DE207519C

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Publication number: DE207519C
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KAISERLICHES

PATENTAMT.

P^rENTSCHRIFT

KLASSE 21 d. GRUPPE

ROBERT MOSER in CHARLOTTENBURG.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 15. März 1908 ab.

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung, zur selbsttätigen Spannungsregelung von Syh-

■ chron-Drehstrommaschinen bei beliebiger Phä-• senverschiebung und Belastung mittels Drehfelderregung und Stromwender.

Die Erfindung bezweckt, bei wirtschaftlich · günstigster Bauart der Maschinen den Spannungsabfall auf ein solches Maß zu verkleinern, als es. gerade mit Rücksicht auf den Kurz-

1Ό- schlußstrom oder aus anderen Gründen zulässig ist. Falls man eine solche "Rücksicht nicht zu nehmen hat, soll auch eine vollkommene Kompoundierung, d.h. eine. selbsttätige Regelung der Spannung von der Art erzielt werden, daß auch alle Nebeneinflüsse,· wie z. B. der ohmische Abfall in der Maschine, ausgeglichen werden. , Außerdem erstreckt sich die Erfindung auf ein Verfahren, um vor der Inbetriebsetzung der Maschine auf einfächern Wege ohne großen Bedarf an mechani-. scher oder elektrischer Energie alle Teile so einstellen zu können, daß sich im. Betriebe

■ die'. angestrebte Arbeitsweise mit. Sicherheit ergibt.' . . ■

Heyl'and und Latour haben einen asynchronen. Stromerzeuger angegeben^ bei wel-.· ■ ehern die Erregerampere windungen im Läufer • durch Selbsterregung und außerdem. Kompoundierungsamperewindungen durch den Ständerstrom hervorgerufen werden. Wie bekannt, weisen diese Anordnungen mancherlei übelstände auf. Vor· allem ist es notwendig, die Kompoundierungsamperewindungen in Größe und Phase, ebenso die Erregeramperewindungen wenigstens in der Phase ganz genau einzu- 35.' stellen, wenn die Maschine, bei Leerlauf und Belastung Synchronismus beibehalten soll. Der Veränderung der Periodenzahl an und für sich wäre nun vielleicht keine' so große Bedeutung beizumessen, weil, es bei diesen' Anordnungen im Wesen der Verhältnisse liegt, daß die Schlüpfung, kaum einen nennenswerten Betrag erreicht/ Der Nachteil besteht aber darin, daß bei der geringsten Schlüpfung die magnetische ' Achse im Läufer ihre Lage fortgesetzt verändert und so das Zurückbleiben eines permanenten ■Magnetismus nach dem Abstellen der Maschine sehr erschwert, wenn nicht ganz verhindert wird. Es. ist also schwierig, die Maschine ohne besondere Hilfsmittel nach dem. Abstellen wieder auf Spannung zu bringen.

Ein fernerer Nachteil der Heyland-. Latour sehen Anordnung ist der, daß man es nicht in der Hand hat/bei den Maschinen . einen beliebigen mäßigen Spannungsabfall durch Verkleinerung der , Kompoundierungsampere-; windungen zuzulassen, um z. B. das Parallelschalten mehrerer Maschinen leichter durchführen zu können, weil dann, wie bereits aus- : geführt, die Selbsterregung noch mehr gefährdet ist. . . ■ '■■ ■ ' ■ ^: ■.··■'.·..■■

Außerdem kann man die Maschine nur ..für die einmal gewählte Spannung benutzen, für jede andere Spannung müßten wieder die Regelungswiderstände oder¹ die Bürsten neu eingestellt werden?'

(2. Auflage, ausgegeben am 22. Februar igis.J

Diese Übelstände werden nun gemäß der Erfindung sämtlich dadurch beseitigt, daß man den Erregertransformator durch eine zwangläufig mit'der. Hauptmaschine gekuppelte Drehstromerregermaschine ersetzt. Es wird dann absoluter Synchronismus gewährleistet sein, und es werden die wirklichen oder scheinbaren Widerstände im Läufer einen unveränderlichen Wert erhalten; außerdem ist die Bildung der

ίο Erregeramperewindungen gesichert. Bei einer ■ solchen Anordnung läßt sich vollkommene oder unvollkommene Kompoundierung, dem bereits genannten Zweck der Erfindung entsprechend, durchführen, sei es mit einer gemeinsamen Läuferwicklung oder mit zwei ge- ; trennten Wicklungen. Ebenso kann durch j alleinige Änderung der Erregung an der Erreger- } maschine jede beliebige Spannung eingestellt j werden, ohne daß z. B. die .vollkommene Korn- ^!

poundierung gestört wird.

Es ist bereits eine ähnliehe Abänderung der Heyland-Latour sehen Anordnung vorgeschlagen worden. Dieselbe dient jedoch einem anderen Zwecke, nämlich dem, eine beliebige

2;-, Periodenzähl -erzielen zu können. Hierbei sollte der. Antrieb der Erregermaschine von der Hauptmaschine unabhängig sein. Es ist aber klar, daß eine solche Anordnung gerade das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Un-Veränderlichkeit der scheinbaren Widerstände im Läuferstromkreis, außer Acht läßt. Hinsichtlich der Spannungsregelung werden sich hierbei noch ungünstigere Verhältnisse ergeben wie bei der Heyland-Latoursehen An-Ordnung. Denn während, wie bereits erwähnt, bei Selbsterregung die Schlüpfung schon durch die besonderen Verhältnisse in ganz geringen Grenzen gehalten wird, treten hier, wo die Geschwindigkeit absichtlich in weiteren Grenzen geändert wird, in der Läuferwicklung der Hauptmaschine' bedeutende gegenelektromotörische Kräfte auf, von denen bei Synchronismus keine Spur vorhanden ist. Sowohl die Bildung der Erreger- wie Kompoundierungsämperewindüngen ei;folgt also entsprechend den hierdurch veränderten scheinbaren Widerständen bei jeder Geschwindigkeit anders, die Bildung der Kompoundierungsämperewindungen jedenfalls dann, wenn eine gemeinsame Läuferwicklung vorhajnden ist. Im allgemeinen werden die Erregeramperewindungen schon bei geringen Abweichungen vom Synchronismus nahezu verschwinden und damit auch die Spannung, falls nicht die Erregung an der Erregermaschine wieder erhöht wird.

Durch einen unabhängigen Antrieb der Erregermaschine ließe sich aber der Synchronismus auch nicht, selbst wenn beabsichtigt, in der Vollkommenheit erzielen, wie .es für eine selbsttätige. Spannungsregelung erforderlich ist, da ■: schon die geringsten unvermeidlichen Schwankungen in der , Antriebsgeschwindigkeit eine Veränderung der scheinbaren Widerstände im Läuferstromkreis zur Folge hätten: Die Zwangläufigkeit des Antriebes wird am besten durch. mechanische Kupplung hergestellt. Würde nian z.B. die Erregermaschine durch einen Synchronmotor, der von der Hauptmaschine gespeist wird, antreiben, so ließen sich dadurch, abgesehen von den Schwierigkeiten bei der Inbetriebsetzung, periodische Schwingungen nicht ganz vermeiden, und es würden sich außerdem mancherlei Nachteile ergeben, welche gerade der Selbsterregung eigen sind. ■ Es würde nämlich die Einstellung der beiden Amperew.indungen nicht mehr willkürlich erfolgen können, da zwischen Erreger- und Kompoundierungsstrom eine elektrische Abhängigkeit bestände. Man müßte also z. B., um nicht das mühselige Verfahren mittels verschiedenartiger induktiver Widerstände' anzuwenden, das Gehäuse des Synchronmotors oder der Erregermaschine dreh- · bar und einstellbar einrichten.

Nach der Patentschrift 182661 könnten die : Erregeramperewindungen auch durch Gleichstrom hervorgerufen wer.den. Eine solche Anordnung hat aber wieder den Nachteil, daß man für Kompoundierungs- und Erregeramperewindüngen stets zweier getrennter Läuferwicklungen bedarf, wenn eine richtige Arbeitsweise stattfinden soll. Dann führt jedoch der umstand, daß die beiden Wicklungen von verschiedenartigem Strom gespeist werden, zu Schwierigkeiten in der Ausbildung der Wicklungen oder . in der Zuführung und Erzeugung des Gleichstromes. · ....

Fig. ι zeigt schematisch die neue Anordnung beispielsweise für eine zweipolige Maschine mit zwei Läuferwicklungen, und' zwar für Dreiphasenstrom. Natürlich kann jede beliebige Pol- und Phasenzahl zur Anwendung kommen'. Es bedeutet s den Ständer der Hauptmaschine, c den Kompoundierungstränsformator, durch welchen die dem Ständer-strohig-.proportionalen Amperewindungen in der einen Läuferwicklung k hervorgebracht werden. Dieser Läuferwicklung ist der regelbare Widerstand w parallel geschaltet ■

Die Erregermaschine ist hier in der Form eines Drehstrorn-Gleichstrom-Um formers ausgeführt, der jedoch Gleichstrom nur zur Speisung seiner Magnetwicklung in über den regelbaren Widerstand y liefert. Vom Läufer α der Erregermaschine wird über die Schleifringe g, einen regelbaren Widerstand «.und einen Transformator I Drehstrom an die zweite Läuferwicklung e der Hauptmaschine abgegeben.

Die Anordnung in Fig. 1 ist nur als Ausfüh- , rungsbeispiel zu betrachten. So ist der Transforma tor i nicht erforderlich und hat hier nur den Zweck, die für die Läuferwicklung e passende' Spannung und gegebenenfalls die passende Phasenzahl herzustellen, ohne daß man in dem

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Entwurf der Erregermaschine beengt ist. Als Erregermaschine ist statt der angegebenen Ausführung jede beliebige Form von Drehstrommaschinen verwendbar, z. B. eine solche, bei der die Drehstromwicklung feststeht und der Läufer als Induktor, mit oder ohne ausgeprägten . Polen, ausgebildet ist, dem ■ durch Schleifringe. Gleichstrom zugeführt wird; Die Widerstände ν und. w brauchen nicht

ίο induktionsfrei zu sein; eine richtige und unter , Umständen günstigere Arbeitsweise ergibt sich. auch dann, wenn sie mit Kapazität oder-Selbstinduktion behaftet sind, also z. B. als Kondensatoren oder Drosselspulen ausgeführt werden.

Der Widerstand ν dient zur Beruhigung des zugeführteh Drehstromes mit Rücksicht auf den veränderlichen .Bürstenübergangswiderstand. Der Widerstand w soll eine feinere Abstufung der Kompoundierungsamperewindungen ermöglichen. Er erfüllt seinen Zweck auch dann, wenn er zur Primärseite des Kompoundierungstransformators c parallel .'geschaltet .wird, anstatt zur Sekundärseite, wie · in Fig. 1 gezeichnet, . .. .

Eine weitere Abänderung kann dadurch erfolgen, daß man den, Kompoundierungstransformator ganz fortläßt. Dies ist, vorausgesetzt daß es die Spannungsverhältriiss'e zulassen, möglich, z. B. bei Dreiphasenstrom, wenn man durch die Läuferwicklung k in bekannter Weise den Ständerstrom selbst hindurchleitet.

Eine Anordnung mit nur einer Läuferwicklung zeigt Fig. 2. . Die Erregermaschine weist hier die übliche Form von Drehstrommaschinen, mit oder ohne ausgeprägten Polen im Induktor auf. Es ist nicht erforderlich, daß die Erregermaschine die Eigenschaft hat, einen Ström begrenzter oder unveränderlicher Stärke zu liefern. Es läßt sich zeigen, daß es auch bei dem Vorhandensein nur einer Läuferwicklung in der Hauptmaschine genügt, wenn ■ die Erregermaschine auf dem geraden Ast der Spannungscharakteristik arbeitet, und daß es bezüglich . der Abmessungen günstig ist, für dieselbe ein schwaches Feld zu. wählen.

In Fig. 2 ist α der Induktor^ der Erregermaschine, welchem durch Schleifringe / Gleichstrom über einen regelbaren Widerstand υ zufließt, ferner ist d der Ständer der Erregermaschine, der über den Widerstand ν Drehstrom an" die Läuferwicklung I der Hauptmaschine ' abgibt. ■.' ■

Fig. 2 ist ebenfalls nur ein Äusführungsbeispiel. Bezüglich der Verwendung des Kompoundierungstransformators und der Widerstände υ Und w gilt dasselbe/wie bei der Anordnung nach Fig.'i. ' ' , .■..';.■ Für die Kompoundierungs- und Erregerseite sind hier. dieselben Bürsten b arri Läufer der Hauptmaschine angenommen. Eine Trennung derselben ist möglich, ober 'nicht erforderlich.

Eine weitere Abänderung mit nur einer Läuferwicklung ergibt sich dadurch, ^rdaß man Erregermaschine, Läuferwicklung und Kompoundierungstransformator nicht parallel zueinander wie in Fig. 2, sondern hintereinander schaltet. Es erweist sich in diesem Falle nicht nur als wünschenswert, sondern sogar als erforderlich, parallel zum Kompoundierungstransformator auf der Primär- oder Sekundärseite einen Widerstand allgemeiner Art (mit ohmischem Widerstand, Selbstinduktion oder Kapazität behaftet) zu. legen. Der Widerstand läßt sich umgehen, wenn man beim Kompoundierungstransformator durch entsprechende Mittel den Leerlaufstrom erhöht. Bei dieser Anordnung ist es günstig, die Erregermaschine mit starkem Felde arbeiten zu lassen. ; ... /

Das Verfahren für die Einstellung der Bürsten ist folgendes:

Die Anordnung wird betriebsmäßig geschaltet und bei unerregter Erregermaschine an eine zwangläufig synchrone Stromqtielle angeschlossen. Die Bürsten sind dann in diejenige Stellung zu bringen, bei welcher das Verhältnis .»Ständerspannung zu Ständerstrom« am kleinsten ist. Für vollkommene Kompoundierung wird durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses am Transformator oder durch Einstellung der Widerstände im Läuferstromkreis bei richtiger Bürstenstellung die Klemmenspannung zum Verschwinden gebracht werden; also das obige Verhältnis 3SIuIl sein müssen.

Es läßt sich beweisen, daß bei dieser Bürstenstellung die Maschine mit nur einer Läuferwicklung dieselben Eigenschaften hat wie mit zwei getrennten Läuferwicklungen, auch dann, wenn im Läuferstromkreis oder der Ständerwicklung der Hauptmaschine überdies noch irgendwelche ; beabsichtigten oder zufälligen Widerstände allgemeiner Art vorhanden sind.

Dies Verfahren findet auch sinngemäß Anwendung bei Verwendung von zwei Läuferwicklungen, um die Bürsten der Kompoundierungsseite einzustellen, während die Stellung der Bürsten auf der Erregevseite beliebig ist. Hierbei kann gegebenenfalls die Erregermaschine selbst als synchrone Stromquelle benutzt werden, während bei nur einer Läufer-. wicklung die Erregermaschine betriebsmäßig no angeschaltet bleiben muß. Für unvollkommene Kompoundierung hat die durch das angegebene .Verfahren bestimmte Stellung der Bürsten, die ■ Bedeutung, daß klare Verhältnisse bezüglich Spannungserhöhung bei Entlastung und Spannungsabfall sich ergeben. Die Maschine arbeitet dann nämlich genau so, wie wenn sie ohne Kompoundierung nur mit dem (i-a)-fachen Strome bei gleicher Phasenverschiebung belastet wäre, wobei die Zahl α willkürlich, z. B. durch Einstellung des Übersetzungsverhältnisses am Kompoundierungstransformator, ge-

Claims

wählt werden kanri. Wenn 4.= ι angenommen·, j wird, erhält man vollkommen unveränderliche j Spannung.

Zur Erklärung des Ausdruckes »betriebsmäßig geschaltet« sei erwähnt, daß darunter nicht nur die äußere Schaltweise verstanden ist, sondern daß auch die' Regelungswiderstände so geschaltet .sein müssen, wie es für den Betrieb beabsichtigt ist. , Also auch die .10 .wahren Widerstandswerte■· müssen »betriebsmäßig« und unveränderlich sein.

Bei Veränderung der Widerstände nämlich, besonders wenn gleichzeitig deren Induktiyitäts-

■ oder Kapazitätswert verändert wird, ergibt sich im allgemeinen eine neue Bürstenstellung.

'Dieser Umstand könnte nun dazu benutzt werden, um etwa aus konstruktiven Gründen eine allzu weite Verschiebung der Bürsten zu umgehen. So wird für vollkommene Kompourtdie-

2o. rung eine Verschiebung.der Bürsten in manchen 'Fällen bei dem Verfahren ganz vermieden, da,-wie angegeben, hierbei nur .die Klemmenspannung zum Verschwinden gebracht werden muß, Ein Vergleich mit der Klemmenspannung bei anderen Bürstenstellungen ist dann natürlich nicht mehr notwendig. ,

"Der Versuch muß bei den normalen Umdrehungszahlen der-Maschine ausgeführt werden. . Das ganze Verfahren zur Einstellung der Bürsten ist erforderlich, weil es nur in den . seltensten Fällen gelingen wird, durch Vorausberechnung die Verhältnisse so richtig zu treffen, .daß dieselben durch den Versuch nicht nach-, geprüft werden müßten.. . .

Das Verfahren bildet jedoch nicht nur ein

■ praktisches . Hilfsmittel für die Inbetriebsetzung, sondern es gewährt,, wenn es nur ausgeführt gedacht- wird, .einen Ausgangspunkt für den Entwurf des Arbeitsdiagrammes und die Gründlage für die Bemessung der Kompoundierungsamperewindungen, also ;für. den Entwurf der ganzen Maschine.

Es sei'noch hinzugefügt, daß die Bezeichnung ' »Anordnung mit einer oder zwei Läuferwickhingen« sich nur-auf .die Kompoundierungs- und Erregerwicklung bezieht. Dagegen soll damit nicht ausgedrückt sein, daß sich auf dem Laufer nicht noch andere. Wicklungen zu Nebenzwecken befinden' können. So soll es z. B. nicht ausgeschlossen sein, nebenbei noch kurzgeschlossene Windungen oder eine Kurzschlußwicklurig · beliebiger Art aufzubringen, um in bekannter Weise, die Kommutierung zu verbessern, da hier wegen des erzwungenen synchronen Läuferdrehfeldes ein Einfluß der Kurzschluß windungen auf die übrige Arbeitsweise der Maschine grundsätzlich nicht.stattfindet.

' Die hier beschriebene Anordnung kann natürlich sowohl, als Generator wie als Motor Verwendung finden.. ,In letzterem, Falle würde , die Maschine z.B. entweder in bekannter Weise als Induktionsmotor. unter Verwendung der. ■geöffneten oder geschlossenen .Kürzschlußwicklung oder als Kommutatormotor bequem auf 65 Touren gebracht werden können.

■'. . . Patent-Ansprüche:

I-. Anordnung ■ zur selbsttätigen Span-.' nungsregelung von Synchron-Drehstrommaschinen mit Drehfelderregung und Stromwender, dadurch gekennzeichnet, daß im Läufer die- . Kompoundierungsarnperewin-' düngen durch den Ständerstrom, die Erreger- , ampefewindungen durch, eine .zwangläufig mit der Häuptmaschine gekuppelte Drehstromerregermaschine erzeugt werden.
2. ■; .Anordnung nach Patentanspruch ■ 1 _; mit nur einer Läuferwicklung, dadurch gekennzeichnet, , daß die mit geradliniger Spannungscharakteristik arbeitende Erregermaschine mit dem Konipoundierüngstransforrnator urid' der Läuferwicklung der Häuptmaschine parallel. oder in Reihe geschaltet wird. . '
3. Verfahren zur Einstellung der Bürsten . bei den : Anordnungen nach Anspruch. 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung, betriebsmäßig, geschältet, bei ' unerregter Erregermaschine an eine zwang- g₀ läufig synchrone Stromquelle angeschlossen . ■ wird und hierauf die Bürsten auf der Kornpoündierungsseite in'diejenige Stellung gebracht werden, bei welcher das Verhältnis »Ständerspannung zu Ständerstrom«. am kleinsten ist. . .

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.