DE204999C - - Google Patents

Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 204999 KLASSE 21 d. GRUPPE

ALEXANDER HEYLAND in BRÜSSEL.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 4. Juni 1907 ab.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Periodenformer für mehr- und einphasigen Wechselstrom mit regulierbarem oder selbstregulierendem Übersetzungsverhältnis. Der Apparat kann überall da Verwendung finden, wo es sich darum handelt, eine veränderliche Periodenzahl zu erhalten, z. B. zwecks Anlassens von Wechselstrommotoren, oder auch da, wo man eine vom Netz verschiedene Periodenzahl erhalten will.

Den bekannten früheren Vorschlägen zur Periodenumformung., liegen hauptsächlich zwei Anordnungen zugrunde.

I. Die erste Anordnung, welche in der ' Praxis auch unter Umständen als Hilfsmittel zum Anlassen von größeren unbelasteten Drehstrommotoren benutzt worden.ist, besteht darin, den stillstehenden Motor an die Schleifringe einer leerlaufenden Hilfsmaschine anzuschließen, welch letztere primär am Netz liegt, • und diese Hilfsmaschine dann mechanisch bis zum Stillstand zu bremsen. Die Periodenzahl des der Hilfsmaschine entnommenen Sekundärstromes ist dann proportional deren Schlüpfung, und die Geschwindigkeit des Hauptmotors wächst proportional der Schlüpfung der Hilfsmaschine, so daß er bei vollständiger Bremsung der Hilfsmaschine seine volle Tourenzahl erreicht und auf das Netz umgeschaltet werden kann. Eine derartige Vorrichtung kann natürlich nur als Hilfsmittel dienen, wenn ein größerer Kurzschlußmotor unbelastet anlaufen soll, denn die Verluste an sich bleiben dieselben, als wenn man ihn über einen Anlaßwiderstand im Sekundäranker anläßt, seine Zugkraft hingegen wird bedeutend schlechter, weil'sie durch die Streuung und Phasenverschiebung in der Hilfsmaschine beeinträchtigt wird.

2. Ein zweites Mittel, welches zunächst eine höhere Wirkung verspricht und den meisten Patenten auf Periodenumformer zugrunde lag, besteht darin, den Primärstrom· drei Punkten der Wicklung eines Kommutatorankers zuzuführen, den Sekundärstrom drei entsprechend versetzten Kommutatorbürsten zu entnehmen, oder umgekehrt, und die Periodenzahl dieses Stromes durch Regulierung der relativen Geschwindigkeit zwischen Bürsten und Kommutator zu regulieren. Diese Anordnung hat zunächst, abgesehen von der unzulässigen Beanspruchung eines derartigen Kommutators, den Nachteil, daß die Sekundärspannung bei jeder Geschwindigkeit und jeder Periodenzahl des Sekundärstromes gleich der Primärspannung sein würde. Zum Anlassen eines Hauptmotors müßte diese Spannung beim Anlassen aber nur niedrig sein und müßte mit zunehmender Periodenzahl ungefähr proportional mit der Periodenzahl zunehmen. Es würde also erforderlich, auch schon um die Spannung am Kommutator zu reduzieren, beim Anlassen primär einen Widerstand einzuschalten, so daß prinzipiell keine größere Anlaßwirkung erreicht würde als ohne Periodenumformer beim 'Anlassen mit normalem Anlaßwiderstand im Ankerstromkreis des Hauptmotors. Unter den Pa-

teilten befinden sich Vorschläge, die Anlaßspannung durch besondere Vorrichtungen'abzudrosseln u. dgl. mehr. Dieses Vorgehen würde aber natürlich nur die Anlaßwirkung verschlechtern und direkt einen weiteren technischen Nachteil mit sich bringen.

Aus dem Gesagten geht zunächst hervor, daß ein praktisch brauchbarer Periodenumfor- ' mer erstens, von den inneren Verlusten des

ίο Apparates abgesehen, ohne zusätzlichen Energieverlust arbeiten soll, zweitens, daß er nicht nur die Periodenzahl, sondern auch die Sekundärspannung in annähernd demselben Verhältnis herabtransformieren, und drittens, daß er nicht nur die Spannung transformieren, sondern infolgedessen auch, und zwar im um-. gekehrten Verhältnis, den Sekundärstrom entsprechend hinauftransformieren muß; d. h. bei niederer sekundärer Periodenzahl muß er einen Sekundärstrom niederer, der Periodenzahl annähernd proportionaler Spannung, dahingegen entsprechend höherer Stärke abgeben, so daß bei Phasengleichheit das Produkt aus Stromstärke und Spannung primär und sekundär praktisch dasselbe ist.

Der Periodenumformer, welcher Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, besteht nun im Prinzip aus einer Kommutatormaschine und einer Schleifringmaschine, die so miteinander verbunden sind, daß ein Teil der diesen Maschinen zugeführten elektrischen Energie direkt in Strom der sekundären Periodenzahl umgeformt wird, während der Rest der zugeführten elektrischen Energie indirekt in Strom der sekundären Periodenzahl umgeformt wird.

Eine Ausführungsform ist 'in Fig. 1 dargestellt, c' ist eine Kommutatormaschine, deren Rotor an den Kommutator e' angeschlossen ist. c" ist eine Schleifringmaschine, deren Rotorwicklung mit den drei Schleifringen s", s"', s" verbunden ist. 1, 2, 3 sind die Primärklemmen, die z. B. an eine Stromquelle beliebiger Periodenzahl angeschlossen sind; 4, 5, 6 sind die Sekundärklemmen, von denen ' der Sekundärstrom anderer beliebig regulierbarer Periodenzahl abgenommen wird.

Betrachten wir zunächst die Rolle der Schleifringmaschine c" allein. Angenommen, die Maschine rotiere mit einer gewissen Schlüpfung. In diesem Fall ist bekanntlich die Periodenzahl des den Schleifringen des Rotors entnommenen Stromes eine andere als die Periodenzahl des dem Stator zugeführten Stromes. Hierbei ist die sekundäre Periodenzahl im Verhältnis zur primären direkt durch die Schlüpfung des Rotors bestimmt. Andererseits ist es bekannt, daß die elektrische Energie des an den Schleifringen eines derartigen Motors entnommenen Sekundärstromes nicht gleich ist der dem Stator zugeführten elektrischen Energie,· sondern nur ein Bruchteil derselben, und zwar direkt proportional der Schlüpfung. Nimmt man z. B. an, daß die Windungszahlen der Stator- und Rotorwicklungen dieselben sind, so wird der Sekundärstrom gleich dem Primärström sein, aber seine Spannung wird nur einen Bruchteil der Primärspannung betragen, und. zwar steht hierbei die Sekundärspannung zur Primärspannung in demselben Verhältnis, wie die sekundäre zu der primären Periodenzahl. Der Wirkungsgrad einer solchen Anordnung müßte also natürlich im gleichen Verhältnis fallen wie die sekundäre Periodenzahl zur primären. Um aber zu einem wirtschaftlichen Resultat zu gelangen, müßte offenbar die sekundär entnommene Energie, abgesehen von den unvermeidlichen inneren Verlusten wie bei allen Maschinen, dieselbe sein wie die dem Apparat primär zugeführte Energie. Da nun die sekundäre Spannung im Verhältnis zur Primärspannung proportional dem Verhältnis der sekundären _t Periodenzahl zur primären Periodenzahl fällt, so müßte folgerichtig die Größe des sekundär entnommenen Stromes im Verhältnis zum primär zugeführten Strom sich ungefähr im umgekehrten Verhältnis mit der Spannung verändern, d. h. umgekehrt proportional dem Verhältnis der sekundären zur primären Periodenzahl. Auf diese Weise würde· erreicht, daß das Produkt aus Spannung und Strom annähernd dasselbe wird auf der Primär- und Sekundärseite.

Dieses ist in der Anordnung Fig. 1 durch die kombinierte Wirkung der Maschinen c' und c" erreicht. Der Vorgang ist der folgende. Es sei zunächst angenommen, daß die zwei Maschinen synchron mit der durch die Zuleitungen 1, 2, 3 primär zugeführten Periodenzahl rotieren. In diesem Fall ist die Periodenzahl und die Spannung an den Sekundärklemmen 4, 5, 6 gleich null. Wird jetzt die Tourenzahl der Maschinen etwas erhöht, z. B. durch Bürstenverstellung der Maschine c'', so nimmt die Periodenzahl in den Rotoren und an den Sekundärklemmen proportional dem Übersynchronismus zu. Ein Teil der zu geführten Energie zunächst, und zwar der dem · A^erhältnis der sekundären zur primären Periodenzahl entsprechende, wird hier dann durch die Maschine c" direkt in Strom der sekundären Periodenzahl umgeformt und kann den Schleifringen entnommen werden. Gleichzeitig arbeitet die Maschine c" aber als Generator und liefert einen dem Rest der zugeführten Energie entsprechenden Strom an die Maschine c' zurück, der sich zu dem der Maschine c' primär zugeführten Strom addiert und damit durch elektrischmechanische Umformung zu dem an den Schleifringen der Maschine c" abgegebenen Strom, so daß, von den'

inneren Verlusten in den Maschinen abgesehen, das Produkt aus Stromstärke und Spannung, d. h. die an den Sekundärklemmen 4, 5, 6 abgegebene Energie, gleich wird der primär zugeführten Energie.

Prinzipiell könnte man auch umgekehrt die Maschine c' so regulieren, daß sie untersyn-. chron läuft. Dann würde c" als Motor, c' hingegen als Generator arbeiten. Die Wirkungsweise würde dann jedoch unvorteilhafter, und zwar aus verschiedenen Gründen, unter anderen schon weil die Maschine c' bei größerem Asynchronismus überlastet würde, während bei der beschriebenen Regulierung die Maschine c' sich mit zunehmendem Übersynchro- ^/nismus mehr und mehr entlastet.

Man kann nun weiter einen derartigen Apparat zunächst etwa auf die Hälfte reduzieren/wenn man anstatt zwei getrennte par_yallel zueinander angeschlossene Maschinen zu benutzen, ihn aus zwei Maschinen zusammensetzt, die in sich elektrisch miteinander verbunden sind, so daß die Spannung an den Sekundärklemmen nicht im Rotor der zweiten Maschine allein erzeugt wird, sondern z. B. der Summe der Rotorspannungen beider Maschinen entspricht.

Fig. 2 zeigt eine solche Anordnung, bei der z. B. die Statorwicklungen beider Maschinen in Serie zueinander geschaltet sind und gleichzeitig auch die Rotorwicklungen in Serie zueinander liegen. Der Rotor der Maschine c" trägt hier eine mehrphasige Wicklung, deren Phasen mit dem einen Ende an den Rotor von c', mit dem anderen Ende an die Schleif-• ringe s", s", s" angeschlossen sind. Der Stator der Maschine c' ist durch die Bürsten wie früher mit seinem Rotor in Serie geschal-

' tet, gleichzeitig schalten die Bürsten hier aber auch den Stator und den Rotor der Maschine c" in Serie zueinander, indem sie den Stator c" parallel zum Rotor c' schalten. Hierdurch wird die im Rotor der Maschine c' direkt umgerichtete Spannung niederer Periodenzahl mit der im Rotor der Maschine c" durch Induktion erzeugten in Serie geschaltet, während der im Stator der Maschine c" erzeugte Strom nicht wie in der ersten Ausführungsform über die Maschine c' zurückfließt, sondern direkt über den Kommutator und die Rotorwicklung der Maschine c", den Schleifringen s", s", s" und den Sekundärklemmen 4, 5, 6 zugeführt wird. Das Feld der Maschine c" reguliert sich selbsttätig dadurch, daß seine Statorwicklung durch, die Bürsten parallel zu der variablen, allmählich wachsenden Rotorspannung der Maschine c' geschaltet ist, so daß die gesamte Sekundärspannung auch hier selbsttätig entsprechend der sekundären Periodenzahl zunimmt. Das Resultat ist dasselbe wie bei der ersten Anordnung, der Kommutator arbeitet als Umrichter, die Maschine c" gleichzeitig als Generator und die Maschine c' als Motor, so daß das Produkt aus Strom und Spannung an den Primär- und Sekundärklemmen dasselbe wird. Beide Maschinen werden jedoch nur rund halb so groß als die in der ersten Anordnung (Fig. 1).

Fig. 3 zeigt eine andere Anordnung, in der die Ständer der beiden Maschinen parallel geschaltet sind und die Läufer elektrisch untereinander verbunden sind. Ständer und Läufer können hierbei in verschiedener Weise und an verschiedenen Stellen miteinander verbünden sein.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform, in welcher der Motor c" gleichzeitig einen Kommutator e" trägt, der elektrisch mit dem Primäranker der Maschine c' verbunden ist. t ist. ein Transformator.

Fig. 5 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher der Strom der Maschine c" zugeführt wird, so daß diese als Motor arbeitet, während die Maschine c' den Strom umrichtet und gleichzeitig als Generator arbeitet. Dabei ist ein Teil der Stator.wicklung dieser Maschine oder die ganze Statorwicklung in Serie mit der Statorwicklung der Maschine c^r geschaltet, während ein anderer Teil oder dieselbe Statorwicklung in Serie mit dem Kornmutator der Maschine c' verbunden ist. Will . man die Wicklung in zwei Teile zerlegen, so wird es sich z. B. empfehlen, sie aus zwei verschiedenen Wicklungen herzustellen, die in den gleichen Nuten liegen mögen und in Serie zueinander geschaltet sind.

Die Apparate können zur Umformung der Periodenzahl eines beliebigen mehr- oder einphasigen Wechselstromes in einen Strom irgendeiner anderen gegebenen. oder regelbaren Periodenzahl benutzt werden, unabhängig von der primären Periodenzahl, die konstant oder variabel sein kann.

Als hauptsächlichste Verwendung kommt das Anlassen und die Tourenregulierung von Induktionsmotoren mit Kurzschlußanker in Frage. Zu diesem Zweck kann der Hauptstrom den Primärklemmen des Apparates zugeführt werden, und seine Sekundär klemmen können mit dem anzulassenden Induktionsmotor verbunden sein. Das Anlassen geschieht dann, indem man die Periodenzahl des dem Motor zugeführten Sekundärstromes allmählich vergrößert. Die Regulierung der Geschwindigkeit "eines solchen Motors könnte desgleichen durch die Änderung der sekundären Periodenzahl erzielt werden. In gewissen Fällen wäre es vorteilhaft, den Periodenumformer mit einem Schwungrad zu versehen, um ihn zu befähigen, während der niederen Belastungen des Hauptmotors mechanische Energie aufzuspeichern, um dieselbe

dem Hauptmotor zurückzuliefern, wenn derselbe momentan Überlastungen auszuhalten hat usw., .oder wenn plötzliche Tourenschwankungen eintreten.

Besondere Resultate werden erzielt bei Benutzung dieses Periodenumformers zum Anlassen von Hauptmotoren, die zu zwei oder mehreren in Kaskade geschaltet sind, indem der Periodenumformer elektrisch (mechanisch

ίο unabhängig) zwischen zwei Hauptmotoren angeschlossen ist u. dgl. mehr.

Es ist noch eine Anzahl anderer Ausführungsformen und Schaltungen denkbar. Der .Periodenumformer kann auch aus einer größeren Anzahl Maschinen zusammengesetzt sein. Alle sind dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der zugeführten elektrischen Energie direkt, ein anderer indirekt, in Strom der sekundären Periodenzahl umgeformt wird.

Claims (5)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Verfahren zur Umformung der Periodenzahl ein- oder mehrphasiger Wechselströme mit Hilfe einer Schleifring- und Kommutatormaschine, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der umzuformenden Energie direkt in Strom der sekundären Periodenzahl umgerichtet und transformatorisch umgeformt wird, während der Rest der Energie dazu benutzt wird, eine der Maschinen als Generator zu treiben und durch Induktion Strom der sekundären Periodenzahl zu erzeugen.
2. 2. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kommutatormaschine. mit einer Schleifringmaschine gekuppelt ist, wobei die umzuformende Energie beiden Maschinen in Reihen- oder Parallelschaltung zugeführt wird.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, da- " durch gekennzeichnet, daß die Läuferwicklungen der beiden Maschinen elektrisch verbunden sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten der Kommutatormaschine an die Ständerwicklungder anderen Maschine angeschlossen sind.
5. 5. Verfahren zur Änderung der sekundären Periodenzahl bei den Einrichtungen nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tourenzahl durch Beeinflussung der Kommutatormaschine (z. B. mittels Bürstenverschiebung) geändert wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.