DE2518602C2 - Einrichtung zur selbsttätigen Kompensation von Kommutierungsstörungen während des Betriebes von Gleichstrommaschinen - Google Patents

Description

F i g. 1 die Schaltung der Bürsten und zugehörigen Wendepolwicklung einer Einrichtung nach der Erfindung mit auf dem Wendepol angeordneten Zusatzwicklungen am Beispiel eines zweipoligen Gleichstromgenerators,

Fig.2 die Schaltung der Bürsten und zugehörigen Wendepolwicklung einer Einrichtung nach der Erfindung, bei der die Wendepolwicklung in zwei Teilwicklungen mit unterschiedlicher Windungszahl unterteilt ist, ebenfalls am Beispiel eines zweipoligen Gleichstromgenerators,

Fig.3 die Schaltung der Bürsten und zugehörigen Wendepolwicklungen einer Einrichtung nach der Erfindung mit auf den Wendepolen angeordneten Zusatzwicklungen am Beispiel eines sechspoligen Gleichstromgenerators,

Fig.4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen sechspoligen Gleichstromgenerator mit auf den Wendepolen angeordneten Zusatzwicklungen.

In F i g. 1 sind bei einem zweipoligen lLikslaufenden Gleichstromgenerator mit Fremderregung die Bürsten negativer Polarität mit A] und die Teilbürsten positiver Polarität mit Bu und B\2 bezeichnet. Der in Gegenuhrzeigersinn weisende Pfeil gibt die Laufrichtung des Kommutators an, so daß Bu die auflaufenden Bürsten und B\2 die ablaufenden Bürsten sind.

Neben der normalen Wendepol- und Kompensationswicklung, deren Anschlüsse mit Gund //bezeichnet sind und deren Gesamtwindungszahl w beträgt, sind zusätzlich Wendepolwicklungen vorhanden mit den Anschlüssen g\ und h\ sowie g-> und fa.

Die Wicklungen haben in diesem Beispiel gleiche Windungszahlen (w\ = W₂), die jedoch nur etwa Vi₀ der Gesamtwindungszahl w betragen. Die Zusatzwicklungen sind derart geschaltet, daß der über die auflaufenden Bürsten fließende Strom ein Absatzwendefeld erzeugt, das dem normalen Hauptwendefeld entgegengerichtet ist, während der über die ablaufenden Bürsten fließende Strom ein Zusatzwendefeld erzeugt, das dem HauptwendefeU gleichgerichtet ist.

Tritt nun durch irgendeine Störung eine Neigung zur Änderung des Kommutierungsverhaltens auf — z. B. Neigung zu Unterkommutierung durch nicht ausreichend eingeschliffene Kohlebürsten —, so wird über die Stromdifferenz in den Bürsten B\.\ und ßu in den angeschlossenen Zusatzwicklungen resultierend ein zusätzliches Wendefeld erzeugt, das dieser Neigung zur Unterkommutierung entgegenwirkt.

Ebenso wird bei einer beispielsweise durch betriebsmäßige Änderung der Induktivität der kommutierenden Spulen hervorgerufenen Neigung zur Überkommutierung durch ein resultierendes Absatzwendefeld entgegengewirkt, das durch die Stromdifferenz in den Bürsten Bu und B\2 in den angeschlossenen Zusatzwicklungen erzeugt wird.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Beispiel werden nur die Bürsten positiver Polarität sowie die auf den zugehörigen Wendepolen angeordneten Zusatzwicklungen zur Korrektur des Wendefeldes herangezogen.

Wie F i g. 2 zeigt, kann die Korrektur des Wendefeldes auch dadurch erreicht werden, daß die normale Wendepolwicklung in zwei Teilwicklungen H\G\ und H₂G₂ mit den Windungszahlen w\ und w₂ unterteilt wird, wobei die Feldrichtung der beiden Teilwicklungen die gleiche ist. Es müssen nur die Windungszahlen der beiden Teilwicklungen verschieden sein (w\'*=w₂). In dem hier gezeigten Beispiel ist der über die auflaufende Teilbürste Bu fließende Strom der Teilwicklung G\H\ mit der niedrigen Windungszahl η <' zugeführt, während der über die ablaufende Teilbürste ßu fließende Strom der Teilwicklung G1H1 mit der höheren Windungszahl W₂' zugeführt ist. Wie in F i g. 1 werden auch hier nur die Bürsten positiver Polarität sowie die auf den zugehörigen Wendepolen angeordneten Teilwicklungen zur Korrektur des Wendefeldes herangezogen.

Selbstverständlich können bei den in F i g. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen auch die Bürsten negativer Polarität mit den zugehörigen Wendepolwicklungen zur Korrektur des Wendefeldes mit herangezogen werden.

Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Anwendung der Erfindung bei einem sechspoligen Gleichstromgenerator mit auf den Wendepolen angeordneten Zusatzwicklungen, wobei wiederum nur die Bürsten positiver Polarität, jedoch zur Korrektur des Wendefeldes über die Zusatzwicklungen sämtlicher Wendepole herangezogen sind. Hierbei sind die Bürstenlineale von negativer Polarität mit A\ bis A3 und die der positiven Polarität mit B, bis B₃ bezeichnet. Die Richtung des am oberen Rand dargestellten Pfeiles gibt die Laufrichtung des Kommutators an, so daß links die mit B\.\ bis Bu bezeichneten Teilbürsten der auflaufenden Bürstenkante und rechts die mit ßu bis B^₂ bezeichneten Teilbürsten der ablaufenden Bürstenkante liegen. Es sind nun neben der normalen Wendepolwicklung mit den Anschlüssen G—H zusätzliche Wendepolwicklungen mit den Anschlüssen g\ — h\ und g₂—hi vorhanden.

Dabei ist die obere Reihe dieser Zusatzwicklungen, die unter sich in Reihe geschaltet sind, zwischen die ablaufenden Teilbürsten und die normale Wendepolwicklung und die untere Reihe der Zusatzwicklungen zwischen die auflaufenden Teilbürsten und die normale Wendepolwicklung geschaltet, wobei der Wicklungssinn so gewählt ist, daß sich in den Zusatzwicklungen, die auf ein- und demselben Pol liegen, unterschiedliche Feldrichtungen ergeben.
Man hat bei dieser Schaltung noch den Vorteil, daß alle Zusatzwendepolwicklungen auf dem gleichen Potential wie die Hauptwicklungen der Wendepole liegen und somit keiner verstärkten Isolierung gegenüber diesen bedürfen. Man könnte natürlich auch hier die Bürsten negativer Polarität für die Korrektur des Wendefeldes mit heranziehen, müßte dann aber für die Hälfte der Zusatzwicklungen (Pole 2, 4 und 6) eine besondere Isolierung gegenüber den anderen Wicklungen des gleichen Pols vorsehen.

F i g. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen sechspoligen Gleichstromgenerator mit auf den Wendepolen angeordneten Zusatzwicklungen, bei der die zur Wendefeldkorrektur benutzten Teilbürsten eines Bürstenlineals nur für die dem entsprechenden Plus- und Minuspol zugeordneten Wendepolwicklungen verwendet sind.

Es sind natürlich noch weitere Abwandlungen möglich. Während in F i g. 3 alle sechs Teilbürstenpaare sämtlicher positiven Lineale zur Kommutierungsregelung herangezogen werden, könnte man auch z. B. nur ein einziges Paar oder mehrere Paare von Teilbürsten eines oder mehrerer Lineale dafür verwenden. Dies ist allerdings nur zweckmäßig, wenn Zusatzwicklungen verwendet werden, die ja untereinander alle gleich sind. Im Fall der unterteilten Hauptwendepolwicklung empfiehlt es sich, ebenfalls jeweils alle Bürstenlineale und auch alle Bürsten einer Stromrichtung für die Wendefeldkorrektur vorzusehen.
Ferner ist es zweckmäßig, mindestens die Hälfte, z. B.

jedes zweite der Bürstenpaare eines Lineals für die Wendefeldkorrektur heranzuziehen, um gewissermaßen eine Integration der Störungen zu erreichen. Aus dem gleichen Grunde dürfte es auch vorteilhaft sein, sämtliche Bürstenlineale zumindest einer Stromrichtung zu berücksichtigen.

Die angegebenen Schallungen sind wirksam für Motor- und Generatorbetrieb in einer Drehrichtung. Bei Drehrichtungsumkehr im Motorbetrieb müssen die Wendepolzusatz- bzw. -teilwicklungen derart umgeschaltet werden, daß der Strom der ablaufenden Teilbürsten ein Zusatzwendefeld erzeugt und der Strom der auflaufenden Teilbürsten ein Absatzfeld erzeugt.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung läßt sich bei drehzahlgeregelten Antrieben über den gesamten Drehzahlbereich ein stabiles Kommutierungsverhalten erzielen.

Das Kommutierungsverhalten von Gleichstrommaschinen ändert sich bekanntlich auch, wenn ein Austauschanker eingesetzt wird. Bisher waren Messungen und aufwendige Justierarbeiten, d. h. Änderungen in der Wendepoleinstellung erforderlich, wenn ein Anker ausgetauscht wurde. Diese Anpassungsarbeiten können durch die erfindungsgemäße Einrichtung entfallen.

Eine Änderung des Kommutierungsverhaltens ergibt sich ebenfalls nach jeder Wartungsarbeit am Kommutator oder an den Bürsten. Sei es, daß sich die Kommutatoroberfläche durch Abdrehen, Abschleifen oder Auskratzen ändert oder sei es, daß die Bürsten unterschiedlich eingeschliffen sind. Derartige Kommutierungsstörungen werden durch die Erfindung weitgehend kompensiert.

Bei Antrieben mit hohen Stromänderungsgeschwindigkeiten, welche im Wendepolkreis Wirbelströme ausbilden, die dann eine Nacheilung des Wendepolflusses gegenüber dem Strom zur Folge haben, läßt sich durch die Erfindung ebenfalls eine Verbesserung des Kommutierungsverhaltens erreichen.

Die Einrichtung nach der Erfindung erfordert nur einen geringen Aufwand, da unter Umständen z. B. je eine Windung für die Zusatzwendepolwicklung schon genügt.

Eine weitere Ausnutzung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß man die Stromdifferenz der Bürstenteilströme zur Anzeige bringt, um damit einen aussagekräftigen Indikator für das Kommutierungsverhalten der Gleichstrommaschine zu haben. Dies erfordert nur einen geringen Aufwand, da die Unterteilung nur einer Bürste in Umfangsrichtung schon ausreicht und irgendwelche Zusatzwicklungen nicht erforderlich sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur selbsttätigen Kompensation von Kommutierungsstörungen während des Betriebes von Gleichstrommaschinen über die Wendepolwicklung oder über eine auf den Wendepolen angeordnete Zusatzwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten in Umfangsrichtung des Kommutators in zwei Teilbürsten geteilt sind, und daß mindestens eine auflaufende Teilbürste (Bu) und die zugehörige ablaufende Teilbürste (Bt 2) an verschiedene Teil- bzw. Zusatzwicklungen mindestens eines Wendepols angeschlossen sind, derart daß die Differenz der Ströme in den Teilbürsten zur Korrektur des Wendefeldes dient

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbürsten ihrerseits mit axialer Teilung als Doppelbürsten ausgeführt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Stromdifferenz aus der Summe der Teilströme sämtlicher auflaufenden Teilbürsten (Bu) eines Bürstenlineals (B₁) und der Summe der Teilströme sämtlicher ablaufenden Teilbürsten (B_x2) dieses Bürstenlineals (B_x) gebildet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Stromdifferenz aus der Summe der Teilströme sämtlicher auflaufenden Teilbürsten (Bi.u Bu, Bz.]) einer Stromrichtung und der Summe der Teilströme sämtlicher ablaufenden Teilbürsten (B\₂, B₂₂, B₃₂) derselben Strotnrichtung gebildet ist (F ig. 3).

