DE153730C - Verfahren zur Regelung von Wechselstrommaschinen mit Gleichstromanker. - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT

Die Rückgewinnung der im Läufer von Induktionsmotoren bezw. in den in demselben eingeschalteten Widerständen verloren gehenden Energie ist praktisch mit Ausnahme der Kaskadenschaltung nicht ausgeführt, weil die Läuferströme eine ■ Periodenzahl besitzen, welche der jeweiligen Differenz der gewünschten . Tourenzahl und der synchronen Tourenzahl entspricht und daher veränderlieh ist. Verwendet man als Läufer nicht eine aus einzelnen unmittelbar oder über Widerstände kurzgeschlossenen Phasenwicklungen bestehende Armatur, sondern eine Armatur mit einer Wicklung¹ nach Art der

!g Gleichstrom-Kollektorwicklungen, so werden zwar in den einzelnen Windungen je nach der Tourenzahl der Maschine Ströme verschiedener Periodizität entstehen, an den feststehenden, am Kollektor anliegenden Bürsten entsteht aber eine elektromotorische Kraft, welche immer von der Periodizität des Ständerfeldes ist und unabhängig bleibt von der Umdrehungszahl des. Läufers. Dies kommt daher, weil die Periodizität an den

₂g Läuferbürsten der Summe der Relativgeschwindigkeiten zwischen Läufer und Ständer einerseits und zwischen Bürsten und Armatur andererseits entspricht. Bei feststehenden Bürsten ist diese Summe stets konstant und an den Bürsten erscheint daher eine Periodizität, welche identisch mit derjenigen des Ständerfeldes ist.

Von der .Relativgeschwindigkeit der Armatur zum Ständerfeld, also von der Umdrehungszahl der Armatur, ist nur die Größe der an den Bürsten auftretenden elektromotorischen Kraft abhängig. Sie ist Null bei Synchrongeschwindigkeit der Maschine, nimmt mit abnehmender Tourenzahl zu, während die Spannungen bei übersynchroner Geschwindigkeit gegenüber denjenigen bei untersynchroner Geschwindigkeit negativ sind. Diese Eigenschaft ergibt die Möglichkeit, dem Motor durch Anlegen der Spannung Null die wirkliche synchrone Geschwindigkeit aufzuprägen, bei Anlegung der vollen Läuferspannung den Motor stillzusetzen, während beispielsweise bei Anlegung einer Spannung, welche der Hälfte der bei Stillstand an den Bürsten auftretenden Spannung entspricht, ^₀ der Motor einer Leerlaufstourenzähl zustrebt, welche gleich der halben synchronen Tourenzahl ist.

Da die an den Bürsten auftretenden elektromotorischen Kräfte stets dieselbe Perioden^ zahl haben wie die dem Ständer zugeführten Ströme, so ist es möglich, sie durch Transformation auf das Netz zurück zu geben oder aus dem Netz zu entnehmen. Das Zurückgeben wird im wesentlichen bei den Tourenzahlen unterhalb des Synchronismus und die Aufnahme bei den Tourenzahlen oberhalb des Synchronismus erfolgen. Das Drehmoment entsteht dabei zwischen dem magnetischen Drehfeld und den Strömen des Läufers oder des Ständers und wird bestimmt durch die Größe der Ströme, die Größe des Magnetfeldes,, sowie von der Phasenverschiebung

der beiden gegeneinander. Die mit dem magnetischen Drehfeld das wirksame Drehmoment ergebenden Ströme des Ständers oder Läufers wurden, wenn sie ein Feld bilden könnten, bei den Mehrphasenanordnungen ebenfalls ein Drehfeld, bei den Einphasenanordnungen ein oszillierendes Wechselfeld erzeugen. Bei gleichbleibender Stärke des Drehfeldes wird, von der Phasenverschiebung abgesehen, das ίο Drehmoment der Stärke des Ausgleichstromes proportional sein. Ist die Spannung am stillstehenden Läufer Δ,- und wird an den

Läufer eine Spannung — — gelegt, so eilt

' also der Motor einer Leerlauftourenzahl

—— zu; η ist dabei die Synchrontouren-

i oo

zahl. Wenn mit zunehmendem Drehmoment die Ströme wachsen, so schlüpft der Motor gegen diese Leerlauftourenzahl, ganz ähnlich wie ein gewöhnlicher Induktionsmotor gegen die synchrone Tourenzahl. Vermittels eines Transformators, der gestattet, die Spannungvon A_r bis Null und über Null hinaus in das Negative zu transformieren, kann man die Geschwindigkeit eines solchen Motors vom Stillstand bis zum Synchronismus und über diesen hinaus regulieren.

Im folgenden sei das System an einigen Beispielen erläutert. In Fig. 1 ist P eine zweipolige, dreiphasige Ständerwicklung (hier beispielsweise als G ram me'sehe Ringwicklung ausgebildet) und S eine zweipolige Läuferwicklung nach Art der Gleichstromwicklungen (hier gleichfalls als Gram me'sehe Ringwicklung ausgeführt gedacht). Als Windungsverhältnis der beiden ist 1:1 angenommen. Die Zuführung' der Ströme zum Ständer erfolgt durch die Anschlußpunkte I, II, III zum Läufer durch die Bürsten B₁, B₂, B,.

Legt man an die drei Anschlußpunkte I, II, III des Ständers Dreiphasenspannung an, so tritt an den Bürsten B₁, B₂, B₃ bei dem gewählten Übersetzungsverhältnis eine Dreiphasenspannung gleicher Größe auf, welche je nach der Stellung der Bürsten gegen die Ständerspannung verschoben ist oder nicht.

Ist die Stellung der Bürsten beispielsweise eine solche, daß die Phasen der Läuferspannungen übereinstimmen mit denen der Ständerspannungen, dann kann man die Bürsten an einen regelbaren Transformator so anlegen, daß die Spannungen B₁, B₀ = I, II, B.₂, B₃ — 11,111,53,S₁ = III,! sind. Dieser Transformator liegt im allgemeinen primär an den zu I, II, III führenden Leitungen, während er sekundär mit B₁, B₂, B₃ verbunden ist.

Er kann wie in Fig. 1 mit vereinigter Primär- und Sekundärwicklung ausgebildet sein. Werden die an die Bürsten B₁, B₂, B₃ angelegten Spannungen größer oder kleiner als die an I, II, III gelegten Spannungen gewählt, so wird der Läufer sich in Bewegung setzen und einer solchen Geschwindigkeit zueilen, daß die in ihm erzeugte elektromotorische Kraft der angelegten gleich ist. Dabei ist der auftretende Ohm'sche und induktive Abfall vernachlässigt. Dieser verändert nicht nur die Größe, sondern auch die Phasenverschiebung zwischen den elektromotorischen Kräften am Stator und Rotor, welchem Umstand dadurch Rechnung getragen werden kann, daß gleichzeitig mit der Spannungsänderung auch eine Phasenänderung stattfindet.

Ist bei dem für den vorliegenden Fall angenommenen Übersetzungsverhältnis die an den Läufer angelegte Spannung größer als die an den Ständer angelegte, so dreht sich der Läufer entgegen der Richtung des Drehfeldes, ist sie kleiner, in der gleichen Richtung. Bei Spannung Null am Läufer strebt er, wie ein Induktionsmotor, dem Synchronismus zu. Ändert man dann den Sinn der Spannungen am Läufer und vergrößert dieselben wieder, dann wird der Motor in derselben Richtung übersynchron laufen.

Es ist ohne weiteres klar, daß die Zahl der Phasen, mit deren Hilfe das Drehfeld im go Ständer erregt wird, beliebig und unabhängig von der Zahl der Phasen der dem Läufer zugeführten oder von ihm abgeleiteten Ströme ist.

In allen Fällen wird die an den Bürsten auftretende Spannung vermittels des Transformators T auf den vollen Wert der Ständer- (Arbeits- oder Netz-) Spannung gebracht, und es wird z. B. bei untersynchronem Lauf die vom Läufer zurückgegebene Energie gewissermaßen auf den Ständer zurückgepumpt, so daß aus dem Netz lediglich die der abgegebenen mechanischen Arbeit zuzüg lich der Verluste entsprechende elektrische Energie aufgenommen wird.

Da es also nur auf die Differenz der Spannungen am Ständer und Läufer ankommt, so kann eine Regelung der Tourenzahl ebenso durch Veränderung der Ständerspannung, als durch Veränderung der Läuferspannung erfolgen, d. h. im allgemeinen durch Veränderung der Differenz, oder auch durch Veränderung jeder von beiden.

Es kann für die . Betriebsverhältnisse günstig sein, die Phasenverschiebung dadurch zu regeln, daß man z. B. in die vom Transformator T zu den Bürsten B₁, B.₂, Β_Ά führenden Leitungen Widerstände einschaltet. Man kann dies so weit treiben, daß die Regelung der Sekundärströme ausschließlich durch Widerstände, die zwischen B₁,

und B₃

ge

_{1 3}

schaltet sind, erfolgt. Dies ist in Fig. 2 dar-

gestellt, wobei dann an die Punkte I, II, III eine konstante oder beliebig veränderliche Spannung gelegt werden kann.

In den Beispielen nach Fig. ι und 2 führen die Windungssysteme des Ständers und Läufers sowohl die das wirksame Drehmoment ergebenden Ströme (Arbeitsströme), als auch die das Feld erzeugenden Ströme (Magnetisierungsströme). Man kann für diese beiden Ströme auch getrennte Wicklungen anordnen, und es ist beispielsweise in Fig. 3 am Ständer ein doppeltes Windungssystem angeordnet.

In den Windungssystemen P₁, P₂ einerseits und 5 andererseits werden durch das Drehfeld gegenelektromotorische Kräfte erzeugt, deren Differenz proportional der Tourenzahl des Motors ist; dabei ist eine konstante Stärke des Drehfeldes vorausgesetzt. Schaltet man die Windungssysteme P₁, P₂ und S, und zwar jeweils die zugehörigen Phasenwicklungen in Serie, so tritt die Differenzspannung an den Enden dieser Serien auf. Die Regelung der Tourenzahl erfolgt durch die Veränderung der an die Serie gelegten Spannung. Da bei dieser Anordnung die in Serie geschalteten Phasenwicklungen in ihrer Gesamtheit kein Magnetfeld bilden, muß das Drehfeld durch eine gesondert aufgebrachte (zweiphasige) Erregerwicklung M erzeugt werden. Fig. 3 zeigt eine derartige Anordnung: P₁ und P₂ sind die den zwei Phasen entsprechenden und voneinander getrennt ausgeführten Ständerwicklungen. Außerdem trägt der Ständer die erwähnte Wicklung M.

Im Läufer sind die beiden Phasenwicklungen miteinander kombiniert als Gramme-Ringwicklung (S) ausgeführt. Die eine Serie besteht aus Ständerwicklung P₁ und der Läuferwicklung zwischen den Bürsten B₀ und B₁ und liegt an der veränderlichen Spannung e₀', während die andere Serie aus der Ständerwicklung P₂ und der Läuferwicklung zwischen den Bürsten B₃ und B^ besteht und an der veränderlichen Spannung e₀" liegt.

Bei gegebener Stärke des von M erzeugten Drehfeldes ist die Tourenzahl, der der Motor zustrebt, direkt proportional der an die Serien P S angelegten Mehrphasenspannung. Die an die gesondert aufgebrachte Erreger-(Magnetisierungs-) wicklung angelegte Spannung (ebenfalls zweiphasig) ist in der Fig. 3 mit e' und e" bezeichnet. Durch Veränderung dieser Spannungen wird das Magnetfeld verändert und damit gleichfalls die Tourenzahl des Motors reguliert (s. Anspruch 4).

In den Fig. 1 und 2 erscheinen die Phasenwicklungen miteinander als G ramme'sehe Wicklungen kombiniert. In Fig. 3 sind die Phasenwicklungen getrennt. Natürlich können anstatt der Gramme'sehen Wicklungen alle die bekannten Wechselstromwicklungen angewendet werden. Eine Abweichung vom Windungsverhältnis ι: ι macht eine Transformation im Verhältnis der Spannungen erforderlich. Die Zahl der Ständer- und Läuferphasen kann im allgemeinen, wie schon erwähnt, beliebig und voneinander unabhängig gewählt werden.

Als ein besonderer Fall der Mehrphasenanordnung mit im allgemeinen m-phasigem Ständer und η-phasigem Läufer ist der in Fig. 4 dargestellte zu betrachten, wo im mehrachsig (mehrphasig) erregten Ständerfeld ein Läufer gleicher Wicklungsanordnung wie früher, aber mit bloß einachsig (einphasig) aufgesetzten Bürsten angeordnet ist. Ein solches einachsiges Bürstensystem besteht bei einer 2p-poligen Maschine im allgemeinen aus 2 p-Bürsten, von denen je ρ einem Pol angehören, welche jedoch bei einer Serienwellenwicklung nicht sämtlich aufgesetzt werden müssen. Die Ständerphasenwicklung, deren Achse χ χ mit der Bürstenachse zusammenfällt, führt Arbeits- und Magnetisierungsströme, die in die Achse yy fallende, also um 90° (bezogen auf ein zweipoliges Feld) versetzte Phasenwicklung führt bloß Erregerströme. Das Feld, welches den an P und S angelegten Spannungen entspricht, bildet mit dem in der Achse y y erzeugten Feld ein Drehfeld, das je nach der Stärke und Phase des letzteren mehr oder weniger gleichmäßig ist, und dieses Drehfeld wirkt auf die Amperewindungen der beweglichen Armatur, welche, wenn sie allein vorhanden wäre, ein oszillierendes (einphasiges) Feld ergeben würde. Das in der Achseyy erzeugte Feld, das mit den Arbeitsströmen das wirksame Drehmoment gibt, wird entweder durch eine gesondert aufgebrachte WicklungM (siehe Fig. 7) oder aber durch eine mit P oder S kombinierte Wicklung (siehe Fig. 4 und 5) erzeugt. Dieses Feld muß, um ein möglichst großes Drehmoment zu erzielen, mit den Arbeitsströmen möglichst in Phase gehalten werden. Je nach der gewünschten Geschwindigkeit wird an B₁, B₂ eine entsprechend gewählte Spannung E.₂ gelegt. Wieder ist ein Transformator mit nur einer Wicklung angenommen und das Windungsverhältnis gleich I: ι gedacht. Die Tourenzahl, welcher der Motor zustrebt, entspricht wieder der Differenz der Spannungen E₁, E.₂.

Da die Vollkommenheit des Drehfeldes bei den zuletzt besprochenen Fällen kein unbedingtes Erfordernis ist, so kann die Stärke des in der Richtung yy erzeugten Magnetfeldes in weiten Grenzen verändert und zur Tourenregulierung benutzt werden.

Die SpannungE₂ kann wieder über zwischengeschaltete Widerstände an die Bürsten gelegt werden, um gleichzeitig die Geschwindig-

Claims (4)

keit und die Phasenverschiebung zu regulieren. Man kann schließlich die Regulierung nur durch Widerstände vornehmen, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist. Sie entspricht der An-Ordnung in Fig. 2, jedoch ist hier die Rolle der Ständer- und Läuferwicklung vertauscht. Ebenso ist die Anordnung nach Fig. 7 ein besonderer Fall der Anordnung nach Fig". 3. Bei den in Fig. 4 und 5 dargestellten Schaltungen wird das Drehfeld von bloß zwei Phasenwicklungen erregt, von denen die eine (Achseyy) nur magnetisiert, die andere auch die im Rotor fließenden Arbeitsströme balanciert. : Im allgemeinen kann das Drehfeld von m-Phasenwicklungen erregt werden. Jede Phasenwicklung wird je nach der Winkelstellung zur Achse y y oder χ χ an der Erregung und Balancierung· der Arbeitsströme 20. teilnehmen. Es ist ohne weiteres verständlich, daß alle die bisher beschriebenen Anordnungen nicht nur auf Motoren, sondern auch auf Stromerzeuger anwendbar sind und ist bei solchen Stromerzeugern- die Periodenzahl des abgegebenen Stromes unabhängig von der Tourenzahl des Läufers. Ebenso wie beim Motor durch entsprechende Wahl der der Ständerund Läuferwicklung zugeführten Spannungen jede beliebige Geschwindigkeit eingestellt werden kann, kann beim Generator bei irgend einer gewünschten Tourenzahl eine beliebige Differenz der Spannungen am Ständer und Läufer eingestellt werden. Bei allen Ausführungsformen der Motoren und Generatoren ist es möglich, die Erregerstrom führenden Windungen gesondert auszuführen und entweder auf dem Läufer oder auf dem Ständer oder auf beiden gleichzeitig unterzubringen. Die Wicklungen auf dem Ständer sind in allen beschriebenen Anordnungen stets als Ringwicklungen bezeichnet, es können jedoch alle bekannten offenen oder geschlossenen Phasenwicklungen in Anwendung kommen. Die Wicklungen auf dem Läufer sind ebenfalls als Gramme-Wicklungen bezeichnet, es können jedoch ebenfalls alle geschlossenen Gleichstrom-Kollektorwicklungen Anwendung finden. Patent-A νSprüche:

1. Verfahren zur Regelung von Wechselstrommaschinen mit Gleichstromanker, deren Ständer m- phasig gewickelt ist und auf deren Kommutator η-Phasen entsprechend aufgesetzte Bürsten schleifen, wobei m und η nicht gleichzeitig den Wert I besitzen und sowohl Ständer- wie Läuferwicklung an äußere Stromkreise angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß beim Motor die der Ständerund Läuferwicklung zugeführten beliebigen Spannungen gleicher Periodenzahl derart geändert werden, daß durch entsprechende Einstellung der Differenz (Größe und Phase) dieser Spannungen beliebige Geschwindigkeiten hervorgerufen werden, während beim Generator bei jeder Tourenzahl eine beliebige Differenz (Größe und Phase) der Spannungen am Ständer und Läufer eingestellt werden kann.

2. Maschine zur Ausführung des Ver- , fahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einphasige Läufer bei zweipoliger Ausführung zwei um 180°,

t8o° bei 2 ρ-poliger Ausführung 2p um

versetzte Bürsten erhält, wobei die Spannungen an den Ständerphasen jede für sich ebenfalls geregelt werden können.

3. Maschine zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer einphasig gewickelt ist, wobei die Spannungen an. den Läuferphasen jede für sich ebenfalls geregelt werden können.

4. Maschine mit Reihenschlußschaltung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen, den gleichen Phasen angehörigen, in Reihe geschalteten Wicklungen des Ständers und Läufers an eine veränderliche Spannung gelegt werden, so daß sich infolge der gleichachsigen Anordnung ihre Amperewindungen aufheben, während eine das magnetische Feld erzeugende Erregerwicklung am Ständer oder Läufer gesondert oder mit der Ständer- bezw. Läuferwicklung" vereinigt ausgeführt und unabhängig geregelt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.