-
Synchrone Drehfeldkollektormaschine Bei. den bekannten Drehfeldkollektormaschinen
ist im allgemeinen der Schritt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ankerleitern,
im Winkelmaß gemessen, gleich dem Schritt zwischen den beid3n jenen zugeordneten
Kollektorlaunellen. Bezeichnet man den Schrittwinkel der Ankerleiter mit a', den
Schrittwinkel der zugehörigen Kollektorlamellen mit a" und nimmt an, da.ß die beiden
Schrittrichtungen die gleichen sind, daß also a' und a" das gleiche Vorzeichen besitzen,
dann ist das Schrittverhältnis
Nun sind aber auch Maschinen möglich, bei denen x einen von -j- r abweichenden Wert
besitzt, und es zeigt sich, daß derartige Maschinen vorteilhafte Eigenschaften besitzen,
wenn sie an Spannungsquellen angeschlossen werden, deren Frequenzen unter Berücksichtigung
des Wertes x bestimmt werden müssen. Es läßt sich nämlich eine Frequenzgleichung
allgemeiner Art aufstellen, welche das Verhältnis x be-rücksichtLt und welche für
alle Maschinen bzw. für alle bewegten oder ruhenden elektrischen Energieumformer
gilt, je nachdem man für gewiss;. Glieder der Gleichung bestimmte Werte einsetzt
und damit die Beziehungen der anderen Größten zueinaricler ermittelt. Die verallgemeinerte
-Frequenzgleichung lautet WI
-X '!R (Y
- I) v:1
- x2# Hierin
bedeutet
der Kollektor-bürsten (falls diese rotieren), vR die die Tourenfrequenz des x das
Verhältnis. der von Anker und Kollektor.
-
Bei Bürsten isst = 0. In Weise - ist für ruhende Anker - 0 zu setzen.
x stets ganze Zahl und kann alle und negativen Werte x = 0 da Maschine keinen Kollektor
Je nachdem man nun für vier der Frequenzgleichung gewisse einsetzt, resultiert die
fünfte Größe aus der Setzt man z. B.
-
2 = 0 (also eine Glemchs rommas.chine), Kollektorbürs va = 0 (also
e ), ferner s x =- z ( a invers angeschlossenen und der gegebenen normalen ergibt
sich für .die Tourenzahl tzA, bei welcher Frequenzgle;ichung erfüllt ist und der
Gleichstrom ent om n kann, To ;renfrequ nz Maschine einem Lamellenkschritt fl halber
und im des, Drehfeldes,
Wird ,also ,eine mit invers angeschlossenen halle tar, dessen jedoch grö :e;ngl;eä:ch
dem Ankerleiterschritt ist, mit synchroner Geschwindigkeit, zwar Drehsinn betrieben,
dann hat die an ihnen Kollektnrbürsten
herrschende Spannung die
Frequenz Null. Der Betrieb diesier Maschine als Gleichstrommaschine ist also an
eine Bedingung geknüpft, nämlich ,an die Biedingung der Einhaltung der Tourenzahl
n"= nsyn (hinsichtlich angeführten Frequenzen) gehalten i i n m doppelseitig d v
Wert Wird dxes,e ourexizahl nicht durch einen invers erhalten, il e e r d Festhaltung
dann muß zur u ekto,r durch eine Betrieb der Tourenzahl o eine Gleichspannung die
äußere Umformer man die so aufgedrückt werden, s m frei laufend erkannt, ß LÜr~n.
auf die ewisseranna dein Ständer und Läufer zugeführtem. Fre- d dem e (mechanisch
qixenzen bb. i ist dieser Fall. dar-In und hasenn:etz, gest 17t. Es D ep w o1-rie
fe d ches der tator ei an we er ist. Der 1<elitorrnaschine D diese eh besitzt
dien Kollektor I lenzahl, dessen einfacher ame auf, Lamellen aber invers an die
mlaerwidklung die Betriebsbedingungen angeschlossen sein sollen. Einsem ma n Sinne
iemtsprä:cht der Ankerleiter in dem somit . Fortschritt der Schwierigkeiten, (x
= - zwischen n i it und im besitzt der eül. dler Lamellen- sämtlich überverschieden,
drei mit der liulg verbunnkerw r unter kreuzen dene Schleifringe S, welche it dem
v Uli in Verbindung stehen. Auf der nz ln Verbindungen gle ch n. Welle ist nun als
besondrere Gle ch- die stromquelle die leichstromm@asehine G vor- verschiedenen
im gesehen, deren elidiw cklung F eb@en-Windungen weche schluß zum geschaltet ist.
Soll nun selnde sind, es den Bürsten Bi Bi der rehfefd l tormae s n dieser schine
werden, dann wird die Maschine des vereinfachen und Längen und bis A ll auf etwa
die halbe synchrone eschwin- Erfindung digkeit gebracht. Dann aber werden die ld
hei: welcher Bürsten. B1 Bi und auch die Bürsten B2 B2 die m der selbsterregten
Gleichstrommaschine auf sind, bei w ex also das Gleichstromnetz N geschaltet, und
damit Umfangsrichtung wird der rehfe dko etorma- entgegengesetzt ist Reihenschine
von außen her eine G7ieti:chsp nn'ung Anschlüsse zugehörigen folge aufgedrückt.
Nunmehr der A ganz abgeschaltet werden, denn die rehgleich fe dkollektormaschne
isst an Spannungen gegebener ge egt und da- 2p-Gruppen geteilt durch Eine Abweichung
von der sich aus der p Frequenzgleichung istdann aus dem Grunde nicht mög ich, weil,
wie einer invers angeschlosse-Abweichung der induzierten von nem der zugeführten
@ angenommen, erschifebung der Anker Feldachsen von Rotor und St a tor if vorangeht.
Diese Verschiebung bedingt diametral gegenüberliegenden aber große eschleunigungs,
und unter deren die Maschirre der im Takt ward. Solche Synchron eru gsströ e treten
also s auch bei einer = an Spannung liegenden Drehfeldkollektormaschine auf, : erem
Schxpitt- erhäatnms den x-zbestzt. Drzhfeldmasehinen mit (x = - r ) an-@siud bereits
angnscli oss avexn Koll kto gegeben worden, aber man war der irrigen Ansicht, daß
zu ihrem als frei laufender allein Zuführung dies Dreiphasemprimär tro es genügt.
Es wurde nicht , es sich hier im Grunde da; genommen um Synchronumformer handelt,
Stator un dem Rotor b bei denenstimmte Frequenzen oder elektrisch) aufgedrückt werden
müssen, die dabei die Möglichkeit bieten, asynchron exakt bis zur synchronen Betriebsgeschwindigkeit
und sogar über . hinaus ang ssen werden zu können. Die genannte Freqwenzgle2chung
klärt .darüber und sie gibt die Möglichkeit; .auch dieser Drehfeld schime zu errn;i
eln. Der inverse Anschlul3. des Kollektors macht nun aber große konstruktives weil
die Verbindung ke er A se sich im allgemeinen müssen und sich teilweise sehr lang,
ausfallen. Die erschüedene Länge der ei e en hat zur Folge, da:ß Kommutierwngsverhältnisse
der sich Bürstenkuxzschluß b fixi:dlchen sehr so daß @ sehr schwierig ist, eine
funkenloae Ma chi e Art herzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es, die Konstruktion
zu die der Law@e emverbindvmgen -aus.zugleichen. Gegenstand der ist eine synchrone
Drehfe kollektormaschine, die I@ol.2ektorla ellem: an Ankerleiter invers angeschiossien
elch im. der die Reihenfolige der Ankerleiter der ihrer an die Kollektorlam.eZ7:em,
wobei die Zahl der Ankerstromzweig.e der Polzahl ist, bei welcher ferner sowohl
die gesamten Ankerleiter als auch die Kollektorlamellen in send und jede Leiter
und zugehörige Lamellengrup e für sich invers verbunden ist.
-
Abb. z zeigt als Ausführungsbeispiel eine vierpolige Maschine mit
Kollektor (x = - i). Im dargestellten Falle ist daß eine einfache Schle enwicklung
(a = a) besitzt. Die Lamtellen haben dann stets, das gleiche Potential, und
es ist daher gleichgültig, ob man eine Ankerwindeng
mit der ihr
in fortschreitender Folge zugeordneten oder mit einer äquipotentiellen Lamelle verbindet.
Diese Freiheit erlaubt die Wahl kurzer Verbindungen zwischen `Vindungen und Kollektor.
Erfindungsgemäß wird nun bei x = - i so verfahren, daß sowohl die gesamten Ankerleiter
als auch die Kollektorlamellen in 2p-Gruppen geteilt werden und je eine Leitergruppe
mit der zugehörigen Lamellengruppe für sich invers verbunden wird. Sind die äquipotentiellen
Lamellen nicht unter sich verbunden, dann erfolgt ihre Parallelschaltung -über die
Verbindungen der gleichpoligen Bürsten. Im dargestellten Falle ist die Windungszahl
des Ankers (24 Windungen) gleich der Lamellenzahl, und es sind je sechs Wiudunge!nmi;t
je sechs Lamellen unter sich invers verbunden. Zahl und räumlicher Phasenwinkel
der Bürstenstifte ist hier wie bei @eirner normalen vierpoligen Maschine zu wählen.
-
Die Kommutierunggestaltet sich bei solchen Gleichstrommaschinen nicht
ungünstig. Die in den kurzgeschlossenen Ankerspulen vom Drehfeld induzierte EMK
ist proportional dem Frequenzunterschied (cal = vA). Da weben der Rotation
des Feldes Wendepole nicht möglich sind, wird man den Flux der Maschine den Kommutierungs@notwendigkeiten
anpassen und den maximalen Kraftfiuß so wählen, daßeine Aufhebung =der vom Drehfeld
induzierten EMK zum funkenlosen Arbeiten der Maschine nicht :erforderlich ist. Die
Stromwendespannung aber kann dadurch erzeugt werden, daß die Bürsten etwa in das
Feld hinein verstellt werden. Diese Angabe erscheint zunächst unverständlich; weil
doch das Feld mit Synchrongeschwindigkeit rotiert, während die Bürsten räumlich
stillstehen. Verfolgt man jedoch bei. x=-i . # . oder y.=2, 3 ... die Lage
der jeweils kurzgeschlossenen Ankerspulen, so erkennt man, i. daß das räumliche
Fartschremten des SpulenkurzscWusses .auf denn Anker resultierend mit der Geschwindigkeit
des synchronen Drehfeldes erfolgt, obwohl während der Kommutierung eine Relativbewegung
zwischen Spule und Feld besteht, 2. daß die jeweils einander folgenden, durch die
Kolbektorbürsten kurzgeschlossenen Ankerspulen sich zu Beginn des Komm-utierun;gsvorganges
immer an der gleichen Stelle des Drehfeldes befinden. Diese Stellung zum Drehfeld
ist von der räumlichen Stellung der ruhenden Bürsten abhängig, und es ist daher
diese Stellung nicht gleichgültig.
-
Zur Erläuterung dieser Verhältnisse diene Abb. 3, in welcher peinige
Afkirwindungen mit dien zugehörigen, invers angeschlossenen Kollektorlamellen (i,
2, 3, 4) dargestellt sind
1, VA Während der Anker die räumliche Drehung von a nach b vollführt, bewegt
sich das Staturdriehfeld von a nach c. Bei der giezemchneaten Bürstenlage befand
sich in Stellung .a die Windung 4-4' im Bürstenschluß; in Stellung b des Ankers
gerät die Windung 3-3' in- Kurzschluß. Diese Windung befindet sich dann aber bereits
in Stellung c, so, daß das Fortschreiten des Kurzschlusses als solcher resultierend
mit der Geschwindigkeit des Statordrehfeldes erfölgt. Die ixe Kurzschluß befindliche
Windung dreht sich dabei nur mit der halben Geschwindigkeit des Dxebfeldes; aber
infolge des inversen Anschluusse;s des Kollektors ändert sich beirr Übergang auf
die nächste Lamelle die Lage :dies Kurzschlusses sprungweise ,in der Drehfeldrchtung
so, daß der Kuxzschluß als solcher resultierend mit der Synchrongeschwindigkeit
des Feldes rotiert.
-
Die Maschinen mit einem x = - i können aber auch als Wechselstrom-Wechselstrom-Umformer
betrieben werden, und man findet die zugehörige Tourenzahl dadurch, daß man für
w2 den gewünschten Wert einsetzt. Im allgemeinen kann man ruhende Bürsten, also:.
VB - 0 voraussetzen. Dann erhält man ,z. B. für (-)#- = W, folgende Bedingung: (x
- z) # vA=0. Diese Gleichung ist nur erfüllbar für vA = 0, also ruhende Transformation,
oder für x = z, -also für die normale bekannte Drehfeldk:oll:ektormaschin@e, bei
welcher unabhängig von der Tonnenzahl die Frequenz der Bürstenströme gleich der
Frequenz des dem Stator primär zugeführten Stromes ist. Anders liegt aber der Fall,
wenn man _ -WI Betr ebstourensetzt.
-
@ sich frequenz aus der Beziehung VA (,)i ange-Maschine einfachem,
eine d m schlossenem der einfachen n n ohne Gleichstromes daß normalen Netzfrequenz
4
veranschaulicht. dieser angeschlossenen d
Setzt man x = - z, dann ergibt sich . = mixt @ invers Die Kollektor gestattet ch
er syn-@ Synchro isieru g bei chronen Tourenzahl ZufiW rang ;eines man sonuir dadurch,
wohl den Stator als auch dem Kollektor eine Spannung ,der zuführt.
-
Eine Schaltung dieser Art ist durch Abb. In bedeutet D die Drehfel.dkollektormaschine,
K den invers Kollektor mit den drei Bürsten B, B, B, S drei Schleifringe,
A .;inen Anlaßwi erstand, N .das Primärnetz, H den
Hauptschalter
zum Anschluß der Statorwicklung, T einen Hilfstransformator zur Entnahme der Erregerspannung
für die Drehfeldkollektormaschine, Z einen Schalter zum Zuschalten der Erregung.
Die dem Kollektor zuzuführende Spannung ist jedoch sehr klein, weil sie nur den
Spa:nnungsverbratuch :des Läuferstromes im Ohmschen Widerstand der Wicklung zu .decken
hat. Das In-Synchronilslmus-Bringen kann in der gleichen Weise geschehen wie bei:
den bekannten Synchron-Asynchron-Motoren, bei welchen mit Hilfe von Schleifringen
der Motor asynchron angelassen wird und die Synchronisierung dadurcherfolgt, daß
man nach Erreichen einer der synchronem. nahen Tourenzahl die Erregerspannung auf
den Anker (in unserem Falle auf den Kollektor) schaltet, welche bewirkt, daß der
Motor in .den Synchronismus springt.
-
Eine andere sehr vorteilhafte Verwendung dieser Maschine ergibt sich
für den Fall, daß dem Kollektor Spannungen veränderlicher Frequenz zugeführt werden.
Wir benutzen dann die aus der verallgemeinerten Freqwenzgleichung sich ergebende
Beziehung
und. für x - - z
Gleichstromes e m die werden wie n n k T Spannungsverhält-Wege nis Maschine d Weise
g Besitzt 2p-Pole, m die mit direkt gekuppelte -Polen, k I -`Y Polen dann
liefert Erregergleichbei Geschwinstrom digkeit synchron-en entspricht e ja i Drehzahl
daß g Gleichstrom von gleichen bei seiner e #t besteht dieser Sekundärströme
beider Maschinen.
-
Tourenzahlen Aggregates., Bei haben beide Maschinen Sekundärfrequenz
d Primärnetzes; Ändert sich der Wert beider Mai k t Fren a en schinen w2 von (w1)
- (0) - (- w1), märn quenz 'P tzes. Aus diesem dieses dann ändert sich die Tourenfrequenz
der, Erregermaschine und erfolgen.
-
!# werden allen Geschwindigkeiten Diese Anordnung erläutert. dieser
Abbildung bep deutet di R regelbaren n d d dessen t f in Rotor R stehen.
Der
mittels das daß daß
Schrittverhältnis
In Abb. 5 ist Spannung am E' und die Frequenz c 2 in: von dlex Tourenzahl der Drehfeld
oll tormaschLne aufgetragen. Man daß bei einer der halben synchronen ourenzahl Tourenzahl
die Frequenz w2 - 0 und die Spannung
wird. Arbeitet die Maschine mit dieser Tourenzahl, dann ist das Verhältnis
und dieser Umstand ist außerordentlich günstig für Bemessung und das Verhalten Maschine
in rein : Beziehung. Ein Vorteil der neuen Maschi e besteht auch in dem Umstand,
daß .die Spannung des unabhängig von der Spannung des primären Dr hstro es gewählt
Gleichspannung inkann, weil duktiv erzeugt und nicht, beim gewöhnlichen Ei erumfo
nver, auf ko duktivem an :erhalten wird. Das von Wechselstrom zu Gleichstrom ist
also beliebig wählbar.
-
Diese eignet sich nun in hervoxrag@en als Erre erxnaschne zum Aaer
laasen und Kompensieren' von Asynchronm@otoren.
