DE209228C - - Google Patents

Description

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PATENTAMT.

In dem Patent 207519 ist ein Verfahren beschrieben, welches die selbsttätige Spannungsregelung von Synchron - Drehstrommaschinen betrifft. Es liegt natürlich der Gedanke nahe, dieses Verfahren ohne weiteres auf Einphasenstrom zu übertragen, wie in älteren Patenten und Anmeldungen beide Stromarten bei ähnlichen Anordnungen oftmals ohne Unterscheidung zusammengefaßt zu werden pflegten. Im folgenden soll nun die besondere Ausbildung der in dem Patent 207519 angegebenen Maschine für Einphasenstrom, die sich als notwendig erweist, beschrieben werden.

Eine strenge Übertragung der Drehstromschaltung auf Einphasenstrom würde in Fig. 1 • dargestellt sein, in welcher s den Ständer der Hauptmaschine, k die Kompoundierungsläuferwickhlng mit den Bürsten y, und e die Erregerläuferwicklung bedeuten. Letztere empfängt über Bürsten ζ ebenfalls einphasigen Erregerstrom von der zwangläufig gekuppelten Erregermaschine. Diese, der Kompoundierungstransformator, sowie die Regulierwiderstände sind nicht gezeichnet.

Eine solche Anordnung würde nun aber nicht verwendbar sein, wie leicht einzusehen ist. Denn wenn die Ständeramperewindungen auch durch die Wicklung k aufgehoben "werden, so ist hier das gesamte nützliche Feld, das die Wicklung e hervorbringt, kein Drehfeld, wie bei den Drehstromanordnungen, sondern ein Wechselfeld, und erzeugt auch in den Läuferwicklungen ungehindert eine Spannung pro Windung von derselben Größenordnung wie im Ständer. Die Kompoundierungswicklung k würde also die gesamte Maschinenleistung aufnehmen, und außerdem würde die Erregermaschine auch ganz beträchtliche Abmessungen erhalten müssen. Ebensowenig wäre dann die Anordnung mit einer Läuferwicklung nach Fig. 2 von praktischem Wert.

Dagegen läßt sich eine brauchbare Anordnung erhalten, wenn man die Erregerläuferwicklung e mit Drehstrom statt mit Einphasenstrom speist, wie es in Fig. 3 angegeben ist. Die Erregung wird beispielsweise durch die Bürsten ζ und Z₁ sechsphasig ausgeführt. Auch hierbei sind noch Nachteile gegenüber der reinen Drehstromanordnung vorhanden, wie aus folgendem hervorgeht:

Es ist offenbar z. B. möglich, die Amperewindungen AW₁ der Ständerwicklung durch entsprechende Amperewindungen AWc in der Kompoundierungswicklung k so weit aufzuheben, daß von ersteren im Ständer kein Feld erzeugt wird. Zu diesem Zwecke braucht nur die Achse der Kompoundierungsbürsten y mit der Achse der Ständerwicklung zusammen-

zufallen und der Kompoundierungsstrom in Phase (bzw. genau entgegengesetzt) mit dem Ständerstrom gewählt zu werden. Dann hat man eine (vom ohmischen Abfall und anderen geringen Störungen abgesehen) vollkommen kompoundierte Maschine. Es ist nun aber bekannt, daß die Kompoundierungsamperewindüngen AWc (ι + T₁) mal größer gewählt werden müssen wie die Ständeramperewindüngen AW₁, wenn letztere in bezug auf den Ständer aufgehoben werden sollen, wobei T₁ den Heyland sehen Streufaktor (hier auf Generatoren angewendet) angibt. In der Läuferwicklung k sind also, wie zu ersehen, noch überschüssige Amperewindungen T₁ · AW₁ wirksam, außerdem ergibt sich aus der Theorie des allgemeinen Transformators, daß im ganzen im Läufer ein Wechselfeld zustande kommt, das den Amperewindungen τ · A W₁ entspricht (r = T₁ + r₂ + T₁ T₂).

Bei. der reinen Drehstromanordnung haben wir es nur mit Synchron-Drehfeldern zu tun, welche, wie bekannt, auf die Läuferwicklung keine induzierende Wirkung ausüben, weshalb dort die Läuferwicklungen wie ohmische oder unveränderliche Wechselstromwiderstände zu behandeln sind, und die Felder in der Hauptmaschine auf die Spannungsverhältnisse im Läuferstromkreis keinen Einfluß haben, abgesehen von nebensächlichen Wirkungen der Feldpulsationen, welche von der UnVollkommenheit des Drehfeldes bei geringer Phasenzahl und von der etwa vorhandenen ungleichen Belastung in den einzelnen Phasen herrühren.

Hier bei Wechselstrom tritt ein, wenn auch kleines, Wechselfeld auf, das sowohl in der Läuferwicklung k und an den Bürsten y sowie in der Läuferwicklung e und damit an den Bürsten ζ und Z₁ Spannungen erzeugt, welche auch in günstigen Fällen dem ohmischen Abfall in den Läuferwicklungen gleich sein, ja denselben sogar noch um ein Mehrfaches übertreffen können. Das hat den Nachteil, daß sowohl die Erregermaschine wie der Kompoundierungstransformator auch für diese zusätzlichen Spannungen, also um ein Mehrfaches größer bemessen werden müssen wie bei Drehstrom.

Man könnte nun die Kompoundierungsamperewindungen AWc so einstellen, daß

(also bei AW_c = ^L) im Läufer kein

V ^r + ^τ·2 /

Wechselfeld vorhanden ist. Dann würde man aber auf vollkommene Kompoundierung verziehten, obwohl noch immer eine brauchbare Maschine sich ergeben würde. Eine solche Einstellung empfiehlt sich, wenn z. B. eine Dreiphasenanordnung bei der Unterbrechung , einer Leitung auch bei Einphasenstrom kompoundieren soll.

Es lassen sich die beiden Läuferwicklungen k und e auch vereinigen, wenn man z. B. die y-Bürsten mit Z₁ zusammenfallen läßt.

Die Anordnung nach Fig. 3 ist aber noch nicht so anpassungsfähig wie die reine Drehstromanordnung, da man mit Rücksicht auf die Kommutierung und die Abmessungen von Erregermaschine und Kompoundierungstransformator die Kompoundierungsamperewindungen nicht willkürlich wählen kann.

Eine bezüglich der Spannungsregelung mit Fig. 3 nahezu gleichwertige Anordnung erhält man nach Fig. 4, wenn man in die Kompoundierungswicklung keinen Strom von außen einführt, sondern die zugehörigen Bürsten χ kurzschließt und die Achse derselben auch nahezu mit der Achse der Ständerwicklung zusammenfallen läßt. Durch den Kurzschluß wird, wie bekannt, jedes Auftreten eines Wechselfeldes bei Synchronismus im Läufer verhindert und nur so weit zugelassen, als zur°Erzeugung der Spannung für die Überwindung des ohmischen Abfalles in der kurzgeschlossenen Läuferwicklung erforderlich ist. Von den Ständeramperewindungen bleibt jedoch in bezug auf das Ständerfeld noch ein kleiner Teil, der wieder durch die .Streuung bestimmt ist, unaufgehoben, so daß die Kompoundierung im günstigsten Falle nur angenähert vollkommen ist. Dagegen kann die Kompoundierungswirkung durch Verstellung der Bürsten beliebig verkleinert werden. Ein Vorteil besteht hier darin, daß wegen der Kleinheit des Wechselfeldes im Läufer auch an den Erregerbürsten ζ nur eine geringe zusätzliche Spannung zu überwinden ist, die allerdings von der Größenordnung des ohmischen Abfalles sein · wird.

Eine ähnliche Anordnung läßt sich auch bequem mit einer Läuferwicklung ausführen, indem man z. B. den von der Erregermaschine erzeugten · einphasigen Erregerstrom durch Bürsten z, welche zu den Kurzschlußbürsten χ um elektrisch 90° versetzt sind, zuführt, wie es Fig. 5 zeigt. Amperewindungen, welche in der Richtung der ζ-Bürsten wirken, würden allerdings keine Spannung im Ständer induzieren, · sondern nur in dem Kurzschlußkreise ' der x-Bürsten. Die gesamten, auf den Ständer vom Läufer aus wirkenden Amperewindungen werden hier also von dem im Kurzschlußkreise fließenden Strom ausgeübt. Wer-¹ den die Bürsten aus der gezeichneten Lage verschoben, so wirkt der Erregerstrom der ζ-Bürsten z. T. unmittelbar, z. T. durch den Kurzschlußkreis auf den Ständer. (Es ist bekannt, daß diese Wirkungsweise einem Drehfeld entspricht.)

