DE267776C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVl 267776 -KLASSE 21 d. GRUPPE

mit Seriencharakteristik.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 23. Februar 1911 ab.

Es ist bekannt, daß Gleichstrom-Serienmotoren nicht generatorisch auf ein festes Netz arbeiten können, da es nicht möglich ist, derartige Maschinen in ihrer Energieabgabe^'zu stabilisieren. Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Ermöglichung des generatorischen Arbeitens bei Wechselstrom-Kollektormaschinen mit Seriencharakteristik.

eh in Fig. ι bedeutet die Klemmenspannung einer Gleichstrom-Serienmaschine gemäß Fig. 2. Wenn diese Serienmaschine stillsteht, so arbeitet die Klemmenspannung e^ auf den Ohmschen Widerstand W₁ -j- W₂, wobei W₁ den Widerstand der Gleichstrommaschine und W₂ den äußeren Widerstand darstellt. Soll die Maschine an das Netz Energie abgeben, so muß ein Strom i fließen (Fig. 3), der der Klemmenspannung eic entgegengesetzt gerichtet ist. Der Ohmsche Abfall i · w geht dann in Richtung der Klemmenspannung, und die Rotationsspannung e_r = i k η muß, damit Gleichgewicht herrscht, der Klemmenspannung und dem Ohmschen Widerstand entgegengesetzt gerichtet sein.

Man erkennt, daß in diesem Falle generatorisch eine Leistung i · e_lc an das Netz abgegeben wird. Das in Fig. 3 angegebene Spannungsdiagramm ist möglich, aber labil, wie es sich durch eine einfache Überlegung leicht erkennen läßt. Wird nämlich der Strom i etwas größer, so ergibt sich daraus, daß i · w und * · k' η der Stromstärke proportional wachsen. Da i-k-n größer ist als i>w, so wird das zu einer sehr heftigen und schnellen Höhererregung der Maschine führen. Das gleiche Phänomen tritt bei einem Wechselstrom-Serienmotor auf, wenn er an ein Wechselstromnetz angeschlossen wird. Man denke sich, an den Klemmen eines Wechselstrom-Serienmotors nach Fig. 2 sei eine Wechsel-Stromspannung eu aufgedrückt. Das Diagramm dieses Motors (Fig. 4) setzt sich aus folgenden Linien zusammen, e^ ist die Klemmenspannung, i · L · w die Reaktanzspannung, i · w der gesamte Ohmsche Abfall und i · k -n die dem Strom und der Tourenzahl proportionale Rotationsspannung. Da der Winkel D-A-C stets ein rechter ist, so ändert sich das Diagramm des Motors bei der Änderung der Tourenzahl dadurch, daß sich der Punkt A auf einem Kreise K₁ verschiebt, dessen Durchmesser <?/_c ist, während sich der Punkt B auf einem zweiten Kreise K₂ verschiebt, in welchem e/_c eine Sehne ist. Solange die Rotationsspannung i'k-n in Richtung des Ohmschen Abfalles i · w ist, setzt der Motor elektrische Energie in mechanische um, während er elektrische Energie liefern muß, sobald i · k · η entgegengesetzt i · w gerichtet ist. Der motorische Teil liegt in der Fig. 4 oberhalb von eu und der generatorische Teil unterhalb von e/_c. Es besteht ein Grenzzustand, der in Fig. 4 gestrichelt gezeichnet ist. Die Reaktanz i · L · ω wird von der Klemmenspannung e^ aufgeho-

ben, während die Rotationsspannung i-k-n gerade dem Ohmschen Abfall i · w entgegenwirkt. Bei diesem Punkt läuft der Motor gerade noch stabil. Wird aber jetzt die Tourenzahl noch etwas erhöht, so daß die Rotationsspannung größer wird als der Ohmsche Abfall, so treten dieselben Verhältnisse auf, die in Fig. 3 für die Gleichstrommaschine gezeigt wurden, d. h. die Maschine erregt sich mit großer Heftigkeit selbst. Der untere Teil des Diagrammes (Fig. 4) hat nur einen beschränkten praktischen Wert. Er gilt nur dann, wenn der Motor auf irgendeine Weise stabilisiert wird. Man erkennt aus dem gestrichelten Grenzdiagramm auch, daß der Motor durch mechanische Arbeit seinen Verlust in Ohmschen Abfällen noch decken kann, daß aber in dem Augenblick, in dem das erste Watt Energie an das Netz zurückgeliefert werden soll, die Selbsterregung auftritt. Es ist einleuchtend, daß man zu den Widerständen w außer den äußeren und inneren Ohmschen Widerständen auch noch den Widerstand des Generators und zusätzliche Verluste mit einbegreifen muß, so daß tatsächlich der Beginn der Nutzarbeit gleichzeitig der Zeitpunkt für die Selbsterregung ist.

