DE682240C - Gleichstromgenerator der Metadynenbauart - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Gleichstromgeneratoren der Metadynenbauart, die mit einem stark veränderlichen Hauptfeld zwischen den Arbeitsbürsten und einem annähernd konstanten Feld zwischen den an einer Erregerstromquelle liegenden Erregerbürsten arbeiten.

Um bei Änderungen in dem Arbeitsstromkreis des Generators möglichst günstige statische und dynamische Regulierverhältnisse zu erzielen, ist erfindungsgemäß in den mit der Erregerstromquelle verbundenen primären Stromkreis lediglich die Ankerwicklung eingeschaltet und im Ständer des Generators eine im Nebenschluß zu den Arbeitsbürsten

ig erregte Regelwicklung vorgesehen, die in Richtung der Erregerbürstenachse ein Feld erzeugt, das mit dem von dem primären Strom erzeugten Ankerfeld zusammenwirkt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung (Abb. 3 bis 7) beispielsweise veranschaulicht.

Zur Erläuterung der Metadynenbauart ist in Abb. 1 eine Umformermetadyne in einfachster Schaltung dargestellt. Eine solche Umformermetadyne besitzt einen Anker, der ähnlich dem Anker einer Gleichstrommaschine mit Wicklungen und einem Stromwender versehen -ist. Auf dem Stromwender sind über den Umfang verteilt beispielsweise vier Bürstensätze A, B, C und D angeordnet. Die primären Bürsten A und C sind 'mit einer Gleich-Stromquelle konstanter oder annähernd konstanter Spannung verbunden, während von den sekundären Bürsten der in dem Anker der Metadyne erzeugte Strom abgenommen und dem Laststromkreis zugeführt wird. Der Läufer rotiert mit konstanter Drehzahl in einem Magnetfeld, das von den in den Ankerwicklungen fließenden Strömen erzeugt wird. Der von den Ankerströmen erzeugte Fluß besitzt in dem Ständer der Metadyne einen magnetischen Rückschluß von geringem magnetischem Widerstand.

• Die Wirkungsweise der Umformermetadyne ist folgende: Der primäre StromI₁ erzeugt einen FMS(P₁, der zwischen den Bürsten/?,D eine EMK erzeugt. Der in dem sekundären Stromkreis fließende Strom /₂ erzeugt in Richtung der sekundären Bürsten B₁D einen Fluß Φ₂, der seinerseits eine. Gegen-EMK zwischen den primären Bürstend,C induziert. Der primäre Strom wird daher proportional der Differenz zwischen der den primären Bürsten aufgedrückten Spannung und der durch den sekundären Fluß erzeugten Gegen-EMK sein. Die Gegen-EMK selbst ist aber, da sie von dem sekundären Flußi>₂ erzeugt wird, dem sekundären ■ Strom I₂ proportional. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß

irgendeine Änderung des sekundären Stromes eine entsprechende entgegengesetzte Änderung des primären Stromes mit dem Ziele hervorruft, den sekundären Strom konstant zu halten Nimmt man z. B. für einen gegebenem Augenblick an, daß durch eine Vergrößerung des Widerstandes des sekundären Stromkreises der Strom I₂ abnimmt, dann wird in gleicher Weise der Fluß Φ₂ sich vermindern. to Hierdurch wird auch die an den primären Bürsten auftretende Gegen-EMK kleiner. Der Strom I₁ und damit der Fluß φ_χ werden dann größer. Bei größer werdendem Fluß Φ₁ wird aber auch die an den sekundären Bürsten B, C auftretende EMK größer und ist bestrebt, den zu Beginn des Vorgangs verkleinerten sekundären Strom auf seine frühere Größe zurückzubringen, d.h. ihn konstant zu halten. Die sekundäre Spannung und der primäre ao Strom dagegen ändern sich entsprechend den Änderungen der Last.

Vernachlässigt man die elektrischen und mechanischen Verluste, so wird die primär aufgenommene Leistung U₁ · I₁ normalerweise ag gleich, sein der sekundär abgegebenen Leistung U₂-I₂, wobei U₁ die primäre und U₂ die sekundäre Spannung bedeuten. Normalerweise ist die Summe aller in der Maschine erzeugten Drehmomente gleich Null. Ein motorisches Drehmoment wird zwar durch Reaktion zwischen dem aufgenommenen Strom I₁ und Φ₂ und ein generatorisches Drehmoment durch Reaktion zwischen dem abgegebenen Strom I₂ und φ_χ erzeugt. Da aber bei den gewöhnlichen Betriebsverhältnissen die Beziehung I₁ · φ₂ = I₂ · Φ₁ gilt, so sind beide Drehmomente einander gleich und entgegengesetzt gerichtet, d. h. sie heben sich gegenseitig auf.

Bei der Anordnung nach Abb. 2 ist die Metadyne, mit einer Feldwicklung VW, einer sogenannten Regelwicklüng, im Ständer versehen, deren Feld in gleicher Richtung wirkt wie das primäre Ankerfeld φ_ν Eine derartige Anordnung zeigt aus den folgenden Gründen generatorisches Verhalten:

Fließen in dem primären und sekundären Kreis die gleichen Ströme I₁ bzw. I₂ wie in der Anordnung gemäß Abb. 1, so bleibt der Fluß Φ₂ und mithin auch die Spannung E₁ unverändert, dagegen wächst φ₁ und mit ihm E₂ infolge der zusätzlichen Ständererregung. Zu der unveränderten primären Leistungsaufnahme E₁ · I₁ gehört also eine gegenüber dem reinen Umformerbetrieb erhöhte sekundäre Leistungsabgabe^-E₂'. Der Betriebszustand ist demnach nur erreichbar bei gleichzeitiger elektrischer und mechanischer Leistungszufuhr.

Eine wichtige Eigenschaft der Generatormetadyne ist, daß ihr ein ausgezeichnetes statisches wie dynamisches Reguliervermögen erteilt werden kann. Hierunter soll folgendes verstanden werden:

Von jedem Konstantstromgenerator wird erstens verlangt, daß er im Arbeitsbereich von Kurzschluß bis Vollast zu jeder Stromänderung eine möglichst große Spannungsänderung liefert, d.h. die Steilheit seiner statischen Stromspannungscharakteristik soll möglichst groß sein. Zweitens soll der Generator stoßweise Belastungsänderungen im Sekundärkreis ohne allzu große Auisgleichströme in den Erregerwicklungen sehr schnell, aber aperiodisch ausregulieren, d.h. auch seine dynamische Reguilierfähigkeit soll gut sein.

Große Steilheit ist technisch bekanntlich daran gebunden, daß kleine Stromänderungen im Lastkreis große Erregungsänderungen hervorrufen. Bei einer Generatormetadyne gemäß Ahb. 2 ist der Erregersüym Z₁ direkt proportional der Differenz der Netzspannung und der zwischen den Bürsten A, C durch den Kraftfluß Φ₂ induzierten Spannung und umgekehrt proportional dem gesamten Ohmschen Widerstand des Erregerkreises, der sich im wesentlichen aus dem Widerstand des Ankers und dem der Feldwicklung VW zusammensetzt. Der gesamte Ohmsche Spannungsabfall im Erregerkreis kann klein gehalten werden, verglichen mit der Netzspannung einerseits und der zwischen den Bürsten A, C induzierten Spannung andererseits.

Setzt man die Netzspannung (Erregerspannung) als praktisch konstant voraus, so rufen demgemäß kleine Änderungen der zwischen den Bürsten^C induzierten Spannung, die Φ₂ proportional ist, große Änderungen von/₅ und damit auch von Φ_χ hervor. Da Φ₂ seinerseits J₂, Φ₂ aber Φ_χ proportional ist, so gehören auch zu kleinen Änderungen von J₂ große Änderungen von Φ₂, d.h. die Steilheit wird groß. Sie findet ihre praktisch wirtschaftliche Grenze nur in dem für die Wicklung VW zulässigen Kupferaufwand.

Eine erste Grundbedingung für gute dynamische Regulierfähigkeit ist dagegen, daß alle induzierenden Flüsse den Änderungen der sie erzeugenden Durchflutungen augenblicklich folgen, d.h. daß die Flüßänderungen ihrerseits keine nennenswerten Dämpferströme eräugen können. Die von den Ankerströmen J₁ und /o in dem lameliierten Ankerkörper erleugten Flüsse Φ₁ und Φ₂ teilen sich beim Austritt aus dem Anker in je zwei Felder, in einen Ständerfluß und in einen Streufluß. Während der Ständerfluß eine bestimmte Dämpfung durch Wirbelströme erfährt, ist das Streufeld, das ausschließlich durch lamelliertes Eisen und Luft verläuft, praktisch dämpfungslos. Auf dieser Tatsache

beruht im wesentlichen das ausgezeichnete dynamische Verhalten der Metadyne bei Belastungsänderungen.

Ein zweite Grundbedingung ist, daß die durch Flußänderungen hervorgerufenen Änderungen der zwischen den Bürsten induzierten EMK sich möglichst rasch in Stromänderungen umsetzen können, d. h. daß die Wicklungsinduktivitäten verhältnismäßig klein sind.

ίο Diese Bedingung erfüllen Gleichstromankerwicklungen allein als Erregerwicklungen leicht (vgl. Abb. i). Eine Ständerwicklung, z.B. VW in der Anordnung gemäß Abb. 7, erhöht dagegen die Gesamtinduktivität des Erreger kreises und erschwert damit eine rasche Änderung von Z₁ und damit auch von Φ_ν

Eine Anordnung gemäß Abb. 2 stellt im übrigen ihrem Wesen nach nur einen Übergang von der reinen Umformermetadyne zur reinen Generatormetadyne dar. Je kleiner Z₁ wird, um so kleiner wird der elektrisch zugeführte Anteil und um so größer der mechanisch zugeführte Anteil der gesamten primären Leistung, um so größer aber auch die Abweichung der Regelfähigkeit von dem Höchstwert, den der Umformer besitzt.

Dieser Mangel der Anordnung gemäß Abb. 2 wird erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß die Anordnung gemäß Abb. r mit einer Regelwicklung versehen wird, die im Nebenschluß zum Arbeitsstromkreis erregt ist und einen Fluß in Richtung der primären Kommutierungsachse erzeugt. Zweckmäßig wird, wie in Abb. 3 dargestellt, außer der selbsterregten Wicklung VW₂, die an die Arbeitsstrombürsten B, D angeschlossen ist, eine mit ihr gleichsinnig wirkende fremderregte WiCkIuHgVMZ₁ vorgesehen. Ferner ist eine reine Ankerfremderregung über die primären Bürsten vorhanden, die der Anordnung der Umformermetadyne gemäß Abb. 1 entspricht. Die beiden Fremderregungen können an der. gleichen Stromquelle liegen, doch kann es zweckmäßig sein, sie an verschiedene Stromquellen zu schalten, z. B. VW₁ an ein Gleichstromnetz, die Bürsten A₁ C dagegen an die Klemmen einer besonderen Erregermaschine. Die Arbeitsweise der Generatormetadyne entspricht derjenigen der Umformermetadyne, wie sie vorstehend beschrieben wurde. Jeder Erhöhung der sekundären Arbeitsspannung entspricht beim Umformer eine äquivalente Erhöhung von J₁. Beim Generator gemäß Abb. 3 dagegen wirken die Ankerfremderregung und die Nebenschlußselbsterregung derart zusammen, daß J₁ in dem ganzen Arbeitsbereich zwischen Kurzschluß und Vollast in der Beharrung ausgesprochen klein bleibt, z.B. etwa 100/0 von J₂ beträgt, also annähernd in der Größenordnung eines Fremderregerstromes liegt.

Die Überlegenheit des Generators gemäß Abb. 3 gegenüber dem Generator gemäß Abb. 2 in statischer Hinsicht beruht auf der Tatsache, daß die durch eine Änderung von /0 und damit auch von φ₂ hervorgerufene Änderung der Differenz zwischen der konstanten Netzspannung und der zwischen den primären Bürsten A, C induzierten Spannung sich um so kräftiger in einer Änderung von J₁ auswirken kann, je kleiner der Gesamtwiderstand des Kreises ist. Letzterer erreicht in dem Generator gemäß Abb. 3 genau wie beim Umformer gemäß Abb. 1 seinen möglichen Mindestwert, nämlich den einfachen Ankerwiderstand selbst, was bei der Anordnung gemäß Abb. 2 unmöglich ist. In dynamischer Hinsicht ergeben sich entsprechende Verhältnisse. In der Anordnung gemäß Abb. 3 widersetzt sich einer Änderung von J₁ genau wie in der Anordnung gemäß Abb. 1 ausschließlich die Ankerinduktivität; jede schädliche Vergrößerung derselben entfällt im Gegensatz zu der Anordnung gemäß Abb. 2, sobald man J₁ verhältnismäßig klein halten will.

Ein Generator gemäß Abb. 3 reguliert plötzliche große Belastungsänderungen im wesentlichen allein mit Hilfe des Streuanteils seines Ankerflusses aus. Die selbsterregte Nebenschlußwicklung VW₂ hat zwar unmittelbar auf die dynamische Regulierfähigkeit infolge ihrer sehr großen Induktivität keinen wesentlichen Einfluß, erfüllt aber die sehr wichtige Aufgabe, die Ankerfremderregung in der Beharrung von jeder größeren Stromentnahme zu entlasten.

Jeder Reguliervorgang besteht bei der Generatormetadyne gemäß Abb. 3 aus zwei zeitlich trennbaren Abschnitten: Jede Änderung von J₂ bzw. Φ2, bringt zunächst die als selbsttätiges Regelorgan wirkende Anker-■-fremderregung mit sehr großer Schnelligkeit und Stärke zum Ansprechen, so daß sich ein neuer Beharrungszustand näherungsweise sehr rasch einstellt. Erst· dann beginnt als verhältnismäßig träger, aber unbedingt aperiodisch wirkender Regler die Nebenschlußselbsterregung im gleichen Sinn zu wirken, stellt den endgültigen neuen Beharrungszustand her und hebt dadurch die Inanspruchnahme der Ankerfremderregung nahezu wieder auf. Das ist besonders wertvoll für den praktisch wichtigen Fall, daß für letztere eine besondere Erregermaschine aus spannungstechnischen Gründen vorgesehen werden muß; sie braucht nur für nach Sekunden zählende Belastungszeiten entworfen zu werden;·

In Abb. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, in erster Linie für kleinere Generatoren gedacht, dargestellt, bei dem die Wicklungen VW₁ und VW₂ ersetzt werden durch die Regelwicklung VW₃, die

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teilweise von der Stromquelle des primären Stromkreises und teilweise von dem sekundären Stromkreis erregt wird. Der Widerstand ^₁ zwischen der Regelwicklung und der primären Stromquelle und der Widerstand R₂' zwischen der Regelwicklung und dem sekundären Stromkreis gewährleistet, daß die durch die Regelwicklung fließenden Ströme den primären und sekundären Spannungen proportional sind, und zu gleicher Zeit die durch die primären und sekundären Stromkreise fließenden Ströme begrenzt werden.

In Abb. 5 ist eine Anordnung der Wicklung für die in Abb. 3 veranschaulichte Metadyne dargestellt. In der bei Gleichstrommaschinen mit zwei Bürstenpaaren an sich bekannten Spaltpolanordnung erzeugen die Südpole 55 einen, Vom Anker aus betrachtet, auswärts gerichteten Fluß und die Nordpole NN einen einwärts gerichteten Fluß. Der resultierende Fluß verläuft senkrecht in der Richtung von C nach A. T₁ sind'die Klemmen des primären Teils, des Erregerteils, der Metadyne, die mit der Stromquelle konstanter Spannung verbunden sind. T₂ sind die mit dem Arbeitsstromkreis verbundenen Klemmen des sekundären Teils der Metadyne.

In vielen Fällen kann es wünschenswert bzw. dringend notwendig sein, die Generatormetadyne mit Stabilisierungswicklungen zur Dämpfung von mechanischen und elektrischen Schwingungen, z, B. von Pendelunge;tt, zu versehen. Diese Wicklungen bestehen im wesentlichen aus verhältnismäßig kleinen Hüfswicklungen 'und sind magnetisch in dem einen Stromkreis und elektrisch in dem anderen Stromkreis angeordnet. Eine sekundäre Stabilisierungswicklung beispielsweise würde aus einer Spule bestehen, die einen Fluß in Rich-"rung der primären Bürstenachse erzeugt, und in den sekundären Stromkreis eingeschaltet _t ist. Die Richtung des Flusses ist dem Ankerfluß Φ_χ entgegengerichtet. Nimmt man an, daß der sekundäre Strom I₂ sich vergrößert, dann erhält man eine Verminderung des primären Flusses Φ₁ und damit eine Verminderung der sekundären EMK an den Bürsten-5, D, welche bestrebt ist, den Strom I₂ konstant zu halten. In anderer Betrachrungsweise kann man auch sagen, daß eine Gegen-EMK in den sekundären Stromkreis bei einer Vergrößerung des Stromes eingeführt wird. Die Stabilisierungswicklung hat daher die gleiche Wirkung wie ein in den Sekundär-Stromkreis eingeschalteter Widerstand und dient zur Dämpfung von in dem Stromkreis auftretenden plötzlichen Schwingungen. In ähnlicher Weise kann auch eine primäre Stabilisierungswicklung zur Dämpfung von in dem Primärstromkreis auftretenden Schwingungen verwendet werden. Eine derartige Wicklung würde in den primären Stromkreis eingeschaltet und derart angeordnet sein, daß sie einen Fluß in Richtung der sekundären Bürstenachse erzeugt. Hierbei sind dieser Fluß und der Ankerfluß nicht entgegengesetzt, sondern gleichgerichtet.

Vorstehend wurde bereits darauf hingewiesen, . daß die ausgezeichnete dynamische Regulierfähigkeit de"r Generatormetadyne nicht am wenigsten von dem Streufeld des Ankers herrührt, das außer Luft nur lameliiertes Eisen, also kein massives Eisen, in welchem kräftige Wirbelströme entstehen können, durchsetzt. Dieser Streufluß ist daher annähernd frei von dämpfenden Einflüssen. Diese Wirkung kann noch dadurch verstärkt werden, daß zusätzliche Streupfade zwischen den Polen vorgesehen werden. Diese Streupfade können aus lameliierten. Eisenteilen bestehen, die in der Umfangsrichtung der Maschine wesentlich über die Wicklungen hinausragen, so daß der Ankerfluß praktisch nicht durch 'das Joch geht, sich also bereits über die magnetischen Streupfade schließt.

Abb. 6 zeigt eine derartige Anordnung. In der Metadyne gemäß Abb. 6 sind auf den Polen Stabilisierungswicklungen SW verhältnismäßig nahe an den Polschuhen angeordnet. Die Regelwicklungen VW₆ sind auf den Polschenkeln nahe dem Joch. M vorgesehen. Zwischen den Regelwicklungen VW₆ und den Stabilisierungswicklungen 5W sind lameliierte Eisenteile P vorgesehen, welche seitlich aus den Polen herausragen und einen zusätzlichen Streupfad für den Arikerfluß bilden, der dann an dem massiven Magnetjoch M vorbeigeht und daher frei von Dämpfungen ist. Sofern dazwischenliegende Hilfspole vorhanden ioq sind, werden die lamellierten Eisenteile derart ausgebildet, daß sie die Zwischenpole umgehen.

Zwischen den Eisenteilen P von zwei benachbarten Polen ist ein Luftspalt vorgesehen. Dieser Luftspalt wird vorteilhafterweise größer als die Summe der Luftspalte zwischen dem Anker und dem Nordpol bzw. dem Südpol gemacht, so daß der von der Regelwicklung erzeugte Fluß nicht geneigt no ist, den Streuweg zu benutzen.

Die vorstehend beschriebene Anordnung besitzt noch den Vorteil, daß der über die lamellierten Eisenstücke verlaufende Ankerstreufluß zwar mit der Stabilisierungswicklung, nicht aber mit der Regelwicklung verkettet ist.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Gleichstromgenerator der Metadynen- _12a bauart, der mit einem stark veränderlichen Hauptfeld zwischen den Arbeitsbürsten

   und einem annähernd konstanten Feld zwischen den an einer Erregerstromquelle liegenden Erregerbürsten arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines günstigen statischen und dynamischen Verhaltens des Generators bei Belastungsänderungen in den mit der Erregerstromquelle verbundenen primären Stromkreis lediglich die Ankerwicklung eingeschaltet ist, und daß im Ständer des Generators eine im Nebenschluß zu den Arbeitsbürsten ' (B, D) erregte Regelwicklung (VW₂) vorgesehen ist, die in Richtung der Erregerbürstenachse (A, C) ein Feld erzeugt, das mit dem von dem primären Strom erzeugten Ankerfeld zusammenwirkt.
2. 2. Gleichstromgenerator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß außer der an die sekundären Bürsten (B, D) angeschlossenen Regelwicklung (VMZ₂) noch eine zweite Regelwicklung (VW₁) vorgesehen ist, die an eine Fremdstromquelle angeschlossen ist, gleichsinnig mit der ersten Regelwicfclung (VMZ₂) wirkt und insbesondere zur willkürlichen Beeinflussung des Konstantstromes dient.
3. 3. Gleichstromgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelwicklung (VMZ₁) an die für den primären Stromkreis des Generatorankers vorgesehene Stromquelle angeschlossen ist (Abb. 3, s).
4. 4. Gleichstromgenerator nach den An-Sprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der beiden Regelwicklungen

   ( VMZ₂) eine einzige Regelwicklung

   (VMZ₃) vorgesehen ist, die zweckmäßig über Widerstände (R₁, R₂) sowohl im Nebenschluß zu den Erregerbürsten (A, C) als auch im Nebenschluß zu den Arbeitsbürsten (B, D) liegt (Abb. 4).
5. 5. Gleichstromgenerator nach Anspruch 1 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhütung mechanischer und elektrischer Schwingungen Stabilisierungswicklungen (5MZ) vorgesehen sind, die auf den Ständerpolen in der Nähe des Ankers angeordnet sind und von dem primären Strom (Erregerstrom) und bzw. oder von dem sekundären Strom (Arbeitsstrom) des Generators derart durchflossen werden, daß die von ihnen erzeugten Durchflutungen derjenigen des Ankers entgegenwirken, und daß zwischen den in der Nähe des Ankers angeordneten Stabilisierungswicklungen (5MZ) und den in der Nähe des Jochs liegenden Regelwicklungen (VMZ₆) magnetische Nebenwege (P) aus lamelliertem Eisen ange-■ordnet sind, die in der Umfangsrichtung der Maschine wesentlich über die Wicklungen hinausragen, so daß der Ankerfluß praktisch nicht durch das Joch geht.
6. 6. Gleichstromgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Nebenwege bildenden lameliierten Eisenkörper (P) benachbarter Pole durch einen Luftspalt getrennt sind, dessen Größe etwas größer ist als die' Summe der Luftspalte zwischen dem Anker und zwei benachbarten ungleichnamigen Polen (Abb. 6).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen