DE491505C

DE491505C - Arrangement for the automatic adjustment of the brushes in single or multi-phase alternating current commutator machines running synchronously

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Publication number: DE491505C
Application number: DESCH85181D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1928-01-17
Filing date: 1928-01-17
Publication date: 1930-02-20

Description

Anordnung zur selbsttätigen Verstellung der Bürsten bei in Betrieb synchronlaufenden Ein- oder Mehrphasen-Wechselstrom-Kommutatormaschinen Wie bekannt ist, müssen bei der Nebenschlußerregung von synchronlaufenden Wechselstrommaschinen, wobei der Erregerstrom in Parallelschaltung zur Ständerwicklung dem Netz entnommen und durch einen Kommutator der Erregerwicklung zugeführt wird, diesen Wechselstrom dem Kommutator zuführenden Bürsten bei Änderung der Last und des Leistungsfaktors, zwecks Erzielung günstiger Kommutierungsverhältnisse, verstellt werden. Selbst dann, wenn die Erregerspannung nicht in reinem Nebenschluß dem Netz, sondern einem Compoundtransformator entnommen wird, läßt sich diese Notwendigkeit nicht immer vermeiden. Außerdem ist eine solche Verstellung der Kommutatorbürsten auch dann erforderlich, wenn der synchrone Lauf kompensierter Asynchronmaschinen jeder Art bei Änderung der Last aufrechterhalten werden soll.Arrangement for the automatic adjustment of the brushes when in operation synchronous single or polyphase AC commutator machines as known must, in the case of shunt excitation of synchronous AC machines, whereby the excitation current is drawn from the network in parallel to the stator winding and this alternating current is supplied to the excitation winding by a commutator Brushes feeding the commutator when the load and power factor change, in order to achieve favorable commutation ratios, can be adjusted. Even if, if the excitation voltage is not purely bypassing the network, but a compound transformer is removed, this necessity cannot always be avoided. Also is Such an adjustment of the commutator brushes is also necessary when the synchronous Maintain running of all types of compensated asynchronous machines when the load changes shall be.

Die Verbesserung des Leistungsfaktors bei diesen Maschinen geschieht bekannterweise so, daß man der Sekundärwicklung durch Kommutator und Bürsten eine Spannung entsprechender Frequenz aufdrückt, die man dem Netz meistens parallel zur Primärwicklung entnimmt. Bei diesen Maschinen, insbesondere aber bei denen, wo die Primärwicklung im Ständer liegt, ist die Kommutierung bei Synchronismus am günstigsten, da hierbei in der durch Kommutator und Bürsten kurzgeschlossenen Windung durch das Drehfeld. keile Spannung induziert wird.The improvement of the power factor in these machines happens as is known so that one of the secondary winding by means of a commutator and brushes Voltage of the corresponding frequency, which is usually parallel to the network Primary winding removes. With these machines, but especially with those where the If the primary winding is in the stator, the commutation is most favorable with synchronism, because here in the winding short-circuited by the commutator and brushes through the Rotating field. Wedges tension is induced.

,Man hat in-der letzten Zeit oft versucht, diese=. Maschinen und auch Asynchronmaschinen zu synchronisieren, um so die Vorteile der Synchronmaschine (guter Leistungsfaktor, ferner die Möglichkeit der Regulierung desselben mit der ,gleichzeitigen -Möglichkeit die Maschine ,als Blindleistungsmaschine zu betreiben-sowie, wie eben bemerkt, keine Kommutierungsschwierigkeiten wie bei der Compoundmaschine außerhalb des Synchronismus zu erhalten) mit denen der Asynchronmaschine (günstiger Anlauf u. dgl.) zu verbinden. Man wollte dies im allgemeinen dadurch erreichen, daß man bei Synchronismus dem Asynchronmotor bzw. dem kompensierten Asynchronmotor durch Schleifringe Gleichstrom zuführte."Lately one has often tried this =. Machines and also Synchronize asynchronous machines in order to take advantage of the synchronous machine (good Power factor, furthermore the possibility of regulating the same with the, simultaneous -Possibility to operate the machine as a reactive power machine-as well as just like noticed, no commutation difficulties as with the compound machine outside synchronism) with those of the asynchronous machine (favorable start-up and the like) to connect. One generally wanted to achieve this by in the case of synchronism, the asynchronous motor or the compensated asynchronous motor Slip rings supplied direct current.

Erfindungsgemäß sollen dagegen diese Maschinen ohne Zuhilfenahme einer fremden Gleichstromquelle in der Nähe des Synchronismus selbsttätig ohne Änderung der Maschinenschaltung dadurch synchronisiert werden, daß sich die Kommutatorbürsten selbsttätig immer in die -für die, Kommutation günstigste und zur Erzielung und Aufrechterhaltung des synchronen Laufes nötige Lage verstellen. Dies wird dadurch erzielt, daß.. die Kommutatorbürsten bzw. ihre Halter bei synchronem Lauf der Wechselstrommaschinen mit dem drehbaren Außenanker eines elektromagnetischen Differentialgetriebes fest verbunden sind, dessen Verwendung als Schlüpfungsmesser bereits bekannt ist. Dieses Getriebe besteht aus einem die Erregerwicklung tragenden Rotor mit ausgeprägten Polen 1Z2 (Abb. i und 5), der dieselbe Polzahl besitzt wie die Hauptmaschine und mit derselben mechanisch gekuppelt ist, und aus einem drehbaren, Außenanker A2, der entweder Wechselstromwicklung oder Gleichstromwicklung mit Anzapfungen trägt, dessen Ausführungen bzw. Anzapfungen an die Schleifringe S geführt sind. An diese Schieifrülge wird die Spannung EK der Erregerbürsten B der Hauptmaschine gelegt, ganz gleichgültig, ob diese den zu kommutierenden Wechselstrom vom Netz direkt oder durch Zwischenschaltung von Transformatoren in Parallel-, Serien- oder Compoundschaltung zum Stromkreis der Hauptmaschine erhalten. Zwischen SchleifringeS und BürstenE werden zur Erhöhung der Induktivität zweckmäßig Drosselspulen D geschaltet (Abb. i). Die Rotorerregung des Differentialgetriebes ist so einzustellen, daß der Größenunterschied zwischen induzierter EMK EA2 (Leerlaufspannung) im Anker des Differentialgetriebes und der angelegten Spannung .EK möglichst klein wird. Eine Einstellung der Spannungen auf vollkommene Gleichheit ist dabei nicht nötig. Sind die Spannungen EK und EA2 in dein Stromkreis S-D-B (Abb. i ) in Gegenphase, so entsteht eine Differenzspannung ED, die entweder mit EK oder mit EA2 in Phase ist. Mithin läuft der Strom, da im Stromkreis durch die Drosselspulen und Induktivität der Ankerwicklung von A2 der induktive Widerstand überwiegt, ED und EA2 mit beinahe 90° nach. Das Differentialgetriebe bleibt also unbelastet, auch dann, falls EX mit EA2 in Größe nicht genau übereinstimmt; ein Drehmoment auf A2 wird nicht ausgeübt. Sind aber die beiden Spannungen von ihrer synchronen Lage, also von der Lage der Phasenopposition im Stromkreise S-D-B um einen Winkel Y verschoben, so entsteht eine resultierende Spannung ER", die einen StromJ erzeugt, dessen Wirkkomponente bei einem Voreilen von EA2 gegenüber der Lage der Phasenopposition der Spannungen (Lage y= o) das Differentialgetriebe als Generator, bei einem Nacheilen als Motor belastet (Abb. 2 und 3). Im ersten Falle wird A2 von 1Z2 mitgenommen und der Vektor EA2 dadurch zurückgedreht; im zweitenWalle dreht sich A2 gegen die Drehrichtung von R2; hierdurch dreht sich Vektor EA2 im Diagramm vorwärts. A2 dreht sich hierbei so lange, falls die Reibungsverluste genügend klein sind, bis EK und EA2 wieder in Gegenphase sind. Verschiebt sich also der eine Vektor aus dieser Lage um den Winkel a ^(, so dreht sich A2 um den räumlichen Winkel bis die Phasenopposition wieder hergestellt ist, wobei p2 die Polpaarzahl des Differentialgetriebes ist.According to the invention, on the other hand, these machines should be automatically synchronized without the aid of an external direct current source in the vicinity of the synchronism without changing the machine circuit, in that the commutator brushes always automatically adjust themselves to the position that is most favorable for commutation and necessary to achieve and maintain synchronous running. This is achieved in that .. the commutator brushes or their holders are firmly connected to the rotatable outer armature of an electromagnetic differential gear, the use of which as a slip meter is already known, when the alternating current machines run synchronously. This gearbox consists of a rotor with pronounced poles 1Z2 (Fig. I and 5) carrying the excitation winding, which has the same number of poles as the main engine and is mechanically coupled to it, and a rotatable, external armature A2, which has either an alternating current winding or a direct current winding with taps carries, whose designs or taps are guided to the slip rings S. The voltage EK of the exciter brushes B of the main machine is applied to this gap, regardless of whether they receive the alternating current to be commutated from the mains directly or through the interconnection of transformers in parallel, series or compound circuit to the main machine's circuit. Choke coils D are expediently connected between slip rings S and brushes E to increase the inductivity (Fig. I). The rotor excitation of the differential gear must be set so that the size difference between the induced EMF EA2 (open circuit voltage) in the armature of the differential gear and the applied voltage .EK is as small as possible. It is not necessary to adjust the tensions to perfect equality. If the voltages EK and EA2 in the circuit SDB (Fig. I) are in phase opposition, a differential voltage ED arises which is either in phase with EK or EA2. The current therefore runs because the inductive resistance predominates in the circuit due to the choke coils and the inductance of the armature winding of A2, ED and EA2 lag behind by almost 90 °. The differential gear remains unloaded, even if EX does not exactly match EA2 in size; no torque is exerted on A2. If, however, the two voltages are shifted from their synchronous position, i.e. from the position of the phase opposition in the circuit SDB, by an angle Y, a resulting voltage ER "arises, which generates a currentJ whose active component is when EA2 leads the position of the phase opposition of the voltages (position y = o) the differential gear as a generator, when lagging as a motor (Fig. 2 and 3). In the first case, A2 is carried along by 1Z2 and the vector EA2 is thereby rotated back; in the second, A2 rotates against the direction of rotation from R2; as a result, vector EA2 rotates forwards in the diagram. A2 rotates here as long as the friction losses are small enough until EK and EA2 are again in phase opposition. If one vector moves from this position by the angle a ^ ( , A2 rotates through the spatial angle until the phase opposition is restored where p2 is the number of pole pairs of the differential gear.

Bei einer bestimmten Lage von A2 ist aber E,42 in Phase mit EAi der von den Polen induzierten inneren EMK (Leerlaufspannung) im Anker der synchronlaufenden Hauptmaschine. Da nun diese EMK zu der Lage der Pole der synchronlaufenden Hauptmaschine, mithin auch infolge der mechanischen Kupplung zu der Lage der Pole des Differentialgetriebes festgelegt ist, so ist bei einer Verdrehung von A2 um den Winkel a,. aus dieser Lage heraus die in A2 induzierte EMK EA2 gegen EA1 mit dem Winkel = a1 p2 verschoben. Da sich aber A2 immer so einstellt, daß EA1 mit EK in Gegenphase ist, so gibt gleichzeitig y1 = a1 p2 den Pha-Senve,rschebungswinkel.zwischenEAlun:dEK an.At a certain position of A2, however, E, 42 is in phase with EAi of the internal EMF (open circuit voltage) induced by the poles in the armature of the synchronous main machine. Since this EMF is now fixed to the position of the poles of the synchronous main machine, and consequently also to the position of the poles of the differential gear as a result of the mechanical coupling, if A2 is rotated by the angle α,. from this position the EMF EA2 induced in A2 shifted towards EA1 with the angle = a1 p2. However, since A2 always adjusts itself in such a way that EA1 is in phase opposition with EK, y1 = a1 p2 simultaneously gives the Pha-Senve, rschebungswinkel.betweenEAlun: dEK.

Werden nun z. B. die Erregerbürsten direkt an die Klemmen der synchronlaufenden Hauptmaschine gelegt, so ist EK = EKe (die Klemmenspannung), und es gibt y1 den inneren Phasenwinkel zwischen Klemmenspannung und der inneren, von den Polen induzierten EMK (EAi) .im. Diagramm der synchxomlaufenden Hauptmaschine an (Abb. q., wobei EN = Netzspannung, EAR die von der Ankerrückwirkung (Quer- und Gegen-A. W.) erzeugte fiktive EMK, Est die Streuspannung, ER der Ohmsche Spannungsabfall und J1 der Strom ist). Werden die Bürsten B nicht im Nebenschluß, sondern auf irgendeine andere ; Weise (z. B. Compoundtransformator) angeschlossen, so läßt sich auch der innere Phasenwinkel der beiden EMK EK und EAi bei Kenntnis der Schaltung und der Streuspannungen der Transformatoren aus der räum- j lichen Verdrehung des drehbaren Ständers A2 ermitteln. Werden die Erregerbürsten bei einer bestimmten Phasenverschiebung von EI und EAl so eingestellt, daß die Kommutierung am günstigsten ist, und verändert sich nun die Phasenlage der beiden Vektoren, um den Winkel Ay, so müssen, da EAi zu der Lage der Pole, mithin also auch zur Lage des Kommutators festgelegt ist, und EK die Bürstenspannung ist, die Bürsten auch um den Winkel Aa Ay (P1 = Polpaarzahl der synchronlaufenden Hauptmaschine) verdreht werden, damit sie wieder in ihre neutrale Zone kommen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß die Bürsten auf dem drehbaren Anker A2 des Differentialgetriebes eingestellt werden, der sich auch um den Winkel dreht, sobald pl = p'2 ist. Hiernach brauchen, nachdem der Läufer des Differentialgetriebes erregt wurde, und A2 sich in seine synchrone Lage einstellte, die Bürsten daran nur einmal richtig eingestellt werden, so daß die Kommutierung dann auch bei - anderer Last und anderem Leistungsfaktor selbsttätig immer am günstigsten ist.Are now z. If, for example, the exciter brushes are placed directly on the terminals of the synchronous main machine, then EK = EKe (the terminal voltage), and y1 gives the inner phase angle between the terminal voltage and the inner EMF induced by the poles (EAi) .im. Diagram of the synchronous main engine on (Fig. Q., Where EN = mains voltage, EAR is the fictitious EMF generated by the armature feedback (transverse and counter-AW), Est is the stray voltage, ER is the ohmic voltage drop and J1 is the current). If the brushes B are not in shunt, but on some other; If the circuit and the stray voltages of the transformers are known, the internal phase angle of the two EMFs EK and EAi can also be determined from the spatial rotation of the rotatable stator A2. If the excitation brushes are set at a certain phase shift of EI and EAl so that the commutation is most favorable, and if the phase position of the two vectors changes by the angle Ay, then EAi must be related to the position of the poles, therefore also is fixed for the position of the commutator, and EK is the brush voltage, the brushes also by the angle Aa Ay (P1 = number of pole pairs of the synchronous main machine) are rotated so that they come back into their neutral zone. This is achieved according to the invention in that the brushes are set on the rotatable armature A2 of the differential gear, which also rotates through the angle as soon as p1 = p'2. After that need, after the rotor of the differential gear has been excited, and A2 adjusted itself in its synchronous position, the brushes are only correctly adjusted once, so that the commutation is then automatically always the cheapest even with - different load and different power factor.

Die Anordnung ist selbstverständlich auch dann ausführbar, wenn anstatt eines Kommutators rotierende Bürsten zur Gleichstromabnahme dienen, wobei der stillstehende Kommutator, auf welchem die Bürsten gleiten, so angeordnet wird, daß er sich mit A2 zwangsweise verstellt, sowie auch dann, falls der Anker der Synchronmaschine rotiert. Hierbei wird zweckmäßig der Anker des Differentialgetriebes innen ,rotierend und seine Pole außen drehbar angeordnet. Der sich drehende Innenanker wird mit der rotierenden Wechselstromquelle der Selbsterregung verbunden, während die für die Selbsterregung Gleichstrom abnehmenden Bürsten an dem verstellbaren Außenpolkranz befestigt werden.The arrangement can of course also be implemented if instead of of a commutator rotating brushes are used to draw direct current, the stationary Commutator, on which the brushes slide, is arranged so that it moves with it A2 forcibly adjusted, as well as if the armature of the synchronous machine rotates. In this case, the armature of the differential gear is expediently rotating on the inside and its poles are rotatably arranged on the outside. The rotating inner anchor is connected to the rotating alternating current source of self-excitation connected while the for the Self-excitation direct current decreasing brushes on the adjustable outer pole ring be attached.

Das Differentialgetriebe kann selbstverständlich auch von der Hauptmaschine mittels einer Übersetzung angetrieben werden. Hierbei ist zwischen Bürstenhaltervorrichtung und verstellbarem Anker des Getriebes auch-dieselbe Übersetzung zu schalten und die Polzahl des Getriebes entsprechend zu wählen. Um dasselbe Differentialgetriebe für verschiedene Maschinen und Erregerspannungen verwenden zu können, kann im Stromkreis S-D-B auch ein Transformator geschaltet werden, wobei wegen der Streuspannungen desselben die Bürsten, falls diese vorher schon ohne Transformator eingestellt waren, etwas zu verstellen sind. - Das Differentialgetriebe kann permanente Magnete haben, da seine Leistung sehr klein ist, kann aber auch mit dem durch den Kommutator gleichgerichteten Strom erregt werden- (s. Abb. 5); hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, daß der Läufer des Differentialgetriebes ausgeprägte Pole trägt, damit sich bei einer plötzlichen Belastungsschwankung die räumliche Lage des Feldes gegenüber den Polen nicht ändert.The differential gear can of course also be from the main engine be driven by means of a translation. Here is between the brush holder device and adjustable armature of the gearbox also-to shift the same translation and to choose the number of poles of the gearbox accordingly. To the same differential gear for different machines and excitation voltages can be used in the electric circuit S-D-B can also be connected to a transformer, because of the stray voltages the same the brushes, if they were previously set without a transformer, something to be adjusted. - The differential gear can have permanent magnets, since its power is very small, it can also be rectified with the commutator Current are excited- (see Fig. 5); from this arises the necessity that the The rotor of the differential gear carries pronounced poles, so that in the event of a sudden Load fluctuation does not change the spatial position of the field in relation to the poles.

Die Einrichtung ist für synchronlaufende Drehstrom- wie auch für Einphasenmotoren mit Kommutator anwendbar. Selbstverständlich muß die Möglichkeit der Entnahme der entsprechenden Stromart für A2 vorhanden sein. Außerdem ist, wie bereits in der Einleitung beschrieben, diese Einrichtung gleichzeitig auch für Synchronisierung und Aufrechterhaltung des synchronen Laufes asynchron anlaufender Kommutatormotoren verwendbar. Hierbei wird bei unter- oder übersynchronem Lauf die Erregung des Differentialgetriebes nicht eingeschaltet und die Bürsten fest in eine Lage eingestellt, wie es das gewünschte Drehmoment, Drehzahl und Leistungsfaktor erfordern. In der Nähe des Synchronismus wird dann das Differentialgetriebe erregt, die feste Einstellung der Bürsten gelöst, so daß diese sich nun mit dem Anker des Differentialgetriebes zusammen so einstellen, daß im Läufer der Hauptmaschine Gleichstrom fließt. Dies ist auch dann der Fall, wenn der Rotor gegenüber dem Statorfeld schlüpft oder-hm voreilt, da der Anker des Differentialgetriebes sich dann mit den Bürsten zusammen so dreht, daß im Rotor ein Feld entsteht, das in Bezug auf die räumliche Lage des Rotors fest steht. Dem Hauptmotor wird dadurch eine synchrone Charakteristik verliehen, die er so lange behält, als der Bürstenantrieb eingeschaltet bleibt.The device is for synchronous three-phase as well as single-phase motors applicable with commutator. Of course, the possibility of removing the corresponding type of current for A2 must be available. Also, as in the Introduction described, this facility also for synchronization and maintaining the synchronous running of asynchronous starting commutator motors usable. In this case, the differential gear is excited in the case of undersynchronous or oversynchronous running not switched on and the brushes firmly set in a position as desired Require torque, speed and power factor. Close to synchronism if the differential gear is excited, the fixed setting of the brushes is released, so that these now adjust together with the armature of the differential gear in such a way that that direct current flows in the rotor of the main machine. This is also the case when the rotor slips in relation to the stator field or leads-hm, because the armature des Differential gear then rotates together with the brushes so that in the rotor a field is created that is fixed in relation to the spatial position of the rotor. To the This gives the main engine a synchronous characteristic that it lasts for so long remains when the brush drive remains switched on.

Dasselbe kann auch dadurch erzielt werden, daß das Differentialgetriebe immer :eingeschaltet ist, wobei sich sein Anker der Schlüpfung des Hauptmotors entsprechend dreht, aber mit der Bürstenhaltervorrirhtung direkt oder mittels einer nur dann gekuppelt wird, falls Synchronismus eintritt, was eben durch den Stillstand des Ankers A2 und sein Einstellen m eine bestimmte Lage gekennzeichnet wird.The same can also be achieved in that the differential gear always: is switched on, with its armature corresponding to the slip of the main engine rotates, but with the brush holder device directly or by means of one only is coupled, if synchronism occurs, which is just due to the standstill of the Anchor A2 and its setting m a specific location is marked.

Durch die beschriebene Anordnung ,ergibt sich also die Möglichkeit, Wechselstrommaschinen mit Kommutator zu synchronisieren, wobei bei synchronem Betrieb die Bürsten sich immer so verstellen, daß die Kommutierung am günstigsten ist. Es wird dadurch möglich, in derselben Wechselstrommaschine ohne Änderung der Maschinenschaltung die Vorteile des synchronen und asynchronen Betriebes zu vereinigen.Due to the described arrangement, there is the possibility of To synchronize alternating current machines with commutator, with synchronous operation the brushes are always adjusted so that the commutation is most favorable. It becomes possible in the same AC machine without changing the machine circuit to combine the advantages of synchronous and asynchronous operation.

mu.ß das Differentialgetriebe nur so groß gebaut werden, daß es ein Verschieben oder Festhalten der Bürsten gegen das Reibungsdrehmoment bewerkstelligt, außerdem kann es als Synchronismus-, Schlüpfung- und Pdiasenwinkelanzeiger vom jeweiligen ein klares Bild geben.the differential gear must only be built so large that it is a Moving or holding the brushes against the frictional torque accomplished, It can also be used as a synchronism, slippage and slide angle indicator from the respective give a clear picture.

Claims

PATENT CLAIMS outside anchor R r. Arrangement for automatic adjustment of the brushes in single or multi-phase AC commutator machines that run synchronously, characterized in that the rotatable part of an electromagnetic differential gear, consisting of a magnet that is either excited by direct current or that carries permanent magnets Runner (2) with pronounced poles, the one with the alternating current machine is coupled, and an outer armature (A2), whose winding with the exciter brushes (B) the alternating current machine is conductively connected via inductances, the exciter brushes (B) to the commutator of the AC machine in the most favorable for the commutation and adjusted the position required to maintain synchronous running. '

2. Arrangement according to claim i for syn. Chran, isvaren of the main engine,; thereby, kernnmeichnet, @ that the @errete D.ilfferenüa.l: -getrieb.e with the brushes of the main motor in the Mechanically coupled proximity of the synchronism.

3. Arrangement according to claim i and a, da .-, durchlgekemmeichnet that the differential gear in synchronous operation the main machine is excited by the current rectified in the commutator.