Für alle anderen elektrischen Maschinen, die Seriencharakteristik haben, liegen aber die Verhältnisse ähnlich wie bei der reinen Serienmaschine. Es kann aus physikalischen Gründen elektrische Energie von derartigen Maschinen an ein Wechselstromnetz im Generatorbetrieb nicht ■ zurückgeliefert werden, falls nicht besondere Stabilisierungsmittel eingeführt werden. Tritt an die Stelle einer Einphasen-Serienmaschine eine Maschine, bei der die Erregung durch Kombination (z. B. von Statoroder Rotorerregung) von der einen auf die '40 andere Achse übertragen wird, so ist der einzige Unterschied gegenüber der Einphasen-Serienmaschine der, daß sich über den mit der Netzperiodenzahl fließenden Strom ein Wechselstrom einer Periode überlagert, die der Eigenschwingung der Maschine entspricht (unter Eigenschwingung ist diejenige Frequenz zu verstehen, bei welcher die Maschine, als Motor laufend, auf cos φ = 1 kompensiert sein würde). Zur Ausbildung von selbsterregten Wechselströmen sind demnach Mehrphasen-Kollektor-Serienmaschinen, Repulsionsmotoren, doppelt gespeiste Motoren sowie überhaupt alle diejenigen Motoren geeignet, bei welchen die Energie auf den Anker ganz oder teilweise durch Induktion übertragen wird. Selbst wenn die Eigenschwingung der Maschine der Nutzfrequenz sehr nahe kommt, so sind die Verhältnisse ebenso unstabil wie für den Fall, daß die Eigenerregung der Maschine Gleichstrom ergibt, und immer tritt Selbsterregung auf, sobald die Komponente der Rotationsspannung, die dem Ohmschen Abfall entgegengesetzt gerichtet ist, größer wird als der Ohmsche Abfall.

Das gleiche gilt für mehrachsige Maschinen, die an Einphasennetze angeschlossen sind (z. B. einphasiger Winter-Eichberg-Serienmotor).

An diesen Verhältnissen wird auch prinzipiell nichts geändert, wenn, wie dies in Fig. 5 a angegeben ist, die Erregerwicklung der Serienmaschine mit ihrem Arbeitsstromkreis durch einen Transformator / verbunden ist. In diesem Falle tritt bei Beginn der Selbsterregung ' genau wie bei einer Gleichstrommaschine ein allmählich wachsender Gleichstrom auf, der ebenso wie ein Wechselstrom vom Transformator auf die Erregerwicklung übertragen wird.

Hierfür genügt also eine derartige Anordnung keineswegs, unabhängig davon, ob der Transformator gesättigt oder ungesättigt ist, da anstatt der Gleichstrom-Selbsterregung durch das eigentümliche Zusammenwirken des Transformators t mit der durch das Feld Φ erzeugten Rotationsspannung ein eigenartig stoßweiser Wechselstrom mit starkem Spitzenmaximum auftritt, wie sich durch folgende Überlegung leicht erkennen läßt.

Betrachten wir einmal lediglich den übergelagerten Strom i₂ für sich allein und nehmen an, die Selbsterregung sei in einer der beiden Richtungen soeben eingeleitet. Der Strom i₂ ist nun im status nascendi zwar ein Strom gleichbleibender Richtung, aber von wachsender Stärke, und erzeugt in dem Transformator t ein anwachsendes Feld bis zur vollständigen Eisensättigung des Transformators. Durch dieses anwachsende Feld wird aber in der Sekundärwicklung des Transformators ebenfalls ein gleichgerichteter Strom induziert, welcher die Feldwicklung des Motors als Erregerstrom durchfließt - und durch dessen Wirkung die Stromstärke i₂ gesteigert wird.

Dies geht im gleichen Sinne so lange, als das Feld im Transformator noch anwachsen kann und demnach noch Erregerstrom induziert wird. Ist nun aber der Sättigungszustand erreicht, dann nimmt der Erregerstrom wieder ab, da die ihn erzeugende Spannung gleich 0 wird, gleichzeitig aber auch das Mo- no torfeld, die Rotationsspannung und folglich auch i₂. Da i₂ aber das Feld im Transformator erregt, so nimmt auch das Transformatorfeld ab. Dem abnehmenden Transformatorfeld entspricht aber in der Sekundärwicklung eine E. M. K., welche dem noch vorhandenen Erregerstrom des Motors entgegenwirkt, und die demnach das Verschwinden dös Motorfeldes beschleunigt, um schließlich ein Feld entgegengesetzter Polarität zu erzeugen. Dieses Spiel beginnt in der anderen Stromrichtung jetzt von neuem und wiederholt sich

periodisch mit einer von der Reaktanz des ganzen stromdurchflossenen Wicklungssystems abhängigen Frequenz.

Wenn demnach auch durch die Verwendung des Transformators die Gleichstrom-Selbsterregung in die geschilderte eigentümliche stoßweise Erregung gewandelt wird, so kann diese Erscheinung, da sie im allgemeinen mit großer Heftigkeit vor sich geht, zu erheblichen Unzuträglichkeiten Anlaß geben, so daß die ganze Frage der Nutzbremsung praktisch davon abhängt, ob es gelingt, die störende Selbsterregung zu unterdrücken.

Die Unterdrückung gelingt aber nicht, wenn man sich etwa darauf, beschränkt, bei der Anordnung nach Fig. 5 a den Transformator t durch den Nutzstrom i_v der also die Frequenz des Netzes besitzt, zu sättigen. Denn während der Zeit einer Netzperiode ist ja der Sättigungszustand des Transformators nicht konstant, und es ist innerhalb jeder Periode ein beträchtlicher Zeitteil übrig, in welchem der Transformator als ungesättigt zu betrachten ist. Während dieses Zeitteiles \ setzt die Selbsterregung ein und wird ebenfalls periodisch durch die Zeitteile hoher Transformatorsättigung unterbrochen. Da aber die Zeitkonstante des stromdurchflossenen Systems eine sehr lange Zeit gegenüber der Zeit einer Periode des Netzstromes ist, so stören die relativ kurzen Unterbrechungen den Fortgang der Selbsterregung nicht wesentlich, ^ so daß die Stromkurve von i₂ lediglich kleine Abweichungen (Stufen) zeigt. In der Leitung addieren sich die Momentanwerte der beiden Ströme I₁ und «₂. Der Summenstrom i zeigt aber eine äußerst verwickelte Gestalt, im Gegensatz zur direkten Reihenschaltung, der Erreger- und Arbeitswicklung, wo der Summenstrom als eine einfache Parallelverschiebung der Wechselstromwelle in Richtung der y-Achse aufgefaßt werden kann.

Vorstehende Ausführungen erläutern die Selbsterregungserscheinungen, welche beim Generatorbetrieb in den normalen Wechselstrommaschinen auftreten, und zeigen, daß es nicht möglich ist, ohne besondere Mittel, die der Unterdrückung der Selbsterregung dienen, nützliche Energie an das Netz zurückzugeben.

Vorliegende Erfindung hat nun einen Wechselstromgenerator zum Gegenstand, bei welchem das Entstehen einer schädlichen Selbsterregung erfolgreich verhindert wird. Wie bereits geschildert, wird beim Vorhandensein eines gesättigten Zwischentransformators nur beim Amplitudenwerte des Feldes und auch in der Nähe dieses Wertes die Rotationsspannung pro Ampere Erregerstrom herabgesetzt und dadurch nur während dieses Zeitteiles, einer Periode der Einfluß des Selbsterregerstromes stark abgeschwächt. Beteiligt sich also nur ein einziger gesättigter Magnetfluß in der Wechselbeziehung zwischen Arbeitsfeld, Rotationsspannung und Erregerfeld, wie dies z. B. bei einer normalen Serierimaschine der Fall ist, so muß prinzipiell ein großer Teil der ganzen Zeit für das Entstehen der Selbsterregung geeignete Bedingungen liefern, d. h. für diese Zeit ist die Permeabilität so groß, daß Selbsterregung auftreten kann.

Das Prinzip der Erfindung besteht nun ganz allgemein darin, daß in die Schaltung, welche die Wechselbeziehung zwischen Arbeitsfeld, Rotationsspannung und Erregerfeld herstellt, zum Zwecke der Nutzbremsung zwei oder mehrere zeitlich verschobene, gesättigte Magnetflüsse eingeschaltet werden.

Erst durch die Einführung eines zweiten gegen den bisher betrachteten, gesättigten Magnetfluß um möglichst 90 ° zeitlich verschobenen gesättigten Magnetflusses ist es möglich, die störende Selbsterregung ganz zu unterdrücken, da es dann während einer Periode des Netzstromes keinen Zeitteil gibt, in welchem eine Übertragung des Stromes i₂ auf die Erregerwicklung möglich ist. Dieser zweite gesättigte Magnetfluß kann gemäß Fig. 5 b vorliegender Erfindung z. B. in den Leistungstransformator T verlegt werden, wobei sich der gesättigte Erregertransformator t vermeiden läßt, wenn man die Pole selbst sättigt.

Diese Anordnung ist als Ausführungsbeispiel durch Fig. 5 b dargestellt.

i sei der Hauptstrom, T ein Leistungstransformator. Wird der Motor in Rotation versetzt, so erzeugt er einen Strom, der durch den Transformator T auf das Netz und auf die Feldwicklung f übertragen wird. Der Transformator T, ebenso wie das Magneteisen für den Hauptfluß Φ seien gesättigt, und zwar sollen die Verhältnisse derart gewählt werden, daß sowohl das Feld Φ wie auch das Transformatorfeld sich für die Tourenzahl, bei der der Motor seine maximale Energie an das Netz zurückliefern soll, in einem ähnlichen hoch gesättigten Zustande befinden. Soll ein Motor mit verschiedenen Tourenzahlen und Belastungen als Generator arbeiten, so ist es zweckmäßig, die Sättigungsverhältnisse der verschiedenen Kraftflüsse bzw. ihre absolute no Größe zu regulieren, was mit den verschiedensten bekannten Mitteln erreicht werden kann. Dies ist speziell für Mehrphasenmaschinen wichtig, bei denen die Größe der zu übertragenden Arbeitsspannung in der Nähe des Synchronismus stark wechselt. Es könnten zu dieser Regelung z. B. Doppel-Induktionsregler Verwendung finden, die bei konstanter Sättigung durch ihre Hintereinanderschaltung verschiedene Spannungen abgeben können.

Die beschriebene Anordnung hat den Vorteil, daß für einen großen Bereich der Arbeits-

periode die Sättigung wirksam ist, da die Sättigung des Arbeitsfeldes: Φ zu einer anderen Zeit auftritt als die Sättigung des Transformators T. Die durch das Feld Φ erzeugte Rötationsarbeitsspannung, die gleichzeitig am Transformator T auftreten muß, ist in Phase mit dem Feld Φ, während das Feld, das diese Spannung transformatorisch im Transformator T erzeugt, zeitlich senkrecht auf der Spannung steht. In dem Zeitteil α (Fig. 6) sei in dem FeId^ der Sättigungszustand so groß, daß im Mittel eine Energieübertragung bewirkt werden kann, ohne daß Selbsterregung eintritt. Ebenso ist für den Zeitteil b der Transformator T derart gesättigt, daß er in dieser Periode keine Selbsterregung zuläßt. Es bleibt infolgedessen nur eine kurze Zeit ^₁ übrig, in der Selbsterregung auftreten könnte, aber der in dieser Zeit entstehende Selbsterregerstrom ist von so kleiner Größe, daß er in der darauffolgenden Zeit hoher Eisensättigung unterdrückt und wieder völlig zum Verschwinden gebracht wird. Ferner kann durch geeignete Wahl der Verhältnisse die Zeit ^₁ auf den Wert 0 gebracht werden.

Man kann an Stelle der zwei gesättigten Magnetflüsse, wie sie in Fig. 6 angegeben sind, mehrere, und zwar am besten zeitlich in regelmäßiger Aufeinanderfolge gegeneinander versetzte, gesättigte Magnetflüsse anordnen, und es ließen sich an Stelle der Sättigung noch andere Mittel angeben, mit denen man das gleiche erreichen kann. Überhaupt würde jedes Mittel, welches ein proportionales Anwachsen zwischen zwei Gliedern der Kette begrenzt, das Mittel der magnetischen Sättigung ersetzen können, so z. B. Lufträume und Variationswiderstände.

Die Anordnung läßt sich ebenso für Einphasen- wie für Mehrphasenmaschinen verwenden. Werden alle Sättigungswege in die Maschine selbst verlegt, so kann von der Verwendung eines besonderen Leistungstransformators abgesehen werden. Die Wirkung der Sättigung kann dadurch zweckmäßig unterstützt werden, daß gleichzeitig an geeigneten Stellen der Schaltung Widerstände eingeschaltet werden.

Claims (4)

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren zur Nutzbremsung von Ein- oder Mehrphasen-Kollektormotoren mit Seriencharakteristik, bei denen in die Schaltung, die die Wechselbeziehung zwischen Arbeitsfeld - Rotationsspannung - Erregerstrom herstellt, zwei oder mehr gesättigte Magnetflüsse oder äquivalente Anordnungen innerhalb oder außerhalb der Maschine eingeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die gesättigten Magnetflüsse oder äquivalenten Anordnungen zeitlich gegeneinander verschoben sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der zeitlich verschobenen gesättigten Magnetflüsse in einem Transformator außerhalb der Maschine angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl einer der Magnetflüsse oder aller Magnetflüsse je nach der Tourenzahl und der Belastung des Motors geändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig in irgendwelche Teile der Schaltung Widerstände eingeschaltet werden. ·

Hierzu ι Blatt Zeichnungen. .