DE235059C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

^ PATENTSCHRIFT

- Λ! 235059 -KLASSE 21 d. GRUPPE

R. AUVERT und A. FERRAND in PARIS.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 9. September 1910 ab.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Konstanthalten der durch Bürstenverschiebung geregelten Spannung an Wechselstrom - Gleichstrom - Umformern ohne FeIderregung, die durch Synchronmotoren angetrieben werden. Sie bezweckt, den schädlichen Einfluß der Schwingungen in den Synchronmotoren zu unterdrücken. Die benutzten Umformer bestehen grundsätzlich aus einem Ringanker ohne Magnetgehäuse mit Schleifringen zur Zuführung des Wechselstroms, Kollektoren und Bürsten zur Abnahme des Gleichstroms. Der Ringanker wird von einem Synchronmotor angetrieben. Die Wicklungen auf dem Anker, die Verbin dungs weise und die Stellungen der Bürsten hängen so miteinander zusammen, daß bei synchroner Umdrehung des ganzen Aggregates die auf dem Kollektor schleifenden Bürsten, einen praktisch konstanten Strom abgeben. Die mittlere Spannung zwischen den Kollektorbürsten hat dauernd die gleiche Richtung, und der Wert dieser Spannung kann nach Wunsch durch einfache Bürstenverschiebung geregelt werden. Die Spannung ist also eine Funktion der Bürstenstellung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Änderung der Spannung, und zwar zeigt Fig. 1 den Fall, in dem sämtliche Bürsten verschoben werden, und Fig. 2 den Fall, in dem nur die Bürsten eines Pols bzw. gleicher Polarität verschoben werden und die Bürsten der anderen Polarität unbeweglich stehen bleiben. In beiden Fällen stellen die Ordinaten den Wert der Spannung dar, während die Abszissen der Stellung der Bürsten entsprechen. Dabei wird als Anfangspunkt die Stellung zugrunde gelegt, in der die Spannung gleich Null ist. Die Zahl der Bürsten ist mit 2η bezeichnet.

Falls nun die Bürstenstellung der Abszisse OA entspricht, so ist AM die mittlere Gleichstromspannung für diese Stellung. Die Anfänge 0 der Kurven in Fig. 1 und 2 sind durch die Tourenzahl des den Umformer antreibenden Synchronmotors bestimmt. Wenn nun dieser Motor vor- oder nacheilt, d. h. schwingt, so wird auch der Nullpunkt der Kurve sich entsprechend verschieben. Somit hat jede Schwingung des Synchronmotors gewissermaßen als Sekundärwirkung eine entsprechende Bürstenverschiebung zur Folge. Daraus geht hervor, daß jede Motorschwingung an den Gleichstromklemmen des Umformers Spannungsänderungen ebenso hervorruft, als ob man die Gleichstrombürsten verschoben hätte. Die Größe dieser Spannungsänderungen hängt von der der Motorschvvin- gungen und von der Kurvenform der mittleren Gleichstromspannung bzw. von dem jeweilig in Frage kommenden Punkte dieser Kurve ab.

Diese Kurve ist sehr flach, wenn die Bürsten sich in der dem höchsten Werte der Spannung

entsprechenden Stellung befinden. In dieser . Stellung verursachen die Motorschwinguhgen nur geringere Änderungen der mittleren Gleichstromspannung. Die Änderungen werden jedoch. bedeutend größer, wenn die Bürsten sich in der Stellung befinden, die etwa den Ordinaten AM in Fig..ι und 2 entspricht. Selbst geringe Schwingungen des Synchronmotors verursachen hier starke Schwingungen der mittleren Gleich-Stromspannung, die dann z. B. zwischen den Werten AM¹ und AM² schwingt.

Diese Spannungsänderungen haben Änderungen der Stromstärke zur Folge, die an die Stromverbrauchenden Apparate geliefert wird.

Dadurch wird nicht nur die Arbeitsweise dieser Stromverbraucher mangelhaft, sondern sie wirken, namentlich wenn sie von ähnlicher Größe wie der Umformer sind, auf letzteren zurück. Dadurch verstärken sich die Geschwindigkeits- bzw. Frequenzänderungen, so daß die Schwingungen der Synchronmotoren sich verstärken und der Betrieb unstabil und pendelnd wird. Schließlich vermehren sich die Schwingungen mehr und mehr, bis die Synchronmotoren außer Tritt fallen.

Die Erfindung ist nun dadurchgekennzeichnet, daß eine gerade Zahl von Umformerkollektoren hintereinandergeschaltet ist, und daß — durch mechanische oder elektrische Anordnungen — der Drehsinn der Kollektoren mit dem Drehsinn der Bürsten bei der Spannungsregelung in solchen Zusammenhäng gebracht ist, daß die durch die Pendelungen des Motors hervorgerufenen Spannüngsänderungen in der einen Hälfte der Kollektoren gleich groß und in der Richtung entgegengesetzt denen in der anderen Hälfte sind. Bei einer geraden Zahl von 2 P Kollektoren erzeugt also jede Schwingung des Synchronmotors an den Klemmen von P Kollektoren eine Spannungserhöhung, während an den Klemmen von P anderen Kollektoren eine ebenso große Spannungsverringerung erzeugt wird, so daß die Gesamtspannung an den Klemmen des ganzen Aggregates praktisch konstant bleibt.

Wenn eine Verschiebung der Bürsten im Drehsinne der Maschine eine Erhöhung der mittleren Gleichstromspannung hervorruft, so erzeugt eine Voreilung des Synchronmotors eine Verringerung der Gleichstromspannung, denn diese Voreilung des Motors hat dieselbe Wirkung wie eine Bremsung der Verschiebung der Bürste, die vom Nullwert bis zum Höchstwert der Spannung sich bewegend gedacht sind. Ein Nacheilen des Synchronmotors hat den entgegengesetzten Einfluß, nämlich eine Erhöhung der mittleren Gleichstromspannung. Muß umgekehrt, um eine Erhöhung der Gleichstromspannung zu erhalten, die Bürstenverschiebung entgegengesetzt dem Drehsinn der Maschine erfolgen, so rufen die Schwingungen des Synchronmotors die entgegengesetzten Erscheinungen wie vorher hervor, d. h. ein Voreilen des Synchronmotors erzeugt eine Spannungserhöhung und umgekehrt.

Somit ist es möglich, die störenden Einflüsse der Motorschwingungen zu beseitigen, indem eine gerade Zahl von 2 P Kollektoren hintereinandergeschaltet werden und deren Drehsinn mit dem für die Einstellung der Spannung erforderlichen Drehsinn der Bürsten in solchen Zusammenhang gebracht wird, daß die Spannungsänderungen in P Kollektoren praktisch gleich groß — absolut gedacht —, aber in der Richtung entgegengesetzt den in P anderen Kollektoren erzeugten Spannungsänderungen sind.

Die einfachste Einrichtung dieser Art ist ein einziger rotierender Umformer mit zwei hinter-' einandergeschalteten und auf derselben Welle sitzenden Kollektoren, deren Bürsten bei der Spannungsregelung gleichzeitig, aber in entgegengesetztem Sinne verschoben werden müssen.

Fig. 3 zeigt eine mechanische Vorrichtung, mittels deren das gleichzeitige und entgegengesetzte Verschieben der beiden Bürstensätze möglich wird. Der Ringanker α wird von dem Synchronmotor m angetrieben und besitzt zwei Kollektoren c¹ und c², die hintereinandergeschaltet sind. Durch die Schleifringe b b wird der hier einphasig gedachte Wechselstrom zugeführt. Der Gleichstrom wird durch Bürsten abgenommen, die durch Bürstenhalter d¹, d² verschiebbar sind. Zu diesem Zwecke sind die Halter paarweise je an einem Zahnrad befestigt, die in Zahnräder p¹, p² eingreifen, die ihrerseits in entgegengesetztem Sinne und gemeinsam mittels des konischen Rädergetriebes e gedreht werden können. Um die Bürsten auf den beiden Kollektoren in entgegengesetztem Sinne zu bewegen, genügt es, die Welle f eines der beiden Zahnräder p¹, p''- zu drehen. Diese Vorrichtung ist als Beispiel dargestellt, natürlich kann die gleichzeitige und entgegengesetzte Bewegung der Bürsten auch durch andere mechanische Vorrichtungen, z. B. Kurbeln, Ketten α. dgl., erzielt werden.

Falls zwei getrennte Umformer durch einen und denselben Synchronmotor angetrieben und im gleichen Sinne gedreht werden, so muß, um die Schwingungen des Synchronmotors zu vernichten, eine Hintereinanderschaltung der Kollektoren erfolgen und die Bürstenverschiebung der Kollektoren in entgegengesetztem Sinne vorgenommen werden.

Falls eine Wechselstromquelle mehrere rotierende Umformer speist, deren Kollektoren hintereinandergeschaltet sind und die je durch einen besonderen Synchronmotor angetrieben werden,

so kann jeder Umformer einen Kollektor haben oder zwei. In letzterem Falle kann es aus verschiedenen Gründen unmöglich sein, bei jedem. Umformer die Bürstenverschiebung auf den beiden Kollektoren in entgegengesetztem Sinne vorzunehmen. Dann können die schädlichen Einflüsse der Motorschwingungen dadurch beseitigt werden, daß eine gerade Zahl von 2 P Kollektoren benutzt wird und entweder die Umformer in zwei gleiche Gruppen eingeteilt werden, von denen die eine Gruppe entgegengesetzt der anderen sich dreht, wobei die Bürsten auf allen Kollektoren gleichzeitig und in gleichem Sinne verschoben werden, oder daß sämtliche Umformer sich in gleichem Sinne drehen und die Bürstenverschiebung von P Kollektoren gleichzeitig und in entgegengesetztem Sinne gegen die von den P anderen Kollektoren erfolgt.
Wenn die Schwingungen der verschiedenen Synchronmotoren immer im.gleichen Sinne und mit gleicher Amplitude erfolgen, so ist die mittlere Gleichstromspannüng an den Klemmen des gesamten Aggregates der hintereinandergeschalteten Kollektoren, unabhängig von den Schwingungen der Synchronmotoren, denn die Summe der Spannungsschwankungen ist gleich Null. Um nun die Synchronmotoren dazu zu zwingen, immer in gleichem Maße und Sinne zu schwingen, kann man sie mechanisch oder elektrisch kuppeln.

Man kann z.B. die Umformerwellen mechanisch miteinander durch Zahnrädergetriebe kuppeln, indem eine der verschiedenen bekannten Anordnungen benutzt wird, um die übereinstimmende Bewegung zweier Wellen auf mechanischem Wege zu erzwingen. Da jedoch die Umformer gewöhnlich mit hoher Geschwindigkeit sich drehen, so kann es Schwierigkeiten bereiten, die Wellen mechanisch miteinander zu kuppeln. Insbesondere ist der durch die Übertragungsorgane (Zahnräder) verursachte Lärm sehr unangenehm. Es empfiehlt sich daher die elektrische Verbindung.
Zu diesem Zwecke werden in bekannter Weise auf jeder Ankerwicklung der Synchronmotoren drei Punkte abgezweigt, die zueinander in solchem Winkel stehen, daß man zwischen ihnen Potentialdifferenzen erzielt, die um je ein Drittel der Periode auseinanderliegen. Ist also der Motor zweipolig, so liegen die Punkte um 120 ° gegeneinander. Auf allen Ankern müssen diese drei Punkte identisch liegen zu den Verbindungspunkten der Speiseleitungen oder Schleifringe mit der Ankerwicklung. Diese drei Punkte werden an jedem Synchronmotor an drei Schleifringe geführt, wenn der Anker beweglich ist, bzw. an drei Klemmen, wenn der Anker feststeht. Schließlich werden die Schleifringe oder Klemmen der verschiedenen Synchronmotoren elektrisch miteinander verbunden, natürlich immer mit gleichartig liegenden Punkten. Dadurch müssen die Synchronmotoren gemeinsam in gleichem Maße und Sinne schwingen. Denn wenn einer von ihnen z. B. auch nur leicht nacheilen will, so wird er sofort energisch durch die Dreiphasenströme mitgenommen, die er von den übrigen, nun wie Drehstromgeneratoren wirkenden Synchronmotoren erhält. Umgekehrt verursacht eine Voreilung eines Synchronmotors sofort eine energische Bremsung durch die Dreiphasenströme, die der nun zum Drehstromgenerator gewordene Synchronmotor den anderen Motoren abgibt. Diese gegenseitige Bremsung oder Dämpfung verringert die Schwingungen der Synchronmotoren beträchtlich und macht den Betrieb vollkommen stabil. Natürlich kann statt der ein Dreiphasensystem darstellenden drei Punkte auch mit mehr Punkten ein mehrphasiges System gebildet werden.

Bei obiger elektrischer Kupplung der Synchronmotoren ist vorausgesetzt, daß diese mit gleicher Spannung von derselben Stromquelle gespeist werden. Wenn verschiedene Spannungen vorhanden sind, so müssen die drei Punkte elektrisch miteinander mittels Trans-, formatoren verbunden werden.

In Fig. 4 und 5 ist eine Anordnung dargestellt, die sich aus zwei Umformern α zusammensetzt, die Einphasenstrom in Gleichstrom umformen und je zwei Kollektoren c¹, c² haben. Die Pfeile F zeigen den Drehsinn der Umformer an, während die Pfeile f den Drehsinn der Bürstenverschiebung auf den Kollektoren angeben. Der Wechselstrom wird durch die Schleifringe b b b b zugeführt. Die Kollektoren sind hintereinandergeschaltet und speisen den Verbrauchsapparat m¹. Die sich drehend gedachten Anker der Synchronmotoren sind mit m bezeichnet und erhalten ihren Strom aus der Quelle s durch die Schleifringe δ¹, δ². Von der Stromquelle s werden ferner die Umformer gespeist. Drei um 120 ° (s. Fig. 5) auf den Ankerwindungen der Synchronmotoren verschobene Punkte sind mit den Schleifringen δ², δ³, δ* verbunden, welche mit den entsprechenden Schleifringen δ², δ⁸, δ⁴ des änderen Motors durch Bürsten, Leitungen und einen Ausschalter i in Verbindung stehen. Letzterer dient dazu, jeden Motor einzeln anlassen bzw. betreiben zu können. Durch diese Anordung sind die Motoren elektrisch so miteinander gekuppelt, daß die oben beschriebene Dämpfung der Schwingungen eintritt und dadurch der schädliche Einfluß der Schwingungen der Synchronmotoren aufgehoben wird.

Die Erfindung ist überall dort anwendbar, wo Verbrauchsapparate für Gleichstrom, z. B. Hauptstrommotoren, Nebenschlußmotoren, Motoren mit getrennter Erregung, Akkumulatorenbatterien usw., mittels rotierender Umformer

ohne Magnetfeld gespeist werden sollen, wobei die Spannung durch Bürstenverschiebung verändert werden kann. Durch die Erfindung wird die Stabilität der Synchronmotoren erhöht, so daß die mittlere Gleichstromspannung an den Umformerklemmen absolut unabhängig von den Schwingungen der Synchronmotoren wird.

Claims (1)

1. Patent-Ansprüche:

   ίο i. Einrichtung zum Konstanthalten der

   durch Bürstenverschiebung geregelten Spannung von Wechselstrom-Gleichstrom-Umformern ohne Felderregung, die durch Synchronmotoren angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Zahl von Umformerkollektoren hintereinandergeschaltet ist, und daß deren Drehsinn mit dem Drehsinn der Bürsten in solchen Zusammenhang gebracht ist, daß die durch das Pendeln der Motoren hervorgerufenen Spannungsänderungen in der einen Hälfte der Kollektoren gleich groß und in der Richtung entgegengesetzt denen in der anderen Hälfte sind.

   ■ 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Umformer mit zwei Kollektoren die Bürsten für die Einstellung der Spannung gleichzeitig in entgegengesetztem Drehsinne auf den beiden Kollektoren verschiebbar sind.

   3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenträger für beide Kollektoren durch ein Getriebe, z. B. durch Zahnräder, so verbunden sind, daß die Bürsten auf beiden Kollektoren gleichzeitig in entgegengesetztem Sinne verschoben werden können.

   4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei getrennten, von einem gemeinsamen Synchronmotor angetriebenen Umformern die Kollektoren hintereinandergeschaltet sind und die Bürsten in entgegengesetzter Richtung verschiebbar sind.

   5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren von einer Stromquelle gespeisten und von je einem Motor angetriebenen Umformern die Kollektoren hintereinandergeschaltet sind und die Umformer in zwei Gruppen geteilt sind, von denen die eine entgegengesetzt der anderen sich dreht, während die Bürsten sämtlich in demselben Drehsinne verschiebbar sind.

   6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren von einer Stromquelle gespeisten und von je einem Motor angetriebenen Umformern die Kollektoren hintereinandergeschaltet und die Umformer in zwei Gruppen geteilt sind, von denen die Bürsten der einen entgegengesetzt denen der anderen Gruppe verschiebbar sind, während die Umformer selbst sämtlich in gleichem Drehsinne rotieren.

   7. Einrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmotoren mechanisch oder elektrisch gekuppelt sind, damit sie in gleichem Maße und Drehsinne gemeinsam schwingen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.