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Wendepolwicklung auf jedem Wendepol in gleicher Weise in zwei Teilwicklungen (Gi-Hi, Ch-H₂) mit unterschiedlicher Windungszahl, aber gleicher Feldrichtung unterteilt ist, und daß der Teil wicklung (G\ -Hi) mit der niedrigeren Windungszahl der über die auflaufende^) Teilbürste(n) (B_u bzw. Bu, B₂₁, B3.1) fließende Strom und der Teilwicklung (G₂-H₂) mit der höheren Windungszahl der über die ablaufende^) Teilbürste(n) (Bi₂ bzw. B_i2, B₂₂, B₃₂) fließende Strom zugeführt sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß alle Wendepole in gleicher Weise zwei über alle Polteilungen jeweils gleichartig ausgelegte Zusatzwicklungen (gi — hi, g₂— h₂) aufweisen, die derart geschaltet sind, daß der über die auflaufende^) Teilbürste(n) (Bu bzw. Bu, Biu ßii) fließende und der einen Zusatzwicklung (g) — h\) zugeführte Strom ein dem normalen Hauptwendefeld entgegengerichtetes Wendefeld erzeugt, während der über die ablaufende(n) Teilbürste(n) (Bi₂ bzw. B_h2, B₂₂, B₃₂) fließende und der anderen Zusatzwicklung (g₂—lh) zugeführte Strom ein dem normalen Hauptwendefeld gleichgerichtetes Wendefeld erzeugt.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwicklungen (G\ — H\, G₂-H₂) abhängig von der Drehrichtung der Gleichstrommaschine umschaltbar sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzwicklungen (g\ — h₂, g2—lh) abhängig von der Drehrichtung der Gleichstrommaschine umschaltbar sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur selbsttätigen Kompensation von Kommutierungsstörungen während des Betriebes von Gleichstrommaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches <.
Die optimale Einstellung des Wendefeldes ist von größter Wichtigkeit für den späteren störungsfreien Betrieb einer Gleichstrommaschine. Bekannt sind die Schwierigkeiten der richtigen Wendefeldeinstellung bei Maschinen mit großem Drehzahlbereich. Das für Grunddrehzahl möglichst günstig eingestellte Wendefeld erscheint bei Höchstdrehzahl zu stark, mit allen Konsequenzen für Kommutierung und Stabilität Um hier Abhilfe zu schaffen, ist es bekannt (»VDE-Fachberichte«, Band 22, 1962, Seite 1/137 bis 139), eine besondere drehzahlabhängige Wendefeldsteuerung vorzusehen, bei der man zweckmäßig eine Zusatzwicklung über eine Hilfsmaschine oder über elektronische Schaltungen steuert
Aus der genannten Literaturstelle a. a. O. ist es ferner bekannt zur Kommutierungsuntersuchung die Bürstenpotentiale unter Betriebsbedingungen zu messen und aufgrund dieser Messung das Wendefeld im Prüffeld einzustellen. Das Verhältnis der Spannungen, speziell an Auf- und Ablaufkante der Bürste, ermöglicht Rück-Schlüsse auf die Einstellung und Wirksamkeit des Wendefeldes, besonders auch unter den erschwerenden Bedingungen der dynamischen Beanspruchungen. Da letztlich rar die Verteilung der Stromdichte unter der Bürste ein Maß für den Kommutierungsverlauf darstellt, bleibt die Ermittlung der Stromdichte mit Hilfe der Bürstenpotentialkurve unter Berücksichtigung des Bürstenübergangswiderstandes fehlerhaft weil dieser Widerstand örtlich stark unterschiedlich sein kann.
Bekanntlich wird das Kommutierungsverhalten der Gleichstrommaschinen betriebsmäßig von zahlreichen Faktoren beeinflußt und soniil geändert. Zu diesen Einflußgrößen gehören u. a. der Ankerstrom, die Drehzahl, der Zustand von Kommutatoroberfläche und Bürsten, der Luftspalt zwischen Ständer und Läufer.

Dadurch ist es möglich, daß trotz sorgfältiger Wendefeldeinstellung über die Messung der Bürstenpotentiale es später zu Über- oder Unterkommutierung der Gleichstrommaschinen in einem Maße kommen kann, daß sich Bürstenfeuer einstellt.

Rechnerische Untersuchungen des Systems Ankerwicklung — Kommutatorlamelle — Bürstenübergangswiderstand — Kohlebürste — Litze — Bürstenbolzen zeigen, daß sich bei Aufteilung der Bürste in zwei Hälften (wie es die bereits gebräuchliche Tandemanordnung darstellt) im Falle von Kommutierungsstörungen (Unter- oder Überkommutierung) erhebliche Unterschiede der Ströme in den Zuleitungen (Litzen) der auflaufenden gegenüber den ablaufenden Bürsten einstellen. In der Praxis sind sogar Fälle von Litzenverfärbungen bekannt, die ebenfalls auf stark unterschiedliche Stromaufteilung hinweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, Kommutierungsstörungen während des Betriebes von Gleichstrommaschinen mit möglichst geringem Aufwand und in weitgehend

so allen Betriebszustand^ der Gleichstrommaschine auszuregeln bzw. selbsttätig zu kompensieren.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8

Ί5 gekennzeichnet.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen in