DE183635C

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KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

- JVl 183635 -KLASSE 21 d. GRUPPE - JVl 183635 - CLASS 21 d. GROUP

Wechselstromkollektormaschine.AC collector machine.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 26. September 1906 ab.Patented in the German Empire on September 26, 1906.

Bei großen Kraftanlagen, insbesondere solchen, welche teilweise oder ganz für den Betrieb von Bahnen, Förderanlagen oder ähnlichen Anlagen mit stark wechselnder Belastung dienen, ist schon lange eine selbsttätige Regelung der Spannung in Abhängig-. keit von der Belastung angestrebt worden, und zwar so, daß die Spannung möglichst konstant bleibt oder sogar mit zunehmender Belas lung ebenfalls zunimmt. Bei Gleichstromanlagen hat man dies namentlich durch Kompoundwicklung oder durch Zusatzmaschinen mit Reihenschlußschaltung erreicht. Bei Wechselstromanlagen ist der Spannungsabfall der Stromerzeuger und der Leitung von der Phasenverschiebung der Belastung abhängig, gewöhnlich bei induktiver Belastung größer. Man hat hier bisher als Zusatzmaschinen synchrone oder asynchrone Maschinen verwendet.In large power plants, especially those that are partially or entirely for operation of railways, conveyor systems or similar systems with heavily fluctuating loads have long been an automatic regulation of the voltage in dependency. has been striven for by the load, and in such a way that the tension remains as constant as possible or even with increasing load development is also increasing. In direct current systems, this is achieved through compound winding or achieved by additional machines with series connection. at AC systems is the voltage drop of the power generator and the line from the Phase shift of the load dependent, usually greater with inductive load. Up to now, synchronous or asynchronous machines have been used here as additional machines.

Anordnungen mit diesen Maschinen sind entweder nicht geeignet, eine für alle Phasenverschiebung annähernd richtige Zusatzspannung zu geben, oder bedingen komplizierteArrangements with these machines are either unsuitable, one for all phase shifting To give approximately correct additional tension, or require complicated ones

, Zwischenglieder, welche eine Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom bewirken., Intermediate links which convert alternating current into direct current.

Nach der Erfindung wird eine Zusatzspannung richtiger" Größe Und Phase dadurch erzielt, daß man als Zusatzmaschine eine Wechselstromkollektor maschine nimmt und ihr Feld durch einen Strom erregt, welcher dem Belastungsstrom proportional und gegen denselben um einen gleichbleibenden Winkel verschoben ist; über die Größe des letzteren wird noch näheres angegeben werden. Selbstverständlich genügt es für die Praxis, wenn die Bedingungen angenähert erfüllt sind. Unter diesen Bedingungen ist die in der Kollektormaschine erzeugte Zusatzspannung ebenfalls dem" Belastungsstrom proportional und ebenfalls gegen denselben um einen bestimmten gleichbleibenden Winkel in der Phase verschoben. Gegen die Netzspannung ist sie aber um einen Winkel verschoben, welcher sich je nach der Phasenverschiebung des Belastungsstromes um den gleichen Betrag ändert. Dies läßt sich mit Synchrongeneratoren . als Zusatzmaschinen nicht erreichen; außerdem würde dann bei den letzteren unvermeidlich ein Pendeln eintreten, wenn sie nicht mit den Hauptmaschinen gekuppelt sind. Die Kollektorzusatzmaschine kann dagegen beliebig angetrieben werden wie eine Gleichstromzusatzmaschine ; sie kann wie die letztere von den Hauptmaschinen weit entfernt stehen. Sie braucht ferner nicht synchron zu kufen; sie kann mit der für die Kommutierung günstigsten Umlaufszahl betrieben werden.According to the invention, an additional voltage of the correct "size and phase" is thereby achieved achieves that one takes an AC collector machine as an auxiliary machine and their field excited by a current which is proportional to and against the load current the same is shifted by a constant angle; about the size of the latter will be given in more detail. Of course, it is sufficient for practice if the conditions are approximately fulfilled. Under these conditions, the in the Collector machine generated additional voltage also proportional to the "load current" and also against the same by a certain constant angle in the Phase postponed. In relation to the mains voltage, however, it is shifted by an angle which varies depending on the phase shift of the Load current changes by the same amount. This can be done with synchronous generators . as additional machines do not reach; moreover, the latter would then be inevitable oscillation can occur if they are not coupled to the main engines. the An additional collector machine, on the other hand, can be driven as required, like an additional direct current machine ; like the latter, it can stand a long way from the main engines. Furthermore, it does not need to skid synchronously; it can be operated with the most favorable number of revolutions for commutation.

Durch passende Wahl der Verhältnisse läßt sich für eine bestimmte Stärke und ,Phasenverschiebung der Belastung erreichen, daß die Zusatzspannung dem Spannungsabfall entgegengesetzt gleich ist. Dann giltBy choosing the right proportions, a certain strength and , Phase shift of the load achieve that the additional voltage corresponds to the voltage drop opposite is equal. Then applies

dasselbe auch für andere Stromstärken und Phasenverschiebungen der Belastung, und es läßt sich daher eine gleichbleibende Netzspannung erreichen. Man kann aber auch durch eine andere Bemessung oder bei derselben Zusatzmaschine z. B. durch Änderung des Erregerstromes erreichen, daß die Zusatzspannung mehr oder weniger von dem eben angegebenen Werte abweicht und dadurchthe same for other currents and phase shifts of the load, and it a constant mains voltage can therefore be achieved. But you can also use another dimensioning or the same Additional machine z. B. achieve by changing the excitation current that the additional voltage deviates more or less from the values just given and thereby

ίο eine Über- oder Unterkompoundierun'g erzielen. Man kann so z. B. in einem Bahnnetze erreichen, daß bei stark induktiver Belastung die Spannung steigt, bei großen Wattströmen aber sinkt. Ersteres wird beim Anfahren der Fall sein; da hierbei der wirkliche Energieverbrauch das zulässige Maß nicht oder höchstens nur für sehr kurze Zeit überschreitet, so ist die Vermehrung desselben durch die Spannungserhöhung zulässig. Dagegen ist bei anhaltend großen Wattströmen (z. B. Bergauffahrt) eine Verminderung des Energieverbrauches durch Spannungserniedrigung erwünscht.ίο achieve an over- or under-compounding. You can z. B. achieve in a rail network that with a strong inductive load the voltage increases, but decreases with large watt currents. The former will be when starting be the case; because here the real energy consumption is not the permissible level or at most only for a very short time, the increase is the same permissible due to the increase in voltage. On the other hand, with sustained large watt currents (e.g. uphill driving) a reduction in energy consumption by lowering the voltage he wishes.

Fig. 4 zeigt die Beziehungen in Form eines Diagrammes. £ = O — 1 ist die zu regelnde Spannung (Generator- oder Netzspannung), / der beispielsweise in der Phase nacheilende Belastungsstrom. Derselbe erzeugt einen ohmschen und induktiven Spannungsabfall ο —· 2 -^- 3; die Vektoren sind in solcher Richtung gezeichnet, daß sie bereits die von außen zur Überwindung des Spannungsabfalles aufzuwendenden elektromotorischen Kräfte darstellen. Durch die Zwischenschaltung der Zusatzmaschine tritt zunächst ein weiterer Abfall 3 — 4 ■— 5 ein. Soll nun die Zusatzmaschine auf gleichbleibende Spannung regulieren, so muß ihre elektromotorische Kraft nach Größe und Phase gleich ο — 5 sein. IstFig. 4 shows the relationships in the form of a diagram. £ = O - 1 is the one to be regulated Voltage (generator or mains voltage) / the lagging in phase, for example Load current. The same generates an ohmic and inductive voltage drop ο - · 2 - ^ - 3; the vectors are in that direction drawn that they already have to be expended from the outside to overcome the voltage drop represent electromotive forces. By interposing the additional machine, another machine appears Waste 3 - 4 ■ - 5 a. If the additional machine is now to regulate constant voltage, so their electromotive force must be equal to ο - 5 in terms of size and phase. is

z. B. die Kollektormaschine eine Einphasenmaschine, bei welcher die erzeugte elektromotorische Kraft in Phase mit dem Erregerstrom ist, so wird der Erregerstrom selbst die Phase von ο —-5 haben müssen, also gegen den Belastungsstrom um nahezu 90⁰ voreilen. ■ Wären die ohmschen Abfälle zu vernachlässigen, so müßte der Erregerstrom unter der gleichen Voraussetzung genau um 90⁰ in der Phase verschoben sein. Macht man die Zusatzspannung bei vorhandenen ohmschen Abfällen gleich dem Vektor 6 — 5 (wie beispielsweise im Diagramm eingezeichnet, und ■ zwar der Deutlichkeit wegen gegen 4 — 5 etwas versetzt), so'tritt der erwähnte Fall ein,z. If, for example, the collector machine is a single-phase machine, in which the electromotive force generated is in phase with the excitation current, the excitation current itself will have to have the phase ο -5, that is to lead the load current by almost 90 ⁰ . ■ Would neglecting the ohmic drops, the excitation current under the same circumstances would have to be moved exactly 90 ⁰ in phase. If the additional voltage is made equal to the vector 6 - 5 for existing ohmic drops (as shown in the diagram, for example, slightly offset from 4 - 5 for the sake of clarity), the case mentioned occurs,

.55 daß die rusultierende Spannung E' = 6—1 bei stark induktiver Belastung größer, bei mehr ohmscher Belastung kleiner als die Leerlauf spannung E ist, wie man sich leicht überzeugt, wenn man das Diagramm für diese Fälle zeichnet..55 that the resulting voltage E ' = 6-1 is greater with a strong inductive load, and with more ohmic load less than the no-load voltage E , as one can easily see when one draws the diagram for these cases.

Um den gewünschten Phasenunterschied zwischen Belastungsstrom und Erregerstrom herzustellen, kann man sich irgend eines der bekannten Mittel bedienen, durch welches aus einem Strom ein proportionaler von abweichender Phase gewonnen werden kann. Dabei kommt zustatten, daß man auch statt eines bestimmten Voreilungswinkels eine Phasennacheilung um den supplementären Winkel benutzen kann und umgekehrt, indem man die Zusatzmaschine auf entgegengesetzte Polarität umschaltet oder im entgegengesetzten Drehsinn umlaufen läßt. In Mehrphasennetzen kann man in jede zu regelnde Phase eine Einphasenzusatzmaschine legen oder in sämtliche zusammen eine Mehrphasenkollektormaschine, z. B. eine der in der Patentschrift 153730 beschriebenen Maschinen. Das Phasenverhältnis zwischen den Erregerströmen und den erzeugten ^: elektromotorischen Kräften hängt hierbei von der gegenseitigen Stellung der Ständer und · Läuferachsen ab; man kann daher durch passende Bürstenstellung erreichen, daß als mehrphasiger Erregerstrom der Belastungsstrom selbst, und zwar unmittelbar oder nach Transformierung verwendet werden kann.In order to produce the desired phase difference between the load current and the excitation current, one can use any of the known means by which a proportional phase differing from one another can be obtained from a current. It is of advantage here that instead of a specific lead angle, a phase lag by the supplementary angle can be used and vice versa, by switching the additional machine to opposite polarity or rotating it in the opposite direction of rotation. In multi-phase networks you can put a single-phase additional machine in each phase to be controlled or in all together a multi-phase collector machine, z. B. one of the machines described in patent specification 153730. The phase relationship between the excitation current and the ^generated: electromotive forces here depends on the relative position of the stator and rotor · axes; you can therefore achieve by appropriate brush position that the load current itself can be used as a polyphase excitation current, either immediately or after transformation.

Statt dem Erregerstrom eine bestimmte Phase zu geben, könnte man auch daran denken, den der Zusatzmaschine entnommenen Strom unter Anwendung bekannter Mittel in seiner Phase zu transformieren. Dies wäre aber im allgemeinen nicht so vorteilhaft; denn diese Transformierung erfordert größere Apparate und bedingt größere Verluste als die Transformierung der Phase- des Erregerstromes, dem eine geringere Energie entspricht. Nur dann,-wenn der Strom der Zusatzmaschine ohnehin transformiert wird — sei es, um eine Spannung der Größe nach zu ändern, sei es bloß zu dem Zwecke, um die Zusatzmaschine nicht unmittelbar in einen Hochspannungskreis einzuschalten .—, wird es vorteilhaft sein, gleichzeitig auch die Phase der Zusatzspannung in geeignetem Maße zu transformieren, bei Drehstrom z. B. durch einen Transformator mit gemischter Schaltung. Die dem Erregerstrom zu gebende Phasenverschiebung wird dann im gleichen Maße geringer und gegebenenfalls gleich Null.Instead of giving the excitation current a certain phase, you could also use it think of the current drawn from the auxiliary machine using known means in transform its phase. In general, however, this would not be so advantageous; for this transformation requires larger apparatus and causes greater losses than that Transformation of the phase of the excitation current to which a lower energy corresponds. Only then - if the electricity of the additional machine is transformed anyway - be it to change the magnitude of a tension, be it merely for the sake of it Do not switch the additional machine directly into a high-voltage circuit - it will be advantageous, at the same time also the phase of the additional voltage to a suitable extent transform, with three-phase z. B. by a transformer with mixed circuit. The phase shift to be given to the excitation current is then reduced to the same extent and possibly equal to zero.

Die Zusatzmaschine ist im allgemeinen nur für diejenige Leistung zu bemessen, welche dem Spannungsabfall der Stromerzeugeranlage entspricht, also für etwa 10 bis 20 Prozent der Leistung der Stromerzeugeranlage. Bei Überkompoundierung fällt die Zusatzmaschine je nach dem Grade derselben größer aus. Wenn von dem Kraftwerke bezw. einer Unterstation mehrere Speiseleitungen ausgehen, so können natürlich statt einer ein-The additional machine is generally only to be dimensioned for that performance which corresponds to the voltage drop of the power generating system, i.e. for about 10 to 20 percent the power of the power generating system. In the event of overcompounding, the additional machine falls depending on the degree of the same. If from the power plants respectively. one Substation several feed lines run out, so of course instead of one single

zigen Zusatzmaschine in der ungeteilten Leitung deren mehrere in den einzelnen Speiseleitungen angeordnet und im Bedarfsfalle die einzelnen Spannungen verschieden geregelt werden. Häufig wird sich eine Teilung der Zusatzmaschine in mehrere andere schon mit Rücksicht auf die zulässige Größe empfehlen, in welcher Kollektormaschinen gebaut werden können. In diesem Falle — aber auchumpteen additional machines in the undivided line, several in the individual feed lines arranged and, if necessary, the individual voltages are regulated differently will. Often the additional machine will be divided into several others In consideration of the permissible size, recommend in which collector machines are built can. In this case - but also

ίο sonst — ist es zweckmäßig,' eine besondere Erregermaschine aufzustellen, welche ebenfalls als Kollektormaschine ausgebildet ist und so wie in den früheren Fällen die Zusatzmaschine selbst von einem Strom erregt wird, welcher dem Belastungsstrom proportional und gegen denselben um einen gleichbleibenden Winkel verschoben ist. Zur Herstellung der richtigen Phase der Zusatzspannung hat man dann sowohl die" Phasendifferenz zwisehen dem Belastungsstrom und dem Erregerstrom der Erregermaschine als auch die Phasendifferenz zwischen der elektromotorischen Kraft der Erregermaschine und dem -Erregerstrom der Zusatzmaschine zur Verfügung. Stellt man nur die erstgenannte Phasendifferenz durch besondere Hilfsapparate ein, so fallen die letzteren klein aus und verursachen nur geringe Verluste, denn die Erregerenergie der Erregermaschine ist geringer als die der einen bezw. mehreren Zusatzmaschinen. Stellt man nur die zweite Phasendifferenz durch besondere Hilfsapparate ein, so hat dies unmittelbar den Vorteil, daß diese Hilfsapparate nicht im Hochspannungskreise liegen.ίο otherwise - it is appropriate to 'a special Set up excitation machine, which is also designed as a collector machine and just as in the earlier cases the auxiliary machine itself is excited by a current, which is proportional to the load current and by a constant against the same Angle is shifted. Has to produce the correct phase of the additional voltage one then both the "phase difference between the load current and the excitation current the exciter and the phase difference between the electromotive force of the exciter and the -Excitation current of the additional machine is available. If only the first-mentioned phase difference is established by means of special auxiliary equipment a, the latter are small and cause only minor losses, because the The excitation energy of the excitation machine is less than that of one or the other. several additional machines. If only the second phase difference is set using special auxiliary equipment, this has the immediate advantage that these auxiliary devices are not in the high-voltage circuit.

Dieser Fall ist in Fig. 1 dargestellt, α ist der Wechselstromerzeuger, ζ die Zusatzmaschine, e die Erregermaschine. Erstere besitzt beispielsweise einen einachsig über Bürsten kurzgeschlossenen Läufer, eine damit gleichachs'ige Arbeitswicklung w am Ständer und eine Erregerwicklung f₂ ebendaselbst. Die Wicklung w ist in die Hauptleitung geschaltet, die Wicklung. f₂ wird von der Erregermaschine gespeist. Letztere ist beispielsweise wie eine Gleichstrommaschine ausgebildet und fremd erregt, indem nämlich ihr Feld Z₁ in die Hauptleitung geschaltet ist. f_t und w sind also vom Belastungsstrom durchflossen. Als Repräsentanten der Mittel, . welche zur Einstellung der gewünschten Phasendifferenz zwischen elektromotorischer Kraft der Erregermaschine und Erregerstrom der Zusatzmaschine zur Verfugung stehen, sind im Erregerkreis ohmsche, kapazitive und induktive Widerstände r, c und 5 eingezeichnet. Statt J₁ und w unmittelbar in den Belastungsstrom zu schalten, kann man sie auch unter Vermittlung von Transformatoren anschließen. Man kann dabei auch, wie die Fig. 2 zeigt, für beide Wicklungen einen gemeinschaftlichen Transformator t benutzen, indem man an dessen Sekundärwicklung den Erregerstromkreis ^₁ der Erregermaschine und den Arbeitsstromkreis w der Zusatzmaschine in Reihe anschließt. Die Erregermaschine ist hier beispielsweise durch den Läufer erregt; derselbe ist in einer zweiten Achse kurzgeschlossen und hat gleichachsig hierzu am Ständer eine Wicklung, von weleher der Erregerstrom für die Zusatzmaschine abgenommen wird. Mittel zur Phaseneinstellung sind hier nicht eingezeichnet.This case is shown in Fig. 1, α is the alternator, ζ the auxiliary machine, e the exciter. The former has, for example, a rotor short-circuited in one axis via brushes, a coaxial working winding w on the stator and an excitation winding f ₂ just there. The winding w is connected to the main line, the winding. f ₂ is fed by the exciter. The latter is designed, for example, like a DC machine and externally excited, namely by having its field Z _{1 switched} into the main line. The load current flows through _{f t} and w. As representatives of the means,. ohmic, capacitive and inductive resistances r, c and 5 are shown in the excitation circuit which are available for setting the desired phase difference between the electromotive force of the exciter machine and the exciter current of the additional machine. Instead of switching J ₁ and w directly into the load current, they can also be connected through the intermediary of transformers. One can, as FIG. 2 shows, use a common transformer t for both windings by connecting the exciter circuit ^ _{1 of} the exciter machine and the working circuit w of the additional machine in series to its secondary winding. The exciter here is excited, for example, by the runner; it is short-circuited in a second axis and has a coaxial winding on the stator from which the excitation current for the additional machine is drawn. Means for phase adjustment are not shown here.

Man kann die beschriebenen Einrichtungen auch benutzen, um die Spannung eines Netzzweiges selbsttätig in Abhängigkeit von der Belastung eines anderen parallel abzweigenden Netzzweiges zu regeln. Man kann so z. B. ein Licht- und Kraftnetz gegen die Rückwirkung der Belastungsschwankungen eines parallel abzweigenden Bahnnetzes schützen, wie Fig. 3 zeigt. Der Strom des Bahnnetzes b speist beispielsweise unter Vermittlung des Transformators t₁ die Erregerwicklung f₁ der Erregermaschine e, letztere erregt die Wicklung f₂ der Zusatzmaschine z. Von der Wicklung w der letzteren wird die Zusatzspannung abgenommen und unter Vermittlung des Transformators i₂ an den zu schützenden Netzzweig c abgegeben. , Auf diese Weise kann für diesen Netzzweig die Wirkung des Spannungsabfalles der Stromerzeuger, welcher durch die Belastungsschwankungen des Bahnnetzes hervorgerufen wird, aufgehoben oder beliebig geregelt werden. Man kann auch durch geeignete Wahl der Phase der Zusatzspannung erreichen, daß die Wirkung des Spannungsabfalles der Stromerzeuger nicht geschwächt, sondern im Gegenteil verstärkt wird. Dann wird bei steigender Belastung des Zweiges b der Energieverbrauch im Zweige c vermindert und die Gesamtbelastung der Kraftstation ist geringer, als ohne die angegebene Regelungseinrichtung der Fall wäre. The devices described can also be used to automatically regulate the voltage of a network branch as a function of the load on another network branch branching off in parallel. You can z. B. protect a light and power network against the reaction of the load fluctuations of a parallel branching railway network, as FIG. 3 shows. The current of the railway network b feeds, for example, through the intermediary of the transformer t _1, the excitation winding f _{1 of} the excitation machine e, the latter excites the winding f _{2 of} the additional machine z. The additional voltage is taken from the winding w of the latter and, through the intermediary of the transformer i _{2, is} delivered to the network branch c to be protected. In this way, the effect of the voltage drop of the power generator, which is caused by the load fluctuations of the rail network, can be canceled or regulated as required for this network branch. One can also achieve by a suitable choice of the phase of the additional voltage that the effect of the voltage drop of the power generator is not weakened, but on the contrary is increased. Then as the load on branch b increases, the energy consumption in branch c is reduced and the total load on the power station is lower than would be the case without the specified control device.

Claims

Godfather t-An sayings:

i. Device for automatic voltage regulation in alternating current circuits by means of an alternating current collector machine, characterized in that the field of the serving as an additional machine Collector machine, whose work windings directly BEZW. inductive with the to regulating circuits are connected in series, is excited by a current, which the voltage fluctuations causing load current approximately proportionally and against the

ben is shifted in phase by an approximately constant angle.

2. Embodiment of the device according to claim i, characterized in that that the field of the additional machine from a special, also from a collector machine The exciter machine formed is fed, the excitation current of which corresponds to the load current roughly proportional and shifted in phase with respect to the same by an approximately constant angle is.

For this purpose ι sheet of drawings.