DE148305C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT. Y&

Es ist allgemein bekannt, daß zwei mechanisch gekuppelte Asynchronmaschinen als Generatoren oder Motoren in Serienschaltung (Kaskadenschaltung) in derselben Weise arbeiten wie eine gewöhnliche Asynchronmaschine. . Nur die Tourenzahl ist eine andere und entspricht der eines Motors mit einer Polzahl gleich der Summe oder der Differenz der Polzahlen der beiden gekuppelten Lo Maschinen.

In Patent 145434: »Wechselstrommaschine, anwendbar als Umformer, Motor und Generator«, ist gezeigt, wie ein Maschinenaggregat, bestehend aus einem gewöhnlichen Umformer, mit einer Asynchronmaschine gekuppelt und in Serie geschaltet, als gewöhnlicher Synchronmotor oder Synchrongenerator arbeitet.

Ein solches Aggregat kann als Motor übererregt mit Phasengleichheit zwischen Strom und Spannung und als Generator kompoundiert arbeiten.

Setzt man an Stelle des Umformers eine Kommutatormaschine, so kann für dieses Aggregat dasselbe Resultat wie bei der Maschine nach Patent 145434 erzielt werden.

Im folgenden soll also gezeigt werden, wie ein Aggregat, bestehend aus einer Asynchronmaschine und einer Kommutatormaschine für Wechselstrom, in Kaskadenschaltung als selbsterregender (kompensierter) Motor und als kompoundierter Generator ausgeführt werden kann, und welche Vorteile eine solche Maschinengruppe besitzt.

Unter Kommutatormaschinen für Wechselstrom sind hierbei alle Wechselstrommaschinen zu verstehen, deren primäre oder sekundäre Wicklung mit einem Kommutator in Verbindung ist, und deren Tourenzahl sich mit der Belastung ändert. Man könnte aus diesem Grunde auch alle derartigen Maschinen Asynchronmaschinen heißen, doch würde das leicht zu Verwechslung Anlaß geben und ist darum zu vermeiden.

Auf der Frankfurter Ausstellung im Jahre 1891 hatte die Firma Siemens & Halske einige Drehstrommotoren ausgestellt, deren Läuferwicklung mit einem Kommutator verbunden war. Nachdem der zugeführte Drehstrom die Ständerwicklung durchlaufen hatte, wurde er durch Bürsten und Kommutator der als Gleichstromwicklung ausgeführten Läuferwicklung zugeführt. Bei diesen Motoren waren somit die beiden Wicklungen in Reihe geschaltet, weshalb ein solcher Motor als Hauptschlußmotor bezeichnet werden kann. Gerade so gut konnte man auch die Läuferwicklung entweder direkt oder mittels Transformator zu der Ständerwicklung in Nebenschluß schalten, wodurch sich ein Nebenschlußmotor ergibt. Ferner ist es möglich, nach demselben Prinzip einen Kompoundmotor zu bauen.

Im Jahre 1896 auf dem internationalen Elektrikerkongreß in Genf wurden von A. Blond el mehrere Verfahren zur Kornpensierung der Phasenverschiebung asynchroner Motoren angegeben. Nach einem derselben wurden auf dem sekundären Teil

il.

des Asynchronmotors zwei getrennte Wicklungen, eine kurzgeschlossene Mehrphasenwicklung und eine Wicklung nach Art der eines Gleichstromankers, welche mit einem Kommutator in Verbindung war, angeordnet. Durch auf dem Kommutator schleifende Bürsten wurde dieser Gleichstromwicklung· der zur Kompensierung der Phasenverschiebung erforderliche Erregerstrom zugeführt.

ίο Außerdem schlug B lon del vor, zwischen benachbarte Kommutatorlamellen oder Wicklungselemente der Erregerwicklung Nickelinwiderstände zu schalten, um dadurch die Funkenbildung unter den Bürsten zu vermeiden. Als Erregerstrom benutzte B lon del einen Gleichstrom und ließ die Bürsten relativ zum Kommutator mit einer Geschwindigkeit entsprechend der Schlüpfung umlaufen. Der der Gleichstromwicklung in dieser Weise zugeführte Erregerstrom erhielt hierbei in der Wicklung dieselbe Periodenzahl wie der von der Primärwicklung induzierte Strom und konnte deswegen zur Kompensierung der Phasenverschiebung dienen.

Dasselbe Ziel wird man auch erreichen, wenn man die Bürsten still stehen läßt und denselben einen Wechselstrom von der Periodenzahl des Stromes im Ständer zuführt. Man hat also bei dieser abgeänderten Blondelsehen Anordnung eine Vereinigung des oben beschriebenen Kommutatormotors von Siemens&Halske mit einem gewöhnlichen Asynchronmotor.

In neuerer Zeit hat M. Latour mit Kommutatormaschinen gleich den von Siemens & Halske Versuche gemacht und gezeigt, daß diese Maschinen selbsterregend (d. h. sie können sowohl wattlose Ströme wie Wattströme liefern) und deswegen als Generatoren unmittelbar verwendbar sind. Da dieselben aber keinen remanenten Magnetismus besitzen, müssen sie durch einen Stromstoß von außen erregt werden. Außerdem hat er gezeigt, daß die Reaktanz zwischen den Bürsten eines solchen Läufers, wenn derselbe sich in einem unbewickelten oder stromlosen Ständer befindet, mit der Tourenzahl des Rotors abnimmt, um bei Synchronismus Null und bei Ubersynchronismus negativ zu werden.

A. Heyland hat eine der Blondel'schen ähnliche Anordnung zur Ausführung gebracht, um die Phasenverschiebung von Generatoren und Motoren zu kompensieren. Hey land bringt nur eine Wicklung auf dem Läufer an, schließt aber wie B lon del dieselbe durch Verbindungen zwischen benachbarten Lamellen kurz, um die Funkenbildung zu vermeiden. Die hauptsächliche Wirkung dieser Verbindungen besteht aber nicht in der Vermeidung der Funkenbildung, sondern dieselben bilden einen Weg, wodurch die im Läufer induzierten Ströme sich schließen. Die Maschine verhält sich deshalb nicht mehr wie eine gewöhnliche Kommutatormaschine, sondern sie erregt sich wie eine solche und läuft gleichzeitig als Asynchronmaschine.

Hey land hat mit anderen Worten die zwei von B lon del angegebenen Läuferwicklungen in eine einzige vereinigt. Bei der B Io η del'sehen Anordnung sind die Widerstände zwischen den Lamellen nicht nötig, wenn die dem Läufer zugeführte Erregerspannung hinreichend klein genommen wird. Ferner wird auch durch Anordnung von zwei Wicklungen das Anlaufen des Motors sehr erleichtert, weil' ein Anlaßwiderstand in die Phasenwicklung des Rotors eingeschaltet werden kann.

Infolge der Verbindungen zwischen den Lamellen, wie bei der Hey land 'sehen Anordnung, verhält sich die Läuferwicklüng fast wie eine Kurzschlußwicklung, und der Motor läuft schlecht und mit kleiner Zugkraft an. Ferner entsteht durch diese Verbindungen bei großen Motoren ein beträchtlicher Wattverlust, sowie eine Erhöhung der Verluste unter den Bürsten. Außerdem ist bei großen Motoren der Kommutator mit den Lamellenverbindungen sehr kostspielig.

Die Erfinder schlagen deswegen vor, eine Asynchronmaschine von großer Polzahl mechanisch mit einer kleinen Kommutatormaschine von kleiner Polzahl zu kuppeln, die Läuferwicklung der Asynchronmaschine mit der Ständerwicklung· der Kommutatormaschine in Reihe zu schalten und die Kommutatormaschine so zu wickeln und zu schalten, daß sie sich selbst erregt und die Phasenverschiebung der großen Maschine kompensiert.

Die kleine Maschine dient aber nicht allein zur Erregung der größeren, sondern nimmt auch an der Leistung der Maschinengruppe teil, und zwar steht die Leistung der kleinen Maschine in demselben Verhältnis zur Gesamtleistung wie die Polzahl der kleinen Maschine zu der Summe oder der Differenz der Polzahlen der beiden Maschinen, so daß die Kosten für die kleine Maschine durch die Verkleinerung der großen Maschine teilweise wiedergewonnen werden. Die Anordnung eines Kommutators an der kleinen Maschine erfordert keinen großen Aufwand von Kupfer und bedingt keine große zusätzliche Verluste am Kommutator.

Beim Anlauf als Motor kann die elekirische Verbindung zwischen den beiden Maschinen gelöst und die große Maschine, die am Netz hängt, mittels eines Anlaufwiderstandes in gewöhnlicher Weise angelassen werden, so daß ein Anlauf mit großer Anzugskraft und kleinem Stromverbrauch erhalten wird.

Die vorgeschlagene Kombination gewährt somit viel größere Vorteile als die bis jetzt bekannten.

In Fig. ι ist die Anordnung für einen Motor dargestellt. S₁ ist die Ständerwicklung und R₁ die Läuferwicklung der großen Asynchronmaschine; beide sind dreiphasig und in Stern geschaltet, könnten aber ebensogut in Dreieck geschaltet sein. Durch die Schleifringe s wird der Strom in den Ständer S₂ der kleinen Kommutatormaschine geleitet. W stellt den Anlaßwiderstand dar, der nach dem Anlassen ausgeschaltet wird. -R₂ ist die Läuferwicklung und K der mit dieser in Verbindung stehende Kommutator. An allen drei Phasen der Wicklung S₀ sind vor dem neutralen Punkte Abzweigungen gemacht, die mit den Bürsten B₁ B₂ Z>₃ in Verbindung stehen, wodurch die Läuferwicklung R₂ in eine Art Nebenschluß zu einem Teil der Ständerwicklung kommt, es soll deswegen im folgenden diese Erregung als Nebenschlußerregung bezeichnet werden.

Zwischen den Lamellen des Kommutators sind keine Verbindungen vorgesehen. Die Kommutatormaschine arbeitet also hier vollständig wie eine Nebenschlußmaschine, welche bei gegebener Klemmenspannung mit fast konstanter Tourenzahl arbeitet, und zwar ist dieselbe nur durch die Dimensionen des Feldes und des Ankers bestimmt und kann von der der Periodenzahl entsprechenden Tourenzahl stark abweichen. Verbindet man die Ständerwicklung S₂ mit der Läuferwicklung R₁ der Asynchronmaschine derartig, daß, wenn die Maschinengruppe als Motor oder Generator arbeitet, die Kommutatormaschine als Generator läuft, so wird dieselbe die Asynchronmaschine erregen und wattlose Ströme zuführen. Die ganze Gruppe braucht somit keine wattlosen Ströme vom Netz aufzunehmen. Soll das Aggregat als Generator laufen, so muß die kleine Maschine nicht allein die wattlosen Ströme für den Asynchrongenerator, sondern auch für das Netz liefern.

In Fig. ι a sind nur die Wicklungen der großen Maschine dargestellt, und zwar für den Fall eines Einphasenmotors, der mit der Hilfsphase H angelassen wird.

Fig. 2 gibt ein Beispiel für die Schaltung eines Zweiphasenmotors. Die Buchstaben haben hier dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1. Die Läuferwicklung der kleinen Maschine ist hier nicht in Nebenschluß zu einem Teil der Ständerwicklung S₀, sondern mit derselben in Reihe geschaltet, und zwar durch die Bürsten b_{ b₂ £₃ i>₄. Hier haben wir also eine Hauptschlußerregung der kleinen Maschine und somit des ganzen Aggregates. Bei der Anordnung nach Fig. 2 sind zwischen benachbarten Kommutatorlamellen induktionsfreie Widerstände r angebracht.

Die Erregermaschine ist also hier eine kombinierte Hauptschluß- und Asynchronmaschine und muß infolge der Eigenschaften von Asynchronmaschinen in Kaskadenschaltung als Motor oder Generator arbeiten, je nachdem das Drehfeld des großen Asynchronmotors schneller oder langsamer umläuft als der Läufer. Der Kommutator dient nur dazu, , dem Anker der Erregermaschine solche Ströme zuzuführen, daß die Phasenverschiebung des Aggregates kompensiert wird.

Fig. 3 stellt ein Maschinenaggregat zur Erzeugung von Dreiphasenstrom dar, dasselbe ist kompoundiert, d. h. es besitzt sowohl Nebenschluß- wie Hauptschlußerregung. Weil dasselbe wie alle Asynchronmaschinen keinen remanenten Magnetismus besitzt, muß es durch einen Stromimpuls von außen erregt werden.

Hier muß wie oben (Fig. 1) die Erregermaschine als Generator arbeiten, damit das ganze Aggregat wattlose Ströme in das Netz liefern kann.

Weil ein solches Aggregat als Motor ein großes Anzugsmoment besitzt und bei Belastung Kompensation für Phasenverschiebung ermöglicht, so ist dasselbe für Traktions-• zwecke besonders geeignet. Bei Anwendung von gewöhnlichen Mehrphasenmotoren erfolgt die mechanische Kupplung hierbei nur durch die Schienen, so daß die Motoren auf den verschiedenen Achsen der Wagen sitzen ■ können.

Zur tangentiellen Traktion, wo der Ständer S₁ der großen Maschine auf dem Bahnkörper abgewickelt und der abgewickelte Läufer .R₁ (Propulseur) unter dem Wagen aufgehängt ist, während der kleine Motor auf einer der Achsen des Wagens sitzt, eignet sich dieses kompensierte Aggregat auch vorzüglich, weil hierbei der Luftzwischenraum zwischen R₁ und S₁ ziemlich groß gehalten werden muß.

Aus dem vorhergehenden ist leicht ersichtlich, daß diese Anordnung für jede Phasenzahl anwendbar ist, und daß die kleine Maschine eine andere Phasenzahl als der Ständer der großen Maschine haben kann.

Eine direkte Kupplung der Asynchronmaschine mit der Kommutatormaschine ist nicht erforderlich, es genügt, die Maschinen durch irgendwelche Vorrichtungen mechanisch starr oder elastisch miteinander zu verbinden.

Bei allen oben beschriebenen Kommutatormaschinen ohne besondere Verbindungen zwischen den benachbarten Lamellen kann, wenn es erforderlich ist, eine Kommutierungs-Vorrichtung mit variablen Reaktanzen nach Patent 145384 angebracht werden, ohne daß

Claims (2)

1. durch diese Kommutierungsvorrichtung die Arbeits\veise der Kommutatormaschinen verändert wird.

   Ρλτεν τ-An si⁵rüciie:

   I. Anordnung zur Erregung" asynchroner Maschinen beliebiger Phasenzahl, dadurch gekennzeichnet, daß die induzierte Wicklung einer kleinen, asynchronen, selbsterregenden Kommutatormaschine mit der einen Wicklung der mit ihr mechanisch gekuppelten Asynchronmaschine nach Art der Kaskadenschaltung in Reihe geschaltet ist, gleichgültig ob die induzierte Wicklung der Kommutatormaschine auf dem stillstehenden oder auf dem umlaufenden Teil angebracht ist.
2. 2. Ausführungsform der Erregermaschine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutatormaschine als gewöhnliche Nebenschluß-, Hauptschluß- oder Kompoundmaschine mit oder ohne besondere Vorrichtungen zur funkenlosen Kommutierung ausgeführt ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.