DE228118C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

SAN

f PATENTSCHRIFT

- JVr 228118 -KLASSE 2ία. GRUPPE

SIEMENS-SCHUCKERT WERKE G. m. b. H. in BERLIN.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 12. März 1909 ab.

Drehstromkollektormaschinen, die als Motoren, Generatoren oder Umformer in irgendeiner Schaltung arbeiten, werden zweckmäßig mit besonderen Einrichtungen zum Stromwenden versehen, da bei ihnen das Drehfeld in voller Stärke über die kurzgeschlossenen Leiter hinwegstreicht und daher starke Spannungen in ihnen induziert, die leicht zu Funken am Kollektor Anlaß geben können.

ίο Auch , die Reaktanzspannung der Stromwendung läßt sich durch solche Wendepoleinrichtungen vernichten, und zwar bei Anwendung von Sehnenwicklung auf dem Anker durch eine besondere Erregungsart der Wendepole, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet.

Ganz allgemein ist die gesamte Stromänderung in einer Ankerspule während der Kommutation dem Betrage und der Phase nach gleich dem aus der Bürste austretenden Strome. Die mittlere Selbstinduktionsspannung der Kommutierung ist daher direkt proportional dem Strome derjenigen Bürste, welche die betreffende Spule gerade kurzschließt. Außer dieser Selbstinduktionsspannung können auch noch Spannungen der gegenseitigen Induktion auftreten, von Leitern herrührend, die in denselben oder benachbarten Nuten liegen, die aber von Bürsten einer anderen Wechselstromphase kurzgeschlossen werden. Die Spannungen der Selbst- und gegenseitigen Induktion zusammengenommen, und zwar mit ihren richtigen Größen und Phasen, bilden die Reaktanzspannung, die durch Induktion von äußeren Hilfsfeldern vernichtet werden soll. Diese Hilfsfelder wird man zweckmäßig von den Bürstenströmen direkt oder durch Transformatoren hindurch erregen lassen, damit die Reaktanzspannung bei allen Belastungen kornpensiert wird. Weil aber bei Mehrphasenstrom die Phase der Reaktanzspannung nicht notwendig mit der Phase des Bürstenstromes übereinstimmt, und weil man von einem Hilfspol aus mehrere verschiedenphasige Kurzschlußspulen induzieren lassen kann, so muß die Phase der Hilfspolerregung in j edem einzelnen Falle besonders bestimmt werden.

Benutzt man als Ankerwicklung eine Gleichstromdurchmesserwicklung, bei der also jede Spule eine ganze Polteilung — oder doch sehr nahezu eine. solche — umfaßt, so kann man jede kurzgeschlossene Spulenseite von einem eigenen Hilfspole induzieren lassen, den man dann mit dem Bürstenstrome der betreffenden Kurzschlußspule erregen muß. Da man aber unter den Wendepolen kein nützliches Feld erhält und beispielsweise bei Dreiphasenstrom für die doppelte Polteilung bei dieser Anordnung sechs Wendepole vorhanden sind, so entsteht ein sehr starker Feldverlust. Man kann ihn vermeiden, wenn man nur die halbe Zahl der Wendepole ausführt, so daß jede kurzgeschlossene Spule nur auf einer Seite von einem Hilfsfelde induziert wird. Dann ist aber eine sehr starke Erregung der

Wendepole erforderlich, die sich oft nur mit Nachteil anwenden läßt.

Diese Übelstände können umgangen werden, wenn man auf dem Anker der Dreh-Strommaschine eine Sehnenwicklung anwendet, deren Spulenweite gleich ²/₃ einer Polteilung ist, wie in Fig. ι dargestellt. Dann kommt trotz der Anwendung von nur drei Wendepolen jede Spulenseite unter einen solchen

ίο zu liegen. Wegen der jetzt vorhandenen gegenseitigen Beeinflussung der drei verschiedenphasigen Kurzschlußspulen und weil jeder Wendepol zwei der Spulen induziert,· ist aber eine eingehende Untersuchung der erforderliehen Wendepolfeldstärke notwendig, damit man die richtigen Hilfspolamperewindungen anwenden kann.

