DE205756C - - Google Patents

Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 205756 KLASSE 21 d. GRUPPE

oder Fremderregung.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 26. März 1907 ab.

Bei Wechselstrom-Kollektormaschinen mit Nebenschlußerregung oder allgemein mit Fremderregung müssen bekanntlich Anker und Erregerwicklung an Spannungen gelegt werden, die ungefähr um go° gegeneinander verschoben sind, um an der Maschine ähnliche Eigenschaften wie an einer fremderregten Gleichstrommaschine zu erhalten, so daß die als Motor arbeitende Maschine bei veränderlicher Belastung und konstanten Spannungen ihre Geschwindigkeit nicht wesentlich ändert, also bei konstanter Erregung eine durch die Ankerspannung oder aber bei konstanter Ankerspannung eine durch die Erregung eindeutig ' 15 bestimmte Geschwindigkeit annimmt.

Dieser Zweck kann bei Wechselstrom-Kollektormaschinen durch die Anwendung der phasenverschobenen Spannungen auch erreicht werden, doch zeigt sich, daß dabei die Maschine ungemein wenig ausgenutzt wird. Ihre Leistung beträgt auch in günstigen Fällen noch nicht die Hälfte der Leistung, die sie bei Reihenschlußschaltung erreichen könnte, meist aber noch viel weniger. Der Grund dafür liegt in dem induktiven Spannungsabfalle im Anker, der auch bei Anwendung einer Kompensationswicklung infolge der ungenügenden Verknüpfung von Ankerstrom und Kompensationsstrom im allgemeinen eine beträchtliche Größe behält. Das zeigt sich übersichtlich an dem Diagramme Fig. i, das maßstabrichtig für praktisch tatsächlich vorkommende Verhältnisse gezeichnet ist.

In der Figur bedeutet k die Spannung am Anker, f den Erregerfluß, der hier in Phase mit k angenommen ist, e die elektromotorische Gegenspannung des Ankers, die immer in Phase mit'/ ist, hier also auch in Phase mit k bzw. um eine halbe Periode verschoben. Die Resultierende aus k und e. stellt den gesamten Spannungsabfall im Anker dar und ist gleichzeitig die Resultierende aus dem Ohmschen und dem induktiven Spannungsabfall, wie in der Figur angedeutet. Diese induktive Komponente des "Spannungsabfalles überwiegt nun bei wirklichen Ausführungen wesentlich, infolgedessen tritt zwischen dem Anker ströme i und dem Er reger flusse f eine starke Phasenverschiebung φ ein. Da die Leistung der Maschine dem Cosinus dieses Winkels proportional ist, so wird die Maschine nur zu einem Bruchteile ihrer möglichen Leistung ausgenutzt. Der Winkel φ ist für alle Belastungszustände praktisch wenig veränderlich.

Klemmenspannung und Feld werden nicht immer, wie oben vorausgesetzt war, in der Phase zusammenfallen. Häufig wird eine konstante Differenz in den Phasen vorhanden sein, und diese kann sogar zweckdienlich wirken, da sie bei einer bestimmten Belastung ein vollständiges Zusammenfallen des Stromes mit dem Felde herbeiführt, also eine gute Ausnutzung des Motors, wie sich an Hand der Fig. 2 in ihrem ausgezogenen Teile von selbst erklärt, wenn man diese Figur aus Fig. 1 durch Verschiebung des Feldes f gegen die Klemmenspannung k um den Winkel α entstanden denkt. Für alle anderen Belastungen als die dem Strome * entsprechende ist aber

keine Übereinstimmung von Strom und Feld vorhanden, wie aus dem punktierten Teile der Fig. 2 sich ergibt. Wird beispielsweise das Drehmoment verringert, so wird sich der Endpunkt von e auf der Verlängerung von f verschieben und etwa in e_x übergehen: Dann geht ersichtlich der frühere Strom i in i_x über, der infolge der starken Abweichung (q>) von dem Felde / trotz erheblicher Größe

ίο dem kleineren Drehmomente entspricht. Wird das Drehmoment Null, so steigt die elektromotorische Gegenspannung auf e₀ und der Strom auf i₀, die zueinander senkrecht stehen. Bei den hier gewählten Verhältnissen steigt der Leerlauf strom auf das Vierfache des ursprünglichen Belastungsstromes, und die Geschwindigkeit ist fast aufs Doppelte gestiegen. Der gekennzeichnete Ubelstand kann durch die nachfolgend beschriebenen Maßnahmen in mehr oder weniger hohem Grade behoben werden, die alle die Wirkung haben, die induktive Komponente des Spannungsabfalles im Anker absolut oder relativ zu. verringern. Als einfachstes Mittel, die induktive Komponente des Spannungsabfalles relativ zu ermäßigen, bietet sich das Vorschalten eines Ohmschen Widerstandes vor den Anker dar. Man erreicht damit jedenfalls, wie an Hand des Diagrammes Fig. 1 sich sofort ergibt, ein besseres Zusammenfallen des Ankerstromes mit dem Erregerflusse, also eine günstigere Ausnutzung des' Motors.

Besonders deutlich zeigt sich aber der Einfluß des Ohmschen Widerstandes bei Vorhandensein einer konstanten Phasenverschiebung zwischen Klemmenspannung und Feld, wie sich aus Fig. 3 ergibt, die eine entsprechende Änderung der Fig. 2 darstellt. Hier ist so viel' Ohmscher Widerstand in den Anker Stromkreis geschaltet, daß der Ohmsche Spannungsabfall gleich dem induktiven wird: der Leerlaufstrom ist nicht'größer als der Strom i bei der günstigsten Belastung, die Leerlauf geschwindigkeit ist nur um etwa die Hälfte gestiegen.

Man erreicht also das zunächst auffallende Ergebnis, durch Vorschalten von Widerstand vor den Anker die Leistung des Motors zu erhöhen oder den Tourenabfall zu verkleinern.

In allen Fällen läßt sich ein bestimmter Wert für den Widerstand angeben, der die günstigsten Verhältnisse herstellt.

In günstigerer Weise läßt sich das Ziel natürlich erreichen durch weitergehende Verkleinerung der absoluten Größe der induktiven Komponente oder durch ihr vollständiges Aufheben. Nachfolgend sind mehrere zu diesem Zwecke geeignete Mittel beschrieben.

In Fig. 4 stellt α den Anker einer Wechselstrom-Kollektormaschine vor, / die fremderregte Feldwicklung. In den Ankerstrom kreis ist nun der Kondensator c eingeschaltet, der in bekannter Weise einen Teil oder die ganze induktive Spannungskomponente des Ankers aufhebt, so daß der Spannungsabfall im Anker mehr oder weniger induktionsfrei und somit der Phasenwinkel φ in den Fig. 1, 2 und 3 tunlichst klein wird. Der Kondensator kann natürlich auch unter Zwischenschalten eines Transformators nutzbar gemacht werden, beispielsweise um eine für die Ausnutzung des Kondensators günstige Spannung anwenden zu können.

Die Wirkung des Kondensators in dem Ankerstromkreise läßt sich durch einen Hilfs- 75 generator ersetzen, dessen Phase um go° gegen die Phase des Hauptgenerators bzw. des Netzes oder des Ankerstromes verschoben ist. Darauf beruht die durch Fig. 5 als Beispiel dargestellte Schaltung, die gewissermaßen der bekannten Leonardschaltung in Anwendung auf Wechselstrom entspricht.

Die drei Generatoren ^₁; g₂ und k mögen miteinander durch eine gemeinsame Welle gekuppelt sein, sie erhalten ihre Erregung aus dem Gleichstromnetze /. Der Generator g₂ liefert Wechselstrom konstanter Spannung zur Erregung des Motors m, der seine Leistung von dem Hauptgenerator ^₁ erhält. In den Stromkreis von ^₁ und m ist der Hilfsgenerator h mit annähernd 90° Phasenverschiebung gegen die E. M. K. von ^₁ eingeschaltet. Dieser Generator soll die induktive Spannungskomponente des Ankers, wenn erforderlich auch die des Generators g_1; bei jeder Belastung vernichten. Seine Erregung muß deshalb in Abhängigkeit von dem Ankerstrome des Motors geändert werden, wie etwa nach Andeutung der Figur selbsttätig durch ein Relais r erreicht werden kann.. Der Generator g₁ hat deshalb nur noch die Nutzleistung und den Ohmschen Spannungsabfall zu decken; einer gewissen Spannung dieses Generators entspricht immer eine bestimmte Geschwindigkeit des Motors m. Der Generator g± führt demnach im wesentlichen nur Wattstrom, die Generatoren ^₂ und h im wesentlichen nur wattlosen Strom.

Der Hilfsgenerator h, der in der Fig. 5 zunächst als synchroner Generator gedacht ist, kann auch durch eine Kollektormaschine ersetzt werden, deren Erregung proportional dem Strome im Motor m ist. Zur Einstellung der richtigen Phase können alle bekannten Mittel benutzt werden. Wenn der Motor m mit annähernd ■ konstanter Geschwindigkeit läuft, kann der Hilfsgenerator h auch mit diesem gekuppelt werden.

Die Generatoren ^₁, go, und h brauchen natürlich nicht starr gekuppelt zu sein, sondem können durch Synchronmotoren . angetrieben werden. Die Gleichstromerregung kann

auch einem Gleichstromgenerator entnommen werden, der mit einer der Maschinen Si' Sf hy ^m gekuppelt oder sogar mit ihr vereinigt ist, so daß ein besonderer Gleichstromgenerator ganz entfällt.

Selbstverständlich kann der Motor w, wie von Gleichstrommaschinen her bekannt ist, auch durch Änderung der Erregung von g₂ zwecks Regelung seiner Geschwindigkeit be-

lü einflußt werden.

Denselben Zweck wie durch die Schaltung nach Fig. 5 kann man unter Vermeiden eines Relais erreichen, wenn Mehrphasenstrom zur Verfügung steht. In Fig. 6 bedeutet g einen Zweiphasengenerator, W₁ und w₂ zwei Moto-■·· ren, die zunächst als gleich und mechanisch gekuppelt angenommen werden mögen, A₁ und A₂ zwei Hilfsgeneratoren, die für die Motoren W₁ und W₂ dieselbe Rolle spielen wie der Hilfsgenerator A für den Motor w in Fig. 5. Die Motoren W₁ und W₂ werden von je einer Phase des Generators g gespeist,; die Erre-

. gung für g, W₁ und W₂ ist in der Figur der Einfachheit, wegen fortgelassen. Die Hilfsgeneratoren A₁ und A₂ sind hier als Kollektormaschinen gedacht, die wieder mit g auf derselben Welle sitzen mögen, und deren Erregung von der anderen, ihren Anker nicht speisenden Phase geliefert wird. Da die beiden Phasen um .90° gegeneinander versetzt sind, so liefern die beiden Hilfsgeneratoren A₁ und A₂ je für ihre zugehörigen Motoren W₁ und W₂ eine um 90⁰ gegen die zugehörige Generatorspannüng verschobene Spannung, heben also wieder, wie in der Schaltung nach Fig. 5, die induktiven Spannungskomponenten in den Motorankern auf, und ersichtlich, ist die Wirkung von A₁ und A₂ immer proportional dem Ankerstrome von W₁ und W₂.

An Stelle des Generators g (wie auch an Stelle der Generatoren g_x und g₂ der Fig. 5) kann natürlich auch ein beliebiges Zweiphasennetz dienen, wobei die Spannung durch einen Stufentransformator oder einen drehbaren Transformator geregelt wird. Die Hilfsgeneratoren A₁ und A₂ können dann entweder mit den Motoren W₁ und w₂ mechanisch gekuppelt sein oder durch einen besonderen synchronen oder asynchronen Motor oder überhaupt durch einen beliebigen Motor angetrieben werden. Statt des Doppelmotors W₁, w₂ kann auch ein einziger Zweiphasenmotor . dienen.

Das Gesagte gilt sinngemäß für Mehrphasennetze überhaupt, wenn die Phasen angemessen kombiniert werden.

Ersichtlich ist zur Durchführung der Schaltung auch nicht Gleichheit von W₁ und W₂ bzw. A₁ und A₂ erforderlich, da man durch Wahl der Wicklungen immer die für jeden Motor erforderliche Amplitude erreichen kann. Die beschriebenen. Einrichtungen können ' natürlich in den Einzelheiten verschiedenartig ausgestaltet sein, wesentlich ist nur, daß in den Stromkreis einer Wechselstrom-Kollektormaschine eine passive oder aktive Spannung von solcher Phase eingeschaltet wird, daß sie die induktive Spannungskomponente des Ankers teilweise oder ganz aufhebt bzw. ihren Wert relativ verringert.

Die vorstehenden Darlegungen beziehen sich sinngemäß auf alle Motoren für Ein- und Mehrphasenstrom, deren Erregerwicklung nicht ausschließlich vom Ankerstrome durchflossen wird, ' nicht nur also auf Motoren mit reiner Nebenschluß- oder Fremderregung einschließlieh der Kompoundmotoren, sondern auch auf Motoren mit. Nebenschluß- oder Fremderregung im weiteren Sinne, z. B. auf Motoren, bei denen die Erregung vom Anker aus erfolgt, wie beim kompensierten Repulsionsmotor. Während bei Motoren mit Nebenschluß- oder Fremderregung, die nach Art der entsprechenden Gleichstrommotoren ausgebildet sind, Ankerspannung und Erregerspannung annähernd um go° in der Phase gegeneinander verschoben sein müssen, stimmen bei Motoren mit Erregung vom Anker aus die Spannungsphasen an der Arbeitswicklung und an der Erregerwicklung annähernd überein, da in beiden Stromkreisen E. M. Ke. der Rotation auftreten, so daß Strom und Spannung bei steigender Drehzahl sich in den Phasen nähern.

Claims (4)

Patent-Ansprüche:

1. Schaltung für Wechselstrom- Kollektormaschinen mit Nebenschlußerregung oder

.Fremderregung, gekennzeichnet durch eine in den Ankerstromkreis eingeschaltete Spannung von solcher Größe und Phase, daß

. die induktive Spannungskomponente des Ankers, teilweise. oder ganz aufgehoben wird bzw. relativ verkleinert wird, zu dem Zwecke, Ankerstrom und Feld tunlichst phasengleich zu machen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vor den Anker ein-, geschalteten Ohmschen Widerstand, zu dem. Zwecke, die induktive Spannungskomponente im Anker relativ zu verklei- nern.

•3. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen in den Ankerstromkreis eingeschalteten Kondensator.

4. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen in den Ankerstromkreis geschalteten Hilfsgenerator, dessen Spannung in der Phase um 90⁰ gegen die Phase des Generators verschoben ist, und dessen Amplitude zweckmäßig selbsttätig in Abhängigkeit von dem Ankerstrome geregelt wird.

5· Schaltung nach Anspruch ι für Motoren, die aus einem Mehrphasennetze gespeist werden, gekennzeichnet durch zwei Motoren, die aus vei'schiedenen Phasen des Netzes gespeist werden unter Vorschalten je eines Hilfsgenerators, dessen Erregung der anderen Phase des Netzes entnommen wird, so daß die in die Ankerstromkreise der Motoren eingeschalteten Spannungen die zum Verringern oder Aufheben der induktiven Spannungskomponente erforderliche Phasenverschiebung erhalten.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.