DE614335C - Verfahren zum Betrieb von elektrischen Wechselstromsynchronmaschinen mit veraenderlicher Drehzahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf synchrone Wechselstrommaschinen mit veränderlicher Drehzahl und bezweckt, die Veränderlichkeit der Drehzahl in möglichst einfacher Weise, und zwar so zu erreichen, daß trotz der Regulierbarkeit der synchrone Charakter der Maschine erhalten bleibt.

Es sind elektrische Wechselstrommaschinen mit veränderlicher Drehzahl bekannt, die aber nicht einen synchronen, sondern nur einen asynchronen Betrieb ermöglichen oder die nicht mit beliebig einstellbarer Drehzahl, sondern beispielsweise nur mit zwei festen Drehzahlen betrieben werden können. Es sind ferner Maschinen bekanntgeworden, bei denen der Kollektor mit seiner umlaufenden Bürstenbrücke in den Wechselstromkreis des Ankers gelegt ist und bei denen die Feldmagnete in der üblichen Weise erregt werden. Diese Maschinen haben jedoch den Nachteil, daß bei den verhältnismäßig hohen Stromstärken und Spannungen des Ankers die Ausbildung der erforderlichen Kollektoren schon bei relativ kleinen Maschinen auf Schwierigkeiten stößt, die mit wachsender Maschinengröße zunehmen. Es sind auch Maschinen bekannt, die mit einem wechselstromgespeisten Anker und gleichstromgespeisten Feldmagneten ausgerüstet sind, wobei die Wicklung der Feldmagnete in einzelne an einen Kollektor angeschlossene Spulen aufgelöst ist und der Erregergleichstrom den Feldmagneten über umlaufende, besonders angetriebene Bürsten zugeführt wird, wobei der Antrieb der Bürstenbrücke durch eine besondere Kraftmaschine erfolgt. Wenn hierbei der Bürstenbrücke durch den Antriebsmotor eine willkürliche Drehzahl erteilt wird, so kann die Maschine unter gar keinen Umständen in Betrieb kommen, weil zwischen Magnetfeld und Statorfeld kein Synchronismus vorhanden ist.

Aber auch dann, wenn die Bürstenbrücke durch ihre Antriebsmaschine genau synchron mit dem Statorfeld angetrieben wird, wenn also die Voraussetzungen für den Synchronismus der beiden Felder erfüllt sind, kann der Rotor eine eindeutig bestimmte Drehzahl nicht annehmen, denn für die beiden umlaufenden Felder ist es gleichgültig, ob die Eisenmasse des Rotors stillsteht oder sich, gleichsinnig oder gegensinnig, schnell oder langsam dreht.

Bei von außen synchron angetriebener Bürstenbrücke besteht kein Zusammenhang zwisehen synchroner Felddrehzahl und Rotordrehzahl.

Diese Verhältnisse ändern sich grundsätzlich in dem Augenblick, wo der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Rotor und Magnetfeld von der Drehung des Rotors mittels einer veränderlichen Übersetzung eindeutig bestimmt wird. Durch eine Verkuppelung des materiellen Rotors mit dem auf ihm wandernden Feld ist es unmöglich gemacht, daß der Rotor eine unbestimmte oder irgendwie beliebige Drehzahl annehmen könnte.

Die vorliegende Erfindung ergibt eine Ma-

schine, die von den; angeführten Mangeln der seither bekanntgewordenen Maschinen- frei ist, derart, daß sie sowohl als Generator wie auch als Motor verwendet werden kann; daß ihre Drehzahl nicht stufenweise, sondern stetig· veränderbar ist; daß irgendeine Labilität der Drehzahl vermieden ist, vielmehr die einmal eingestellte Drehzahl im Motorbetrieb ebenso sicher erhalten bleibt wie bei ίο einer normalen synchronen Drehstrommaschine und daß beim Generatorbetrieb die Frequenz des erzeugten Stromes unabhängig ist von der jeweiligen Antriebsdrehzahl, d. h. daß sie konstant ist innerhalb des gesamten Regulierbereiches der Maschine; daß der synchrone Charakter der Maschine bei jedem Betrieb erhalten bleibt und daß endlich die Maschine in jeder erforderlichen Maschinengröße bzw. Maschinenleistung ausführbar ist, weil nur der Erregerstrom durch den Kollektor fließt und weil die umlaufende Bürstenbrücke in Verbindung mit dem .Kollektor nicht eine Kommutierungseinrichtung, sondern einen umlaufenden Schalter bildet. In dem so umrissenen Rahmen ergibt sich der Aufbau des Erfindungsgedankens wie folgt:

