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Einrichtung zur Verbesserung der Kommutierung von Gleichstrommaschinen
Nach einer weitverbreiteten Annahme erhält man günstige Kommutierungsverhältnisse,
wenn die Stromumkehr in den kommutierenden Spulen von Gleichstrommaschinen bei konstanter
linearer Stromdichte unter den Kommutatorbürsten vor sich geht. Der zeitliche Verlauf
der zu kommutierenden Stromstärke erscheint dabei als gerade Linie (a in Abb. i),
und demzufolge ist die Reaktanzspannung der Spule konstant. Diese Annahme führte
logischerweise zu der Forderung konstanter Felddichte unter den Wendepolen.
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Bei den neuzeitlichen wesentlich stärker als früher ausgenutzten Maschinen
treffen die genannten Voraussetzungen nicht mehr zu. Dagegen hat die Erfahrung gelehrt,
daß man bei diesen Maschinen sehr günstige Kommutierungsverhältnisse erhält, wenn
zu Beginn und am Ende der Stromwendung die Stromdichte unter den Bürsten praktisch
Null ist. Die Stromzeitkurve verläuft dann ähnlich einer Cosinuslinie (b in Abb.
i), d. h. mit zur Abszisse parallelen Tangenten im Anfangs- und Endpunkt der Kommutierung
(t - t, bzw. t = t,), und die Reaktanzspannung ist in den beiden Augenblicken,
wo die Lamelle mit der Kommutatorbürste in Berührung tritt bzw. sie wieder verläßt,
ebenfalls Null. Da aber Stromdichte und Reaktanzspannung das Maß der durch die Kommutatorbürsten
zu schaltenden Energie bestimmen, ist die Wahrscheinlichkeit, mit einer derartigen
Z-förmig verlaufenden Stromzeitkurve eine funkenlose Kommutierung zu erhalten, weit
größer als bei geradlinigem Verlauf dieser Kurve. Auf dieser neuen Erkenntnis, daß
eine einwandfreie Stromwendung sich immer dann mit Sicherheit erwarten läßt, wenn
sie nicht gleichförmig verläuft, sondern in der .ersten Hälfte ihrer Zeitdauer verzögert,
in der zweiten dagegen beschleunigt wird, beruht die vorliegende Erfindung. Ein
solcher Verlauf der Stromwendung ist aber möglich, sobald es gelingt, das bisher
übliche Wendefeld konstanter Dichte durch ein Wendefeld zu ersetzen, dessen Dichte
in Richtung der Ankerdrehung von einem kleineren zu einem größeren Wert fortschreitet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich dies unter Zuhilfenahme
einer Einrichtung, die für andere Zwecke vorgeschlagen worden ist, nämlich unter
Verwendung von Nebenpolen, die zwei in der Umfangsrichtung des Ankers hintereinanderliegende,
durch eine Pollücke voneinander getrennte Teile verschieden starker Durchflutung
aufweisen, wobei eine beiden Teilen gemeinsame Grunderregung und je eine abschwächend
bzw. verstärkend wirkende zusätzliche Erregung vorgesehen ist, erreichen, und zwar
dadurch, daß
diese Nebenpole als Wendepole verwendet werden, indem
gleichzeitig die Erregerwicklungen so geschaltet werden, daß die Drarchflutung im
Sinne der Ankerdrehung zunimmt.
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Eine besondere Bedeutung gewinnt die Erfindung bei allen solchen stark
ausgenutzten Maschinen, deren Kommutierungsgrenze nicht allein durch die mittleren
Grundwerte von Reaktanz und Wendespannung, sondern auch durch übergelagerte Pulsation
verschiedener Herkunft bestimmt ist. Es ist daher bei derartigen Maschinen ganz
besonders erwünscht, ein Mittel zur Veränderung der Wendefelddichte in der Ankerumfangsrichtung
in die Hand zu bekommen und die endgültige Einstellung derselben erst beim Probelauf
vornehmen zu können. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung
mit gelöst.
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In der Zeichnung ist der den Gegenstand der Erfindung bildende Wendepol
durch die Abb. 2 bis 5 an mehreren Ausführungsbeispielen schematisch veranschaulicht,
während Abb.6 einen schematischen Schnitt durch einen zweipoligen Einankerumformer
darstellt, der mit Wendepolen gemäß der Erfindung versehen ist.
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Abb. 2 zeigt zwei in der Umfangsrichtung des Ankers i hintereinander
angeordnete Magnetschenkels z und 3 eines Wendepols, deren jeder mit einer besonderen
Erregerwicklung 4 bzw. 5 versehen ist. Die Amperewindungszahl der beiden Erregerwicklungen
4 und 5 ist dabei so bemessen, daß die Durchflutung der beiden Magnetschenkel verschieden
stark, und zwar im Sinne der Ankerdrehung zunehmend ist.
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Die Ausführungsform nach Abb.3 unterscheidet sich von der beschriebenen
nur dadurch, daß die Wicklungen 4 und 5 der Magnetschenkel 2, 3 in entgegengesetztem
Sinne hintereinandergeschaltet und daß beide Magnetschenkel von einer gemeinsamen
dritten Erregerwicklung 6 umgeben sind. Durch die von einem der Ankerstromstärke
proportionalen Strome durchflossene Erregerwicklung 6 wird die Grunderregung des
Wendepols erzeugt, während die zusätzlichen Erregerwicklungen 4 und 5 lediglich
eine die Wirkung der Wicklung 6 unter dem einen Magnetschenkel abschwächende und
unter .dem anderen verstärkende Wirkung ausüben. Dabei kann die Erregerstromstärke
in den zusätzlichen Wicklungen 4 und 5 je nach Bedarf vom Ankerstrome abhängig oder
unabhängig sein.
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Abb.4 zeigt eine andere, weniger Wicklungskupfer beanspruchende Ausführungsform
des Wendepolkärpers. Die gemeinsame Erregerwicklung 6 für die Grunderregung ist
hier auf einem Polkern 7 angeordnet, der sich in zwei die zusätzlichen Erregerwicklungen
4, 5 tragende Magnetschenkel 8 und 9 gabelt. Jeder der beiden Magnetschenkel 8 und
9 trägt noch eine besondere Kurzschlußwicklung io bzw. i i, die den Zweck hat, die
Pulsationen des die Magnetschenkel 8, 9 durchsetzenden Wendepolfeldes zu dämpfen.
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Werden die Kurzschlußwicklungen der Magnetschenkel 8, 9 so
ausgeführt, wie in Abb. 4 dargestellt, so dämpfen sie sowohl die magnetischen Längslinien
als auch die Querlinien. Dadurch wird aber außer den schädlichen Pulsationen des
Wendefeldes bei Stromstößen auch ein Teil der nützlichen Wendefeldlinien mit unterdrückt.
Führt man dagegen die Kurzschlußwicklungen nach Abb.5 in der Weise aus, daß die
beiden Wicklungen zu einer einzigen Wicklung 12 vereinigt sind, deren auf den beiden
Magnetschenkeln 8, 9 sitzende Hälften gegeneinandergeschaltet sind, so werden nur
magnetische Längslinien abgedämpft, nicht aber die quer verlaufenden Nutzkraftlinien
des Wendefeldes.
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Abb. 6 stellt einen zweipoligen Einankerumformer dar, der mit Wendepolen
gemäß der Erfindung ausgerüstet ist. Die Erregung der Wendepole 13, 14 wird durch
je eine im gleichstromseitigen Hauptstromkreise des Umformers liegende Grunderregerwicklung
15 und je zwei auf den Magnetschenkeln 16, 17 bzw. 18, i9 des Wendepolkörpers sitzende
zusätzliche Erregerwicklungen 2o, 21 bewirkt. Die Hauptpole 22, 23 des Einankerumformers
tragen je eine an die Maschinenklemmen 24, 25 angeschlossene Nebenschlußwicklung
26 und eine zweite mit den zusätzlichen Wendepolerregerwicklungen 20, 21 in Reihe
geschaltete Erregerwicklung 27. Jeder der beiden Erregerströme ist durch einen Regler
28 bzw. 29 unabhängig von dem andern regelbar. Zweckmäßig stellt man den im Stromkreise
der Hauptfeldwicklung -26 liegenden Regler 28 so ein, daß sich ein Leistungsfaktor
cos p - i des Umformers ergibt. Die durch den Regler 29 beeinflußte Hilfserregerwicklung
27 dient dann lediglich zur Herstellung einer Über- oder Untererregung, d. h. zur
Erzeugung des den Blindstrom des Einankerumformers induzierenden Feldes. Die zusätzlichen
Wendepolwicklungen 20, 21 bewirken bei dieser Anordnung eine Kompensation der vom
Blindstrom hervorgerufenen Ankerrückwirkung, die unter den Wendepolen als Querfeld
aufritt und die Kommutierung beeinträchtigt. Wegen der Hintereinanderschaltung der
Wendepolwicklungen 2o und 21 mit der den Blindstrom induzierenden Hilfserregerwicklung
27 ist diese Kompensationswirkung stets der Stärke des Blindstromes und der durch
ihn verursachten Ankerrückwirkung proportional.
Die Erfindung läßt
sich auch noch dahin abändern, daß statt der getrennt gewickelten ausgeprägten Magnetschenkel
nach den Abb.2 bis q. oder 6 eine in Nuten der Wendepolschuhe eingebettete gleichmäßig
verteilte Wicklung nach Art der bekannten Kompensationswicklungen verwendet wird.
Hierdurch läßt sich ein allmählicher übergang von der kleineren zur größeren Wendepolfelddichte
erzielen.