DE296039C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Bei Wechselstrom - Kommutatormaschinen werden bekanntlich in den von Bürsten kurzgeschlossenen Ankerspulen starke Kurzschlußströme induziert, die die Bürsten überlasten, Bürstenfeuer hervorrufen und bei den Motoren das Drehmoment im Anlauf wesentlich 'schwächen. Mit Hilfe besonderer Wendefelder können die schädlichen Kurzschlußströme ' bei ein- und mehrphasigen Maschinen für eine

ίο bestimmte Umlaufsgeschwindigkeit durch eine E. M. K. der Bewegung aufgehoben werden. Beim Anlauf des Motors — d. h. bei Stillstand und bei ganz geringen Drehzahlen — läßt sich die Ursache der Kurzschlußströme nicht beseitigen, ohne zugleich das nutzbare Drehmoment zu unterdrücken. Aber gerade bei Stillstand sind die Kurzschlußströme besonders schädlich, -weil die Spulen und die Kommutatorlamellen, durch die Kurzschlußströme fließen,

ao nicht, abwechseln, wie es beim. Lauf der Maschine der Fall ist.

Die Schwächung des Drehmoments durch die Kurzschlußströme läßt sich durch Widerstandsverbindungen zwischen Ankerwicklung und Kommutator fast vollständig vermeiden, der Wirkungsgrad des Motors wird aber dadurch verschlechtert, und besonders bei Widerstandsverbindungen muß man Vorsorge treffen, daß die Maschine nicht länger als einige Bruchteile einer Sekunde unter hohen Drehmomenten stillsteht. Deshalb muß ein solcher Motor zum Anlassen sogleich an eine so hohe Spannung geschaltet werden, daß der durch seine Wicklungen fließende Strom mit großer Sicherheit das höchste überhaupt im Betriebe jemals vorkommende Drehmoment erzeugt. Der Motor läuft dann zwar sicher, aber mit heftigem Stoß an. Dieser stoßweise Anlauf ist im allgemeinen unerwünscht.

Nach der Erfindung werden die Übelstände im Anlauf von Wechselstrom-Kommutatormotoren dadurch beseitigt, daß dem Wechselstrom ein Gleichstrom überlagert wird, der im Anlauf ein Drehmoment, entwickelt, das das vom Wechselstrom herrührende Drehmoment unterstützt, so daß der dem Motor zugeführte Wechselstrom im Anlauf nur ein zusätzliches Drehmoment zu entwickeln braucht. Sobald sich der Anker des Wechselstrommotors dreht, wird die Größe des Gleichstromes durch das g₀ Anwachsen der im Wechselstrommotor induzierten elektromotorischen Gegenkraft verringert; das vom Gleichstrom herrührende Drehmoment sinkt und ist bei höherer Umlaufsgeschwindigkeit nur noch verschwindend klein, wenn die Gleichstrom-E. M. K. im Stromkreise nicht erhöht wird.

Die Anwendung dieses Erfindungsgedankens auf Motoren, wie sie hauptsächlich im Bahnbetriebe Verwendung finden, . soll an einigen Beispielen erläutert werden.

In Fig. ι ist m ein Wechselstrommotor — z. B. zum Antrieb eines Fahrzeuges—, der von der Sekundärwicklung t eines Transformators gespeist und durch Verschieben des beweglichen Kontaktes k geregelt wird. In den Stromkreis des Wechselstrommotors m ist noch ein kleiner Gleichstromgenerator g ge-

schaltet, der beispielsweise von einer Akkumulatorenbatterie b fremd erregt wird. Der Gleichstromgenerator g kann mit konstanter oder nach Bedarf veränderlicher Geschwindigkeit angetrieben werden. Bei Stillstand des Motors«? erzeugt die E. M. K. des Gleichstromgenerators g im Kreise des Wechselstrommotors einen Gleichstrom, der im Motor ein bestimmtes Drehmoment entwickelt, gleichgültig, ob dem Stromkreise des Wechselstrommotors durch die Transformatorwicklung t noch ein Wechselstrom zugeführt wird oder nicht. Die Größe dieses Drehmomentes hängt von der Größe der Gleichstrom-E.M.K.

^X5 ab und wird im allgemeinen zweckmäßig kleiner bemessen werden als das maximal vom Wechselstrommotor verlangte Moment. Die Leistung des Gleichstromgenerators g beträgt nur wenige Prozente der Leistung des Motors to, weil die Gleichstrom-Ε. M. K. im allgemeinen nur die Ohmschen Spannungsabfälle im Motor und gegebenenfalls einiger Transformatorspulen zu überwinden hat. Wird nun dem Stromkreis eine Wechselspannung zugeführt und diese allmählich erhöht, so entwickelt auch der Wechselstrom ein Drehmoment; beide Drehmomente sind im gleichen Sinne wirksam, bis der Motor schließlich anläuft. Dann werden im Motor m elektromotorische Gegenkräfte induziert. Wenn die E. M. K. des Gleichstromgenerators g nicht mit der Umlaufsgeschwindigkeit des Motors to anwächst, wird der Gleichstrom schnell sinken, und das Drehmoment wird bei höherer Um-

³*> laufsgeschwindigkeit fast ausschließlich vom Wechselstrom erzeugt, so daß dem System keine Gleichstromleistung mehr zugeführt werden braucht. Die Erregung des Gleichstromgenerators kann auch im Betriebe abgeschaltet und der Gleichstromgenerator dann kurzgeschlossen werden. Dieser kann übrigens auch als Nebenschluß- oder Reihenschlußmaschine ausgebildet werden.

In Fig. 2 ist eine Schaltung gemäß der Erfindung dargestellt, bei der zwei Wechselstrommotoren 7M₁ und To₂ Anwendung finden und die übergelagerten Gleichströme durch zwei Akkumulatorenbatterien b₁ und b„ erzeugt werden. Die Akkumulatorenbatterien sind so geschaltet, daß sie nur Ströme durch die Motoren, aber nicht durch die Transformatorwicklung t schicken. Nach erfolgtem Anlauf können die Batterien Jb₁ und b₂ abgeschaltet werden, auch kann man nach Fig. 3 mit den Batterien Drosselspulen ^₁ und d₂ in Reihe schalten, die die Wechselströme im Kreise der Batterien abdämpfen. Die Wechselströme in den Batterien lassen sich ganz vermeiden, wenn man die in Fig. 3 gestrichelt gezeichnete Verbindung vorsieht; b₁ und b._z sind dann parallel geschaltet und könnten durch eine einzige Batterie ersetzt werden. Die beiden Wicklungen der Drosselspulen können auf einem gemeinsamen Eisenkern angeordnet werden, und zwar derart, daß die Gleich-Stromamperewindungen sich vollkommen aufheben, den Eisenkern also nicht magnetisieren. Die Drosselspule wird darum sehr klein, besonders wenn man noch zwei Schalter S₁, s.₂ (Fig. 3) vorsieht, die die Gleichstromkreise nach erfolgtem Anlauf unterbrechen. Auch diese Schalter werden sehr klein, weil sie bei einem sehr kleinen Strom zu schalten sind, der im wesentlichen nur aus dem Magnetisierungsstrom der Drosselspulen besteht.

Um mit einem kleineren. Gleichstrom dasselbe Drehmoment zu erzeugen, kann man auch die Motoren Wi₁ und To₂ mit einigen zusätzlichen Erregerwindungen versehen, die nur vom Gleichstrom durchflossen werden. Die Gleichstromquelle braucht dann im allgemeinen nur für kleinere Leistung, jedenfalls aber nur für kleinere Ströme bemessen zu werden. Die Schaltung ist hierfür in Fig. 4 gegeben; Z₁ und Z₂ sind die zusätzlichen Erregerwindungen der Motoren TK₁ und Wi₂.

Wenn man jeden der beiden Motoren zu einem beweglichen Kontakt am Transformator führt, wie z. B. in Fig. 5 an Ii₁ und k₂, so kann die Drosselspule nach Fig. 3 ganz entbehrt werden, denn in dem durch den Transformator und die Wechselstrommotoren gebildeten Wechselstromkreis haben die Anschlußpunkte A und B der Batterie b keine Spannungsdifferenz.

Die Erfindung ist nicht auf Maschinen beschränkt, bei denen alle Wicklungen in Reihe geschaltet sind. In Fig. 6 ist z. B. gezeigt, wie bei Repulsionsmotoren mit einachsiger Ständerwicklung die Schaltung auszuführen ist. Die Kommutatoren der beiden Repulsionsmotoren sind in Reihe geschaltet; die Motoren erhalten für die Gleichstromerregung besondere Erregerwicklungen e. Die Gleichströme sind durch einfache Pfeilspitzen, der Wechselstrom ist durch doppelte Pfeilspitzen im Schema angedeutet.

Bei mehrphasigen Maschinen kann in jeder Phase oder in einem Teil der Phasen je eine Gleichstromquelle eingefügt werden; auch können bei allen Maschinen besondere passende Wicklungen in der Maschine angeordnet werden, durch die die überzulagernden Gleichströme fließen.

In den Fig. 7 bis 10 sind Beispiele für dreiphasige Kommutatormotoren dargestellt, Es sind dort Reihenschlußmaschinen to angenommen, die durch Verstellen der Bürsten geregelt werden können. Mit t sind wieder die Sekundärwicklungen der Transformatoren bezeichnet, die die Motoren speisen. In Fig. 7 ist in eine Drehstromphase der Gleichstrom-

' generator g geschaltet; die Gleichströme entwickeln im Drehstrommotor ein zusätzliches Drehmoment. In Fig. 8 ist als Gleichstromquelle eine Akkumulatorenbatterie angenommen; die Gleichströme fließen im wesentlichen durch eine Hilfsbürste Ii und eine Phase des Generators. Bei dieser Schaltung liegt die Akkumulatorenbatterie im allgemeinen an einer Wechselspannung, die von Null verschieden ist. Um zu verhindern, daß ein wesentlicher Wechselstrom durch die Akkumulatorenbatterie fließt, empfiehlt es sich, vor die Batterie Drosselspulen zu schalten, auch kann man nach Fig. 9 durch Hilfswickltmgen Zz₁ und It₂, die im Transformator und im Motor angeordnet sind, erreichen, daß die Wechselspannung an den Klemmen der Batterie praktisch Null ist. In Fig. 10.ist schließlich noch gezeigt, wie die Schaltung Fig. 5 für Einphasenmaschinen auf Dreiphasenmaschinen zu übertragen ist. Zwischen den spannungsgleichen Punkten zweier Sekundärwicklungen des Transformators t ist die Akkumulatorenbatterie b geschaltet; der Gleichstrom fließt hier durch je zwei Phasen der Drehstrommotoren, die sich für die Gleichströme wie gewöhnliche Reihenschlußmotoren verhalten.

Die Überlagerung von Gleichstrom gestattet auch, den Regulierbereich zu stabilisieren, der bei kleinen Drehzahlen häufig unstabil ist. Es ist noch hervorzuheben, daß die Akkumulatorenbatterien bei allen Schaltungen nur sehr klein ausfallen, denn sie werden nur für den Moment des Anlaufs zur Stromlieferung herangezogen, und die Maximalleistung der Batterien beträgt nur wenige Prozente der Motorleistung, entsprechend den Ohmschen Spannungsabfällen in den Motoren. Nach Bedarf können die Gleichströme auch bei höherer Umlaufsgeschwindigkeit zur Erzeugung von Drehmomenten herangezogen werden, z. B. um einen kleineren wattlosen Strom zu erzielen oder um das Wechselstromnetz zu entlasten, wobei dann allerdings im allgemeinen die Leistung der Gleichstromquelle stärker zu bemessen ist. Die Erfindung erstreckt sich auch auf diesen allgemeinen Fall. Die Schaltung kann auch so getroffen werden, daß die Batterien durch die Motoren selbst oder durch Gleichrichter während des Betriebes wieder aufgeladen werden. Statt der Akkumulatorenbatterien können bei allen Schaltungen auch Gleichstromgeneratoren oder Gleichrichter beliebiger Art Verwendung finden. Die Generatoren können entweder durch besondere Motoren oder durch irgendwelche Hilfsmaschinen angetrieben werden; der Antriebsmotor kann auch mit dem Generator vereinigt werden, wie z. B. beim Einankerumformer. In einigen , Schaltungen, ζ. B. nach Fig. 5, erscheint zuweilen die Verwendung eines Reihenschlußgenerators (mit Kompensationswicklung) besonders zweckmäßig. Der Reihenschlußgenerator hat den Vorteil, daß er unmittelbar nach dem Einschalten noch keinen Strom liefert, sondern sich erst allmählich erregen muß.

Die Schaltapparate werden dabei sehr geschont. Der Gleichstromgenerator wird, wenn der Gleichstrom nur zur Verbesserung des Anlaufs dient, sehr klein, weil er nur für wenige Sekunden seine Leistung abzugeben hat, die nur wenige Prozente von der Motorleistung beträgt. . ■

Bei Anwendung der Erfindung auf Maschinen mit Widerstandsverbindungen zwischen Wicklung und Kommutator wird die Gefahr der Zerstörung dieser Verbindungen durch Erhitzen im Anlauf verringert, im Betriebe ist -aber eine zu große Erwärmung der Widerstandsverbindungen nicht zu befürchten, weil sie nur zeitweilig vom Strom durchflossen werden.

Die zur Erzeugung des überzulagernden Gleichstromes vorgesehene Gleichstromquelle kann gleichzeitig auch anderen Zwecken dienen, z. B. zur Beleuchtung des Fahrzeuges.

Wenn von demselben Netze mehrere Wechselstrommotoren gespeist werden, so ist es nicht notwendig, für jeden Motor oder für jede g₀ Motorgruppe eine besondere Gleichstromquelle vorzusehen. Es kann eine gemeinsame Gleichstromquelle in die Netzleitung oder in den Generatorkreis eingefügt werden. Der Gleichstrom verteilt sich dann auf die einzelnen Motoren nach Maßgabe der Motorgeschwindigkeit.

Claims (8)

Patent-Ansprüche:

1. Einrichtung, an Wechselstrom-Kommutatormotoren für Einphasen- und Mehrphasenstrom, bei denen über den Kommutator Wechselstrom fließt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wechselstrommotor, in seiner Wicklung oder in Teilen derselben Gleichstrom überlagert wird, der ein zusätzliches Drehmoment erzeugt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Wechselstrom durchflossene Ankerwicklung der n₀ Wechselstrommaschine auch von Gleichstrom durchflossen wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Wechselstrom durchflossene Erregerwicklung n₅ der Wechselstrommaschine auch von Gleichstrom durchflossen wird.

4. -Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrommaschine noch eine zusätzliche Erregerwicklung erhält, die nur von Gleichstrom durchflossen wird.

5. Einrichtung bei Wechselstrom-Reihenschlußmototen nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in den oder in die Motorkreise eine im allgemeinen konstante Gleichstrom-Ε. M. K. eingefügt wird, zu dem Zwecke, hauptsächlich im Moment des Anlaufes ein zusätzliches Drehmoment zu erzeugen.

6. Einrichtung nach Anspruch, i, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle zwischen spannungsgleiche Punkte der Wechselstromanlage geschaltet wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsgleichen Punkte durch Hilfsdrossek !5 spulen erhalten werden.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle ein Gleichstrom-Reihenschlußgenerator ist. '

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.