DE294577C

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KAISERLICHES

.PATENTAMT-

PATENTSCHRIFT

- JVe 294577 -KLASSE 21 d. GRUPPE

Regelung eines Wechselstromkreises mittels Drosselspule.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 1. Juli 1913 ab.

Die Erfindung bezieht sich auf die Regelung von Wechselstromkreisen, ζ. Β. solcher von Kollektormaschinen, Umformern, Quecksilberdampfgleichrichtern usw., mittels regelbarer Drosselspulen, deren Induktanz in an sich bekannter Weise dadurch beliebig verändert wird, daß mittels eines oder mehrerer auf die Drosselspule wirkender Hilfsstromkreise in ihrem magnetisierbaren Kern eine

ίο Hilfsmagnetisierung, und zwar eine Gleichoder Wechselstrommagnetisierung erzeugt wird. Bei derartigen Drosselspulen, welche in der angegebenen Weise durch Überlagerung verschiedener Felder und Mitwirkung der Eisen-Sättigung geregelt werden, ist es schwierig, die Induktanz im Verhältnis zu ihrem ursprünglichen oder einem anderen konstanten Wert sehr stark zu verringern. Hierzu müßten die Drosselspulen sehr groß gemacht werden, weil zur starken Verringerung der Induktanz eine sehr starke Hilfsmagnetisierung, mithin eine große Anzahl von Hilfsamperewicklungen erforderlich ist.

Andererseits ist es in gewissen Fällen notwendig, die Induktanz bis auf sehr geringe Werte herunterregeln zu können. So ist z.B. bei der bekannten Regelung von Drehstromkollektormotoren durch parallel zum Anker geschaltete Drosselspulen nach Patent 177255 (Fig. 1) das Verhältnis der Leerlaufstourenzahl zu der synchronen Tourenzahl

wobei L₁ die Induktanz des Ständers und L₃ die Induktanz der Drosselspulen bedeutet.

Weiter ist e_x die Ständer-, e₂ die Läufer- und e₃ die Drosselspulenspannung.

Für Synchronismus der Kollektormaschine muß also L₃ = ο sein; hierzu muß eine unendliche Anzahl von Gleichstrom-Amperewindungen auf der Drosselspule aufgebracht werden , was offenbar unmöglich ist. Selbst wenn L₃ nur wenig von Null verschieden sein soll, müssen schon sehr viel Gleichstrom-Amperewindungen aufgebracht werden. Dadurch wird aber unter Umständen die sonst sehr vorteilhafte Regelung durch Gleichstrom gänzlich unpraktisch.

Nach der Erfindung wird die geschilderte Schwierigkeit dadurch behoben, daß in den Stromkreis der Drosselspulen unmittelbar oder mittelbar eine E. M. K. eingeschaltet wird, die eine entgegengesetzte Wirkung als die Drosselspulen hervorzubringen trachtet.

In Fig. ι ist die bei der Regelung der Drosselspule verwendete, an sich bekannte Gleichstromwicklung G schematisch dargestellt, die über einen Regelwiderstand w an die Batterie 23 angeschlossen ist. In den weiteren Figuren, die sich auf die gleiche Art der Regelung beziehen, sind nur die für die eigentliche Erfindung selbst in Betracht kommenden Wechselstromwicklungen der Drosselspule L₃ dargestellt.

Das Prinzip der Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispieles (Fig. 2) erläutert werden. Bei dieser Anordnung ist unterschiedlich von der nach Fig. 1 im Stromkreis der Drosselspulen L₃ eine E. M. K. β eingeschaltet, die durch die primäre, eine Spannung E aufweisende Wicklung des an das

55

60

70

Netz angeschlossenen Transformators t induziert wird. Würde L₃ allein vorhanden sein (d. h. e = o), so könnte der Motor nur übersynchron laufen, da L₃ bekanntlich auf Übersynchronismus der Maschine hinwirkt. .Wählt man nun den Sinn der Spannung e derart, daß sie eine entgegengesetzte Wirkung als L₃ hervorzubringen sucht, d. h., daß der Motor untersynchron liefe, wenn e allein vorhanden

ίο wäre (L₃ = o), so kann bei Synchronismus und selbst bei Untersynchronismus L₃ sehr verschieden von Null sein.

Die Rechnung zeigt, daß in diesem Falle

A.

L₁

ist, wobei K = -ψ- ist (E ist die Netzspannung, im vorliegenden Fall auch die der Primärwicklung des Transformators t).

Nimmt man beispielsweise an K '="— 1, so ist nach Gleichung 2

1 +

L₁

η
und für Synchronismus kann also

τ r

sein. Soll die Maschine beispielsweise voni Synchronismus bis auf den doppelten Synchronismus I— — 21. geregelt werden, so muß

V ⁿo J
die Induktanz von

Lo = L-. auf L„ =■ 3L₁

geändert werden, was aber schon mit einer sehr kleinen Anzahl von Gleichstrom-Amperewindungen möglich ist.

Selbst bei Regelung von Untersynchronismus auf Übersynchronismus ist die Zahl der aufzuwendenden Gleichstrom - Amperewindungen noch nicht groß. Soll die Regelung z. B. von ^-Synchronismus auf */₃-Synchronismus geschehen, so ergibt Formel 2, daß die Induktanz von

Lo = — auf Lo = -X_n
³ 3 ³ 3 '

geregelt werden muß, das ist aber noch immer leicht ausführbar!

L₃ kann auch mittelbar mittels eines Transformators an die Bürsten angeschlossen sein. Im speziellen Fall kann also L₃ im primären Stromkreis des Transformators t liegen (Fig. 3). L₃ kann auch auf beide Wicklungen des Transformators verteilt sein. Einen speziellen Fall dieser Ausführung stellt Fig. 4 dar. In dieser ist e_t die Spannung der primären Wicklungen des Transformators t, deren Induktanz mit L₄ bezeichnet ist.

Eine nähere Untersuchung zeigt, daß bei der Schaltung nach Fig. 3

ίο \ Jl.

-K

L₁ L₁

ι
~K

L,

und nach Fig. 4

L₃

+4

Hieraus ergibt sich aber, daß bei Änderung von K im gleichen Sinne das Verhältnis — sich nicht beidemal in demselben Sinne

«0.

ändert, sondern es wird z. B. bei wachsendem K im ersten Falle wachsen, im zweiten Falle jedoch wenigef schnell wachsen bzw. sogar fallen. Andererseits haben Versuche gezeigt, daß der Leistungsfaktor bei der Schaltung nach Fig. 2 besser ist als bei den anderen Schaltungen. . ' ■

Bei den Schaltungen nach den Fig. 2 bis 4 ist stillschweigend vorausgesetzt, daß sich Ständer- und Läuferwicklung in bezug auf den Ärbeitsstrom vollkommen kompensieren, mit anderen Worten, daß die effektiven Windungszahlen von Ständer und Läufer gleich oder nahezu gleich sind. Ist dies nicht der Fall, so muß zwischen Ständer und Läufer noch ein entsprechender Serientransformator eingeschaltet werden, dessen Windungsverhältnisse so gewählt sind, daß in ihm wesentlich keine E. M. K, durch die Arbeitsströme induziert wird.

Ein Beispiel hierfür stellt Fig. 5 dar;

Man kann den dort dargestellten Serientransformator t_s auch mit der Drosselspule L₃ vereinigen und erhält dann die Schaltung nach Fig. 6.

. Die Maschine kann also durch Änderung der Induktanz des Serientransformators t_s geregelt werden. Wie die Änderung der Induktanz einer Drehstromdrosselspule bzw. eines Drehstromtransformators geschieht, ist hierbei gleichgültig. Indessen soll hier nur bemerkt werden, daß eine derartige Drosselspule etwas komplizierter ist als eine gewöhnliche insofern, als sie beispielsweise mehr Schenkel besitzen muß. Es empfiehlt sich daher, t-mit t_s zu vereinigen und L₃ besonders auszuführen (Fig.7).

Bei dieser Schaltung ist:

ζ, υ

wobei Z₁Z₂ die " effektiven- Windungen von ^v

Ständer bzw. Läufer, v\ der totale Streuungskoeffizient und e' die Spannung des an den Läufer angeschlossenen Wicklungsteiles des Serientransformators t_s bedeuten. Das Verhältnis von ~ ist wie vorher = K.
is

Man kann auch L₃ vor den primären Teil des Transformators legen und dann die Nullpunkte beider Wicklungen miteinander ver-■lo einigen (Fig. 8).

Hierbei muß

sein.

In gleicher Weise lassen sich die Nullpunkte des Transformators t der Schaltungen nach den Fig. 2, 3, 5 und 6 vereinigen.

Versuche haben gezeigt, daß bei allen Schaltungen nach der Erfindung bei konstanter Netzspannung und konstanter Gleichstromerregung der Tourenabfall mit zunehmender Belastung etwas größer als bei den bisher bekannten Schaltungen ist. Dies dürfte daher rühren, daß bei den Schaltungen nach der Erfindung stets eine E. M. K. vorhanden ist, welche bestrebt ist, den Motor auf Untersynchronismus zu bringen, und daß diese E. M. K. mit zunehmender Belastung zunimmt.

- Um nun die Tourenzahl möglichst wenig von der Belastung abhängig zu machen, ist es bei den Schaltungen nach der Erfindung besonders zweckmäßig, die Gleichstromerregung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit zu bringen, derart, daß beispielsweise mit abnehmender Maschinengeschwindigkeit auch die Gleichstromerregung der Drosselspulen abnimmt und umgekehrt bei zunehmender Maschinengeschwindigkeit zunimmt. Steigt nun beispielsweise die Belastung und nimmt die Geschwindigkeit der Maschine etwas ab, so wird sofort die Gleichstromerregung der Drosselspule verringert und dadurch ihre Induktanz vergrößert. Infolgedessen nimmt das Feld der Kommutatormaschine ab, und es wird ein weiteres Sinken der Geschwindigkeit verhindert.

Diese Abhängigkeit der Gleichstromerregung von der Geschwindigkeit der Msschine kann dadurch erreicht werden, daß als Gleichstromquelle beispielsweise eine von der Kollektormaschine selbst angetriebene Gleichstrommaschine benutzt wird. Die Gleichstrommaschine kann auch fremd erregt sein. Zweckmäßiger ist es jedoch, die Gleichstrommaschine selbsterregend zu machen (Serien- oder Nebenschlußerregung) , weil dann die Erregung. der Drosselspulen in viel höherem Maße von der Geschwindigkeit der Kollektormaschine abhängt.

Versuche haben gezeigt, daß es mit letz-. terer Anordnung möglich ist, die Geschwindigkeit der Kollektormaschine in bestimmten Grenzen von del Belastung noch unabhängiger zu machen als bei bekannten Schaltungen.

Die Gleichstromerregung kann außerdem, insbesondere zwecks Einstellung der jeweilig gewünschten Leerlaufstourerizahl der Kollektormaschine, in bekannter Weise noch durch Anderung von Widerständen im Gleichstromkreis, durch Änderung der Windungszahl, beispielsweise durch Serienparallelschaltung, oder auch durch Regelung der Erregung der Gleichstrommaschine eingestellt werden. Besonders einfach gestaltet sich die Regelung der Kollektormaschine, wenn die mit ihr gekuppelte Gleichstrommaschine nach Patent 250343 ausgeführt wird, und deren Spannung zwecks Einstellung der Leerlaufstourenzahl der Kollektormaschine durch Bürstenverschiebung geregelt wird. Dann fallen alle Kontroller fort, und die Geschwindigkeitsregelung erfolgt allmählich und ohne Funkenbildung am Kollektor, sowohl bei der Wechselstromkellektormaschine wie bei der Gleichstrommaschine.

Claims

Patent-Ansprüche:

1. Regelung eines Wechselstromkreises mittels Drosselspule, welche durch Überlagerung verschiedener, mittels Gleichstromoder Wechselstrommagnetisierung erzeugter Felder unter Mitwirkung der Eisensättigung geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zu regelnden Stromkreis in Reihe mit der regelbaren Drosselspule noch eine der E. M. K. der Drosselspule entgegenwirkende HiHs-E. M. K. mittelbar oder unmittelbar eingeschaltet ist, um durch geringe Änderungen der Indukianz der Drosselspule eine weitgehende Regelung des Wechselstromkreises zu ermöglichen.

2. Regelung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung auf Drehstromkollektormaschinen mit in Reihe geschalteten Kompensationswicklungen zwecks Geschwindigkeitsänderung bei Motoren, Spannungs- und Periodenänderung bei Generatoren. * ''

3. Regelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wicklungs- oder Eisenteile der Drosselspule und eines etwa vorhandenen Serientransformators gemeinsam ausgeführt werden.

4. Regelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wicklungs- oder Eisenteile des Spannungstransformators und des etwa vorhandenen Serientransformators gemeinsam ausgeführt werden.

5. Regelung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induk-

tanzänderung durch Überlagerung eines Wechselfeldes und eines Gleichstromfeldes erfolgt.

'

6. Regelungsverfahren-'nach Anspruch ι bis 5, gekennzeichnet durch eine Gleichstromerregung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Kollektormaschine.

7. Regelungsverfahren nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine mittelbar oder unmittelbar von der Kollektormaschine angetriebene, gegebenenfalls selbst erregte Erregermaschine.

8. Regelungsverfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Kollektormaschine durch Verstellen der Bürsten der Gleichstrommaschine geregelt wird.

9. Regelungsverfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Gleichstromerregung zwecks feiner Regelung der Induktanz der Drosselspulen durch Änderung von Ohmschen Widerständen im Gleichstromkreis oder durch Bürstenverschiebung der Erregermaschine zwecks grober Regelung durch Änderung der effektiven Windungszahlen der auf der Drosselspule angeordneten Gleichstromwicklung erfolgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.