and winding head stray soot , which causes the reactance voltage during commutation, is practically undamped and therefore not delayed even with the usual current changes, which occur up to about twenty-five times the nominal current per second. In order to achieve perfect commutation, the reversing flux must therefore also be at least approximately free of delay.

Bei Grenzleistungsmaschinen, wie sie besonders bei Walzwerken verwendet werden, kann das Wendefeld um etwa 3 bis 4% seines Nennwertes verstimmt werden, ehe die an den Bürsten auftretende Funkenbildung zu Anbrennungen des Kommutators führt. In der Praxis sind aber die Stromsteilheiten wesentlich größer und rufen eine Verzögerung bis zu etwa 30 Ofo des Nennwertes des Wendefeldes hervor. Die dadurch auftretenden starken Anbrennungen des Kommutators verursachen dann oft sehr rasch auch Überschläge.In high-performance machines, such as those used in rolling mills in particular, the turning field can be detuned by around 3 to 4% of its nominal value before the spark formation on the brushes causes the commutator to burn. In practice, however, the steepnesses of the current are much greater and cause a delay of up to about 30 Ofo of the nominal value of the turning field. The resulting severe burns on the commutator then often cause flashovers very quickly.

Um die genannten Beschädigungen des Kommutators zu vermeiden, ist es also insbesondere bei den angegebenen oder gar noch höheren Stromsteilheiten nötig, Verzögerungen des Wendeflusses zu vermeiden. Dazu bietet sich unter anderem an, im massiven Ständerjoch die die Verzögerung hervorrufenden Wirbelströme zu kompensieren.In order to avoid the aforementioned damage to the commutator, So it is especially with the specified or even higher current slopes necessary to avoid delays in the turning flow. This offers itself among other things to compensate for the eddy currents causing the delay in the massive stator yoke.

In diesem Zusammenhang sei auf die französische Patentschrift 695 642 hingewiesen. Nach dieser wird die Sekundärwicklun- eines in Reihenschaltung im Ankerkreis einer Gleichstrommaschine liegenden Transformators mit einer auf dem Wendepol angebrachten Zusatzwicklung in Reihe geschaltet. Die bei Stromänderungen auftretenden Flußänderungen in den Hauptpolen induzieren in den Anker die Transforinator-EMK, die durch die um 90' el. versetzte Zusatzwicklung auf dem Wendepol kompensiert werden soll. Die in Frage kommende Ankerspule liegt dabei in Richtung des Wendeflusses und kann daher von diesem nur bei Rotation des Ankers eine EMK induziert erhalten. Da also die vom Erregerfeld induzierte Spannung drehzahlunabhängig und die vom Wendefeld induzierte drehzahlabhängig ist, ist eine Kompensation nur bei einer diskreten Drehzahl möglich. Als weiterer Punkt ist zu beachten, daß im (magnetischen) Erregerfeldkreis Induktionen nahe der Sättigung auftreten können, während der (magnetische) Wendefeldkreis aus Gründen der Proportionalität zwischen Fluß und Strom dagegen stets ungesättigt ist. Eine Kompensation der Transformator-EMK ist deshalb nur für bestimmte Bereiche des Ankerstromes möglich. Zusammenfassend ist also festzustellen, daß diese bekannte Anordnung sich nur auf die Kompensation von Spannungen im Ankerkreis (Transformator-EMK) bezieht, wobei der Zusatzkreis außerdem den weiter oben genannten beiden Anforderungen genügen muß.In this context, reference is made to French patent specification 695 642. After this, the secondary winding of a transformer connected in series in the armature circuit of a DC machine is connected in series with an additional winding attached to the reversing pole. The flux changes that occur in the main poles when the current changes, induce the transformer EMF in the armature, which is to be compensated for by the additional winding offset by 90 'el. On the reversing pole. The armature coil in question lies in the direction of the turning flux and can therefore only receive an EMF induced from it when the armature rotates. Since the voltage induced by the exciter field is speed-independent and the voltage induced by the turning field is speed-dependent, compensation is only possible at a discrete speed. Another point to be noted is that inductions close to saturation can occur in the (magnetic) field circuit, while the (magnetic) turning field circuit is always unsaturated due to the proportionality between flux and current. A compensation of the transformer EMF is therefore only possible for certain ranges of the armature current. In summary, it can be stated that this known arrangement only relates to the compensation of voltages in the armature circuit (transformer EMF), the additional circuit also having to meet the two requirements mentioned above.

Eine Kompensation von Wirbelströmen, die im Ständer der Maschine durch im Wendefeldkreis auftretende Stromänderungen hervorgerufen werden, verlangt eine Anpassung der Größe und des zeitliehen Verlaufs des Stromes in der Zusatzwicklung des Wendepoles an die der Wirbelströme. Diese Kompensation ist jedoch unabhängig von der Drehzahl und gilt für alle auftretenden Ströme. Theoretisch wäre also eine Kompensation der Wirbelströme, da diese im Ständer erfolgte auch bei fehlendem Anker möglich.Compensation for eddy currents that occur in the machine's stator current changes occurring in the turning field circle are caused, requires a Adaptation of the size and the temporal course of the current in the additional winding of the turning pole to that of the eddy currents. However, this compensation is independent on the speed and applies to all currents occurring. So theoretically it would be one Compensation of the eddy currents, since this took place in the stator even if the armature was missing possible.

Die Anforderungen zur Kompensation der Transformator-EMK und der der Wirbelströme sind also derart unterschiedlich, daß diese beiden Kompensationen nicht durch denselben Zusatzkreis durchgeführt werden können.The requirements for the compensation of the transformer emf and the Eddy currents are so different that these two compensations not can be carried out by the same additional circle.

Zur Kompensation der Wirbelströme im Ständerjoch ist nun eine Reihe von Anordnungen bekannt-Geworden. Alle angegebenen Lösungen erfordern aber Drosseln bzw. Transformatoren, die nahezu die Maschinengröße erreichen und schon deswegen ausscheiden müssen. Es sei auf die Zeichnung verwiesen, in der sich die F i g. 1 und 2 auf den nach der britischen Patentschrift 768 931 bekannten Stand der Technik beziehen, während die F i g. 3 eine Anordnung nach der weiter unten beschriebenen Erfindung ano,ibt. Bei allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugs-Ziffern C gleichartige Bauteile.A number of arrangements have now become known to compensate for the eddy currents in the stator yoke. However, all of the specified solutions require chokes or transformers that almost reach the size of the machine and therefore have to be eliminated. Reference is made to the drawing in which FIG. 1 and 2 relate to the prior art known from British patent specification 768 931 , while FIGS. 3 shows an arrangement according to the invention described further below. In all the figures, the same reference numerals C designate components of the same type.

In der F i g. 1 ist eine Gleichstrommaschine mit einem Anker 1 dargestellt, mit der in Reihe der Transformator 11 liegt, dessen Primärwicklung 13 als Glättungsdrossel wirken kann. Parallel zur Wendefeldwicklung 16, welche aus der Induktivität 3 und dem ohmschen Widerstand 10 besteht, liegt die Sekundärwicklung 12 des Transformators 11. über die Anschlußklemmen 6 und 7 erfolgt die Einspeisung.In FIG. 1 shows a DC machine with an armature 1 , with which the transformer 11 is connected in series, the primary winding 13 of which can act as a smoothing choke. The secondary winding 12 of the transformer 11 is parallel to the helical field winding 16, which consists of the inductance 3 and the ohmic resistor 10. The feed takes place via the connection terminals 6 and 7.

Bei der Betrachtung der Schaltung nach der F i g. 1 sei das massive Ständerjoch, in dem die Wirbelströme entstehen, mit einer kurzgeschlossenen Sekundärwicklung eines Transformators verglichen. Dabei sind die Dicke und der spezifische Widerstand des Ständerjochs sowie der Wendepolluftspalt maßgebend für den Widerstand R und die Induktivität L. Wird von der -,vVendefeldwicklung 16 bei einer Stromänderung eine EMK E in das Ständerjoch induziert, so steigen die Wirbelströme entsprechend der Zeitkonstante an und erreichen nach relativ langer Zeit den Endwert ist vor Erreichen des Endwertes die Stromänderung nach Ablauf der Zeit T schon zu Ende, dann wird der Endwert gleich Es ergibt sich also, daß für eine einwandfreie Kompensation zwei Forderungen erfüllt sein müssen: der Endwert muß an den entsprechenden Wert des Ständerjochs angeglichen werden; das gleiche gilt für die Zeitkonstante Die Wirkung der Primärwicklung 13 des Transformators 11 bleibe zunächst unberücksichtigt. Dann kann man die Sekundärwicklung 12 als Drossel betrachten. Bei der Parallelschaltung der Sekundärwicklung 12 zur Wendefeldwicklung 16 kann man die letztgenannte Forderung der Angleichung der Zeitkonstante ohne weiteres erfüllen. Dabei benötigt man aber aus physikalischen Gründen eine den jeweiligen besonderen Verhältnissen entsprechend große Drossel (Sek-undärwicklung 12), denn die Summe der Zeitkonstante dieser Drossel und der Wendefeldwicklung 16 muß das gleiche Verhältnis ergeben wie die Zeitkonstante des massiven Ständerjochs.When considering the circuit according to FIG. 1 compare the massive stator yoke in which the eddy currents arise with a short-circuited secondary winding of a transformer. The thickness and the specific resistance of the stator yoke as well as the reversing pole air gap are decisive for the resistance R and the inductance L. If an EMF E is induced in the stator yoke by the Vend field winding 16 when the current changes, the eddy currents increase according to the time constant and reach the final value after a relatively long time is before reaching the final value the change in current has already ended after the time T has elapsed, then the final value will be the same The result is that two requirements must be met for perfect compensation: the final value must be adjusted to the corresponding value of the stator yoke; the same applies to the time constant The effect of the primary winding 13 of the transformer 11 is initially not taken into account. Then the secondary winding 12 can be viewed as a choke. When the secondary winding 12 is connected in parallel with the reversing field winding 16 , the last-mentioned requirement of adjusting the time constant can be met easily meet. For physical reasons, however, a large choke (secondary winding 12) corresponding to the particular conditions is required, because the sum of the time constant of this choke and the turning field winding 16 must result in the same ratio as the time constant of the massive stator yoke.

Um nun im stationären Betrieb unnötig hohe Verluste im Nebenschluß zu vermeiden, muß die Drossel (Sekundärwicklung 12) möglichst hochohmig aus-C gebildet werden. Eine derartige Maßnahme durchzuführen ist relativ einfach, z. B. durch Erhöhung der Windungszahl unter entsprechender Verringerung des Leiterquerschnitts. Dabei werden die Gesamtabmessungen, wenn man von der Isolation absieht, nahezu gleichbleiben, die Induktivität wird sich auch entsprechend erhöhen, und somit bleibt die Zeitkonstante der Drossel (Sekundärwicklung 12) praktisch erhalten. Die Werte für die Induktivität L und den ohmschen Widerstand R der Wendefeldwicklung 16 werden anteilig zum Zusatzkreis, welcher ja aus der genannten Wendefeldwicklung 16 und der genannten Drossel (Sekundärwicklung 12) besteht, kleiner, so daß gegebenenfalls Änderungen in der Größe dieser Drossel notwendig werden, um den gesamten erforderlichen Wert für die Zeitkonstante des Zusatzkreises aufrechtzuerhalten.In order to avoid unnecessarily high losses in the shunt in steady-state operation, the choke (secondary winding 12) must be made from-C with as high an impedance as possible. Such a measure is relatively easy to carry out, e.g. B. by increasing the number of turns with a corresponding reduction in the conductor cross-section. If you disregard the insulation, the overall dimensions will remain almost the same, the inductance will also increase accordingly, and thus the time constant will remain the choke (secondary winding 12) is practically preserved. The values for the inductance L and the ohmic resistance R of the helical field winding 16 are proportionally smaller to the additional circuit, which of course consists of the mentioned helical field winding 16 and the mentioned choke (secondary winding 12), so that changes in the size of this choke may be necessary. the total required value for the time constant of the additional circle.

Dabei und dadurch ändert sich aber der Wert für Die Gründe dafür sind: Der Widerstand mit w = Windungszahl, 1", = mittlere Windungslänge einer Windung, Q = Gesamtquerschnitt der Spule, q = Querschnitt einer Windung, Q q - w, 2 spezifischer Widerstand und die Induktivität L W2. A mit 2, = magnetischer Leitwert ändern sich quadratisch mit der Windungszahl w. Die bei einer gleichen Stromänderung wie vorher induzierte wird aber nur linear entsprechend der Erhöhung der Windungszahl w erhöht (hierbei wird insoweit 0 als Konstante betrachtet). Daraus folgt, daß der Wert mit der Erhöhung der Windungszahl w sinkt.In doing so, however, the value for changes The reasons for this are: The resistance with w = number of turns, 1 ", = mean turn length of a turn, Q = total cross section of the coil, q = cross section of a turn, Q q - w, 2 specific resistance and inductance L W2. A with 2, = magnetic conductance change quadratically with the number of turns w. The induced current change as before however, it is only increased linearly in accordance with the increase in the number of turns w (here 0 is regarded as a constant). It follows that the value with the increase in the number of turns w decreases.

Es gibt wohl eine Möglichkeit, den Wert konstant zu halten, nämlich die, daß man den Luftspalt des Transformators 11 und außerdem seinen Eisenquerschnitt erhöht. Dabei erreicht man in wünschenswerter Weise gleichzeitig einen konstanten Wert für die Zeitkonstante weil sich zwangläufig bei einer Vergrößerung des Eisenquerschnitts auch die Windungslänge des um das Eisen herumgewickelten Leitermaterials und damit auch dessen ohmscher Widerstand R zusammen mit der Induktivität L vergrößert.There's probably a way of getting the value to keep constant, namely that one increases the air gap of the transformer 11 and also its iron cross-section. A constant value for the time constant is desirably achieved at the same time because when the iron cross-section increases, the winding length of the conductor material wound around the iron and thus also its ohmic resistance R together with the inductance L increases.

Um also den ohmschen Widerstand R zu vergrößern, muß man den Transformatorquerschnitt und - bei unverändertem Gesamtquerschnitt der Spule - die mittlere Windungslänge erhöhen. Daraus folgt, daß der Transformator 11 mit steigendem ohnischein Widerstand R ebenfalls größer werden muß und damit auch die Länge und das Gewicht des Leitermaterials. Das Gewicht des Transformators 11 steigt dabei nahezu quadratisch mit dem Widerstand an und erreicht bei den in Rede stehenden Maschinen Werte, die in die Größenordnung von mp kommen können. Dabei ist noch unberücksichtigt, daß mit steigendem Widerstand der Sekundärwicklung 12 des Transformators 11 infolge des dadurch größer werdendep Wendefeldstromes die Windunaszahl der paralielen Wendefeldwicklung 16 verringert werden muß. Nur so kann dann nämlich das der Maschine bei stationärem Betrieb entsprechende Wendefeld (Zusatzkreis), welches nicht geändert werden darf, beibehalten werden.So in order to increase the ohmic resistance R, the transformer cross-section and - with the overall cross-section of the coil unchanged - the mean winding length must be increased. It follows from this that the transformer 11 must also become larger as the resistance R increases, and thus the length and the weight of the conductor material must also become larger. The weight of the transformer 11 increases almost quadratically with the resistance and, in the machines in question, reaches values that can be in the order of magnitude of mp. It is not yet taken into account that as the resistance of the secondary winding 12 of the transformer 11 increases, the number of windings of the parallel helical field winding 16 must be reduced as a result of the resulting greater dep turning field current. Only in this way can the turning area (additional circle) corresponding to the machine in stationary operation, which must not be changed, be retained.

Im Extremfall vernachlässigbar kleiner Verluste der Sekundärwick-lun,- 12 wird sogar folgendes auftreten: Da die Wirkung der Sekundärwicklung 12 trotz des notwendigen hohen Widerstandes erhalten bleiben soll, muß sie wegen des minimalen kleinen stationären Stromes so groß ausgelegt werden, daß dann ihr Gewicht das der Maschine um ein Vielfaches übersteigt, denn sonst würde sie wegen des kleinen Stromes (hoher ohmscher Widerstand) nicht das notwendi-e Zusatzwendefeld erzeuaen können.In the extreme case, negligibly small losses of the secondary winding, 12 even the following will occur: Since the effect of the secondary winding 12 despite the necessary high resistance is to be retained, it must because of the minimal small stationary current are designed so large that their weight then that of the Machine many times over, because otherwise it would because of the small current (high ohmic resistance) cannot generate the necessary additional helical field.

Man kann diese überleaun-en vereinfacht auch folgendermaßen darstellen: Die Sekundärwicklung 12 nach der Fig. 1 stellt einen Generator dar, der bei Stromänderungen einen Zusatzstrom in den Verbraucher, nämlich die Wendefeldwicklung 16, einspeist. Um nun den Generator bei der vom Verbraucher verlangten Leistung möglichst klein ausbilden zu können, muß ihrer beider Widerstand möglichst aneinander angepaßt, d. h. also gleich groß gemacht werden. Durch die gefor-C derte Zeitkonstante werden daher die Werte für L und R ebenfalls sowohl für den Generator als auch für den Verbraucher einander nahezu gleich sein. Daraus folgt aber, daß im stationären Betrieb die Ströme, die durch die Sekundärwicklung 12 und die Wendefeldwicklung 16 (Generator und Verbraucher) fließen, ebenfalls in nahezu gleicher Größe liegen. Entsprechend wären die Verluste in beiden Wicklungen anzusetzen: Die Wendefeldverluste (Verluste des Zusatzkreises mit einbezogen) würden sich also verdoppeln, was eine Erhöhung der Gesamtkupferverluste um etwa 25 % gegenüber den ursprünglichen Werten beinhaltet.This overlap can also be shown in a simplified manner as follows: The secondary winding 12 according to FIG. 1 represents a generator which feeds an additional current into the consumer, namely the turning field winding 16, when the current changes. In order to be able to make the generator as small as possible for the power required by the consumer, both of their resistances must be matched to one another as much as possible, i. H. so be made the same size. Due to the required time constant the values for L and R will therefore also be almost the same for both the generator and the consumer. It follows from this, however, that in steady-state operation the currents which flow through the secondary winding 12 and the reversing field winding 16 (generator and consumer) are also of almost the same magnitude. The losses in both windings should be applied accordingly: The turning field losses (including losses of the additional circuit) would double, which means an increase in the total copper losses of around 25 % compared to the original values.

Um dieser, praktisch untragbaren Erhöhung der Verluste zu entgehen, muß man die Leistung des Generators und seinen Widerstand erhöhen; dadurch entfernt man sich aber immer mehr von der Anpassung. Diese Vergrößerung des Generators müßte also seinen erhöhten Eigenverbrauch, hervorgerufen durch den steigenden Eigenwiderstand, ausgleichen.To avoid this practically unsustainable increase in losses, it is necessary to increase the power of the generator and its resistance; thereby removed but you get more and more from the adjustment. This enlargement of the generator would have to i.e. its increased self-consumption, caused by the increasing inherent resistance, balance.

Somit kommt man zu dem gleichen Ergebnis, wie bereits weiter oben für den Extremfall ausgeführt, nämlich dem, wonach das Gewicht des Transformators 11 letzten Endes das der Maschine um ein Vielfaches übersteigen muß.This leads to the same result as already explained above for the extreme case, namely that according to which the weight of the transformer 11 must ultimately exceed that of the machine many times over.

Berücksichtigt man nun die Primärwicklung 13 des Transformators 11, so erhält man wohl eine weitere Möglichkeit der Anpassung, nämlich die, daß man die Zahl der Windungen der Primärwicklung 13 des Transformators 11 und damit den Wert erhöht. Die Grenzen hierfür sind aber durch die Sättigung des Eisens und auch durch die dabei notwendige Erhöhung des Gewichtes des Leitermaterials sehr bald erreicht. Nach der F i g. 2 wird nun auf dem Wendepol (Induktivität 3) eine Zusatzwicklung 15 angeordnet, welche parallel zu der im Ankerstromkreis der Maschiene liegenden Drossel 2 liegt. Diese Zusatzwicklun- 15 bedeutet im stationären Betrieb einen Teil des Wendepoles bzw. dessen Wicklung, und da die Zusatzwicklung 15 parallel zu der Drossel 2 liegt, sind alle überlegungen anzustellen, wie sie eingangs zu F i g. 1 bereits vorgenommen worden sind. Zusätzlich ist dabei noch besonders nachteilig, daß die Durchflutuno, der Zusatz-wicklung 15 der des Wendepoles 3 auch im stationären Betrieb entgegengerichtet ist, weshalb letztere g enüber der weiter oben beschriebenen Anordnun entsprechend größer aus-9 gelegt werden muß.If one now takes into account the primary winding 13 of the transformer 11, one obtains another possibility of adaptation, namely that of the number of turns of the primary winding 13 of the transformer 11 and thus the value elevated. The limits for this are very soon reached due to the saturation of the iron and also due to the necessary increase in the weight of the conductor material. According to FIG. 2, an additional winding 15 is now arranged on the reversing pole (inductance 3) , which is parallel to the inductor 2 located in the armature circuit of the machine. In stationary operation, this additional winding 15 means part of the reversing pole or its winding, and since the additional winding 15 is parallel to the choke 2, all considerations must be made as described at the beginning of FIG . 1 have already been carried out. In addition, it is particularly disadvantageous that the flow rate of the additional winding 15 is opposite to that of the reversing pole 3 even in stationary operation, which is why the latter must be made larger than the arrangement described above.

Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß es bei den nach der britischen Patentschrift 768 931 bekannten Schaltungen nicht möglich ist, die Verluste im stationären Betrieb klein zu halten, ohne die für den Betrieb bei Stromänderungen notwendigen Transformatoren bzw. Drosseln außerordentlich groß auszulegen. Damit wird aber der hierfür notwendige Aufwand ins Unwirtschaftliche gesteigert.In summary, it can be said that with the circuits known from British patent specification 768 931 it is not possible to keep the losses in stationary operation small without making the transformers or chokes necessary for operation with current changes extremely large. However, this increases the effort required for this to the point of being uneconomical.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine wirkliche Lösung für die dargestellten Probleme anzugeben. Dazu wird bei einer kompensierten Gleichstrom-Nebenschlußmaschine mit Wendepolen für schnell veränderliche Belastung mit einer auf den Wendepolen angeordneten Zusatzwicklung zur Kompensierung des bei Stromänderungen im Wendefeldkreis auftretenden, durch Wirbelströme erzeugten Flusses, die in Reihe mit der Sekundärwicklung eines mit seiner Primärwicklung im Ankerstromkreis liegenden Transformators so geschaltet ist, daß die Sekundärspannung des Transformators der in der Zusatzwicklung von der Wendeflußänderung induzierten Spannung entgegengerichtet und höher ist, nach der Erfindung vorgeschlagen, daß durch entsprechende Wahl des Widerstandes R und der Induktivität L der Zusatzwicklung und der Sekundärwicklung des Transformators die Zeitkonstante des gesamten galvanisch getrennten Zusatzkreises der des Wirbelstromkreises angeglichen ist unter zusätzlicher Angleichung der Zeitkonstanten der Zusatzwicklung an die des Wirbelstromkreises.The object of the invention is to provide a real solution for the presented To indicate problems. This is done with a compensated direct current shunt machine with reversing poles for quickly changing loads with one on the reversing poles arranged additional winding to compensate for current changes in the turning field circuit occurring flux generated by eddy currents in series with the secondary winding a transformer lying with its primary winding in the armature circuit is switched in this way is that the secondary voltage of the transformer is that in the auxiliary winding of the Reversing flux change induced voltage is opposite and higher after the Invention proposed that by appropriate choice of the resistor R and the Inductance L of the additional winding and the secondary winding of the transformer die Time constant of the entire galvanically isolated additional circuit that of the eddy current circuit is adjusted with additional adjustment of the time constants of the additional winding to those of the eddy current circuit.

Die F i g. 3 der Zeichnung zeigt die prinzipielle Anordnung nach der Erfindung, wobei noch die Nebenschlußwicklung 4 mit den Einspeisungspunkten 8, 9 dargestellt ist. Der Zusatzkreis 5, der aus der Sekundärwicklung 12 des Transformators 11 und der Zusatzwicklung 14, diese gemeinsam mit der Wendepolwicklung 17 auf den Wendepolen angeordnet, besteht, ist in sich kurzgeschlossen, so daß er bei stationärem Betrieb stromlos ist und die Wendepolwicklung 17 unbeeinträchtigt zur Geltung kommt. Es entstehen dabei auch im Zusatzkreis 5 keine Verluste, lediglich in der Primärwicklung 13 des Transformators 11. Die Verluste kann man aber durch die Wahl einer kleinen Windungszahl und eines großen Leiterquerschnitts, ohne dabei nicht in einfachster Weise ausgleichbaren Einfluß auf den Sekundärkreis zu haben, so klein halten, daß sie praktsich bedeutungslos werden. Im Zusatzkreis muß nur für und die notwendige Anpassung eingehalten werden. Dieses ist aber sehr leicht möglich, da ja dessen C beide Wicklungen in der Wahl der Windungszahl L' völlig frei sind. Auch eine gemeinsame Erhöhung der Windungszahl der Sekundärwicklung 12 des Transformators 11 und der Zusatzwicklung 14 ist möglich, sofern nur der Gesamtkupferquerschnitt der Spulen konstant gehalten wird. Zwar sinkt dann der Wert gleichzeitig wird aber durch die erhöhte Windungszahl der Zusatzwicklung im gleichen Maße die erforderliche zusätzliche Durchflutung konstant gehalten.The F i g. 3 of the drawing shows the basic arrangement according to the invention, the shunt winding 4 with the feed points 8, 9 also being shown. The additional circuit 5, which consists of the secondary winding 12 of the transformer 11 and the additional winding 14, which is arranged together with the reversing pole winding 17 on the reversing poles, is short-circuited so that it is de-energized during steady-state operation and the reversing pole winding 17 is unaffected comes. There are also no losses in the additional circuit 5 , only in the primary winding 13 of the transformer 11. The losses can be avoided by choosing a small number of turns and a large conductor cross-section, without having an influence on the secondary circuit that can be easily compensated for keep them small so that they become practically meaningless. In the additional circle must only for and the necessary adjustments are observed. But this is very easily possible because of that C both windings are completely free to choose the number of turns L '. A joint increase in the number of turns of the secondary winding 12 of the transformer 11 and the additional winding 14 is also possible, provided that the total copper cross-section of the coils is kept constant. The value will then decrease at the same time, however, the required additional flow rate is kept constant to the same extent by the increased number of turns of the additional winding.

Eine derartige Möglichkeit ist bei den großen Maschinenströmen, wie sie bei den eingangs beschriebenen Umkehrantrieben bis etwa 15 kA aufzutreten pflegen, und für die meist etwa 100 in langen Verbindungsleitungen vom Transformator zur Maschine recht bedeutsam.Such a possibility is very important with the large machine currents, as they usually occur with the reversing drives up to about 15 kA described above, and for the mostly about 100 in long connecting lines from the transformer to the machine.

Der Leiterquerschnitt kann dann nämlich um rund zwei Größenordnungen geringer gewählt werden. Es ist also im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen durch die galvanische Trennung des Zusatzkreises vom Stromkreis der Maschine möglich, seine Windungszahlen so groß und damit die dort fließenden Ströme so klein zu halten, daß die Leiterquerschnitte außerordentlich verringert werden können. Es ergeben sich dabei Gewichtsersparnisse von mehreren mp Leitermaterial.The conductor cross-section can then namely by around two orders of magnitude be chosen lower. So it is in contrast to the known arrangements by galvanic separation of the additional circuit from the machine's circuit is possible, to keep its number of turns so large and thus the currents flowing there so small, that the conductor cross-sections can be greatly reduced. It surrendered weight savings of several mp conductor material.

Ein weiterer und überraschender Vorteil bei der Anordnung nach der Erfindung ist die praktisch völlige Potentialfreiheit der Zusatzwicklung, der Verbindungsleitung und der Sekundärwicklung des Transformators. Sie gestattet bei den meist recht großen Maschinenspannungen eine erhebliche Einsparung von Isolationsmaterial.Another and surprising advantage of the arrangement according to the Invention is the practically complete freedom from potential of the additional winding, the connecting line and the secondary winding of the transformer. It allows for the mostly quite large ones Machine voltages result in considerable savings in insulation material.

Zum besseren Verständnis sei nochmals auf folgendes hingewiesen- In der Sekundärwicklung 12 des Transformators 11 und in der Zusatzwicklung 14 des Wendepolcs werden bei jeder Änderung des Ankerstromes Spannungen induziert, die einander entgegengerichtet sind, so daß in der Zusatzwicklung 14 lediglich eine Differenzspannung wirksam wird. Damit der infolge dieser Differenzspannung fließende Strom die gewünschte Richtung hat, muß die induzierte EMK der Sekundärwicklung 12 des Transformators 11 größer sein als diejenige der Zusatzwicklung 14.For a better understanding, the following should be pointed out again- In the secondary winding 12 of the transformer 11 and in the additional winding 14 of the reversing pole, voltages are induced which are opposite to each other with every change in the armature current, so that only a differential voltage is effective in the additional winding 14. So that the current flowing as a result of this differential voltage has the desired direction, the induced EMF of the secondary winding 12 of the transformer 11 must be greater than that of the additional winding 14.

Die exakte Vorausberechnung und exakte Vorausdimensionierung der Anordnung nach der Erfindung bereitet erhebliche Schwierigkeiten. Dies kann man dadurch umgehen, daß man im Betrieb durch Anzapfung den Zusatzkreis 5 noch endgültig an die dann festgestellten Gegebenheiten anpaßt. Das ist aber bei allen bekannten Fällen, in denen der Zusatzkreis 5 auch im stationären Betrieb vom Strom durchflossen ist, unmöglich, ohne die Stromaufteilung auf den Wendepolen oder einem Teil der Wendepole und ohne die Drossel bzw. den Transformator (s. F i g. 1 und 2) zu ändern. Es würde dann nämlich bei den bekannten Fällen die Stärke des Wendefeldes im stationären Betrieb bereits geändert werden, was aber nach den eingangs gemachten Ausführungen nur bis etwa 3 bis 40io zulässig ist und in jedem Fall eine Verschlechterung der Kommutierung bedeutet.The exact pre-calculation and exact pre-dimensioning of the arrangement according to the invention causes considerable difficulties. This can be avoided by finally adapting the additional circuit 5 to the conditions then determined by tapping it during operation. However, this is impossible in all known cases in which the auxiliary circuit 5 has current flowing through it even in stationary operation, without the current distribution on the reversing poles or part of the reversing poles and without the choke or the transformer (see Fig. 1 and 2). In the known cases, the strength of the turning field would then already be changed in steady-state operation, which, however, according to the explanations given above, is only permissible up to about 3 to 40io and in any case means a deterioration in the commutation.

Bei Drehzahländerungen bleibt der Wendepolfluß in seiner Größe unverändert. Der Nutenstreufluß dagegen wird mit steigender Drehzahl, also steigender Kommutierungsfrequenz immer stärker durch Wirbelströme im Wege des Nutenstreuflusses gedämpft. Die rein statische Einstellung des Wendefeldes ist deshalb bei größeren Drehzahländerungen nicht mehr richtig. Um die vorher beschriebene dy- namische Beeinflussung des Wendefeldes bei Stromänderungen voll wirksam werden zu lassen, empfiehlt es sich daher, bei großen Drehzahländerungen auch noch eine statische Korrektur des Wendefeldes in Abhängigkeit von der Drehzahl vorzunehmen. Dies ist z. B. dadurch möglich, daß in den Zusatzkreis eine EMK eingefügt wird, die in an sich bekannter Weise proportional der Drehzahl und dem Ankerstrom ist. Diese EMK kann beispielsweise einer Verstärkermaschine entnommen und in Ab- hängigkeit von dem Bürstenpotential geregelt werden. Der Regelkreis wird dabei in Weiterbildung der Erfindung so ausgelegt, daß eine konstante Differenz der Bürstenpotentiale der an- und ablaufenden Bürstenkante den Sollwert bildet. Dabei ist eine Einstellung der Wendepole zweckmäßig, bei der das Bürstenpotential der anlaufenden Kante das Doppelte der ablaufenden Kante beträgt.When the speed changes, the size of the reversing pole flux remains unchanged. The slot leakage flux, on the other hand, is dampened more and more by eddy currents in the way of the slot leakage flux with increasing speed, that is to say with increasing commutation frequency. The purely static setting of the turning field is therefore no longer correct for larger changes in speed. In order to allow the previously described dynamic influence on the turning field to become fully effective in the event of current changes, it is therefore advisable to also carry out a static correction of the turning field depending on the speed in the case of large changes in speed. This is e.g. B. possible in that an EMF is inserted into the additional circuit, which is proportional to the speed and the armature current in a manner known per se. This emf of a booster machine can for example be removed and dependence regulated in the absence of the brush potential. In a further development of the invention, the control loop is designed in such a way that a constant difference between the brush potentials of the approaching and retreating brush edge forms the setpoint value. It is useful to set the reversing poles so that the brush potential of the leading edge is twice that of the trailing edge.

Will man eine solche Zusatz-EMK nicht einführen, so sind die Wendepole zweckmäßig für den kritischen Drehzahlbereich der Maschine, das ist in den meisten Fällen der höchste Drehzahlbereich, einzustellen.If one does not want to introduce such an additional EMF, then the reversing poles are appropriate for the critical speed range of the machine, that is in most Cases the highest speed range, set.

Werden die Maschinen von Stromrichtern gespeist, so treten Oberwellen im Strom auf, die ebenfalls eine Wirbelstrombildung und damit eine Verstimmung des Wendefeldes zur Folge haben. Es handelt sich hier jedoch im Gegensatz zur Ankerstromänderung um einen sich stetig wiederholenden Vorgang. Hier kann es in Einzelfällen günstiger sein, den Transformator gleichzeitig als Glättungsdrossel auszulegen.If the machines are fed by converters, harmonics occur in the current, which also creates eddy currents and thus detuning the Turning field result. However, this is in contrast to the armature current change a constantly repeating process. Here it can be cheaper in individual cases be to design the transformer as a smoothing reactor at the same time.

Abschließend sei noch auf einen weiteren Vorteil der Stromlosigkeit des Zusatzkreises im stationären Betrieb bei der Anordnung nach der Erfindung hingewiesen. Es ist dieses der erheblich geringere Effektivwert des bei den Stromänderungen auftretenden Stromes im Zusatzkreis. Die üblichen Stromänderungen bei Reversierantrieben treten nämlich im Mittel alle 3 bis 4 Sekunden bei einer mittleren Dauer von 100 bis 200 Millisekunden auf. Der Effektivwert des Stromes im Zusatzkreis liegt dabei gegenüber dem Mittelwert des im Ankerkreis auftretenden Stromes unter 2011/o. Auch dadurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Auslegung des Zusatzkreises.Finally, a further advantage of the currentlessness of the additional circuit in stationary operation in the arrangement according to the invention should be pointed out. This is the considerably lower effective value of the current occurring in the additional circuit when the current changes. The usual current changes in reversing drives occur on average every 3 to 4 seconds with an average duration of 100 to 200 milliseconds. The effective value of the current in the additional circuit is below 2011 / o compared to the mean value of the current occurring in the armature circuit. This also results in a particularly advantageous design of the additional circuit.

Claims

Claims: 1. Compensated DC shunt machine with reversing poles for rapidly changing loads with an additional winding arranged on the reversing poles to compensate for the flux generated by eddy currents when the current changes in the reversing field circuit is connected so that the secondary voltage of the transformer is opposite to the voltage induced in the additional winding by the reversing flux change and is higher, characterized in that by appropriate selection of the resistance R and the inductance L of the additional winding (14) and the secondary winding (12) of the transformer (11) the time constant of the entire galvanically isolated additional circuit (5) is matched to that of the eddy current circuit, with the time constant of the additional winding (14) also being matched to that of the eddy current circuit.

2. DC machine according to claim 1, characterized in that an additional EMF is inserted into the circuit of the additional winding (14), which is proportional to the speed and the armature current. 3. DC machine according to claim 2, characterized in that the additional EMF is regulated as a function of the brush potential so that the difference in the brush potentials of the approaching and retreating brush edge remains constant.

Documents considered: German Patent No. 259 710; French Patent Nos. 434 887, 482 926, 695 642; British Patent No. 768,931.