DE602901C - Einphasenkommutatormaschine mit Staenderkompensationswicklung, Staendererregerwicklung und mit in Reihe zur Erregerwicklung geschaltetem Kondensator - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 19. SEPTEMBER 1934

REiCHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 d² GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 7. Mai 1933 ab

Bei Einphasennebenschlußmotoren besteht bekanntlich die Schwierigkeit, das Feld phasengleich mit der Spannung zu machen (vgl. Arnold »Wechselstromtechnik« V. 2 S. 486). S Wenn man ohne besondere Mittel Ankerkreis (Anker -f- Kompensationswicklung) und Erregerwicklung parallel ans Netz legt, dann ist das Feld gegenüber der Ankerspannung um 90⁰ verschoben und ein Betrieb unmöglieh. Es sind nun verschiedene Mittel bekanntgeworden, um diesen Nachteil zu vermeiden. Man hat z. B. in den Erregerkreis eine Kombination von Ohnischen und induktiven Widerständen eingeschaltet (Patentschrift 217 782). Diese Schaltung hat jedoch den Nachteil beträchtlicher Verluste im Erregerkreis. Ein anderes Mittel besteht darin, daß man den Kommutator mit zwei Bürstensätzen versieht und einen kurzschließt. Eine solche Maschine hat jedoch ungünstige Kommutierungseigenschaften und der zweite Bürstensatz bedeutet eine von der normalen abweichende Ausführung. Man hat auch schon vorgeschlagen, Kondensatoren in denErregerkreis zu schalten, da der Erregerkreis jedoch dann in Resonanzschaltung arbeitet, entstehen leicht unerwünschte Ströme.

Vorliegende Erfindung gibt einen neuen Weg an, der die genannten Nachteile vermeidet. Sie verwendet ebenfalls Kondensatoren wie im letztgenannten Fall, es werden jedoch dem Erregerkreis keine bestimmten Spannungen aufgedrückt, sondern bestimmte Ströme. Dies hat den Vorteil, daß das Feld der Maschine eindeutig durch diesen Strom gegeben ist, während es sonst von Zufälligkeiten der verschiedenen Widerstände im Erregerkreis abhängt.

Die Erregerwicklung stellt, wenn die Ankeramperewindungen durch eine Ständerkompensationswicklung kompensiert sind, im Prinzip eine Drosselspule dar. Schaltet man in Reihe damit einen Kondensator von gleichem Blindwiderstand, so müßte eine den Stromkreis speisende Stromquelle konstanter Spannung lediglich den Ohmschen Spannungsabfall des Kreises überwinden. Dieser ist jedoch klein gegenüber den Blindspannungen an der Erregerwicklung bzw. am Kondensator. Kleine Fehler bei der gegenseitigen Kompensation dieser Spannungen können daher Größe und Phase des Erregerstromes erheblich beeinflussen. Erfindungsgemäß dient jedoch als Stromquelle ein Stromtransformator, dessen Primärwicklung über einen großen Ohmschen Widerstand vom Netz gespeist ist. Damit ist der Strom im Primär- und Sekundärkreis des Stromtransformators· nach^Größe und Phase festgelegt, und zufällige Änd'erungen des Widerstandswertes im Erregerkreis

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Hermann Harz in Berlin-Siemensstadt.

werden durch Spannungsänderungen des Strom transformator s selbsttätig ausgeglichen. Der Stromtransformator wird dabei außerordentlich klein, er ist nur für die Verlustleistung des Erregerkreises zu bemessen, die nur wenige Prozent der induktiven Leistung beträgt. Man wird ihn jedoch etwas größer machen als theoretisch notwendig ist, um kleine Restspannungen von der Erregerwicklung bzw. dem Kondensator herrührend aufnehmen zu können. Würde man den Ohmschen Widerstand in Reihe mit der Erregerwicklung und dem Kondensator schalten und den ganzen Kreis unmittelbar an das Netz legen, so wurden infolge Resonanzbildung außerordentlich hohe Spannungen an der Erregerwicklung und anv Kondensator entstehen, bei einer Netzspannung von 220 Volt etwa 1000 bis 1500 Volt. Der zusätzliche Ohmsche Widerstand muß auch hierbei ein Mehrfaches des eigenen Ohmschen Widerstandes des Erregerkreises sein, weil sonst bei geringsten Änderungen der Frequenz oder ■ der Blindwiderstände unzulässige Änderungen des Stromes nach Größe und Phase eintreten wurden. Wollte man in diesem Falle die hohen Spannungen an Kondensator und Erregerwicklung vermeiden, so kann man die Netzspannung durch einen besonderen Transformator umspannen. Dieser arbeitet jedoch als Spannungstransformator, muß also für die ganze Verlustleistung im Erregerkreis und in dem großen zusätzlichen Widerstand bemessen sein. Demgegenüber wird bei der Anordnung nach vorliegender Erfindung der Transformator infolge seiner Schaltung als Stromtransformator außerordentlich klein. Außerdem läßt diese Schaltung die bequeme Überlagerung weiterer Ströme, z. B. des Ankerstromes in der Erregerwicklung zu.

Einige Ausführungsbeispiele sollen den Erfindungsgedanken näher erläutern. In Abb. 1 bezeichnet 1 einen Einphasenkommutator-Nebenschlußmotor mit der Kotnpensationswicklung 2 und der Erregerwicklung 3. Der Ankerkreis (Anker 4- Kompensationswicklung) liegt unmittelbar am Netz, die Erregerwicklung 3 ist in Reihe geschaltet mit dem Kondensator 4 und der Sekundärwicklung des Stromtransformators 5. Dessen Primärwicklung wird über den großen Ohrnschen Widerstand 6 aus dem Netz gespeist. Infolge der Kompensationswicklung 2 hat der Ankerstrom keinerlei feldbildende Wirkung in der Maschine. Die Erregerwicklung 3 verhält sich also wie eine Drosselspule. Der Kondensator 4 ist nun so bemessen, daß bei Netzfrequenz sein kapazitiver Widerstand gleich dem induktiven Widerstand der Erregerwicklung ist. Dann heben sich die beiden Blindspannungen bei jedem Strom auf und der Stromtransformator 5 braucht nur die Wirkspannung des Erregerkreises zu liefern und gegebenenfalls einige Differenzspannungen bei Abweichungen der Netzfrequenz 'von ihrem Sollwert. Der Ohmsche Widerstand 6 ist nun für ein Mehrfaches der Leistung bemessen, die der Stromtransformator 5 an den Erregerkreis abgibt. Damit ist der Strom sowohl im Widerstand als auch im Erregerkreis in Phase mit der Netzspannung, wie es ja für eine einwandfreie Wirkungsweise des Motors notwendig ist. Man kann nun wie bei einem Gleichstrommotor die Drehzahl durch Feldänderung regeln. Dies wird entweder durch Verändern des Widerstandes 6 oder der primären Windungszahl des Stromtransformators 5 bewirkt. Außer durch Feldänderung kann man die Drehzahl in bekannter Weise auch durch Ändern der dem Anker zugeführten Spannung regeln.

In Abb. 2 ist im Prinzip die gleiche Schaltung dargestellt, weshalb auch die gleichen Bezugszeichen gewählt sind, sie ist lediglich um den Compoundtransformator 7 erweitert, dessen Primärwicklung in Reihe mit dem Ankerkreis liegt, während seine Sekundärwicklung der Primärwicklung von 5 einen der Belastung proportionalen Strom überlagert, der mit den gleichen Anzapfungen der Primärwicklung von 5 geregelt wird, mit denen auch der belastungsunabhängige Erregerstrom eingestellt wird. Man kann damit dem Motor wie einem Gleichstrommotor Compound- bzw. Gegencompoundverhalteri geben. Es besteht jedoch dabei der ganz wesentliche Vorteil, daß sich beide Erregungen nicht induktiv gegenseitig beeinflussen, wie es .beim Gleichstrommotor bei plötzlichen Änderungen der Erregung, namentlich der Hauptschlußerregung, der Fall ist. Die hierbei auftretende induktive Spannung bringt zuweilen das ganze Nebenschlußfeld vorübergehend zum Erlöschen. Das ist in vorliegendem Fall nicht möglich, weil beide Erregungen von Stromkreisen gesteuert werden, deren Leistung groß ist gegenüber der Eigenleistung der beiden Erregungen. Unter Eigenleistung der beiden Erregungen ist dabei ledigUch der über den Stromtransformator 5 gelieferte Anteil zu verstehen. Die im Ankerstrom enthaltene Blindkomponente wirkt bei Compoundschaltung (Drehzahlabfall bei motorischer Belastung) verbessernd auf den Leistungsfaktor des Ankerkreises, der von der Streuung in diesem Kreis herrührt. Will man den Leistungsfaktor auch durch die belastungs-unabhängige Erregung beeinflussen, so muß man der Primärwicklung von 5 den Strom eines Blindverbrauchers (Drosselspule, Kondensator) überlagern (in Abb. 2 gestrichelt angedeutet). Man muß auch hier dafür sor-

gen, daß das Stromtransformatorprinzip gewahrt bleibt, d. h. die Leistung dieser Blind- - verbraucher muß ein Mehrfaches der über die an den Stromtransformator 5 gelieferten Leistung sein. Der Kondensatorstrom beeinflußt hierbei den Leistungsfaktor in. entgegengesetztem Sinn wie der Drosselstrom.

Die Schaltungen nach Abb. 1 und 2 eignen sich besonders für Weehselstrombahnmotoren, die "zur Stromrückgewinnung in Nebenschlußschaltung bzw. mit Fremderregung betrieben werden. In Abb. 3 ist eine derartige Schaltung angedeutet. Die Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in Abb. 1 und 2. 8 bedeutet den Stufentransformator, der mit einem Pol an der Fahrleitung, mit dem anderen an Erde liegt. Die Schaltung hat den besonderen Vorteil, daß sich der übergang vom Reihenschlußmotor- auf den Nebenschlußgeneratorbetrieb denkbar einfach vollzieht. Schaltet man mit Hilfe des Stufenschalters die Nebenschluß erregung ab bzw. am Transformator 5 auf eine primäre Windungszahl Null, dann hat der Motor reines Reihenschluß verhalten; schließt man mit Hilfe des Stufenschalter® 10 die Reihenschlußerregung kurz, dann verhält sich der Motor wie ein reiner Nebenschlußmotor, läßt man beide Erregungen wirken, dann zeigt der Motor Compoundverhalten. Da der Erregerkreis nunmehr keine unmittelbare Verbindung mit dem Ankerkreis mehr hat, kann man die Spannung im Erregerkreise so wählen, wie sie sich für die Kondensatoren am besten eignet. Außerdem kann man das Verhältnis: Erregeramperewindungen zu Ankeramperewindungen, das bei unmittelbarer Reihenschaltung unveränderlich ist, beliebig einstellen. Man kann sich dadurch den gewünschten Betriebsverhältnissen viel besser anpassen. Trotz dieser Vorteile wird der Compoundtransformator 7 nicht groß, weil er nur für die Ohmsche Leistung des Erregerkreises zu bemessen ist. Abgesehen von dem Widerstandö sind bei dieser Schaltung keinerlei weitere verlustbringende Widerstände weder im Ankerkreis noch im Erregerkreis erforderlich. Der Widerstand 6 ist lediglich für ein Mehrfaches der Ohrnschen Verluste des Erregerkreises zu bemessen, die an sich klein gegenüber der induktiven Erregerleistung sind. Man kann die Schaltung weiter dadurch vereinfachen, daß man den Stromtransformator 7 wegfallen läßt und seine Wirkung ebenfalls in den Stromtransformator 5 verlegt. Dieser kann zwecks weiterer Vereinfachung als Spartransformator ausgeführt werden. Die Schaltung weist dann die in Abb. 4 dargestellte Form auf. Die Bezeichnungen von Abb.'3 sind hier beibehalten. Der Stromtransformator 5 ist jedoch als Spartransformator ausgebildet, dessen Primärseite sowohl der über den Widerstand 6 und den Stufenschalter 9 gelieferte belastungsunabhängige Strom als auch über den Stufenschalter 10 der Ankerstrom unmittelbar zugeführt werden, die sich im Primärteil überlagern und einen entsprechenden Strom im Sekundärteil zur Folge haben, der zugleich auf einen geeigneten Wert für den angeschlossenen Erregerkreis umgespannt wird.

Für Motoren kleinerer Leistung wäre es ein Nachteil, zwei Wicklungen im Ständer anbringen zu müssen. Man verwendet in diesem Fall besser nur eine Wicklung im Ständer, in der sich Kompensationsstrom und Erregerstrom überlagern. Die Durchflutungsachsen beider müssen jedoch senkrecht aufeinanderstellen. In Abb. 5 ist eine derartige Schaltung angedeutet. Es bedeutet 11 den Anker, dem der Strom über die Bürsten zugeleitet wird; im Ständer ist eine geschlossene Wicklung, 12 (z.B. Trommelwicklung wie im Läufer) untergebracht, welcher der Ankerstrom in der angedeuteten Weise an zwei diametral gegenüberstehenden Punkten 13, 14 zu- bzw. abgeleitet wird. Dies ergibt eine gleichmäßig am Umfang verteilte S tänder durchflutung, welche die Ankerdurchflutung an jeder Stelle aufhebt. Die Ständerwicklung ist nun an zwei weiteren diametral gegenüberstehenden Punkten 15, 16 angezapft, deren Verbindungsachse senkrecht zur Verbindungsachse 13, 14 steht. Ein bei 15 ein- und bei 16 austretender Strom würde also ein Feld im angedeuteten Sinn erzeugen. Der Erregerkreis ist vervollständigt durch den Kondensator 17 und die Sekundärwicklung des Stromtransformators 18, .die in der angedeuteten Weise in Reihe geschaltet sind. Die Primärwicklung des Stromtransformators 18 liegt über den großen Widerstand 19 am Netz. Die Durchmesserspannung der Ständerwicklung ist bei dieser Anordnung von der Größenordnung der Netzspannung. Es ergeben sich also günstige Verhältnisse für den Kondensa.tor 17, der ja eine entgegengesetzte Spannung liefern muß.

Eine Abart dieser Schaltung zeigt Abb. 6. Die unmittelbare Reihenschaltung von Kornmutator und Ständerwicklung fällt hier weg. Der Kommutator ist hier unmittelbar an das Netz angeschlossen. Die Anzapfpunkte 13 und 14 sind durch eine Kurzschlußleitung verbunden. Dadurch besitzt die Ständerwicklung in der Richtung 13, 14 eine Kurzschlußachse und wirkt für das Ankerfeld als kurzgeschlossene Kompensationswicklung. Der Anschluß des Erregerkreises an die Anzapfpunkte 15 und 16 ist derselbe wie in Abb. 4. Man ist bei dieser Anordnung mit der Spannung im Ständerkreis unabhängig von der

Netzspannung. Im übrigen ist die Wirkungsweise die gleiche wie bei den Anordnungen nach Abb. ι bis 3. Man kann daher auch die gleiche zusätzliche Erregung mit Compoundtransformator usw. wie dort anwenden.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Einphasenkommutatormaschine mit Ständerkompensationswicklung, Ständererregerwicklung und mit in Reihe zur Erregerwicklung geschalteten Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerkreis über einen Stromtransformator mit einem belastungsunabhäng>igen Strom gespeist wird, der in Phase oder nahezu in Phase mit der Netzspannung ist.
2. 2. Einphasenlcommutatormaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   ao der belastungsunabhängige Strom der gegebenenfalls regelbaren Primärseite des Stromtransformatorsöiber einen Ohmschen Widerstand aus dem Netz zugeführt wird, dessen Leistung ein Mehrfaches der vom Stromtransformator an den Erregerkreis abgegebenen Leistung ist.
3. 3. Einphasenkommutatormaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromtransformator über Scheinwiderstände (Drossel, Kondensator usw.) weitere belastungsunabhängige Ströme zugeleitet werden, die gegen die Netzspannung um einen praktisch konstanten Phasenwinkel verschoben skid," wobei die Leistung der Scheinwiderstände groß gegenüber der über sie an den Stromtransformator abgegebenen Leistung ist.
4. 4. Einphasenkommutatormaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Erregerstrom im Stromtransformator der Ankerstrom der Maschine gegebenenfalls über einen Zwischentransformator überlagert wird.
5. 5. Ednphasenkommutatormaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der dem Erregerkreis aufgedrückten Ströme geregelt werden kann,

   z. B. durch Anzapfungen auf der Primärseite des den Erregerkreis speisenden Stromtransformators.
6. 6. Ednphasenkommutatormaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromtransformator als Spartransformator ausgeführt ist.
7. 7. Die Verwendung der unter Anspruch ι bis 6 genannten Ednphasenkommutatormaschine für Einphasenwechselstrombahnen, wobei lediglich durch Regelung der über den Stromtransformator in den Erregerkreis eingeführten Ströme reines Nebenschlußverhalten (Generatorbetrieb), Compoundverhalten (Generatoroder Motorbetrieb bzw. Übergang vom einen zum anderen) oder reines Reihenschlußverhalten (Motorbetrieb) herbeigeführt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen