DE229265C - - Google Patents
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- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K47/00—Dynamo-electric converters
- H02K47/18—AC/AC converters
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- H02K47/28—Single-armature frequency converters with or without phase-number conversion operating as commutator machines with added slip-rings
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Description
KAISERLICHES
PATENTAMT.
PATENTSCHRIFT
■- Ju 229265 KLASSE 2\d. GRUPPE
Bei Kollektorfrequenzwandlern für Mehrphasenstrom, in ihrer einfachsten Form aus
einer Gleichstromankerwicklung bestehend, die einerseits an einen Kollektor, andererseits
an Schleifringe angeschlossen ist, treten drei verschiedene Ursachen auf, die eine funkenlose
Stromwendung unter den Kollektorbürsten verhindern können. Die gewöhnliche Wendespannung
wird durch das Streufeld um die
ίο kurzgeschlossenen Leiter verursacht, sie läßt
sich stets durch richtig erregte Wendepole vollständig beseitigen. Eine zweite Spannung
bewirkt das Hauptfeld der Maschine in den kurzgeschlossenen Spulen, die sich durch dieses
Feld hindurchbewegen. Soweit diese Spannung sinusförmig verläuft, läßt sie sich auf bekannte
Weise ebenfalls durch Wendefelder vernichten. Eine dritte Spannung rührt her von den Belastungsfeldern im Frequenzwandler,
die sich dem vom Magnetisierungsstrome erzeugten Hauptfelde überlagern. Daß
derartige Belastungsfelder überhaupt auftreten, ist bisher meist übersehen worden, da
man annahm, daß die Wirkungen der Schleifring- und Kollektorarbeitsströme sich vollkommen
aufheben.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun,"' diese Belastungsfelder teilweise oder vollständig
zu kompensieren und dadurch die Stromwendung zu verbessern. Gleichzeitig wird bei einigen Ausführungsformen das
Hauptfeld regelmäßiger gestaltet, so daß dessen Wirkung auf die Kurzschlußspulen
vollständiger kompensiert werden kann.
Um die Wirkungsweise eines Frequenzwandlers zu übersehen, ist am besten, den
wirklich vorhandenen Strom in zwei Komponenten zerlegt zu denken, nämlich in einen
Magnetisierungsstrom, der das Hauptfeld erzeugt, und in den Belastungsstrom. Der
letztere kann dabei eine behebige Phasenverschiebung gegen die Spannung haben. Während
der Magnetisierungsstrom etwa an den Schleifringen s (Fig. i) in den Anker eintritt
und sich im Innern der Wicklung schließt, tritt der Belastungsstrom in derselben Stärke,
mit der er die Schleifringe durchflossen hat, an den Kollektorbürsten b wieder aus. Das
Hauptfeld der Maschine wird daher nur vom Magnetisierungsstrome hervorgerufen, die magnetischen
Wirkungen des Belastungsstromes heben sich längs einer Polteilung im Mittel auf. Nichtsdestoweniger ruft aber der Belastungsstrom
lokale Felder hervor, weil die magnetischen Wirkungen der von ihm durchflossenen
Ankerleiter sich nicht an jeder Stelle des Ankerumfanges aufheben, und diese Belastungsfelder haben gerade in den Kommutierungszonen ihre größte Stärke, so daß sie
die Stromwendung sehr ungünstig beeinflussen können.
In den Fig. 2, 3 und 4 sind die Belastungsfelder für den in Fig. 1 dargestellten Ringariker
aufgezeichnet unter der Annahme, daß Dreiphasenstrom dem Anker zugeführt und
auch von ihm abgenommen wird. In allen Figuren bedeuten I1, i2, i3 die Ankerzweigströme,
welche die Schleifringströme für sich allein in der Wicklung hervorrufen würden,
während mit ia, ib, ic die Ankerzweigströme
bezeichnet sind, die auftreten würden, wenn sich nur die Kollektorstöme in der Wicklung
ausbreiteten. Die algebraische Summe beider fiktiven Stromverteilungen stellt den wirklich
in der Wicklung fließenden Strom / dar, seine Augenblickswerte sind für drei verschiedene
Momente in den Figuren dargestellt. Aus der Stromverteilung läßt sich dann leicht für
jeden Moment die Kurve des -magnetischen
ίο Feldes B finden. In den Figuren ist durch
kleine ausgefüllte Kreise die Lage der Anschlußstellen- der bewegten Wicklung an den
Schleifringen dargestellt, durch ebensolche Quadrate die feste Lage der Bürsten. Die
Pfeile deuten die Größe der Induktion in der Kommutierungszone an. Die Verhältnisse
sind für den beliebig herausgegriffenen Fall gezeichnet, daß die Drehzahl des Frequenzwandlers
gleich seiner halben Synchrongeschwindigkeit ist. Wenn Schleifring und
Kollektorströme nicht in derselben, sondern in getrennten Wicklungen auf den Anker
fließen, so sind die magnetischen Verhältnisse natürlich genau dieselben.
Man erkennt nun aus den Figuren, daß die lokalen Belastungsfelder nur in den
Augenblicken verschwinden, in denen die Anschlußpunkte
der Schleifringe direkt unter den Bürsten stehen, weil dann kein Strom durch die Wicklung fließt. Zu allen anderen
Zeiten haben die Felder jedoch recht erhebliche Stärke; der Höchstwert hat in dem gezeichneten
Falle der Ringwicklung ungefähr die halbe Intensität wie das Belastungsfeld, das ein in der Wicklung sich selbst schließender
Strom von gleicher Intensität besitzen würde. Naturgemäß bilden die Belastungsfelder nur Oberwellen, für die Ringwicklung
ist die zweite Harmonische besonders stark ausgeprägt. Die Belastungsfelder verschieben
sich räumlich und unterliegen dabei gleichzeitig starken zeitlichen Schwankungen, abwechselnd
erreichen sie ein Maximum und schreiten durch Null hindurch, wobei sie fortwährend
ihre räumliche Form wechseln.
Infolge der komplizierten Gestaltung erscheint es auf den ersten Blick ausgeschlossen,
diese schädlichen Felder, die gerade dort, wo die Bürsten stehen, besonders hohe Werte
besitzen, etwa durch eine Kompensationswicklung zu vernichten. Dennoch läßt sich
dies Ziel erreichen, und zwar auf zwei verschiedenen Wegen. Bei der betrachteten
Ringankerwicklung hat das Belastungsfeld die doppelte Polzahl wie das Hauptfeld der Maschine.
Bei Trommelwicklungen mit einer Spulenweite von zwei Drittel der Polteilung
erhält man bei Anwendung von Dreiphasenstrom genau dieselben Verhältnisse, bei Durchmesserwicklung
würde man ein Belastungsfeld von im wesentlichen fünffacher Polzahl
bekommen, und so bei jeder Ankerwicklung und jeder Phasenzahl irgendein vorherrschendes
Oberfeld.
Bringt man nun auf dem Stator oder auf dem Rotor des Frequenzwandlers eine mehrphasige
.Kurzschlußwicklung an von der Polzahl des Belastungsfeldes — bei dem betrachteten
Ringanker beispielsweise eine Wicklung von doppelter Polzahl wie die Haupt-•wicklungen
—, so dämpft man die schädlichen Oberfelder bis auf einen geringen Betrag
ab, ohne aber das Hauptfeld von einfacher Polzahl hierdurch irgendwie zu stören.
Da eine Kurzschlußwicklung mit genügend geringem Ohmschen Widerstände und geringer
Streuung jedes von ihr umschlungene Feld abzudämpfen sucht, ganz unabhängig von dem zeitlichen Verlaufe, so ist ihre Wirkung
unabhängig von der besonderen komplizierten Ausbildung der Belastungsfelder. Weil die
Belastungsfelder sich nicht nur zeitlich verändern, sondern im allgemeinen sich auch
räumlich bewegen, so ist es notwendig, die Wicklung mehrphasig, mit beliebiger Phasenzahl,
auszuführen. Vollständig vernichten kann man hierdurch die Belastungsfeder natürlich
nicht, es bleibt stets ein geringer Rest, der die E. M. K. zur . Überwindung von
Streuung und Widerstand der Kurzschlußwicklung erzeugt. Außerdem bleiben noch
geringe Felder bestehen, die eine derartige Polzahl besitzen, daß die Kurzschluß wicklung
nicht von ihnen beeinflußt wird. Diese Restfelder haben meist nur geringe Stärke und
beeinflussen die Kommutierung nicht erheblich. Die Ströme in der Kurzschlußwicklung
haben einen sehr komplizierten zeitlichen Verlauf, der keineswegs sinusförmig ist. Man
kann sie daher nicht von Strömen der Schleifringe oder der Kollektorbürsten durchfließen
lassen, wenn man dieselbe Vollständigkeit der Kompensation erzielen will. Es. wäre
aber andererseits sehr wertvoll, wenn man dem Kompensationsstrome eine bestimmte
Stärke vorschreiben könnte, so daß er nur die reinen Belastungsfeder abschirmte, ohne
sonstige Magnetfelder zu beeinflussen.
Wenn man nämlich außer der Kompensationswicklung noch besondere lokale Hilfspolfelder
anwenden will, um die Reaktanzspannung und die vom Hauptfelde induzierte
Kurzschlußspannung ζμ vernichten, so muß man diese Hilfsfelder durch die vielpolige
Kurzschluß wicklung hindurchtreiben, damit sie auf die Ankerdrähte wirken können. Dabei
wird aber fast das ganze Hilfsfeld ebenfalls abgedämpft, da es räumlich. nur beschränkte
Ausdehnung hat und daher reich an solchen Oberfeldern ist, die auf die Kurzschluß wicklung
einwirken.
Eine derartige Kurzschlußwicklung anzu-
wenden, bietet also besondere Vorteile, wenn man beispielsweise einen Frequenzwandler für
starke Ströme, aber geringe Spannungen bauen will ,so daß die Kürzschlußspannung vom
Hauptfelde her an sich nur geringe Größe hat, und daher Wendefelder zu ihrer Kompensierüng
unnötig sind.
Die vielpoligen mehrphasigen Kurzschlußwicklungen brauchen nicht notwendig so angeordnet
zu sein, daß sie das Aussehen normaler Mehrphasenwicklungen haben. Wenn man nämlich die Fig. 2, 3 und 4 vergleicht,
so bemerkt man, daß sich die Oberfeldspitzen besonders stark ausprägen, wenn die Anschlußpunkte
der Wicklung an den Ringen gewisse ausgezeichnete Lagen gegenüber den Bürsten haben. Bei der betrachteten Ringwicklung
werden die Oberfelder am größten, sobald, wie in Fig. 4, die Anschlußpunkte symmetrisch
zwischen den Bürsten liegen. Man kann sich nun die Aufgabe stellen, die Kurzschlußwicklung
so anzuordnen, daß sie gerade diese größten Oberfelder am gründlichsten beseitigt.
Dazu ist nur notwendig, die in diesem Augenblick bestehende resultierende Stromverteilung/
(Fig. 4) durch eine entsprechend angeordnete mehrphasige Wicklung, die einen Kurzschlußstrom
führt, genau abzubilden. In Anwendung dieses Gedankens auf Fig. 4 ergibt sich
eine Wicklung nach Fig. 6. In dieser Darstellung ist der Deutlichkeit halber an Stelle
vieler Leiter, die über eine zwischen Bürste und Anschlußpunkt gelegene Strecke zu verteilen
wären, nur je ein Leiter gezeichnet.
Die in Fig. 6 eingezeichneten Stromwerte ο und Y4 zeigen, daß tatsächlich das Bild der
Stromverteilung / kopiert wird. Die Schaltung der einzelnen Spulen ergibt sich gleichzeitig
aus der Abbildung, die verschiedenen Phasen sind durch volle, gestrichelte und punktierte
Linien angedeutet.
Wenn man bei höheren Spannungen lokale Wendefelder anbringen will, um die Kurzschlußspannungen
des Hauptfeldes zu kompensieren, so kann eine vielpolige Kurzschlußkompensationswicklung
aus den genannten Gründen unzweckmäßig sein. Es ist dann besser, die folgende Art der Kompensation
der Belastungsfelder anzuwenden.
Den in der Wicklung des Frequenzwandlers fließenden resultierenden Belastungsstrom kann
man sich, wie schon an den Fig. 2, 3 und 4 erläutert, zusammengesetzt denken aus einer
Stromverteilung im Innern der Gleichstrom-Wicklung, die allein von den Schleifringströmen
hervorgerufen wird, und einer solchen, die allein von den Kollektorbürstenströmen
erzeugt wird. Würde jede Stromverteilung,
die jetzt für sich betrachtet werden soll, sinusförmig längs des Ankerumfanges verteilt
sein, so würden überhaupt keine Belastungsoberfelder
entstehen, denn die Sinusförmigen Grundfelder beider Stromverteilungen heben
sich genau auf. Die in eine Gleichströmwicklung
eingeleiteten Ströme beliebiger Phasenzahl erzeugen aber notwendig eckige Stromverteilungen,
deren Ecken sich unter den Ankerleitern befinden, die an die Züführüngspunkte
der Schleifring- oder Kollektorströme angeschlossen sind. Diese Ecken bedingen,
daß auch in den Magnetfeldern der beiden Stromverteilungen außer den Grundwellen harmonische
Oberwellen auftreten, die sich in bezug auf die jeweiligen Anschlußpunkte mit
einer Geschwindigkeit bewegen, die gleich der Geschwindigkeit des Grundfeldes dividiert
durch die Ordnungszahl der Oberwellen ist, genau wie das von den gewöhnlichen, Wechselstromwicklungen
her bekannt ist.
Man erkennt nun, daß die beiden Systeme von Oberwellen sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten
bewegen, einerseits gegenüber den bewegten Anschlußpunkten der Schleifringe an die Wicklung, andererseits gegenüber
den Kollektorbürsten, weil auch die Grundfelder verschiedene Geschwindigkeit haben, die
durch die Drehzahl des Frequenzwandlers gegeben ist. Die Oberfelder bewegen sich daher
auch absolut im Räume mit verschiedenen Geschwindigkeiten, so daß sie sich zu gewissen
Zeiten verstärken, zu anderen —· da die beiden Systeme von gleicher Größe sind — aufheben.
Durch diesen Mechanismus kommt das früher besprochene sehr komplizierte Verhalten
des Belastungsfeldes zustande. Es läßt sich darstellen durch Zerlegung in die verschieden
schnelle Bewegung zweier gleicher Gruppen von Oberfeldern, die von der konzentrierten
Stromzuführung in die Gleichstromwicklung an den Schleifringen und den KoI-lektorbürsten
verursacht werden. Stets wenn die Anschlußpunkte der Schleifringe unter den Kollektorbürsten stehen, decken sich die beiden
Oberfeldgruppen und heben sich auf, so daß in diesen Momenten kein Belastungsfeld
vorhanden ist. In den Momenten jedoch, in denen die Anschlußpunkte genau zwischen zwei
Kollektorbürsten liegen, addieren sich die Wirkungen der Oberfelder, so daß dann das Maximum
der Belastungsfelder auftritt.
Außer der ungünstigen Wirkung auf die Kommutierung erzeugen beide Gruppen von
Oberfeldern Spannungen in den wirksamen Ankerleitern, die einerseits zu einem vergrößerten
induktiven Spannungsabfall der normalen Periodenzahl beitragen, andererseits schnelle
Oberschwingungen von unharmonischer Frequenz in den angeschlossenen Stromkreisen
hervorrufen, ■ . .
Es sollen nun die beiden Gruppen von Oberfeldern für sich durch getrennte Kompensationswicklungen
nach Möglichkeit vernichtet
werden. Die eine Kompensationswicklung wird auf dem Anker angebracht und in Serie
mit den Schleifringströmen erregt. Sie ist geeignet, die Ecken zu verwischen, die in der
Stromverteilungskurve der Schleifringströme in der Gleiehstromwicklung vorhanden sind. Die
zweite Kompensationswicklung wird auf dem Stator der Maschine angebracht und vernichtet
die Oberfelder, die von den Ecken der Strom-
to Verteilungskurven unter den Kollektorbürsten herrühren. Sie wird in Serie mit den KoI-lektprbürstenströmen
erregt. Beide Wicklungen können natürlich direkt angeschlossen sein oder auch durch Serientransformatoren,
die gleichzeitig die richtige Phase einstellen können, falls man die Wicklung nicht geeignet
unterbringen kann.
In Fig. 5 ist für die mehrfach erwähnte Ringankerwicklung mit Dreiphasenstromerregung
der Stromverlauf einer Kompensationswicklung k gezeichnet, der das Oberfeld von
zweifacher Periode vollständig vernichtet. Die Schleifringströme sind mit iIt in, ilu bezeichnet;
sie durchlaufen erst die Kompensationswicklung, die neben den wirksamen Leitern in den Ankernuten untergebracht ist, bevor
sie in die Gleichstromwicklung eintreten. Die gegenseitige Anordnung der Kompensationsund
Ankerwicklung ist durch die schraffierten Flächen dargestellt. Die darüber gezeichneten
Kurven stellen die idealen sinusförmigen und die wirklich auftretenden Stromverteilungen
beider Wicklungen dar. Eine genau gleiche Kompensationswicklung hat man sich gegenüber
den stillstehenden Kollektorbürsten auf dem Stator angebracht zu denken. Natürlich
kann man die Kompensationswicklung auch so anordnen, daß außer dem Oberfeld zweiter Ordnung
auch noch höhere mit vernichtet werden.
Verwendet man bei Dreiphasenstrom einen Trommelanker mit Durchmesserwicklung, so
tritt infolge der dann herrschenden Stromverteilung das zweite, dritte und vierte Oberfeld
überhaupt nicht auf, man braucht also nur Kompensationswicklungen mit fünffacher Polzahl
auszuführen, da das siebente Oberfeld schon so schwach ist, daß es kaum je in Betracht
kommt. Je höher die Ordnung des zu kompensierenden Oberfeldes ist, um so schwächer ist seine Amplitude bekanntlich,
mit um so weniger Kompensationskupfer kommt man daher aus.
Gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich bei Wechselstrom-Gleichstrom-Umformern,
— die nur einen Sonderfall der Kollektorfrequenzwandler für beliebige Periodenzahl darstellen
— die von den Schleifringanschlüssen herrührenden, räumlich fortschreitenden Oberfelder
entweder durch eine vielpolige Kompensationswicklung auf dem Anker oder auch durch eine vielpolige Kurzschlußwicklung auf
dem Stator vernichten. Diese letztere darf man hier anbringen, ohne die Hilfspolfelder zu
stören, weil Gleichstromfelder bekanntlich eine Kurzschlüßwicklung durchdringen können, ohne
in ihrer Stärke abgedämpft zu werden. Aus demselben Grunde kann man bei diesen letzteren
Maschinen, wie schon bekannt, auf dem Stator auch eine gewöhnliche Käfigwicklung
anbringen, da hier das Hauptfeld nicht durch sie gestört wird.
Neben dem zuletzt erwähnten Sonderfalle umfaßt der Begriff Kollektorfrequenzwandler
in dem hier gebrauchten Sinne auch jede andere Maschine, bei der Energie in eine
Gleichstromankerwicklung gleichzeitig durch einen Kollektor und durch feste Anschlußpunkte
an die Wicklung eingeleitet bzw. abgeführt wird. Stets läßt sich durch die hier beschriebenen Kompensationswicklungen mit
vielfacher Polzahl die Kommutierung verbessern.
Führt man eine Ankerkompensationswicklung aus, so wird diese nicht nur von den
Belastungsströmen durchflossen, sondern auch von den Magnetisierungsströmen. Dadurch
wird bewirkt, daß auch die Oberschwingungen im Hauptfelde der Maschine abgeschirmt werden
und dieses fast rein sinusförmig verläuft. Das ist für eine gute Kommutierung ebenfalls
von großem Vorteil, denn die vom Hauptfelde herrührende Kurzschlußspannung läßt sich nur vollkommen kompensieren, wenn sie
sinusförmig verläuft; die Oberfelder können manchmal schon erhebliches Funken hervorrufen.
.
Claims (5)
1. Einrichtung zum Stromwenden an Kollektorfrequenzwandlern, gekennzeichnet
durch besondere vielpolige, das Hauptfeld magnetisch nicht beeinflussende reguläre
Mehrphasen Wicklungen, welche die durch Belastungsströme entstehenden räumlich fortschreitenden Oberfelder ganz oder teilweise
kompensieren.
2. " Ausführungsform der Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
Anwendung von Kurzschlußwicklungen auf dem Stator oder Rotor des Frequenzwandlers
oder auf beiden, deren Polzahl ein Vielfaches der Polzahl des Hauptfeldes ist.
3. Ausführungsform nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine mehrphasige
Kurzschlußwicklung mit unsymmeirischen Spulen, die so angeordnet ist,
daß sie mit ihren Strömen ein genaues Spiegelbild der schädlichen Ankerstromverteilung
bildet.
4. Ausführungsform der Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
eine Kompensationswicklung auf dem Sta-
tor, deren Polzahl ein Vielfaches der Polzahl des Hauptfeldes ist, und die unmittelbar
oder durch Transformatoren in Serie mit dem Kollektorbürstenkreise geschaltet ist.
5. Ausführungsform der Einrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch
eine Kompensationswicklung auf dem Rotor, deren Polzahl ein Vielfaches der Polzahl
des Hauptfeldes ist, und die unmittelbar oder durch Transformatoren in Serie
mit dem Schleifringstromkreise geschaltet ist.
Hierzu ι Blatt Zeichnungen.
BERLIN. GEDRUCKT IN DER REICHSDRUCKEREI.
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