Es werde zunächst ausgegangen vom normalen gleichstromerregten synchronen Drehstrommotor. Eine Veränderung seiner Rotordrehzahl unter Aufrechterhaltung des synchronen Charakters hat offenbar zur Voraussetzung, daß entweder das Wechselstromfeld eine von außen erzwungene zusätzliche positive oder negative Drehung erhält, die sich mit seiner durch die Frequenz bedingten Drehung zu einer Resultierenden zusammensetzt, die ihrerseits die Rotordrehzahl bestimmt, oder aber daß das Wechselstromfeld völlig unberührt bleibt und das Magnetfeld um den Rotor herumwandert, und zwar so, daß die absolute Geschwindigkeit des Magnetfeldes dem Synchronismus entspricht. Die erste der beiden geschilderten Möglichkeiten läßt sich verwirklichen, wenn in den Wechselstromkreis des Ankers ein Kollektor mit um-, laufender Bürstenbrücke geschaltet wird, so daß die Drehgeschwindigkeit des Wechselstromfeldes von außen geändert werden kann. Die Wirkung ist dieselbe wie bei einer Netzfrequenzänderung; die Anordnung hat aber die oben beschriebenen Nachteile und ist insbesondere für größere Einheiten unbrauchbar. Demgegenüber wird erfindungsgemäß zur Durchführung der zweiten Möglichkeit der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Rotor und Gleichstromfeld von der Drehung des Rotors mittels einer veränderlichen Übersetzung eindeutig bestimmt. Zu diesem Zweck wird das umlaufende Magnetfeld in eine Reihe von in Richtung des Umfanges nebeneinanderliegende Einzelfelder zerlegt, von denen jedes von einer an. einen Kollektor mit umlaufender Bürstenbrücke angeschlossenen Spule erregt Tfrird, welcher der Erregergleichstrom mit Hilfe von Schleifringen über *die umlaufende Bürstenbrücke zugeführt wird, deren Drehung von der Drehung des Rotors unter Zwischenschaltung eines veränderlichen Übersetzungsgetriebes hergeleitet ist. Diese Anordnung bewirkt, 'daß die gleichstromerregten Pole sich mit einer Drehzahl drehen, die stets dem Synchronismus des Wechselstromdrehfeldes entspricht, je nach der gewählten Übersetzung gegenüber dem Rotor aber kleiner, gleich oder größer sein kann als die Rotordrehzahl.

Bei der nach vorstehenden Gesichtspunkten aufgebauten Maschine ist die Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und Wechselstromdrehfeld bei jedier Drehzahl genau dieselbe wie bei- einer normalen Drehstrommaschine, und die so gebaute Maschine kann sowohl als Generator wie auch als Motor betrieben werden.

In, der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Innerhalb des stillstehenden Ankers 1 einer Synchronmaschine ist das Magnetrad mit den Wicklungen 2 drehbar angeordnet. Auf dem den Wicklungen 2 zugeordneten Kollektor 4 schleifen die an den Bürstenhaltern 3 befestigten Bürsten¹ 5. Zwei Schleifringe 6 und 7 führen den erforderlichen Gleichstrom über Verbindungen 8, die genannten Bürsten 5 und den Kollektor 4 den Wicklungen 2 des Magnetrades zu. Die Zuleitung des Gleichstromes zu den Schleifringen 6 und 7 liegt bei den Stellen 9 und 10, Mit den Bürstenhaltern 3, den zugehörigen Armen 12 und dem Ring 13 ist ein Zahnkranz 11 fest verbunden. Mit diesem steht ein Zahnrad 14 eines veränderlichen Getriebes in Eingriff, das andererseits in das Magnetrad eingreift und von diesem angetrieben wird, so daß durch geeignete Einstellung des veränderlichen Getriebes eine bestimmte Relativgeschwindigkeit zwischen den Bürsten 5 und dem Kollektor 4 bzw. dem Magnetrad erreicht werden kann.

Zum Ingangsetzen der als Motor dienenden Maschine werden folgende Möglichkeiten beschrieben:

Zwischen Rotor und Bürstenbrücke wird das'größte, in der Maschine vorhandene Über-Setzungsverhältnis eingestellt. Durch, eine besondere Anwurfmaschine wird dann der Rotor auf diejenige Drehzahl gebracht, bei' der unter dem Einfluß der erwähnten Übersetzung die Bürstenbrücke synchron mit dem Wechselstromdrehfeld läuft. Nunmehr werden die Feldmagnete erregt, und es kann jetzt die

Wechselstromwicklung ans Netz gelegt werden, ohne daß ein schädlicher Stromstoß in diesem entsteht. Nach Abschalten der Anwurfmaschine läuft die Maschine als Motor mit ihrer geringsten Drehzahl, und es kann dann die Übersetzung -zwischen Bürstenbrücke und Rotor allmählich so geändert werden, bis der Rotor irgendeine gewünschte Drehzahl erreicht hat.

ίο Ein anderer Weg ergibt sich durch die Verwendung einer Synchronmaschine, die die Bürstenbrücke antreibt, wobei zunächst das Übersetzungsgetriebe zwischen dieser und dem Rotor noch nicht eingeschaltet w^rird.

Vermittels des synchronen Hilfsmotors wird die Bürstenbrücke auf synchrone Drehzahl gebracht; -dann werden die Feldmagnete erregt und die Wechselstromwicklung an das Netz gelegt. Wechselstromfeld und Magnet-

ao feld laufen nun, ohne daß von jenem ein Drehmoment auf dieses ausgeübt wird, vollständig synchron. Erfährt nun der Hilfsmotor, dessen Leistung an sich größer sein muß, als dies zum Antrieb der Bürstenbrücke allein erforderlich wäre, eine zusätzliche Belastung, so läuft er zwar synchron weiter, es tritt aber zwischen seinem Wechselstromfeld und seinem Magnetfeld eine Nacheilung ein, die dem jetzt vom Motor verlangten größeren Drehmoment entspricht, d. h. sein Rotor ist gegenüber seinem Wechselstromfeld um ein geringes Maß zurückgeblieben. In demselben Verhältnis wird hierdurch in der Hauptmaschine das Magnetfeld hinter dem Wechselstromfeld zurückbleiben, und das letztere übt jetzt ein Drehmoment auf das Magnetfeld aus und setzt den Rotor in Bewegung. Sobald nun diejenige Rotordrehzahl erreicht ist, die dem vorher schon eingestellten stärksten Übersetzungsverhältnis zwischen Rotor und Bürstenbrücke entspricht, wird die Kupplung zwischen Übersetzungsgetriebe und Bürstenbrücke eingeschaltet, und der Hilfssynchronmotor kann nunmehr ausgeschaltet werden. Schließlich wird die betrieblich gewünschte Drehzahl mittels des veränderlichen Übersetzungsgetriebes hergestellt.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zum Betrieb von elektrischen Wechselstromsynchronmaschinen mit veränderlicher Drehzahl, bei denen ein umlaufendes Magnetfeld in der Umfangsrichtung auf dem Rotor relativ zu diesem im Synchronismus mit dem Statordrehfeld wandert, dadurch gekennzeichnet, daß die synchrone Geschwindigkeit des umlaufenden Magnetfeldes vom Rotor aus mittels einer veränderlichen Übersetzung hervorgerufen wird.
2. 2. Vorrichtung zur Ausübung des \^rerfahrens nach Anspruch 1, bei der das umlaufende Magnetfeld in eine Reihe von in Richtung des Umfanges nebeneinanderliegenden Einzelfeldern zerfällt, die von an einen Kollektor mit umlaufender Bürstenbrücke angeschlossenen Spulen erregt werden, welchen der Erregergleichstrom mit Hilfe von Schleifringen über die umlaufende Bürstenbrücke zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Bürstenbrücke von der Drehung des Rotors unter Zwischenschaltung eines veränderlichen Übersetzungsgetriebes hergeleitet ist.
3. 3. Verfahren zur Inbetriebsetzung der Vorrichtung nach Anspruch 2 in beiden Drehrichtungen, gekennzeichnet durch einen in beiden Drehrichtungen betriebsfähigen Anwurfmotor, mit dessen Hilfe der Rotor mindestens auf eine solche Drehzahl gebracht wird, daß die größte zwischen Rotor und Bürstenbrücke bestehende Übersetzung der Bürstenbrücke die dem Statordrehfeld entsprechende synchrone Drehzahl zu erteilen vermag; nach deren Erreichung der Anwurfmotor ausgeschaltet wird.
4. 4. Verfahren zur Inbetriebsetzung der Vorrichtung nach Anspruch 2 in beiden Drehrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstenbrücke durch eine synchron laufende, in beiden Drehrichtungen betriebsfähige Hilfsmaschine auf synchrone Drehzahl gebracht wird, sodann das Magnetfeld erregt und der Stator auf das Netz geschaltet wird, worauf zwecks Drehmomententwicklung der Antriebsmotor der Bürstenbrücke mit Hilfe irgendeines Leistungsverbrauchers beispielsweise durch die Hauptmaschine selbst belastet wird und dann nach Erreichen einer durch die Verhältnisse des Übersetzungsgetriebes bestimmten Drehzahl der Antriebsmotor ausgeschaltet wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen