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Kommutierungsverfahren für Gleichstrommaschinen. Die gebräuchlichen
Gleichstrommaschinen mit einer rein mechanischen Kommutierung durch Bürstenkollektoren
erzeugen ihre Klemmspannung nach dem Prinzip der Reihenschaltung verschiedener,
einzeln induzierter Wicklungselemente, die nach ihrer.Gruppierung an die Lamellen
des Kollektors geschlossen sind und bei der Kommutierung durch dessen Bürsten überbrückt
undkurzgeschlossenwerden.
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Außerdem besteht nun die Möglichkeit der Herstellbarkeit von Gleichstrommaschinen,
bei welchen mit der vollen Klemmspannung induzierte Wicklungen sich nach einem Gleichrichtungsverfahren
nach dem Prinzip eines Parallelschaltungsbetriebes ablösen. Die Kommutierung solcher
Maschinen benötigt zu ihrer Durchführung einen Ventilgleichrichter zur Stromwendung
und einen Bürstenkommutator zur Spannungsparallelschaltung, welche sich in ihrer
Wirkungsweise ergänzen. Nach dem Verfahren vorliegender Erfindung entlastet nun
bei Mehrphasenstrom der Gleichrichter den Kommutator von einer Stromwendung unter
den Bürsten - beim Öffnen und Schließen der Kontaktstellen werden die Maschinenstromkreise
durch die Ventile des Gleichrichters stromlos gehalten -, andererseits entlastet
der Kommutator den Gleichrichter vor- zu hoher Spannung an den Ventilen - beim Kommutieren
sind die dies betreffenden Maschinenstromkreise jeweils mit aufeinander einstimmender
Spannung aneinandergeschaltet.
Die induzierende Maschine ist eine
mehrphasige Wechselstrommaschine mit Gleichstromerregung, bei der zur zweckmäßigen
Regelung des Kommutierungsbetriebes die Phasenspannungen in besonderer Weise als
Stufenspannungen erzeugt werden. Die schematische Anordnung einer solchen Maschine
nach dem Verfahren zeigt Abb. i und die grundsätzliche Wirkungsweise nach dem Spannungsverlauf
Abb. 2.
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Gemäß Abb. i besteht die Maschine aus dem Anker W mit
(n) sterngeschalteten Phasen, einem Gleichrichter K mit ebensovielen
(n) nach einer gemeinschaftlichen Kathode mündenden Ventilen. Zwischen die
Ankerphasen und die Gleichrichterventile sind die zu mechanischer Kontaktgebung
vorgesehenen zweireihigen Kontaktstellen des Kommutators S eingerückt. Nach dem
Schema der Abbildung ist insbesondere ein Gleichrichter angenommen, der den Strom
von einem umlaufenden Leitersystem (Anker) auf eine ruhende Leitung gleichrichtet,
nach den Angaben der Patentschrift 32816q.. Der Gleichstromkreis k1, k2 mit dem
Nutzwiderstand R" ist in diesem Falle über Bürstenschleifringe S1, S2 angeschlossen.
Kommt ein feststehender Gleichrichter zur Verwendung, so fallen die Schleifringe
weg und der Kummutator bekommt statt zweireihigen einreihige Kontaktstellen, indem
nämlich die Verbindung zwischen dem Anker und dem Gleichrichter dann unmittelbar
schon von den umlaufenden Lamellen auf die feststehenden Bürsten des Kummutators
zustande kommt.
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Gemäß Abb.2 ist der Phasenspannungsbetrieb durch den nach dem Zwecke
der Kommutierung geeigneten Kurvenverlauf veranschaulicht. Die Kurve e1 gibt den
vollständigen periodischen Phasenspannungsverlauf des in der Phase i induzierten
Wechsels. Die positive Spannungshalbwelle weist drei Erregungszonen auf, die inliegende
Betriebszone ß1 von ungefähr gleichbleibender HöchstspannungE und die außen angrenzenden
Überlappungszonen d', d" von etwas herabgesetzter Spannung Eb. Die Betriebszonen
der einzelnen benachbarten Phasen schließen sich (siehe Phasen 6, 1, 2) in lückenloser
Zeitfolge aneinander, die Überlappungszonen greifen dementsprechend in die benachbarten
Betriebszonen. Diese Stufenbildung ist nicht von Belang für die Stromwendung durch
den Gleichrichter. Werden nämlich sämtliche Maschinenphasen durch den Kommutator
in der der Betriebszone jeweils voreilenden Überlappungszone an den Gleichrichter
angeschaltet, und in der der Betriebszone nacheilenden Überlappungszone bereits
wieder abgeschaltet, insbesondere also die beiden sich kommutierenden Betriebsph2.
sen (z. B. i und 2), so ist der Phasenspannungsunterschied, welcher sich zwischen
den Anoden geltend macht, von der Größe E ü E-Eä. (I) e ist bei Leerlauf die nach
der maßgebenden Bestimmung bei Ventilgleichrichtern zur Umleitung des Stromes zur
Verfügung gehaltene Stromwendespannung, die sich beim Betriebszonenwechsel in der
Richtung von der einen auf die andere Phase umkehrt (von +e auf - _). Hierauf beruht
die kommutierende Wirkung dieser Spannungsstufe. Beim Gleichrichter wird der Stromdurchlaß
immer bei demjenigen Ventil bevorzugt, welches von seiner Anode nach der Kathode
ein Spannungsgefälle aufweist, und die Stromunterdrückung bei demjenigen Ventil,
welches dort den Spannungsanstieg hat.
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Bei der belasteten Maschine weicht der tatsächliche Phasenspannungsverlauf
von dem der leer laufenden Maschine etwas ab, infolge der durch den Strom selber
sich in den Phasen einstellenden Ohmschen und induktiven Spannungsabfälle. Die Netzspannung
im Gleichstromkreis ist gegenüber den induzierten Spannungen um diese Spannungsabfälle
geringer und um die Spannungsabfälle im Gleichrichter und unter den Bürsten des
Kommutaters. Grundsätzlich bleibt aber auch bei Belastung der nach dem Verfahren
zukommende Verlauf. jede Belastung rechnet mit einer bestimmten Zeitbeanspruchung
für die Stromwendung die hauptsächlich das Ergebnis der in den Phasen vorherrschenden
Induktivität ist, insofern nämlich die Widerstände vorwiegend nur die Spannung dämpfen.
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Bei dieser Kommutierung wird die Netzparallelschaltung der Phasen
durch den Kommutator erzielt zwischen zwei in die - Überlappungszonen d', ö" fallenden
Zeitpunkten der positiven Spannungshalbwellen a. Das Einrücken und Ausrücken der
Kontaktstellen erfolgt, während die Phasen durch ihre Ventile leerlaufend gehalten
sind, bei dementsprechend nicht funkender Umschaltung. In dem übrigen Bereich der
Wechselperiode T, hinweg über die negativen Spannungshalbwellen, ist in den Phasen
Leerlaufsbetrieb. Die positiven und negativen Halbwellen des Phasenspannungsverlaufes
brauchen sich nicht in spiegelbildlicher Weise zu entsprechen. Nach der Betriebsphasenzahl
n des Mehrphascnankers richtet sich die Betriebszonenbreite 8 = T/n; die
negativen Zonen der Spannung erscheinen nach Maßgabe von n gegenüber den positiven
Zonen zumeist abgeflacht. Abb. 2 enthält die entsprechende Darstellung für die Phasenspan
nungskurve e1, verdeutlicht durch zugehörende integralzeitliche Phasenflußkurve
cPl.
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Die Abb. 3 und q. enthalten ein erstes Ausführungsbeispiel der Anker-
und Lrreger1,rciskonstruktion
einer solchen mehrphasigen Gleichstrommaschine.
Der Anker ist 6phasig und die Erregung i periodisch. Die Aufrißzeichnung ist ein
Normalschnitt durch die Drehachse, die Seitenrißzeichnung ein Längsschnitt durch
dieselbe, beide geben die Spulen im Schnitte.
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Diese 6-Phasenmaschine besteht eigentlich aus zwei 3-Phasenmaschinen,
die auf der Maschinenwelle gegeneinander versetzt und um 6o Peripheriegrad Läuferverdrehung
in der Zeitphase abweichen. In den Abbildungen ist von diesen 3-Phasenmaschinen
nur eine gezeichnet. Der Anker ist zusammengesetzt aus zwei Polrädern mit drei Schenkelpolen
P1, P3, P5 (Vorderansicht von Abb. 3), welche durch einen lamellierten Ausgleichszylinder
M miteinander verbunden sind, die Erregung besteht aus zwei Polpaaren je mit Nordpol
und Südpol N", S" (in der Seitenansicht von Abb. q.), N', S', welche durch Joche
J", J' überbrückt sind. Die Ankerspulen sind als Scheibenwicklungen, die
Erregerspulen als Zylinderwicklungen vorgesehen. Jede Phase wird
p
Die Abb. $ und 6 enthalten ein zweites Ausführungsbeispiel der Anker und
Erregerkreiskonstruktion einer mehrphasigen nach dem besprochenen Verfahren. Der
ist ebenfalls 6phasig und die Erregung für den Maschinenumlauf Die Aufrißdarstellung
ist ein Wellennormalschnitt, sie enthält die Spulen im Schnitt, die SeitenriBzeichnung
ist eine Längsdarstellung, sie enthält den Anker Ansieht, die Erregung im Schnitt.
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Diese 6-Phasenmaschine besitzt einen Anker aus drei Polrädern, welche
je zwei Gegenpole aufweisen, d:e auf der Maschinenwelle A gegeneinander verschoben
und gegeneinander um je 6o Raumgrade verdreht angeordnet sind, zudem eine Erregung
aus drei Polpaaren mit Nordpol- und Südpolschenkeln, welche bezogen auf die drei
Polräder genau hintereinander liegen. Die Ankerpolpaare P1 P4, P P,,, P3
Pc sind durch einen Ausgleichszylinder M unter sich verbunden, die NI
St, Nll 511, Nett .S111 in der Richtung des Maschinenumfanges und
in der Richtung des Maschinentiefganges durch Brükken J1, Jtt Jlll und J;@, JS verfocht.
Auf jedem Ankerpol befindet sich eine Maschinenphase (Scheibenspule) und auf jedem
Erregerpol eine entsprechende Erregerwicklung (Zylinderspule), wobei noch die Ankerphasen
zwischen den Polrädern durch Schutzisolationen Z', Z" voneinander getrennt ind.
Die Erregerpole sind auch hier zur Hervorrufung der gestuften Spannungen an den
Polschuhen abnun gebildet durch eine Spule des einen Rades in Reihe mit der dahinterliegenden
Spule des andern Rades. Entsprechendes gilt für die Phasen der zweiten, nicht gezeichneten
3-Phasenmaschine. Diese Phasen werden durch die Erregerpolpaare in der aus dem Kraftlinienverlauf
(Abb. q.) ersichtlichen Weise induziert. Damit die in Abb. 2 angegebenen gestuften
Phasenspannungswellen@ entstehen, sind die Polschuhe gegen die äußeren Kanten etwas
abgesetzt, der Lupftspalt ist außen größer als innen. Die Polschuhe besitzen demnach
eine innenliegende Betriebsstufe und zwei außen angrenzende Kommutationsstufen.
Bezeichnen a den peripherischen Abstand der Erregerpolpaare, ß die Betri:ebsstufenbreite,
a" die Kommutationsstufenbreiten ihrer Pose, y den Phasenpolabstand an den Ankerpolrädern,
ferner n die Zahl der Ankerphasen und die Zahl der Polradpaare, so kann man das
Schema über die Hauptabmessungen dieser Maschinenart in dem folgenden Programm zusammenfassen
p P a gesetzt, sie haben eine Betriebsstufe und zwei Kommutationsstufen.
Bei dieser Maschine gehen alle magnetischen Kreise eine teilweise Kraftlinienvermischung
miteinander ein. Die Polzahl und dementsprechend auch die Phasenzahl n des Ankers
ist ein Ganzes-Vielfaches (Multiplum) der Polradzahl , gemäß n = k @
,
aus der n-fachen Polzahl pro Rad. Bezeichnen somit den peripherischen Erregerpolabstand,
ß die Betriebsstufenbreite der Erregerpole, den Abstand von zwei in der elektrischen
Folge benachbarten Phasenpolen des Ankers, so läBt sich die. Bemessung einer solchen
Maschine in das Schema fassen 8
P Ni, -drei unterscheiden
Die Kommutationsstufen ', ö" der Erregerpole sind willkürlich disponierbar.
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Bei dem erläuterten Konstruktionsbeispiel ist speziell = 3, n = 6,
demgemäß a. = go°, ß = 60°, y = z8o'. Abb. 7 veranschaulicht unter dieser Annahme
die Stufenflußbi dung nach der gegenseitigen Augenblicksteilung .der Phasenpolspulen
zu den Erregerpolflächen. Der Maschinenluftspalt ist die Abwicklungsfläche für diese
Darstellung. -- Die Ankerphasen sind durch 6 Rechteckspulen sx, s2, s3, s4, s5,
sE und die Erregerpolflächen durch die 6 Rechtecke N11, Nrlz. S1, Str. Sltl umrissen
bei welchen die Betriebsstufen schraffiert und die Kömmütationsstufen leer angenommen
sind.
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Die sich Ankerstellungen um eine Läuferverdrehung von 3o Peripheriegrad.
Ersichtlicherweise
ist bei jeder dieser Stellungen die Bedeckungsfläche der Ankerspulen über den Nordpolen
gleich groß wie die Bedeckungsfläche über den Südpolen. Es gilt dies einzeln für
die Gesamtheit der Betriebsstufenbedeckung und für die Gesamtheit der Kommutationsstufenbedeckung.
Der spezifische Kraftlinienübertritt am Luftspalt, die Kraftlinfendichte, ist unter
dieser Voraussetzung unmittelbar nur abhängig von der Tiefe des Luftspaltes. Zudem
bleibt die Rückwirkung der Erregerpolflüsse auf den Erregerstromkreis aus. Vorauszusetzen
ist nur, daß sämtlicheErregerspulen hintereinandergeschaltet sind. Diese Bedingung
ist demnach eine Gleichförmigkeitseigenschaft, betreffend die Stabilhaltung des
Betriebes.
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Die Maschinen zur Mehrphasenstrom-Gleichstromkommutierung nach dem
Verfahren eigenen sich in erster Linie zur Fremderregung durch Gleichstrom, zur
Selbsterregung nur unter Vorbehalt. Die Spannungseinschwingung durch die Restmagnetisierung
müßte beim Tourenlauf die Spannungsgefälle in der kommutierenden Vorrichtung (Gleichrichter
und Kommutator) aufwiegen und aus sich das Aufsteigen des Stromes veranlassen.
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Der Kommutator, welcher in den Betriebsphasen der Maschine für die
rein mechanische Kontaktgebung zu verwenden ist, richtet sich nach der Ausführung
der Schaltstellen, seiner festen und beweglichen Elektroden. Die Abb. 8 und 9 geben
beispielsweise die Darstellung eines rotierenden Kommutators für Flüssigkeitskontakt
von Quecksilber bzw. Amalgam. Im Aufriß und Seitenriß sind als Querschnitt und Längsschnitt
zwei ringförmige Gefäße SP', SP" angedeutet, bei welchen die Phasenanschlüsse (E
usw.) seitlich eingeführt sind und durch Quecksilberspiegel Hg', Hg" Kontakt erhalten.
Jedes dieser Gefäße ist für 3 Betriebsphasen bestimmt, die ganze Anordnung für eine
Maschine mit 6 Phasen. Die doppelreihigen Elektroden (je von der einen und andern
Seitenwand) sind bei beiden Gefäßen im Dreieck angeordnet, k1 k1, k, k3, k5 kfi
einerseits und k$ kg, k4 k4, ke kg andererseits; sie sind parallel
der Maschinenwelle A eingeführt und drehen sich mit, das kontaktgebende Quecksilber
hingegen gleitet zurück. Maßgebend für die in Betracht kommende Phasenbetriebszeit
ist der Berührungs-winkel K, der in jedem Ring jedenfalls größer sein muß als der
Phasenunterschied ß, aber auch kleiner als der Elektrodenabstand 2,3. Ersteres ist
nötig mit Rücksicht auf die einzuhaltende Phasenabsonderung zur Vermeidung eines
gegenseitigen Aufeinanderarbeitens zwischen den Phasen, letzteres mit Rücksicht
auf die zu erzielende zulässige Phasenparallelschaltung im Betriebszonenbereiche
und Kommutationszonenbereiche.
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Kommutatoren, welche als Spannungsschaltapparate die Phasen der Leerphasenmaschine
für die Phasenzeitzonen in der erforderlichen Weise öffnen und schließen, von den
Ventilen desGleichrichters abschalten und an diesen wieder anschalten, können auch
nach einer andern Art konstruiert sein. Der Leitungskontakt kann auch durch Berührung
von zwei festen Stoffen allein, z. B. Metall auf Metall oder Metall auf Kohle, oder
dann vermittels flüssigkeitselektrolytisch oder gaselektrolytisch leitbaren Stoffen
zustande kommen. Es lassen sich demgemäß vorzugsweise auch Segmentkommutatoren mit
Bürsten verwenden, ausnahmsweise auch Anordnungen mit Vakuumröhren. Bei der Ausführung
ist aber immer darauf zu achten, daß die Schaltstellen für die einzelnen, in den
Betrieben elektrisch benachbarten Phasen nach der Disponierung selbständige, sich
nicht beeinflussende Organe der Schaltmanipulation darstellen.