DE573405C - Anordnung bei Asynchronmaschinen, in deren Sekundaerstromkreis eine insbesondere fuer Phasenkompensierung dienende Mehrphasen-Kommutatorhintermaschine eingeschaltet ist - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Drehzahlregelung und Phasenkompensierung oder auch nur zur Phasenkompensierung von Asynchronmaschinen mittels einer in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine eingeschalteten Mehrphasen-Kommutatorhintermaschine, die mit Selbsterregung arbeitet. Die Kommutatorhintermaschine besitzt in bekannter Weise eine vom Kommutator aus in Nebenschluß gespeiste Erregerwicklung im Ständer; für den Arbeitsstrom an der Kommutatorhintermaschine und für den Nebenschlußerregerstrom sind gesonderte Bürsten vorgesehen.

Die Erfindung besteht darin, daß Einrichtungen für die Einstellung eines beliebigen räumlichen Phasenwinkels zwischen den Bürsten für den Arbeitsstrom und den Bürsten für den Erregerstrom (z. B. gesonderte und

ao unabhängig voneinander verdrehbare Bürstenbrücken) vorgesehen sind. Die Anordnung der gegenüber den Arbeitsbürsten gesondert regelbaren Erregerbürsten ermöglicht eine Regelung der Drehzahl der asynchronen Vordermaschine, wobei, wie spater erläutert, die Erregerbürsten räumlich in der Phase gegenüber den Hauptbürsten verschoben werden. Man kann aber auch die Phasenkompensierung mit Hilfe der Bürstenverschiebung auf beliebige und von der Belastung der asynchronen Vordermaschine im wesentlichen unabhängige Werte einstellen, indem man den Erregerbürstensatz doppelt ausführt und den gegenseitigen Abstand zweier einer Phase zugehöriger Bürsten am Kommutator verändert. An sich ist eine für die Phasenkompensierung dienende Kommutatorhintermaschine mit vom Kommutator aus gespeister Nebenschlußerregerwicklung im Ständer bereits bekannt. Bei dieser Anordnung sind aber die Bürsten für die Erregerwicklung und die Bürsten für den Arbeitsstrom nicht gegeneinander verschiebbar, so daß einerseits die Phasenkompensierung in der Stärke mittels Bürstenverschiebung nicht regelbar ist, anderseits auch eine Drehzahlregelung der asynchronen Vordermaschine mit Bürstenverschiebung nicht durchzuführen ist. Es ist anderseits auch schon eine regelbare Mehrphasenkollektormaschine mit festen Arbeitsbürsten und zur Regelung der Maschine verschiebbaren Erregerbürsten, die eine Nebenschlußerregerwicklung im Ständer speisen, bekannt. Es handelt sich dabei aber nicht um eine zwecks Phasenkompensierung oder Drehzahlregelung in den Sekundärstromkreis einer Asynchronmaschine eingeschaltete Kommutatorfiintermaschine, sondern um einen gewöhnlichen Kommutatormotor oder -generator. Die erfindungsgemäße Verwendung

einer derartigen Maschine für die Drehzahlregelung oder Phasenkompensierung von Asynchronmaschinen bringt einen technischen Fortschritt insofern mit sich, als damit zum erstenmal eine Drehstromkaskade mit selbsterregter Kommutatorhintermaschine geschaffen ist, bei der einerseits sowohl die Drehzahl, anderseits auch die Phasenkompensierung unabhängig von der Belastung und feinstufig ίο einstellbar ist und bei der außerdem noch eine Phasenkompensierung bei Leerlauf der asynchronen Vordermaschine erreicht ist. Derartige Eigenschaften bezüglich Drehzahlregelung und Phasenkompensierung waren bisher nur mit Kommutatorhintermaschinen möglich, die mit Fremderregung arbeiteten und für die besondere Regelorgane, wie regelbare Transformatoren, erforderlich waren.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Fig. 1 bis 7 der Zeichnung näher erläutert. Die Fig. 1 bis 4 dienen zur Erläuterung der Regelung der von der Kommutatorhintermaschine erzeugten Frequenz, wie sie für die Drehzahlregelung erforderlich ist. Die Fig. S dient zur Erläuterung der Regelung der von der Kommutatorhintermaschine erzeugten Spannung, die bei der Regelung der Phasenkompensierung, aber auch bei der Drehzahlregelung notwendig ist. Die Fig. 6 und 7 zeigen dann noch Abänderungen an der Kommutatorhintermaschine.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Maschine ist eine zweiphasige Maschine mit Kommutator. R bezeichnet die Ankerwicklung, die als geschlossene Gleichstromwicklung mit einem Kommutator ausgeführt ist, und S₁ und S₂ bezeichnen die beiden Phasen der Erregerwicklung im Ständer. Auf dem Kommutator sind zwei Bürstenpaare Ci₁-B₁ und a₂-b₂ vorgesehen. Jede Phase der Ständerwicklung wird durch die Läuferwicklung über die Bürsten geschlossen.

In der Fig. 2, die sich auf dieselbe Maschine wie die Fig. 1 bezieht, ist nur die Phase S₁ des Ständers dargestellt, während der Einfachheit halber die Phase S₂ weggelassen ist. In dieser Abbildung ist die Achse A-A der Bürsten O₁-O₁ um einen Winkel cc zur Achse B-B der Phase S₁ im Drehsinn der Maschine geneigt. Es wird vorausgesetzt, daß sich die Maschine mit einer gewissen Geschwindigkeit in der Pfeilrichtung dreht. Schickt man einen Strom I₁ durch die Wicklung S₁, die Bürsten O₁-B₁ und den Läufer, so erzeugen die Amperewindungen S₁ ein Feld 0_S und die Amperewindungen des Läufers ein Feld 0_R. In diesem Fall stellt Φ das resultierende Feld dar. Man sieht, daß¹ das Feld Φ₁ genau senkrecht zur Achse A-A der Bürsten O₁-Jb₁ gerichtet ist. Da der Läufer beim Drehen das Feld CP₁ schneidet, wird eine Spannung zwischen den Bürsten CL₁-B₁ induziert, und diese Spannung kann genügend sein, um den Strom I₁ aufrechtzuerhalten. In diesem Fall arbeitet die Maschine mit Selbsterregung.

Da die Richtung des resultierenden Feldes mit der Achse der Bürsten U₂-B₂ der anderen Phase zusammenfällt, wird zwischen diesen Bürsten (i₂-b₂ keine Spannung induziert, folglieh fließt auch kein Strom in der Phase S₂ des Ständers. Die Lage des angedeuteten Feldes (Fig. 2) ist also eine feste Lage, und die Maschine wirkt als Gleichstrommaschine.

Die Fig. 3 stellt dieselbe zweiphasige Maschine dar, bei der die Bürsten aber eine andere Stellung haben. Wenn in einem bestimmten Augenblick der Strom der Phase ^₁ einen Wert I₁ hat, wohingegen der Strom in der Phase ^₂ Null ist, findet man, daß das Gesamtfeld der Maschine Φ_± ist. Die Komponente des Feldes in der Richtung der Achse C-C ist dann <2>_c, und die Komponente des Feldes in der Richtung der Achse A-A der Bürsten O₁-O₁ ist Φ_Α. Das Feld Φ_α erzeugt eine Spannung zwischen den Bürsten Ci₁-B₁, und diese Spannung hat die Neigung, den Strom i_t aufrechtzuerhalten. Zugleich erzeugt das Feld Φ i eine Spannung zwischen den Bürsten a_ä-B₂, und diese Spannung go erzeugt einen Strom i₂ in der Phase S₂. Dieser Strom i_g erzeugt ein Feld Φ₂, das gegen das Feld Φ_χ um 90 ° in der Drehrichtung der Maschine verdreht ist. Dieses Feld Φ₂ erzeugt eine Spannung zwischen den Bürsten Ci₁-B₁, die bestrebt, ist, den Strom I₁ zu schwächen. Man sieht also, daß in dem in Fig. 3 dargestellten Fall das Feld der Maschine in der durch den Vektor Φ_χ angedeuteten Lage nicht feststeht, sondern daß das Feld sich notwendigerweise in der Drehrichtung der Maschine drehen muß. Für eine gewisse Geschwindigkeit des Läufers hängt die Drehgeschwindigkeit des Feldes von dem Winkel α der Bürstenverstellung sowie von der Impedanz des Erregerstromkreises ab. Die Drehgeschwindigkeit des Feldes wird geringer, wenn der Winkel α größer wird. Läßt man α wachsen, bis der Winkel zwischen dem Vektor φ! und der Achse A-A der Bürsten CL₁-B₁ gleich 90 ° wird, so wird die Drehgeschwindigkeit des Feldes gleich Null, und man hat eine Gleichstrommaschine, wie sie schon erläutert wurde.

Die Fig. 4 bezieht sich' auf dieselbe zweiphasige Maschine, aber in diesem Fall ist der Winkel α größer als derjenige nach der Fig. 2. Bei derselben Betrachtungsweise wie in dem vorhergehenden Fall findet man, daß sich das

Μφ_χ hier in dem umgekehrten Drehsinn der Maschine drehen muß (dieser letztere ist durch den Pfeil F angedeutet). In dem Fall

der Fig. 4 wächst die Drehgeschwindigkeit des Feldes mit dem Winkel α und verändert sich allmählich mit ihm.

Aus Vorstehendem ergibt sich, daß die Maschine bei konstanter Geschwindigkeit einen Strom erzeugen kann, dessen Frequenz zwischen einem gewissen positiven und einem gewissen negativen Wert regelbar ist, wobei die Frequenz als negativ angesehen wird, wenn die Reihenfolge der Phasen umgekehrt ist. Die -Regelung der Frequenz kann also auf eine sehr einfache Weise durch Verstellen der Bürsten erreicht werden. Für eine gewisse Stellung der Bürsten wird die Frequenz gleich Null,' und man erhält dann Gleichstrom. Die Maschine bleibt immer selbsterregend. Man kann also in der geschilderten Weise mittels Frequenzänderung die Drehzahl der asynchronen Vorderao maschine sowohl im Synchronismus als auch unter- oder übersynchron feinstufig regeln. Es soll jetzf erläutert werden, wie man die Spannung der Maschine unabhängig von der Frequenz regeln kann, was für die Regelung der Phasenkompensierung der Asynchron-' maschine erforderlich ist. Aus Vorstehendem ergibt sich, daß für einen bestimmten Wert der Impedanz des Erregerstromkreises die Frequenz des Stromes der Maschine, also im wesentlichen durch die Stellung der Bürsten, bestimmt ist. Diese Frequenz ist Null, wenn die Bürsten derart eingestellt sind, daß das Feld Φ _± senkrecht zur Achse A-A der Bürsten O₁-O₁ steht, und in diesem Fall erzeugt die Maschine Gleichstrom. Die Spannung an den Bürsten und der Strom I₁ sind durch die Geschwindigkeit der Maschine bestimmt.

Die Fig. 5 zeigt eine andere Lage der Bürsten, bei der die Maschine gleichfalls Gleichstrom erzeugt, vorausgesetzt, daß das Feld Φ_χ senkrecht zur Achse A-A steht; aber da in diesem Fall die Entfernung der Bürsten CZ₁-O₁ geringer ist als in dem Fall der Fig. 2, ist es klar, daß die Spannung zwischen diesen gleichen Bürsten geringer ist als in dem Fall der Fig. 2, und daß folglich der Erregerstrom I₁ geringer ist. Man sieht, daß man die Spannung der Maschine regeln kann, indem man die Entfernung der zu derselben Phase gehörenden Bürsten verändert. Die Spannung der Maschine hängt also von der gegenseitigen Entfernung der Bürsten derselben Phase ab, während die Frequenz von der Lage des Feldes Φ_χ zur Achse A-A dieser Bürsten abhängt. Es ist somit möglich, unabhängig die Spannung und die Frequenz der Maschine ohneHilfsvorrichtung einfach durch Verstellen der Bürsten zu regeln. Um die Entfernung der Bürsten a-b ändern zu können, kann die Maschine mit zwei besonderen 1 Kränzen versehen werden, von denen der eine die Bürsten α und der andere die Bürsten b trägt.

Im vorstehenden wurde die Maschine lediglieh beim Leerlauf betrachtet, und der Strom, von dem die Rede war, ist nur der Erregerstrom der Maschine selbst. Jedoch kann eine solche Maschine augenscheinlich auch im belasteten Zustande arbeiten, sei es als Motor, sei es als Generator mit Selbsterregung. Der Arbeitsstrom kann den Bürsten α allein oder den Bürsten b allein entnommen werden. Es ist auch möglich, jede Phase des Arbeitsstromes zwischen einer Bürste α und der ent- sprechenden Bürste b abzunehmen. Endlich kann man den Arbeitsstrom durch besondere Bürsten schicken, wobei die Bürsten α und b nur für den Erregerstrom vorgesehen bleiben. Im letzteren Fall können die von dem Arbeitsstrom durchftossenen Bürsten wie in den anderen Fällen fest oder verstellbar sein, und es ist nicht nötig, daß der .Arbeitsstrom dieselbe Phasenzahl hat wie der Erregerstrom.

Die Fig. 6 gibt ein Schema einer Maschine, welche, was die Regelung der Frequenz und der Spannung betrifft, alle Eigenschaften der Maschine nach den Fig. 1 bis 5 besitzt und außerdem den Vorteil bietet, daß die Frequenz und die Spannung im wesentlichen von dem Arbeitsstrom unabhängig sind. In dieser Figur bezeichnet /C₁ eine Phase einer Kompensationswicklung, die mit der Läuferwicklung R mittels zweier fester Bürsten C₁ und Ci₁ in Reihe geschaltet ist. Die anderen Bürsten entsprechen beispielsweise denen der Fig. 3. Der Arbeitsstrom J₁ fließt also durch die Kompensationswicklung K₁ und durch die Läuferwicklung R über die festen Bürsten C₁ und Ci₁. Der Erregerstrom I₁ fließt durch die Wicklung-S₁ und durch, die verstellbaren Bürsten Ci₁ und (J₁. Es ist klar, daß man die Wicklung K₁ derart bemessen kann, daß der Arbeitsstrom keinen Einfluß auf das Feld der Maschine hat. Man sieht also, daß die in Fig. 6 schematisch dargestellte Maschine selbsterregend ist, und daß sie eine regelbare, aber von dem Arbeitsstrom unabhängige Spannung und Frequenz gibt. Die Erregerwicklung 6* muß ebenso wie das System no der Bürsten α und b in mehreren Phasen gewickelt werden, aber die Kompensationswicklung K und das System der Bürsten c und d, wenngleich sie mehrere Phasen bei einer Maschine mit mehrphasiger Belastung aufwei- χ sen, brauchen in dem Fall einer einphasigen Maschine nur eine einzige Phase zu besitzen. Man kann auch die Kompensationswicklung derart bemessen, daß der Arbeitsstrom einen gewünschten Einfluß auf die Frequenz und die Spannung der.Maschine hat, beispielsweise durch Sehrägstellen ihrer Wicklungs-

achse gegenüber der Achse der festen Bürsten e und d oder durch Änderung ihrer Windungszahl.

Die beschriebene Kommutatorhintermaschine kann also an die Schireifringe der asynchronen Vordermaschine einen Strom von regelbarer Frequenz und Spannung abgeben, die Maschine erfüllt also alle Bedingungen zur Sicherung der Regelung der Geschwindigkeit der Induktionsmaschine und erlaubt außerdem, den Synchronismus zu durchschreiten, selbst wenn die Belastung beträchtlich gesteigert wird. Sie erlaubt auch, den Leistungsfaktor des Motors zu verbessern und zu regeln.

Die Kommutatormaschine kann mit konstanter Geschwindigkeit durch einen Synchronmotor (der dann wattlosen Strom an das Netz liefern kann) oder mit einer fast ao konstanten Geschwindigkeit durch einen Asynchronmotor angetrieben werden. Endlich kann sie auf derselben Welle wie der Induktionsmotor, dessen Geschwindigkeit man regeln will, angebracht werden.

Es ist klar, daß dieselbe Kommutatormaschine auch ausschließlich zu dem Zweck ausgenutzt werden kann, den Leistungsfaktor eines Induktionsmotors zu verbessern, wenn die Regelung der Geschwindigkeit nicht nötig ist. In einem solchen Fall arbeitet die Kommutatormaschine einfach als Phasenschieber und bietet den wichtigen Vorteil, daß der Leistungsfaktor verbessert wird, selbst wenn der Asynchronmotor leer läuft. Man kann natürlieh diese Kommutatormaschine als Erreger eines Asynchrongenerators benutzen.

Man kann die beschriebene Kommutatorhintermaschine auch, statt sie unmittelbar in den Sekundärstromkreis der Asynchronmaschine einzuschalten, als Erreger einer anderen in den Sekundärstromkreis eingeschalteten Kommutatorhintermaschine benutzen, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Die Einrichtung dieser Abbildung kann als ein Ausführungsbeispiel der Maschine nach Fig. 6 betrachtet werden, in welcher die Erregerwicklungen mit den Bürsten a-b sowie die Kompensationswicklung K-K und die Bürsten c-d auf je einer besonderen Kommutatormaschine angeordnet sind. In den Figuren sind nun O₁, b_x, C₁, d_t, K₁ usw. für eine Phase dargestellt. ^a2> ΐ*2> ^C2> dü> K₂ ^usw. für die zweite Phase müssen hinzugedacht werden. Jedoch ist es nötig, auf dieser zweiten Maschine eine Erregerwicklung S₁-S₂ anzubringen (in der Fig. 7 ist mit .T₁ eine Phase der Erregerwicklung des Erregers bezeichnet). Diese Einrichtung nach der Fig. 7 hat den Vorteil, daß der kleine Erreger leicht mit verstellbaren Bürsten versehen werden kann, während die andere Maschine, die normal viel größer ist, sehr einfach mit festen Bürsten und gegebenenfalls mit Hilfspolen versehen werden kann. Durch W₁ ist eine regelbare Impedanz dargestellt, die in Reihe mit der Erregerwicklung des kleinen Erregers geschaltet ist und welche erlaubt, die Spannung des Erregers zu regeln, ohne die Lage der Bürsten zu ändern. Ebenso bezeichnet W₁ eine regelbare Impedanz, die mit. der Erregerwicklung der großen Kommutatormaschine in Reihe geschaltet ist, und W₁ eine andere regelbare Impedanz, die· von dem Arbeitsstrom durchflossen ist. Solche regelbare Impedanzen können' in allen anderen vorstehend angedeuteten Fällen gleichfalls angewendet werden.

Anderseits kann der Ständer des Erregers mit einer Wicklung versehen werden, die von dem Arbeitsstrom der großen Kommutatormaschine durchflossen wird, damit dieser Arbeitsstrom einen gewissen Einfluß auf die Frequenz und Spannung des Erregers hat.

Über die Stabilität der beschriebenen Kommutatormaschine ist noch folgendes zu bemerken: Man weiß, daß die Spannung einer Gleichstrommaschine mit Nebenschlußerregung nur stabil ist, wenn diese Maschine mit genügend starker Sättigung arbeitet, d. h. bei genügend hoher Spannung. Aus diesem Grunde hat eine solche Maschine bei schwachen Spannungen keine sehr gute Wirkung. Die Regelung bei niedrigen Spannungen der oben beschriebenen Kommutatormaschine ist jedoch viel leichter als bei einer normalen Gleichstrommaschine mit festen Bürsten; denn man hat die Möglichkeit, die Spannung zu senken, indem man die Entfernung der Bürsten vermindert, ohne daß es nötig ist, die Sättigung der Maschine zu ermäßigen.

Um die Verstellung der Bürsten zu erreichen, kann man alle schon bei Kollektormaschinen mit Bürstenregelung benutzten Mittel anwenden und besonders die bei den Motoren verwendeten Einrichtungen, bei denen die Bürsten mittels Zahnräder verstellt werden, welche für die verschiedenen Bürstenkränze verschieden sein können. Man kann diese Verstellung auch durch Kurvenscheiben oder mit Hilfe von mit Nuten versehenen Drehkörpern, d. h. zylindrischen Kurvenscheiben, erreichen.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   ι. Anordnung bei Asynchronmaschinen, in deren Sekundär Stromkreis eine für die Phasenkompensierung oder für die Phasenkompensierung und Drehzahlregelung dienende Mehrphasen-Kommutatorhintermaschine eingeschaltet ist, an welcher für den Arbeitsstrom und für die Speisung der Nebenschlußerregerwicklung im Stan-

   der gesonderte Bürsten vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einstellung eines beliebigen räumlichen Phasenwinkels zwischen den Arbeitsstrom- und Erregerstrombürsten diese Bürsten gegeneinander verdrehbar ausgebildet sind.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutatorhintermaschine eine Kompensationswicklung besitzt, für welchen Fall die Bürsten für den Arbeitsstrom zweckmäßig fest stehen.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklung mit ihrer Wicklungsachse gegenüber der Wicklungsachse der Ankerwicklung schräg gestellt ist oder in ihrer Windungszahl von der für die Kompensation an sich erforderlichen Windungszahl abweicht.
4. 4. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung im Ständer der Kommutatorhintermaschine aus voneinander getrennten Phasen besteht und die Erregerstrombürsten dieser einzelnen Phasen gegeneinander verschiebbar sind.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Erregerstromkreis der Kommutatorhintermaschine in an sich bekannter Weise Impedanzen eingeschaltet sind.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen