DE151353C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie mittels ein- und mehrphasiger Wechselströme. Derartige Ströme werden nach der Erfindung in der Weise erzeugt und verteilt, daß die Spannung ohne

, Bezug auf die Natur der Belastung der Hauptleitungen selbsttätig geregelt wird.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung

ίο besteht darin, Wechselströme derart zu er-., zeugen und zu verteilen, daß, wenn die gelieferten Ströme infolge der Art der Belastung zurückbleiben oder voreilen, diese zurückbleibenden oder voreilenden Ströme, statt den Generator zu stören, selbsttätig darauf hinwirken , das Potential der Hauptleitungen konstant zu erhalten. Die Vorteile einer solchen Anordnung leuchten ohne weiteres ein, da die sonst auftretenden störenden Wirkungen von Stromverbrauchern, wie Motoren und Transformatoren mit offenem Stromkreis wegfallen.

Die Neuerung beruht darauf, die induzierenden und induzierten Wicklungen des Stromerzeugers in eine solche Beziehung zu bringen, daß außer der gewöhnlichen dynamischen Wirkung, welche bei allen Dynamomaschinen zwischen den beiden Stromkreisen vorhanden ist, eine gegenseitige Induktionswirkung wie bei einem gewöhnlichen Trans-

formator auftritt. Sind zwei Stromkreise so angeordnet, daß sie eine gute gegenseitige Induktion haben, so wird, wenn der induzierte Strom zurückbleibt, dieser zurückbleibende Strom auf den induzierenden Stromkreis zurückwirken und den induzierenden Strom bis auf das erforderliche Maß vergrößern, um die induzierende magnetische Strömung konstant zu erhalten, und wenn der induzierte Strom voreilt, wird er auf den induzierenden Stromkreis zurückwirken und den induzierenden Strom ebenso auf das erforderliche Maß verringern.

Bei den üblichen Wechselstromgeneratoren wird das magnetische Feld durch einen Gleichstrom erzeugt, dessen Stärke vom Ohm'schen Widerstände seines Stromkreises abhängt. Das erzeugte magnetische Feld wird durch den Zustand der im Anker induzierten Ströme beeinflußt. Wenn jene Ströme infolge der Verhältnisse im Verbrauchsstromkreis zurückbleiben, so wird das magnetische Feld abgeschwächt und die Spannung an den Ankerklemmen unter die Normalspannung herabgemindert. Eilt der Ankerstrom voraus, so wird die Kraft des Feldes vergrößert und die Spannung an den Ankerklemmen über die Normalspannung erhöht.

Statt eines Gleichstromes zum Magnetisieren des Feldes kommen nun nach der Erfindung

Wechselströme zur Verwendung, welche zum großen Teil durch die Veränderung des induktiven Widerstandes ihrer Stromkreise geregelt werden. Die Ankerströme wirken auf den induktiven Widerstand und infolgedessen auf den Erregerstrom in der Weise ein, daß das magnetische Feld konstant erhalten wird, und zwar auch dann, wenn der Ankerstrom zurückbleibt. Durch die Verwendung \^ron

ίο Wechselströmen zur Erregung eines passend gebauten Stromerzeugers wird es also möglich, die störenden Wirkungen der zurückbleibenden Ströme, wie sie bei den bisherigen durch Gleichstrom erregten Maschinen auftreten, zu vermeiden.

Es wirken also die zurückbleibenden oder voreilenden Ankerströme auf die mit Mehrphasenstrom erregten Feldstromkreise ein. Der Widerstand der Erregerfeldwicklungen wird sehr klein bemessen, so daß die auf die Klemmen der erregenden Wicklungen wirkenden elektromotorischen Kräfte und die darin entstehenden elektromotorischen Gegenkräfte stets im wesentlichen gleich sind und die Stromänderung in den Erregerstromkreisen fast ausschließlich durch die Reaktion der Ankerströme geregelt wird. '

Im folgenden ist eine Maschine nach vorliegender Erfindung beschrieben und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt.

Fig. ι ist eine Seitenansicht der Maschine. Fig. 2 ist eine schematische Ansicht des Systems mit dem Generator und dem Verbrauchsstromkreis.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Generators und Erregers.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Ankerwicklung.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des Feldes oder der Erregerwicklungen.

Fig. 6 und 7 sind Ansichten von Teilen der Maschine.

A ist ein Generator, dessen Anker B induzierte Windungen b von solch geringem Widerstand hat, daß der durch den Ohm'schen Widerstand verursachte Verlust an elektromotorischer Kraft bei Vollast unter normalen Betriebsverhältnissen praktisch vernachlässigt werden kann. C ist der erregende Teil, dessen Windungen c c¹ mit Mehrphasenstrom von annähernd konstanter Spannung von der kleinen Erregermaschine D gespeist werden, wobei die Windungen c c¹ so angeordnet sind, daß die Mehrphasenerregerströme in dem Feld C ein magnetisches Drehfeld erzeugen, welches die Ankerleiter b schneidet. Diese Windungen cc¹ haben einen so geringen Widerstand, daß ihre elektromotorischen Kräfte und Gegenkräfte bei normalem Betriebe stets nahezu gleich sind.

Beträgt die ge\vünschte Frequenz des Generators etwa 60 Perioden in der Sekunde, so wählt man die Frequenz des Erregers D viel geringer, beispielsweise vier Perioden in der Sekunde, so daß also ein magnetisches Drehfeld entsteht, das sich viermal in der Sekunde in derselben Richtung wie das umlaufende magnetische Feld dreht. Dann wird die Welle E des Generators so angetrieben, daß der Feldmagnet C sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 60 minus 4 oder 56 mal in der Sekunde dreht; man erhält also ein Drehfeld, welches 60 mal in der Sekunde umläuft, und zwar teilweise infolge des mechanischen Antriebs der Feldmagnetc C und teilweise infolge der Rotation der magnetischen Pole oder Felder relativ zu der Feldwicklung.

Da der Ohm'sche Widerstand der Erregerstromkreise, wie erwähnt, gering ist,, hat er So keinen merklich störenden Einfluß auf die Erregerströme. Diese werden vielmehr nur durch den induktiven Widerstand der Feldstromkreise beeinflußt, welcher durch die Reaktion der Ankerströme verändert wird. Die Induktanz der Feldstromkreise muß also im Verhältnis zur Resistanz hoch sein. Die gegenseitige Induktion zwischen den Ankerwicklungen und den Feldwicklungen muß ebenfalls groß sein, damit die Ankerströme auf die induktiven Widerstände der Feldstromkreise entsprechend einwirken können, was man dadurch erreicht, daß man die Ankerwicklungen so nahe als möglich an die Feldwicklungen heranbringt, d. h. den magnetischen Widerstand sehr gering macht.

Wenn bei einer solchen Anordnung die von der Erregermaschine D gelieferte Spannung konstant ist, so bleibt die Klemmenspannung des Generators so lange konstant, als die zugeführte elektromotorische Kraft und ■ die elektromotorische Gegenkraft des Erregerkreises im wesentlichen gleich sind. Sie wird nicht beeinflußt von irgend welchem Zurückbleiben oder Voreilen des Stromes in den Ankerwicklungen, indem sie ausschließlich durch die elektromotorische Kraft des Mehrphasenerregers bestimmt wird. Innerhalb der Grenzen des Betriebes ist keine Veränderung ■ der elektromotorischen Kraft des Erregers nötig, da der Erreger und Generator unter der Rückwirkung der Netzströme selbsttätig die Erregerfeldstärke regeln, um eine konstante elektromotorische Kraft an den Hauptgeneratorklemmen hervorzubringen. Die Anderungen der Erregerströme erfolgen augenblicklich, so daß die elektromotorische Kraft des Hauptgenerators nie durch Veränderungen im Leistungsfaktor der Verbrauchsstromkreise beeinflußt wird.

Die Wirkungen, welche dieses Ergebnis hervorbringen, lassen sich mit Hilfe der Verhältnisse erklären, welche bei einem gewöhnlichen Transformator und bei einer gewöhnliehen Dynamomaschine- eintreten.

Ein zurückbleibender Sekundärstrom wirkt bei einem gewöhnlichen Transformator mehr auf Verminderung der scheinbaren Selbstinduktion der Primärwicklung, weil infolge

ίο des Zurückbleibens sein Maximum dem Zeitpunkt näher kommt, in welchem ein Maximalstrom in der Primärwicklung, aber in der entgegengesetzten Richtung fließt. Ebenso hat bei einer gewöhnlichen Dynamomaschine ein zurückbleibender Strom im Anker eine größere entmagnetisierende Wirkung als ein nicht zurückbleibender Strom, weil infolge des Zurückbleibens sich der Anker bis zu der Zeit, wo das Maximum des Stromes eintritt, in eine Stellung gedreht haben wird, worin die magnetische Wirkung dieses Stromes sich mehr im Gegensatz zur Feldmagnetisierung befindet. Es kommen bei' der vorliegenden Maschine diese beiden Einflüsse zur Wirkung.

Ein weiteres Zurückbleiben beim Sekundärstrom übt eine größere entmagnetisierende Wirkung aus und vermindert daher die scheinbare^ Selbstinduktion der Erregerstromkreise mehr, weil das- Zurückbleiben die Maximalwirkungen magnetisierender und entmagnetisierender Ströme sowohl zeitlich als räumlich näher zusammenrückt. Wenn beispielsweise der Ankerstrom um volle 90 Grad zurückbleibt, so wird er sein Maximum im negativen Sinne in demselben Augenblick erhalten, wo der Erregerstrom sein positives Maximum erreicht. Infolge der Bewegung des Feldmagneten werden außerdem die Feldmagnetwicklungen, deren Ströme ihr Maximum erreicht haben, in jenem Augenblick den Ankerwicklungen direkt gegenüberstehen. Daher wird der um 90 Grad zurückbleibende Strom zwischen den Erregerwicklungen und den Ankerwicklungen und auch zwischen den Phasen der darin fließenden Ströme Beziehungen herstellen, die am günstigsten für die Entmagnetisierung der Feldmagnete und die Verminderung der scheinbaren Selbstinduktion seiner Erregerwicklungen sind. Für dazwischenliegende Nacheilungswinkel werden sich entsprechende Wirkungen ergeben. Wenn im Ankerstromkreis kein Zurückbleiben stattfindet, werden die Anker- und Feldwicklungen beim Maximum der darin fließenden Ströme die Beziehung haben, welche in Fig. 6 dargestellt ist, wobei die punktierte,,Linie den Mittelpunkt des Feldes wie auch den Mittelpunkt der Wicklung angibt, deren Strom sein Maximum hat. Wenn jedoch der Ankerstrom um etwa 30 Grad zurückbleibt., wird diese Wicklung bis zur Zeit, wo der Ankerstrom sein Maximum erreicht hat, sich um eine entsprechende Strecke nach rechts bewegt haben, wie Fig. 7 zeigt; überdies wird die Phase des Ankerstromes mehr im Gegensatz zu derjenigen des Stromes in der erwähnten Wicklung stehen mit dem Ergebnis, daß der Ankerstrom infolge der Phasenbeziehungen der Ströme und der gegenseitigen Beziehungen der Wicklungen einen größeren Einfluß auf die vorerwähnte Wicklung ausüben wird. Diese Reaktion der Ankerwicklungen auf das Feld verringert die scheinbare Selbstinduktion der Erregerstromkreise und ermöglicht dem erregenden Wechselstrom, sich zu vergrößern, um die Spannung der Maschine nahezu konstant zu halten.

Dies steht in entschiedenem Gegensatz zu dem gewöhnlichen System, bei welchem der zurückbleibende Strom einfach das Feld des Generators entmagnetisiert, ohne daß der erregende Strom zunehmen kann, um der entmagnetisierenden Wirkung entgegenzuarbeiten. Wenn bei der vorliegenden Einrichtung der Strom voreilt, anstatt zurückzubleiben, so wird dadurch die Ankerwicklung, wenn ihr Strom sein Maximum erreicht hat, in eine solche Lage gebracht, daß sie die magnetisierende Wirkung der Feldwindungen vergrößern hilft. Dies bewirkt eine Steigerung der Induktanz des Erregerstromkreises und dementsprechende Abnahme der Erregerströme, so daß also wieder das Feld konstant erhalten und eine Veränderung in der elektromotorischen Kraft an den Hauptgeneratorklemmen verhindert wird.

Die Stromstärke der erregenden Wechselströme hängt also von den Veränderungen des induktiven Widerstandes der erregenden Stromkreise ab, wobei stets das Bestreben vorherrscht, das Feld wie bei dem gewöhnlichen Transformator konstant zu erhalten. Jede Rückwirkung des Ankers infolge von zurückbleibenden oder voreilenden Strömen verursacht selbsttätig eine ,Veränderung der induktiven Widerstände, wodurch die resultierenden Erregerströme so verändert werden, daß das magnetische Feld konstant bleibt. Dadurch, daß das magnetische Feld selbsttätig konstant erhalten wird, erzielt man von selbst eine konstante Spannung und folglich eine selbsttätige Ausgleichung beim Zurückbleiben des Stromes.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten System istyl der Generator mit der Erregermaschine D, M M₁ der Hauptstromkreis mit verschiedenen Stromverbrauchern in Nebeneinanderschaltung, nämlich einem Transformator F mit offenem magnetischen Stromkreis mit Lampen parallel in seinen sekundären Stromkreis geschaltet, einem

Claims (2)

1. Transformator G mit geschlossenem magnetischen Stromkreis mit Lampen in seinen sekundären Stromkreis, einem Transformator// mit Lampen in seinem sekundären Stromkreis in Reihenschaltung, sowie einem Wechselstrominduktionsmotor/, Vorrichtungen, welche bisher nicht von demselben Wechselstromerzeuger gespeist werden konnten, ohne teuere und unbefriedigende Vorrichtungen zum Verhüten der schädlichen Wirkung der Phasenverschiebungen, welche durch Transformatoren mit offenem magnetischen Stromkreis und ähnliche Apparate verursacht werden. Bei vorliegender Neuerung haben zurückbleibende oder voreilende Ströme keine solche nachteiligen Wirkungen im Gefolge, und es können die Vorrichtungen unterschiedlos Verwendung finden, wenn sie für die angewendete Spannung und Frequenz gebaut sind.

   Bei der geringen Frequenz des Erregers kann man eine kleine Erregermaschine benutzen. Es soll die Frequenz so gering sein, als mit der gewünschten Regulierung vereinbar ist. Die Selbstinduktion der Erregerwicklungen muß im Verhältnis zum Ohm'schen Widerstand verhältnismäßig groß sein, so daß wie bei einem ruhenden Transformator die Größe des primären oder erregenden Stromes sich umgekehrt zum induktiven Widerstand verändern und fast unabhängig vom Ohm'schen Widerstand sein wird.

   Pate nt-A ν Sprüche:

   ι. Verfahren zum Erregen von Wechsel-Stromerzeugern, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Erregerwicklung von geringem Widerstand und großer Selbstinduktion mittels Mehrphasenströme von niederer Periodenzahl, welche von einer besonderen Stromquelle mit konstanter Spannung geliefert werden, ein Drehfeld erzeugt wird, auf welches die phasenverschobenen Ankerströme derart einwirken, daß bei einer Nacheilung des Stromes die Schwächung des Feldes durch eine gleichzeitige proportionale Verminderung der Induktanz und daraus folgende Erhöhung'des Erregerstromes, bei einer Voreilung des Stromes die Verstärkung des Feldes durch eine Erhöhung der Induktanz und Verminderung des Erregerstromes aufgewogen wird.
2. 2. Maschine zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch I,. dadurch gekennzeichnet, daß die Anker- und Feldwicklungen eine hohe gegenseitige Induktion besitzen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.