Die Eigenschaft der kurzgeschlossenen Bürsten am Läufer, Wechselfelder bei Synchronismus in jeder Stellung der Bürsten im

Läufer zu unterdrücken, kann nun dazu benutzt werden, um die Anordnung nach Fig. 3 weiter auszubilden, so daß sich Fig. 6 ergibt. Die beiden Anordnungen unterscheiden sich nur dadurch, daß in Fig. 6 an der Kompoundierungswicklung noch ein Paar kurzgeschlossener Bürsten χ senkrecht zu den Kompoundierungsbürsten y angebracht sind. Mit nur einer Läuferwicklung ergibt sich eine gleichwertige Anordnung nach Fig. 7, indem auch der Erregerstrom einphasig zugeführt wird und dann die z- und y-Bürsten vereinigt werden können. Hier kann man die Kompoundierungsamperewindungen beliebig groß

15- bemessen, ohne daß im Läufer nennenswerte zusätzliche Spannungen auftreten. Es läßt sich zeigen, daß man mit diesen Anordnungen eine genau so anpassungsfähige Spannungsregelung erzielen kann wie mit der reinen Drehstramsehaltung; so kann auch der ohmische Abfall in der Ständerwicklung oder der Spannungsabfall in einer längeren Leitung ausgeglichen und die Spannung im. Speisepunkt aufrechterhalten werden.

Die Achse der y-ζ-Bürsten wird im allgemeinen gegen die Achse der Ständerwicklung verschoben sein, ebenso in Fig. 6 die Achse der y-Bürsten.

Anstatt die im Läufer auftretenden Wechselfei der durch kurzgeschlossene Bürsten zu beseitigen, kann man gemäß der Erfindung noch ein anderes Mittel, und zwar eine auf dem Läufer aufgebrachte Kurzschlußwicklung j in Fig. 8 benutzen. Die Wirkungsweise erklärt sich auf ganz einfache Art. Man kann sich bekanntlich ' Amperewindungen, welche durch einphasigen Wechselstrom in einer Wicklung hervorgerufen werden, durch zwei im entgegengesetzten Sinne sich mit gleicher Geschwindigkeit drehende Amperewindungen ersetzt denken. Die einen Amperewindungen nun, welche sich in der Drehrichtung des Läufers bewegen, werden wegen des Synchronismus keine induzierende Wirkung weder auf die Kurzschlußwicklung noch die anderen Läuferwicklungen ausüben, sondern nur als Drehfeld auf den Ständer Einfluß haben. Die anderen Amperewindungen drehen sich relativ zum Läufer mit doppelter Periodenzahl, werden also in der Kurzschlußwicklung Kurzschlußströme hervorbringen und durch dieselben nahezu vollständig aufgehoben werden. Es bleiben also nur die erstgenannten, im Sinne der Drehrichtung des Läufers sich bewegenden Amperewindungen als Feld bildend übrig.

Man kann nun die. Läuferwicklungen k und β nach Fig. 9 auch in eine einzige 1 vereinigen, indem man ein Paar der z-Bürsten wie früher auch als y-Bürsten (zur Kompoundierung) j verwendet. Mit einphasiger Erregermaschine ergibt sich die Anordnung nach Fig. 10 oder nach Fig. 11. In letzterem Falle sind die Erregerbürsten senkrecht oder unter beliebigem Winkel zu den Kömpoundierungsbürsten gestellt, um eine bessere Stromverteilung wie in Fig. 10 im Läufer zu erhalten. Es läßt sich beweisen, daß mit diesen Anordnungen ebenfalls eine so weitgehende Kompoundierung möglich ist wie mit der reinen Drehstrom-Schaltung.

Die Anwendung der Kurzschlußwicklung hat hier eine ganz andere Bedeutung, wie es bei den reinen Drehstromanordnungen sein würde. Dort würden vor allem durch die Kurzschlußwicklung die Wendespannungen am Kommutator gedämpft werden, wenn auch gleichzeitig ein Ausgleich der Feldpulsationen stattfindet. Die Verbesserung der Kommutierung findet hier durch die Kurzschlußwicklung auch statt, ist aber nur als Nebenerscheinung zu betrachten. Trotzdem kann bei entsprechender Bemessung der Kurzschlußwicklung dieselbe Anordnung mit geringen Abänderungen sowohl für Mehrphasen- wie für Einphasenstrom verwendet werden.

Die Anordnung mit Kurzschlußwicklung stimmt in äußeren Merkmalen zum Teil auch mit dem Heyland sehen Asynchrongenerator überein. Doch erfüllt dort diese Wicklung ebenfalls einen ganz anderen Zweck. Offenbar soll und kann dieselbe im Sinne der Erfindung dort erst bei asynchronem Lauf (bei Schlüpfung) in Wirksamkeit treten, während nach vorliegender Erfindung die Vernichtung aller Wechselfelder und die Herstellung möglichst reiner und ohne Schlüpfung sich bewegender Drehfelder angestrebt wird, was nur bei Synchronismus möglich ist.

An Stelle einer Kurzschlußwicklung kann man natürlich, wie bekannt, auch zwei senkrecht zueinander stehende Paare von kurzgeschlossenen Bürsten anwenden. Die Kurzschlußwicklung soll möglichst streuungsfrei gegenüber den von außen gespeisten Läuferwicklungen angeordnet sein und kann auch mit diesen zu einer einzigen, wie bekannt, vereinigt werden. Man könnte auch die Anordnungen z. B. in Fig. 7 und 10 verbinden; Kurzschluß bürsten und Kurzschlußwicklung würden sich dann in der Aufgabe der Vernichtung der Wechselfelder teilen.

Die Anordnungen nach Fig. 8 bis 11 sind auch erweiterungsfähig, indem man den Erregerstrom sowie den Kompoundierungsstrom mehrphasig bei einphasigem Ständer zuführt. Man könnte nämlich den Einphasenstrom durch einen Phasenumformer in Drehstrom umwandeln. Ein . solcher Phasenumformer würde z. B. gegeben sein durch eine ebenfalls

zwangläufig gekuppelte, mit geradliniger Sättigungskurve arbeitende Stromwendermaschine, der z. B. im Ständer Einphasenstrom zugeführt und am Läufer Mehrphasenstrom abgenommen wird, oder auch umgekehrt, in letzterem Falle wieder unter Zuhilfenahme einer Kurzschluß wicklung oder von Kurzschlußbürsten.

Bei den Anordnungen mit gemeinsamen

ίο Erreger- und Kompoundierungsbürsten, z. B. nach Fig. 7 und 10, kann auch Hintereinanderschaltung von Kompoundierungstransformator und »Erregermaschine unter den für Drehstrom angegebenen Vorsichtsmaßregeln stattfinden. Ebenso gilt für die Verwendung von Widerständen dasselbe wie für Drehstrom. Das Zusammentreffen des Kompoundierungs- und Erregerstromes braucht natürlich nicht wie in den Fig. 7, 9 und 10 erst an den Bürsten zu erfolgen, sondern kann irgendwo wie bei Drehstrom im Läuferstromnetz an beliebiger Stelle (z. B. in einem Mischtransformator nur durch magnetische Vereinigung oder vor dem Kompoundierungstransformator) erfolgen. (Im letzteren Falle führt letzterer bereits den gesamten Läuferstrom.)

Die Erregermaschine wird man, insbesondere wenn sie einphasig ist, wie eine gewöhnliche Wechselstrommaschine mit einer Dämpferwicklung versehen.

Was nun die Einstellung der Bürsten betrifft, so ist das äußere Verfahren dasselbe wie "bei Drehstrom. Die betriebsmäßig geschaltete Anordnung wird auch hier bei unerregter Erregermaschine an eine zwangläufig synchrone Stromquelle angeschlossen. Nur muß hier die Erregermaschine auch bei zwei getrennten Läuferwicklungen stets betriebsmäßig angeschaltet bleiben, weil immer ein kleines Wechselfeld im Läufer vorhanden ist, welches auf die Erregermaschine zurückwirkt und bei der Einstellung der Bürsten berücksichtigt werden muß. Dort,' wo sich vollkommene Kompoundierung erzielen läßt, wie bei den Anordnungen nach Fig. 6 bis 11, und auch erzielt werden soll, läßt sich nachweisen, daß die Bürsten in diejenige Stellung bei dem Versuch gebracht und die Widerstände sowie die Transformatoren so eingestellt werden müssen, daß bei beliebigem Ständerstrome die Spannung am Ständer (so wie bei Drehstrom) gleich Null ist. Auch bei der vollkommenen Spannungsregelung an entfernterer Stelle gilt dieselbe Regel wie bei Drehstrom.

Bei unvollkommener Kompoundierung soll bei Drehstrom das Verhältnis »Ständerspannung zu Ständerstrom« am kleinsten sein. Die hierdurch gekennzeichnete Stellung der Bürsten hat noch eine andere Eigenschaft, welche allerdings nur strenge besteht, wenn man den Ständer als verlustlos annimmt. Dann beträgt nämlich, wie sich beweisen läßt, die Phasenverschiebung zwischen Ständerstrom und -spannung bei dem Versuch 90⁰. Dieses Merkmal kann nun bei Einphasenanordnungen für unvollkommene Kompoundierung benutzt werden. Wie bereits in dem Patent 207519 angegeben wurde, hat diese bevorzugte Bürstenstellung die Eigenschaft, daß die Maschine so arbeitet, wie wenn sie nur mit dem (1 — a)-fachen Strom belastet und gar nicht kompoundiert wäre. Die Spannungsregelung läßt sich also sehr leicht für diese Bürstenstellung übersehen und vorausberechnen, auch aus der Messung von Spannung und Strom während dieses Versuches leicht bestimmen, besonders wenn man die Hauptmaschine auf einer geradlinigen Spannungscharakteristik arbeiten läßt.

Es muß noch hinzugefügt werden, daß das Verfahren zur Einstellung der Bürsten für alle kompoundierenden Maschinen anwendbar ist, auch wenn keine zwangläufig gekuppelte Erregermaschine benutzt wird. Unter Ständerspannung ist entweder wörtlich die Spannung am Ständer der Hauptmaschine selbst oder auch die Spannung an der ganzen Anordnung, also einschließlich der geringen Spannung am Kompoundierungstransformator, zu verstehen, je nachdem, wo die Spannung geregelt werden soll.

Die vollkommen kompoundierten, hier beschriebenen Anordnungen haben auch die Eigenschaft (wie bei Drehstrom), nicht nur eine bestimmte Spannung, sondern jede beliebige Spannung von Null bis zu einem Höchstwert aufrechtzuerhalten, wobei die Einstellung der Spannung nur durch die Erregung der Erregermaschine allein ohne jede Änderung der übrigen Teile bewirkt wird.

Die Maschinen als Motoren zu verwenden ist ebenso vorteilhaft wie bei Drehstrom. Wie dort würde ein solcher vollkommen kompoundierter Motor an der Stelle im Netz, wo er angeschlossen ist, die einmal eingestellte Spannung absolut konstant halten. Man kann ihn also in einer Kraftstation z. B. leerlaufend zur Spannungsregelung der übrigen gar nicht oder wenig kompoundierten Generatoren verwenden. Dadurch würde ein Parallelschalten vollkommen kompoundierter Maschinen überflüssig werden. ebenso wenn in dieser Zusammenstellung die hier beschriebene Maschine als Generator läuft.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Anordnung zur selbsttätigen Spannungsregelung von Synchron-Wechselstrommaschinen nach Patent 207519 für Einphasenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß zur gänzlichen oder teilweisen Aufhebung aller Wechselfelder oder zu deren Über-

   führung in Drehfelder kurzgeschlossene Bürsten oder eine Kurzschlußwicklung auf dem Läufer angewendet wird.
2. 2. Verfahren zur Einstellung der Bürsten bei der Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung wie bei dem Patent 207519, betriebsmäßig geschaltet, bei unerregter Erregermaschine an eine zwangläufig synchrone Stromquelle angeschlossen wird und hierauf für vollkommene Kompoundierung die Bürsten in diejenige Stellung gebracht, ferner die Widerstände und Transformatoren so eingestellt werden, daß bei beliebigem Ständerstrom die Ständerspannung Null.ist, wäh-. rend für unvollkommene Kompoundierung die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ungefähr go° betragen soll. '

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.