DE229265C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

■- Ju 229265 KLASSE 2\d. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 25. April 1909 ab.

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 i_a, i_b, i_c 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 i_It i_n, i_lu 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)

Patent-Ansprüche:

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.