DE310515C

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

'"■■■■- JV£ 310515 KLASSE 2i el GRUPPE

SIEMENS-SCHUCKERTWERKE G. μ. β. H. in SIEMENSSTADT β. BERLIN.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 31. Januar 1913 ab.

Es gibt zwei Bauarten von Drehstrom-Nebenschlußmotoren, die sich in ihrem Aufbau und ihrer Wirkungsweise wesentlich unterscheiden. Bei der einen Bauart wird der Statorwicklung feste Netzspannung zugeführt, während man die Kollektorbürsten an die variable Spannung eines Stufentransformators legt. Jeder Stufe entspricht dann eine bestimmte Geschwindigkeit des Motors. Die

ίο Phasenkompensierung ist dadurch leicht zu bewirken, daß man in den Kreis der Kollektorbürsten eine kleine mehr oder weniger konstante um etwa 90 ° phasen verschobene Zusatzspannung einführt, die einer besonderen Transformatorwicklung entnommen sein kann.

Eine andere sehr vorteilhafte Bauart für

Nebenschlußmotoren zeigt Fig. 1. Hier wird die Rotorwicklung über die Schleifringe von der Netzspannung gespeist, so daß der Rotor stets konstante Spannung besitzt. Dem Stator wird dagegen Spannung vom Kollektor aus aufgedrückt, die demgemäß in der Frequenz umgeformt ist. Führt man jede Phasenwicklung dös Stators an je zwei gegeneinander verschiebbare Bürsten am Kollektor, so kann man durch Ändern des Abstandes dieser Bürsten beliebige Spannungen vom Kollektor abgreifen und dem Stator aufprägen. Stehen die zueinandergehörigen Bürsten einer Phase in Deckung, so daß sie dieselben Kollektorlamellen berühren, so ist die Statorspannung Null, der Motor läuft daher nahezu im Synchronismus. Werden die Anfangs- und Endbürsten jeder Phasenwicklung auseinandergeschoben, so vermindert oder vermehrt der Motor seine Drehzahl stets um ein solches Maß, daß seine Leerlaufschlüpf ung der am Kollektor von den Bürstenpaaren abgegriffenen Spannung entspricht, deren Größe bei sinusförmigem Feldverlauf durch die Länge der Sehne zwischen zueinandergehörigen Bürsten gegeben ist. Je nachdem diese Verbindungssehne der Bürsten positive oder negative Richtung besitzt, läuft der Motor über- oder untersynchron.

Wenn man bei derartigen Motoren im unter- oder übersynchronen Betriebszustände eine Verbesserung der Phasenverschiebung erzielen will, so muß man hier in den Stator kreis auf irgendeine Weise eine phasenverschobene Spannung einführen. Man kann dies dadurch erreichen, daß man die Bürstensysteme insgesamt am Kollektor ein wenig verdreht, so daß die Phase der dem Stator aufgeprägten Spannung ein wenig von derjenigen abweicht, die zur reinen Tourenregelung erforderlich wäre. Hat man so beispielsweise im Üntersynchronismus einen guten Leistungsfaktor erzielt und nimmt jetzt die Tourenregelung durch Gegeneinanderschieben der Bürsten bis in die Deckungsstellung und darüber hinaus wieder durch Auseinanderschieben vor, so findet man, daß der Leistungsfaktor im Übersynchronismus außerordentlich schlecht geworden ist. Es stellt sich heraus, daß die Gesamtverschiebung des Bürstensystems im Übersynchronismus in Wirklichkeit nach der

entgegengesetzten Seite erfolgen muß, wie im Untersynchronismus, -falls man hier eine Verbesserung des Leistungsfaktors erreichen will. Man könnte nun andererseits so vorgehen, daß man von einer Grehzstellung, beispielsweise derjenigen für niederste Drehzahl, ausgehend eine Regelung vornimmt, wie sie durch die ausgezogenen Kurven a, b der Fig. 5 veranschaulicht sei. In dieser Figur sind als Ordi-.10 naten die Drehzahlen, als Abszisse die Bürsterilagen am Kollektorumfang in Winkelgraden aufgetragen. Die Drehzahlen oberhalb dieser Geraden bis zur Grenzdrehzahl n_x bedeuten Geschwindigkeiten unterhalb Synchronismus, Drehzahlen unterhalb der Geraden für Synchronismus bedeuten übersynchrone Drehzahlen bis zur Grenzdrehzahlw₂. k_v A₂ seien die an eine Ständerwicklung angeschlossenen Bürsten einer Phase, die sich bei niederster Drehzahl etwa in Durchmesserstellung auf dem Kollektor befinden, jedoch gegen die Ständerfeldachse, die etwa der Lage der Bürsten auf dem Kollektorumfang 0 bis 180 entspricht, verschoben sind, um Phasenkompensation für niedere Drehzahl zu erreichen.

Um nun diesen Motor bis zur oberen Grenzdrehzahl mit guter Phasenkompensation zu regeln, könnte man so vorgehen, daß man zunächst eine Bürste, beispielsweise A₁, um einen kleinen Betrag verschiebt und die Bürste k_z nachschiebt, bjs für die betreffende Drehzahl Phasenkompensierung erreicht ist, und dies Verfahren weiter fortsetzt. Man gelangt dann bei vollkommener Phasenkompensation für den ganzen Drehzahlbereich zu den Kurven a,b. Die Abschnitte einer Horizontalen zwischen diesen beiden Kurven geben also Bürstenabstände eines Satzes auf .dem Kollektor an für eine bestimmte Drehzahl. Die Lage auf dem Kollektor selbst gegenüber der Ständerfeldachse ist aus der Gradteilung erkenntlich. Da die Bürstenstellungen bestimmten Kollektorspannungen entsprechen, so lassen sich diese Spannungen für verschiedene Drehzahlen alsVektoidiagramm auftragen, wie dies in Fig. 6 veranschaulicht ist. Man ersieht hieraus, daß der Spannungsvektor an der Statorwicklung ' seine Phase in Abhängigkeit von der Drehzahl ändert und immer einen gewissen Wert behält. Um nun Drehzahl und Phasenverschiebung durch Bürstenverschiebung bequem regeln zu können, muß man ein Getriebe herstellen, das die Bürsten mittels Leitscheiben oder geeigneter Übersetzungen so antreibt, daß für jeden gewünschten Betriebszustand die Einstellung der Bürsten so erfolgt, daß die durch die Kurven α und b der Fig. 5 vorgeschriebenen Bedingungen erfüllt werden. Hierzu ist, wie aus der Form der Kurven ohne weiteres ersichtlich ist, ein außerordentlich komplizierter Antriebsmechanismus notwendig, dessen Konstruktion mit außerordentlichen Schwierigkeiten verbunden ist. :

Nach dieser Erfindung soll nun das Regelverfahren außerordentlich vereinfacht werden dadurch, daß man in der Nähe des Synchronismus auf Phasenkompensation verzichtet, was unbedenklich ist, weil gerade dort keine starken Ausgleichströme zustande kommen können, und die Bürsten ohne die sonst nötige Umkehr der Bewegungsrichtung weiter gegeneinander verschiebt, bis sie im Synchronismus in Deckung stehen, daß man sie dann bis zur Erreichung der Grenzdrehzahl für Übersynchronismus nach der anderen Seite wieder voneinander wegbewegt. Etwas oberhalb des Synchronismus wird dann wiederum Phasenverbesserung eintreten. Daß dies der Fall ist, geht aus dem Vergleich der Kurve A, B (Fig. 5), die die neuen Regelkurven veranschaulicht, ■ mit den Kurven a, b hervor. Der Abstand der Bürsten k_v A₂ voneinander in der Bürstenlage F ist ungefähr gleich dem Abstand f der früheren Regelkurven. Außerdem haben die Bürsten, die jetzt auf der anderen Seite des Kollektors stehen, ihre Rollen vertauscht, so daß sich gleiche Spannungen nach Größe und Phase ergeben.

Zur weiteren Veranschaulichung des Regulierverfahrens gemäß den Kurven A und B mögen Fig. 2 und 3 dienen. In Fig. 2 ist.die Ständerwicklung st und der Kollektor k eines Motors gezeichnet. . .

Die Stellung der Bürsten 1, I, die nur für eine Phase gezeichnet ist, entspricht der tiefsten Tourenzahl des Motofs und ergibt gleichzeitig eine Phasenkompensierung, da die Bürstensehne um den Winkel α gegenüber der Achsenrichtung der angeschlossenen Statorwicklung verdreht ist. Um die Tourenzahl zu erhöhen, werden die Bürsten gleichförmig gegeneinander verschoben, jedoch beide mit verschiedener Geschwindigkeit. Sie decken sich in der Stellung 2, II, die der synchronen Tourenzahl entspricht. Werden sie gleichartig weiter verschoben bis in die Stellung 3, III, so erreicht der Motor schließlich seine höchste Drehzahl, bei der wieder gute Phasenkompensierung vorhanden ist, da die Bürstensehne nunmehr um den Winkel/ nach der entgegengesetzten Seite gegen die Achsenrichtung der Statorwicklung verdreht ist. Die Bürstensehnen im über- und untersynchronen Zustande schließen den Winkel β ein, der kleiner als 180 ° ist. Die Zeichnung gilt für einen zweipoligen Motor. Bei mehr Polen bleibt der Sinn der Regulierung ungeändert.

Da derartige Motoren im allgemeinen im Übersynchronismus von selbst einen besseren Leistungsfaktor besitzen, als im Untersynchronismus, so ist es häufig zweckmäßig, die Winkel α und γnicht gleich groß zumachen, sondern den untersynchronen-Winkel α auf

Kosten des übersynchronen Winkels γ zu vergrößern. Auf einfachste Weise erreicht man dies, indem man die Deckungslage der Bürsten etwas unsymmetrisch zur Achsenrichtung der Statorwicklung verlegt, so wie es in Fig. 2 dargestellt ist. . ■ ' ■

In der genauen Deckungslage der Bürsten ist es, wie oben ausgeführt, nicht möglich, eine richtig phasenverschobene Zusatzspannung in die Statorkreise einzufügen. Man muß hier auf die Phasenkompensierung verzichten, jedoch hat man den großen Vorteil, daß nunmehr ein außerordentlich , einfaches Bürsten getriebe möglich ist. Man kann jetzt die beiden einander zugehörigen Bürsten jeder Ständerphasenwicklung mit nahezu gleichförmiger Geschwindigkeit ohne Bewegungsumkehr stetig gegeneinander und im Synchronismus aneinander vorbei verschieben. Man muß nur dafür Sorge tragen, daß die Eigengeschwindigkeiten der Bürsten jeder Ständerphasenwicklung in einer den Kurven A und B von Fig. 6 entsprechenden Weise voneinander abweichen. Für den größten Bereich der Tourenzahlen lassen sich dann günstige Winkelstellungen erzielen, während für die zwischenliegenden Bürstenlagen geringfügige Abweichungen vom günstigsten Werte für die Phasenkompensierung eintreten, was praktisch aber fast bedeutungslos ist.

Auf einfache Weise kann man diese gegenläufige Verschiebung der Bürstenbrücke dadurch erzielen, daß man sie beispielsweise durch Zahnräder oder Hebelgestänge von einer gemeinsamen Antriebsvorrichtung aus bewegt. die mit jeder der Bürstenbrücken durch eine etwas andere Übersetzung verbunden ist.

In Fig. 3 sind eine Reihe von Zwischenlagen für die Kollektorbürsten eines derartigen Motors dargestellt. Die Stellung 1,1 möge dem tiefsten untersynchronen Betriebe entsprechen. Die Größe und Phase der der Statorwieklung aufgeprägten Wechselstromspannung ist alsdann durch die Größe und Phasenlage der Sehne 1, I gegeben, die hier einen erheblichen Winkel ■; mit der Statorachse s, s einschließt, um gute Phasenkompensierung zu erzielen.' In Fig. 4 ist die Größe dieser Spannung als Vektor bis zum Endpunkte 1 aufgetragen.

Beim gleichmäßigen Verschieben beider Bürsten gegeneinander mit verschiedenartigen Geschwindigkeiten durchlaufen sie die Stellungen 2, II, 3, III bis 8, VIII der Fig. 3. Die Sehnen zwischen den Bürsten sind als Spannungsvektor in Fig. 4 wieder bis zu den bezifferten Endpunkten aufgetragen, so daß der Spannungsvektor die Kurve 1, 2, 3 usw. bis 8 durchläuft, wenn man vom tiefsten Untersynchronismus bis zum höchsten Übersynchronismus reguliert. Während beim normalen Motor, bei dem die Bürsten mit gleicher Geschwindigkeit gegeneinander verschoben werden, der Spannungsvektor an der Statorwicklung seine Richtung beibehält und sich nur in der Größe von einem positiven zu einem negativen Werte, nämlich von α bis b der Fig. 4 ändert, erzielt man bei dem hier geschilderten Verfahren der Bürstenverschiebung auch eine Phasenänderung des Spannungsvektors, so wie sie zum richtigen Kompen- sieren des Leistungsfaktors im Motor sowohl im Übersynchronismus wie auch im Untersynchronismus notwendig ist.

Man sieht also aus Fig. 3, die den wirklichen Verlauf der Spannung -nach Größe und Phase darstellt, daß sie sich dem theoretisch günstigsten Verlauf, wie er in Fig. 6 dargestellt ist, in den empfindlichsten Bereichen des Motors bei größter und kleinster Drehzahl praktisch völlig ausreichend anschließt.

Claims

Patent-Ansprüche: : . -

1. Verfahren zum Regeln der Drehzahl und Phasenkompensation durch Bürstenverschiebung' bei ein- oder mehrphasigen Kollektormaschinen, bei denen die Energie dem Läufer durch Schleifringe zugeführt wird und deren Ständerwicklungen an verschiebbare Bürstensätze des Kollektors angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden einander zugehörigen Bürsten jeder Ständerphasenwicklung von einer Grenzstellung (z. B. höchste oder niederste Drehzahl) ausgehend bis zur anderen Grenzstellung stets in gleichbleibender Richtung stetig gegeneinander und im Synchronismus aneinander vorbeibewegt werden, und zwar so, daß die Eigengeschwindigkeiten der beiden Bürsten, die an die Enden jeder Ph äsen wicklung angeschlossen sind, voneinander abweichen.

2. Anordnung zur Ausübung der Bürstenverschiebung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangs- und Endbürsten jeder Phasenwicklung des Stators von einer gemeinsamen Antriebsvorrichtung, aber mit etwas verschiedener Übersetzung bewegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckungstellung der Bürsten im Synchronismus unsymmetrisch zur Achse der Statorwicklungen liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.