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Synchrone Wechselstrommaschine, insbesondere Hochfrequenzmaschine,
mit Zahne oiler ausgepragte Pole aufweisendem Laufer, bei der das Nutzerregerfeld
ausschlie(31ich oiler im wesentlichen durch einen der inneren EMK in der Phase voreilenden
Wechselstrom in der Arbeitswicklung oiler einer gleichartig liegenden, magnetisch
oiler elektrisch mit ihr gekoppelten Wicklung erzeugt wird Es ist allgemein bekannt,
daB die EMK von synchronen Wechselstrommaschinen, die durch Gleichstrom erregt sired,
durch einen Wechselstrom, der dieser EMK voreilt, verstArkt wind. Ferner ist es
auch bekannt, daB eine Synchronmaschine, nachdem man ihren Gleichstromerregerkreis
genffnet hat, auch weiter als Reakdonsmaschine arbeiten kann, wobei derwattlose
Strom dasFeld erzeugt, das sonstvomErregergleichstrom erzeugt wiirde.
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Es ist nun wichtig, eine derartige wechselstromerregte Synchronmaschine
so zu bauen, da13 sie entweder gar keiner vorherigen Gleichstromerregung oiler nur
eines kleinen GleichstromanstoBes bedarf, um unter alien Umstanden auf die volle
Spannung and Leistung zu kommen. Die Erfindung gibt nun die Mittel in die Hand,
eine sichere Selbsterregung unter Ausnutzung der vorhandenen Remanenz oiler eines
kleinen GleichstromanstoBes zu erzielen.
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Zu diesem Zweck m5ssen zwischen der synchronen Maschine and den an
these Maschine angeschlossenen Apparaten die folgenden Beziehungen bestehen: r.
Die Induktanzen and Kapazitaten der Maschine and der angesrhlossenen Apparate massen
so bemessen sein, daB der Maschinenstrom der Leerlaufspannung bzw. der EMK dieses
Erzeugers voreilt, d. h. also, daB der resultierende Widerstand ides Erzeugers nebst
angeschlossener Apparate ein kapazitiver ist.
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z. Die Charakteristik des aus den Widerstianden der Maschne and der
angeschlossenen Verbraucher sowie angeschlossener besonderer Kapazitaten resultierenden,
fur die GrbBe des wattlosen Stromes maf3gebenden kapazitiven Widerstandes muB bei
den Anfangsstr6men and Spannungen unterhalb der die Abh;angigkeit zwischen der EMK
(bzw. Leerlaufspannung e) der Maschine and dem zugehorigen KurzschluBstrom ih (bzw.
derv entsprechenden resultierenden Erregerstrom) darstellenden Maschinencharakteristik
liiegen and in ihrem weiteren Verlauf diese Charakteristik in dem Betriebspunkt
schneiden. Will man ganz ohne jeden AnstoB einer Gleichstromerregung auskommen,
so muB, der erwAhnte, fur den Betrag des wattlosen Stromes ma8gebende kapazitive
Widerstand zu Beginn der Erregung kleiner sein als das VerhB:ltnis k der inneren
EMK zu dem entsprechenden KurzschluBstrom der Maschine.
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Die Richtigkeit des Erfindungsgedankens ergibt sick aus folgender
Uberlegung:
Nehmen wit an, in beiliegender Abb. i se: die Abhangigkeit
zwischen dem KurzschluB. strom ik and einer gewohnlichen, mit Gleich. strom erregten
Wechselstrommaschine and ihrer Leerspannung a bzw. EMK gegeben. Es sei a die Leerspannung
der Maschine; wenn sie voll exregt ist, so ergibt der entsprechende Punkt ilt auf
der Kurve den Strom, welcher entsteht, wenn man die Maschine bei dieser Erregung
unmittelbar auf sich kurzschliel3t. Wenn man von dem Ohmschen Widerstand absieht,
so wird durch diesen Kurzschlubstrom das vom Gleichstrom erzeugte Feld'in seiner
Wirkung auf die Arbeitswicklung fast vollkommen aufgeholben. Dieses kann man sick
abet auch so erkAren, daB durch den KurzschluBstrom ein Feld entstanden ist, welchtis
dem Gleichstromfeld gleich and entgegengesetzt ist. Der KurzschluBstrom ist ein
der Leerspannung bzw. der EMK um 9o° nacheilender Strom. Wenn nun dieser Strom also
ein Feld erzeugt, das dem Gleichstromfeld entgegengesetzt ist, so mug ein um 9o°
voreilender Strom ein Feld erzeugen, das im gleichen Sinne wie das Gleichstromfeld
wirkt and es ersetzen kann.
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Schickt man also durch irgendwelche Mittel einen voreilenden Strom
durch die Maschine, der genau so grog ist wie der KurzschluBstrom, welcher die Leerspannung
vernichtet, so mug er unbedingt eine Nutispannung in der Maschine erzeugen, die
unserer vollen Leerspannung bzw. EMK gleich ist.
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Nehmen wit ferner an, daf3i dieser Strom durch einen Kondensator K
erzeugt wird, der parallel zu der MaschineM liegt (Abb.2), so mug die Bedingung
bestehen i1,; - w C e zo-6 ............. _, wo
der resultierende Widerstand von Maschine and Kondensator ist, woraus rich die resultierende
Kapazitat ergibt:
w =Winkelgeschwindigkeit = (2 n ---); --# = Periodenzahl pro Sek.
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Diese Gleichung sagt indessen nut aus, dag, wenn der Strom des Kondensa
ors gleich dem Kurzschlugstrom i1,; sein soll, der Iiondensator so gewahlt sein
mug, daB Gleichung 2 erfiillt ist. Sie ergibt abet noch nicht Snit zwingender Notwendigkeit,
da die Wechselstrommaschine sick auch erregen wixd. Dieses folgt jedoch aus folgender
Uberlegung: Wahrend die Kurve e, ik eine Charak aristik der Maschine ist, kann man
die Charakteristik des fur den voreilenden wattlosen Strom ma gebenden resultiexenden
Widerstandes durch eine im wesentlichen gerade Linie darstellen. Die Gleichung der
Geraden O Gist (s. Ab'b@.. i ) y = x tg a, wobei im betrachteten Falle tg
ist.
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Jede Maschine hat in der Regel etwas remanenten Magnetismus;@ durch
Rotation der Maschine entsteht dahex eine Momentanspannung; ihre Gxo.Be sei O a
in unserer Abb. i. D.iese Spannung wird dem Kondensator aufgedriickt, der infolgedessen
einen vore nden Strom aufnimmt. Die GroBe theses Stromes ist na.ch unsexer .charakteristischen
Geraden a a', der Strom a a'= O B erregt abet in der Maschine eine
Spannung, welche gxoB.er ist als die urspriingliche, n;amlich. B B'= O (3.
Diese Spannung erteilt sich wiederum dem Kondensator, der infolgedessen einen voreilenden
Strom O C aufnimmt. Dieser Strom wiederum erhoht die Spannung der Maschine auf die
Groge c C' = O . Auf erregt sick die Mascbine immer mehr and meter bis zum Punkte
P, wo rich beiden Charakteristiken schneiden. .
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Aus dieser Uberlegung ergibt sick auch die Bedingung fiix die Selbsterregung
einer Wechselstrommaschine mit parallel zu ihr angeschlossenem Kondensator. Die
die Abhangigkeit des Kondensatorstnomes von der Spannung a darstellende Charakteristik
O G muB am Anfang unterhalb der Charakteristik e, ik der Maschine liegen.
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In der Regel rind fast immer Spuren von Remanenzmagnetismus vorhanden.
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Damit man unter alien Ums anden richer ch selbst auf volle ist, dag
die Maschine s Spannung erregt, kann man auch eine schwac Gleichstromexregung hinzufiigen
(siehe durch welche die Spannung e erzeugt Abb wind. Man sieht, daB der Winkel a
jetzt apazxat kleiner grogex and die Kondensator sein kann.
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Schaltet man nun auger dtim Parallelkondensator einen Verbxaucher
ein, so wird man, um den duxch die Be_lastung hinzugekommenen Spannungs bfall der
Maschine auszugleichen, den Kondensator en,tsprechend gro.Ber bemessen. Bere Leerlauf
m jtidoch g exluste durch E inschaltung eines einzigen gro.Ben Kondensators zu vexmeiden,
kann man (siehe Abb. 2a) einen Fiaupikondensator 1 nehmen, der nu die Leerspan_nung
exzeugt, and jedesmal mit Zuschaltung einex Belastung gleichzeitig einen entsprechenden
Kondensato K parallel zuschalten.
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Man kann abet auch zum Ausglech des Span.nungsabfalles bei, Belastung
noch einen zweckma;Bg bemessenen Kondensator in Reihe mit der Belastung R schalten.
Diese Kondensator kann man sogar (s. Abb@.2b) von solcher Gro#B:e nehmen, daB er
den induktiven
Spannungsabfall der Belastung Uberwiegt, dann hat
man eine kompoundierte Maschine.
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Bei vielen Maschinen, wie z. B. bei der Guyschen and der Cail-Helmerschen,
ist jedoch die NebenschluBerregung vorzuziehen. Die NebenschluBernegung bedeutet
namlich eine Mehrbelastung der Arbeitswicklung, die Reihenerregung dagegen eine
bedeutende Spannungserhohung an den Klemmen der Arbeitswicklung.
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Bei den genannten Maschinen, wo die Arbeitswicklung nur in wenigen
groBen Nuten untergebracht ist, hat man sehr viel Raum fur these Wicklung, and man
kann she anstandslos mehr belasten, wahrend die Rei. henerregung eine Spannungserhohung
der Maschine and somit bedeutende Eisenverluste Bowie Isolationsdurchschlage verursacht.
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Anders verhUt es sich bei Hochfrequenzmaschinen, bei denen jeder Zahn
- von der Arbeitswicklung umgeb.en ist. Bei diesem hat man sehr wenig Platz fur
die Arbeitswicklung, and man wird deshalb bier u. U. teilweise von der Reihenerregung
Gebrauch machen mussen. Um jedoch in diesem Falle die Spannung der Maschine nicht
allzu hock ansteigen zu lassen, wird man (s. Abb. 2c) die Arbeitsrvicklung W in
mehrere Teile mit zwischengeschalteten Kondensatoren teilen.
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Im nachstehenden Bind einige besonders wichtige Anwendungen der Maschine
nach der Erfindung angegeben.
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So bietet die Verwendung einer derartigen selbsterregten Synchronmaschine
groBe Vorteile beim Kreiselantrieh, wie dies insbesondere fur Flugzeuge in Frage
kommt. Da bier die Gleichstromerregermaschine nebst Kommutator, die Schleifringe,
die Klauenpole, die Gleichstromerregerwicklung auf der Wechselstrommaschine fortfallen,
so wird die Maschine nicht nur bedeutend verbilligt, sondern auch viel leichter,
was fur Flugzeuge besonders wichtig ist. Der zur Selb.sterregung ben6tigte Kondensator
betrAgt bier nur einige MF and ist ganz billig.
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Besonders wichtig ist aber die Verwendung des auseinandergesetzten
Selbsterregungsprinzips fur Hochfrequenzmaschinen der Induktortype, wie she z. B.
fur hochfrequente Signalubertragung b.enutzt werden. Von den besonders bekannten
Typen der Hochfrequenzmaschinen sei bier z. B. die von -C a i 1-H e 1 m e r, die
von G u y oder die O-Typej genannt. Alle these Typen haben das gemeinschaftliche
Merkmal, daB bei ihnen der Induktor nus einem (oder mehreren) unbewikkelten gezahnten
Anker besteht and die Gleichstromerregerwicklung Bowie die Wechselstromarbeitswicklung
auf dem gleichfaIls gezahnten St,ander angeordnet sind.
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In Abb.5 ist schematisch eine derartig bekannte Hochfrequenzmaschine
mit Lauferinduktor N and auf dem Stander untergebrachter Wechselstromarbeitswicklung
A and Gleichstromerregerwidklung E dargestellt. Bei der Cail-Helmerschen
Maschine ist die Gleichstromerregerwicklung E koaxial mit der WechselstromwicklungA
angebracht; bei der Guy-Maschine Bind these beiden Wicklungen gegeneinander um 9o
elektrische Grade versetzt. In 'beiden Fallen ist die Gleichstromwicklung E mit
ndtzlichen Feldfluktuationen der Maschine verkettet, so daB in ihr hindurch hochfrequente
Wechselstrbme induziert werden, die these Fluktuationen in schadlicher Weise abdampfen.
Um dies zu verhiiten, wird in der Regel in Reihe mit der die Erregerwicklung speisenden
Gleichstromquelle B eine Drosselspule mit einer betrachtlichen Selbstinduktion benutzt.
Da der durch these Spule flieBende Gleichstrom ihre Induktanz stark vermindert,
so muS these Drossel sehr reichlich dimensioniert werden and fallt oft, z. B. bei
Maschinen fur akustische Frequenzen von etwa 5oo bis Goo Hertz, groBer aus als die
Maschine selbst.
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Ersetzt man nun nach der Erfindung die Gleichstromerregung ganz oder
im wesentlichen durch eine solche mittels zur Selbsterregung ausreichender voreilender
Str6me, so fallt entweder die erwahnte Drossel ganz fort (wenn die Gleichstromerregung
ganz weggelassen ist) oder, wenn ein geringes MaB der Gleichstromerregung verwendet
wird, flieBt durch die Drossel ein ganz geringer Gleichstrom, der kemen wesentlichen
Einflu.8 auf ihre Induktanz ausubt, so daB she nur verhaltnismaBig klein dimensioniert
zu werden braucht.
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Eine derartige Maschine ha8t sich auch viel wirksamer durch Anderung
der Erregung steuern als die bekannte Maschine mit ausschlieMcher Gleichstromerregung.
Wenn in der Ab.b. ¢ die Ordinaten der Spannungskurve D die Spannungen and die Abszissen
die entsprechenden Erregerstrome einer gewohnlichen Synchronhochfrequenzmaschine
etwa nach Abb. 5 bedeuten, so entspricht dem Betriebspunkt P bei dieser Maschine
ein Erregerstrom Oa=igo. Man sieht, daB, wenn die Spannung der Maschine vom Betrag
a P auf Null sinken Boll, normalerweise der gesamte Erregerstrom Oa = i,o
unterbrochen werden m1:iBte.
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Anders gestaltet sick aber die Steuerung, i wenn man die Maschine,
wie dies in Abb. 6 dargestellt ist, nach der Erfindung so ausfiihrt, daB she hauptsachlich
durch einen ange. schlossenen Kondensator K erregt wird. Verwendet man bier noch
eine kleirie zusdtzliiche, i zum AnstoB dienende Hilfsgleichstromerregung, die entweder
der Arbeitswicklung oder,
wie in der Abb.6 durch punktierte Linien
angedeutet ist, diner besonderen, auf Bern Stander befindlichen kleinen Hilfswicklung
Eo zugefuhrt werden kann, so besteht jetzt bei der Abb. q. die Erregung aus zwei
Teilen. D er kleinere Teil 0b = i, wird durch die zum AnstoB, dienende Gleichstromhifserregung
and der iibrige Teil ba = !, durch die Selbsterregung geliefert. Hier verMuft
beim Vorhandensein diner kleinen Ansto8hilfserregung lg die Charakteristik G des
fiiz die GrOBe des zur Selbsterregung n6tigen wattlosen Stromes maggebenden resultierenden
kapazitiven Widerstandes fr kleine Str6me bzw. Spannungen unterhalb, der Maschinencharakteristik
D and schneidet sie im Betriebspunkt P. Wahlt man nun die Verhadtnisse so, daB die
Neigung a der Charakteristik G gleich oder groBer ist als die Neigung der Charakteristik
D in der Niahe des Anfangspunktes O, so geniigt bereits die Unterbrechung des kleinen
Hilfsgleichstromes 1, um die volle Maschinenspannung a P ganz auszul6schen.
Denn es wird hierbei die Charakteristik G in die Lage CG' parallel versetzt, and
die Selbsterregungsbedingung wird hierbei verletzt. Man hat also hierbei dine recht
empfindliche Steuerung.
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Eine noch empfindlichere Steuerung erhalt man, wenn man den die Selbsterregung
fefernden Wechselstromkreis beeinfluBt, z. B. dad-arch, da.B man dine mit dem Parallel=
kondensator K in Reihe liegende veranderliche Induktanz (s. Abb.7) regelt.
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Bei der in Abb. 7 dargestellten Regelungsanordnung wird die Selbsterregung
der mit der Antenne A gekoppelten Maschine M dadurch geandert, daB
die Induktanz der Drosselspule V (Verstarker) durch Anderung des ihrer Gleichstromwicklung
von diner QuelleBi gelieferten Gleichstromes beispielsweise mittels Mikrophons
mi erfolgt.
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Wie aus der Abb.8 ersichtlich ist, kann man durch Anderung der Induktanz
L der Drosselspule V die Neigung der Charakteristik G endern, derart, daB, wenn
these Charakteristik die Lagen Gi Cr4 einnimmt, die Spannung der Maschine sick entsprechend
von e1 auf e4 andert.
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Man kann auch beide beschriebene Verfahren kombinieren, indem man
sowohl die Impedanz des Kondensatorkreises wie auch den Ohmschen Widerstand der
Gleichstromerregerwicklung Eo iandert.
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Auch wenn jede zusatzliche Gleichstromerregung Eo weggelassen ist,
kann man die Hochfrequenzmasehine durch Anderung der Induktanz der Drossel V steuern,
also beim Telephonieren nur mittels Mikrophons mi. Die Spannungsanderungen verlaufen
bier gemaB der Abb. 9. A$nlich aussehende Schaltungen wie die reach Abb.7 sired
bereits bekannt; die Ahnlichkeit ist aber nur dine rein auBerliche. Bei den bekannten
Schaltungen sired die Maschinen namlich hauptsachlich durch Gleichstrom erregt,
reach der Erfindung abet ganz oder zum groB.ten Teile durch Kondensatoren.
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Auch fur Turbodynamos kann man die Erfindung mit Vorteil verwenden.
Wenn j ede Gleichstromerregung ganz wegfiallt, kann das Magnetrad der Turbodynamos
wie bei diner gewbhnlichen, langsam laufenden Synchronwechselstrommaschine mit ausgepragten
Polen ausgefiihrt werden; die Pole konnen sogar in bekannter Weise din GuB.StUCk
mit dem Gesamtkiorper des Rades bilden: Die Erregung derTurbo dynamos kann;durchiubererregte
Synchronmotoren erzeugt werden, die, nur einmal auf Touren gebracht, wgiiter von
selbst laufen.
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In Abb. i o ist dine derartige Anordnung dargestellt. D ist die Turbodynamo,.
die ohne Erregung and ohne Schleifringe ausgefiihrt ist; S ist cin Synchronmotor,
der vermittels des Anwurfmotors m auf Touren gebracht wird; L sired Vorschaltdrosselspulen,
die beim Anlassen groBe Stromst6Be verhindern and reach Erreichung der synchronen
Geschwindigkeit kurzgeschlossen werden k6nnen. Da ubererregte Synchronmotoren diner
Kapazitat equivalent sired, ist auch bier dine Selbsterregung m6glich, wenn die
in Abb. II dargestellten Charakteristiken den vorher angegebenen Bedingungen
entsprechen. D ist bier Charakteristik der Turbodynamo and entspricht der Charakteristik
e, ii, der Abb. i. S ist bier von der iaquivalenten Kapazita.t der Synchronmotoren
abhia;ngig and entspricht der Charakteristik G der Abb, i. Die Selbsterregung erfolgt
also auch bier, wenn die Charakteristik S am Anfang der Erregung unterhalb der Charakteristik
D verAuft.
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Eire Beispiel fur dine Drehstrommaschine ist in Abb.. 1 z dargestellt.
In Reihe mit den Erregerkondensatoren Kl ist dine dreischenklige Drosselspule
L, L, L geschaltet, deren Selbstinduktion jedoch nur so groB ist, daB der
resultierende Widerstand kapaiitiv arid der Strom voreilend bleibt. Durch die Verwendung
dieser Drosseln lift sick die n6tige iii Kapazitat der Parallelkondensatoren Kl
weitgehend reduzieren. .
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Ferner sired snit dem Verbraucher R in Reihe, ahnhch wie bei Abb.
2a; noch Hilfskondensatoren. K gescbaltet.