-
der Asynchro!n ofior während ihm Dnehield ollektormaachim:e mit
also bei (x = - z ) mit nur pausgeführt isst, sie einen ;der synchronen gerade des
Asynchronmotors. Der Drehzahl des Asyrnchromnators @ in diesem Falle (x = - r )
die halbe synchrone der Dnehfeldk:oll cbne, und ktorm s es wurde ezesgt, sie bei
dieser Tomrenzahl. einen einer der halben Spannung lie-Stillstandsspannung fert.
Da nun auch die Läuferfrequenz des Asyn.chroinxno@t.ors synchronen G-s:chwindi,gke
also gleich 0 ist, so bei Tourenzahl Fneqwenzgleichheit der Diese FreqwenzgleicIiheit
besteht aber bei allen des Stillstand gleich eine der Frequenz bei doppelter es
synchroner Geschwindigkeit- des Asynchronors ist die S wndärfreqweriz m.o e bleich
dem - Weit der t.v eg e @ Grunde des ri kann das Anlassen " Aggregates :ohne Abschaltung
in der üblichen @ Weise asynchron: @ -mit- Hilfe von S.ehleifringeW Anlaßwd@er tärid
Ein Synchronisieren ist nicht erforderlich; da die Exregexmas,chime bei Stillstand
zugeschaltet kaum und bei die richtige Frequenz liefert.
-
sei an Hand der Abb. 6 näher @ In hasenn;etz, an welches e N ein Drei
Statorwicklung P des Asynchronmotors M mittels des Schalters.H1 angeschlossen
wird. Die otorwicklung Q ist über drei Schleifringe S mit dem A lal3widexstan@ A
verbu:n en, ReguJyerkoniinkte mit den K@oJle7ctorbürs eldlkollieMtormaen B der Dreh
schine D Verbindung Der dieser Maschine ist mit,dem Rotor der Asyn-.clmo.nmas:chine
direkt gekuppelt. Sta.tor Si wird des S;chalfiers H2 :ebenfalls an Netz gelegt.
Unter :der Annahme, das die x = - W st, und
Polzahl der DrehfeIdkollektormaschine
gleich der halben Polzahl der Asynchronmaschine gewählt ist, besteht bei jeder Geschwindigkeit
des Aggregates Gleichheit der Frequenzen zwischen den am Kollektor und an den Schleifringen
auftretenden Spannungen, ;so daß also stets ein Frequenzgleiichgewicht herrscht.
Eine Regelung der Größe der Erregerspannung wird unter Umständen notwendig sein.
Die erregte Asynchronmaschine kann aber auch kompensiert oder überkompensiert werden,
wenn man die zugeführte Erregerspannung regelbar macht. Der Stator der Dnehfeldkollektormasichine
kann parallel oder in Reihe zum S,tator der Asynchronmaschine an das-- Primärnetz
angeschlossen sein. Liegen beide Statonen parallel am Primärnetz, dann ist es mit
Hilfe der an sich bekannten Kompoundierungseinrichtungen möglich, denn Feld der
Drehfeldkollektormaschine,eine vom Arbeitsstrom der Asynchronmaschine abhängige
Komponente zu erteilen. Es kann unter Umständen erwünscht und vorteilhaft sein,
die Wicklungen der beiden Maschinen auf einem gemeinsamen Eisenkern unterzubringen,
wodurch das Aufstellen einer besonderen Erregermasichine vermieden wird. Ein so
erregter und geregelter Motor kann im untersynchronen, im synchronen und im übersynchronen
Tourenbereich arbeiten.
-
Auch die- elektrische Kupplung zweier Netze beliebiger Frequenz und
Phasenzahl ist mit Hilfe der besichriebenen synchronen Dreh. feldkollektormaschine
möglich, indem man einfach die Statorwicklung der Maschine an das eine, den Kollektor
mit entsprechend angeordneten Bürstensätzen an das andere Netz anschließt. Die Maschine
muß dann der verallgemeinerten Frequenzglelchung gemäß als Synchronmaschine mit
:einer Tourenzahl laufen, deren Frequenz
Für - - z ist von einer angetrieben ,oder in Energiedurchgang einen de e lie Frequenz
-synchronen gekuppelte in
Wird sie regelbaren Hilfsmaschine gebremst, dann. wird dadurch der durch sie dem
i oder an r n Sinne hervorgerufen. Abt. 7 zeigt die elektris:c Kupplung eines Dreiphasennetzes
von der c,al mit einem Einphasennetz von der Frequenz
Die mit der Drehfeldkollektormas.chine regelbare Hilfsmaschine ist Abt. 7 nicht
dargestellt.