Die gesamte Reaktanzspannung jeder Spule, die zu kompensieren ist, setzt sich zusammen aus der Selbstinduktionsspannung, die in Phase mit dem eigenen Bürstenstrome ist, und den beiden Spannungen der gegenseitigen Induktion, die von denjenigen Spulenseiten der andersphasigen Kurzschlußspulen herrühren, die, wie Fig. ι zeigt, in denselben Nuten liegen wie die Seiten der betrachteten Spule. Die beiden letzten Spannungen sind in Phase mit den fremden Bürstenströmen; außerdem besitzen sie entgegengesetzte Richtung wie die Selbstinduktionsspannung, weil immer die linke Seite der fremden Spule über der rechten Seite der gerade betrachteten liegt und umgekehrt.

Bezeichnet man mit L und M die Koeffizienten der Selbst- und gegenseitigen Induktion der Kurzschlußspulen, mit T die Kurzschlußzeit und mit I₁, i_it i₃ die Bürstenströme, dann ist die Reaktanzspannung der entsprechend bezeichneten Spule in Fig. 1:

wobei die Addition geometrisch zu verstehen ist. Nun ist aber die Summe zweier Ströme eines Dreiphasensystemes stets gleich dem negativ genommenen dritten Strome, so daß die gesamte Reaktanzspannung einer Spule, nämlich:

= H

L + M

in Phase mit ihrem eigenen Bürstenstrome ist. Das gilt natürlich für jede einzelne Kurzschlußspule.

In Fig. 2 ist die Lage der Bürstenströme und Reaktanzspannungen für einen Dreiphasenanker mit Sehnenwicklung dargestellt. Gleichzeitig sind auch die Phasen der notwendigen Hilfsfelder zur Kompensation der Reaktanzspannungen eingezeichnet.

! Weil die Reaktanzspannung jeder Spule ! von zwei Wendepolen kompensiert werden ! muß, deren Feldphasen um 120° zeitlich auseinanderliegen, und weil andererseits jeder Wendepol auch zwei verschiedenphasige Kurzschlußspulen, induziert und das für beide richtige Wendefeld besitzen muß, so liegt die Phase jedes Wendefeldes zwangläufig fest. Es muß das Feld jedes Wendepoles genau 90 ° Phasenverschiebung besitzen gegen den Strom, der aus der ihm gegenüberliegenden Bürste austritt. Aus Fig. 2, in der die Hilfspolfelder mit ihrer richtigen Phase und Richtung zusammengesetzt sind, erkennt man, daß beim Einhalten dieser Bedingung, aber auch nur dann, die Reaktanzspannung vollständig kompensiert werden kann.

Die Erzeugung der Hilfsfelder mit richtiger Phasenverschiebung kann auf verschiedene Weise bewirkt werden. Man kann z. B. nach Fig. ι jeden Hilfspol direkt mit den beiden Strömen der ihm benachbarten Bürsten erregen, die im entgegengesetzten Sinne — von den Bürsten aus gerechnet — um ihn herumgeführt werden. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, erhält man dann die richtige Phase des Wendefeldes. Will man nur eine Wicklung auf den Wendepolen anbringen, so kann man sich eines von den Bürstenströmen durchflossenen Phasentransformators bedienen, bei-' spielsweise eines solchen mit Drehfeld, bei dem sich jede beliebige Phasenverschiebung einstellen läßt, oder auch eines einfachen Sterndreiecktransformators, bei dem das sekundäre Stromsystem gerade 90 ° Phasenverschiebung gegen das primäre hat.

Bei manchen Kollektormaschinen läßt sich das Feld der Belastungsströme nicht vollständig kompensieren, so bei Generatoren und Motoren, deren Kompensationswicklung auf dem Stator so angeordnet ist, daß nur die Grundharmonische des Belastungsfeldes verschwindet, oder bei solchen Maschinen, die außer dem Kollektor auch Schleifringe mit festen Anschluß punkten an die Wicklung zum Zu- und Abführen von Strömen haben. In diesen Fällen entstehen Belastungsfelder in den Kommutierungszonen, die sich jedoch durch eine verstärkte Hilfspolerregung vernichten lassen, genau so, wie von Gleichstrommaschinen her bekannt ist. Diese Belastungsankerfelder können durch dieselben Ströme aufgehoben werden, die auch zur Kompensierung der Reaktanzspannung dienen.

Außer der Reaktanzspannung vernichtet man meist auch die Spannung in der Kurzschlußspule, die durch Induktion vom Hauptfelde erzeugt wird. Das kann auf bekannte Weise durch dieselben Hilfspole geschehen, indem man entweder eine Zusatzwicklung auf ihnen anbringt oder Zusatzspannungen in den

Hilfsstromkreisen induziert, oder auch bei Serienmaschinen die Phase und Größe der Hilfspolströme, um ein gewisses Maß ändert, oder auf anderem bekannten Wege.

Ganz ähnlich - wie bei Dreiphasensystemen liegen die Verhältnisse bei anderen Mehrphasensystemen mit ungerader Phasenzahl. Bei m Phasen wählt man die Spulenbreite zweckmäßig als den

m — i^te"

Teil der Polteilung,, damit stets zwei kurzgeschlossene Spulenseiten in einer Nut liegen, und damit man mit möglichst wenig Hilfspolen auskommt. Die Fig. 3, 4 und 5 stellen beispielsweise die Vorgänge bei einer fünfphasigen Maschine dar. Außer der Selbstinduktion der durch Index 1 gekennzeichneten Kurzschlußspule tragen auch die gegenseitigen Induktionen der Spulen 3 und 4 zur Reaktanzspannung bei. Weil aber nach Fig. 4 die Resultierende der Bürstenströme i_z und i₄ genau die entgegengesetzte Phase hat wie i_x, so bewirkt die gegenseitige Induktion stets nur eine Vergrößerung, aber keine Phasenänderung der gesamten Reaktanzspannung gegen den Bürstenstrom.

Die richtige Phase für die Felder der Hilfspole B_s und S₂, welche die Kurzschlußspule i induzieren, erhält man nach Fig. 5 dann, wenn wieder jedes Hilfsfeld zeitlich um 90° verschoben ist gegen den Strom, der aus der mit dem Hilfspol auf einem Durchmesser liegenden Bürste austritt. Zur Erregung des Feldes kann man auch hier die Ströme der dem Hilfspol benachbarten Bürsten benutzen, direkt oder, wie oben beschrieben, durch Transformatoren hindurch. In Fig. 5 erkennt man, daß z. B. die Ströme i₂ und i₅ das richtige verlangte Hilfsfeld B₁ ergeben.

Genau so wie hier für Drei- und Fünfphasensysteme gezeigt ist, läßt sich für beliebige Mehrphasensysteme mit ungerader Phasenzahl und verkürztem Wicklungsschritt nachweisen, daß jedes Hilfspolfeld zur Vernichtung der Reaktanzspannung genau 90 ° Phasenverschiebung besitzen muß gegen den Strom der Kollektorbürste, die auf demselben Durchmesser liegt wie der betreffende Hilfspol, und daß sich dieses Wendefeld erzeugen läßt, wenn man die Ströme mehrerer bestimmter, dem Hilfspole benachbarter Bürsten auf ihn einwirken läßt, derart, daß die Windüngen, von den Bürsten aus gesehen, den Hilfspol im entgegengesetzten Sinne umschlingen. Benutzt man nur eine einzige Hilfspolwicklung und führt dieser den Strom durch irgendwelche Phasentransformatoren zu, so wird der Strom doch immer hervorgerufen durch Induktion von mehreren Bürstenströmen

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche: _g

   ι. Einrichtung zum Strom wenden an mehrphasigen Kollektormaschinen mit ungerader Phasenzahl und verkürztem Wicklungsschritte auf dem Anker, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsfeld oder diejenige Komponente des Hilfsfeldes jedes Wendepoles, die zur Vernichtung der Reaktanzspannung dient, um 90 ° in der Zeitphase verschoben ist gegen den Strom derjenigen Kollektorbürste, die bei symmetrischen Trommelwicklungen im zweipoligen Ersatzschema auf demselben Durchmesser wie der Wendepol liegt.
2. 2. Wendeeinrichtung an Mehrphasenmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung jedes Wendepoles von mehreren Bürstenströmen entweder direkt oder durch Vermittlung von Transformatoren bewirkt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.