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Gleichstrommotor, dessen Drehzahl bei Netzspannungsschwankungen konstant
gehalten werden soll Gegenstand der Erfindung ist ein Gleichstrommotor, der an ein
Netz mit schwankender Spannung angeschlossen ist und dessen Drehzahl unabhängig
von Netzspannungsschwankungen konstant gehalten werden soll.
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Zur Konstanthaltung der Drehzahl von Gleichstrommotoren, die an ein
Netz von schwankender Spannung angeschlossen sind, ist es an sich bekannt, im Erregerkreis
des Motors selbsttätig geregelte Widerstände zu verwenden. An Stelle solcher meist
sehr empfindlicher Regelvorrichtungen sind auch Selbstregelanordnungen verwendet
worden, bei denen in den Nebenschlußerregerkreis des Motors eine konstante oder
nahezu konstante Hilfsspannung eingeführt wird, die der Netzspannung entgegengerichtet
ist. Diese Gegen-. Spannung muß, da der Erregerstrom wegen. der Eisensättigung sich
mehr als proportional mit der Spannung ändert, so bemessen sein, daß der normale
Erregerstrom der Differenz zwischen Netz- oder Klemmenspannung und Gegenspannung
proportional ist. Hierbei kann naturgemäß nur eine solche konstante Gegenspannung
benutzt werden, die durch die Grenzwerte der veränderlichen Netzspannung festgelegt'
ist. Das bedeutet aber, daß die konstante Spannung stets kleiner sein muß als der
kleinste Wert der veränderlichen Spannung und daß eine beispielsweise bereits vorhandene
konstante Spannung, wie eine Batterie oder ein Netz, nur in den wenigsten Fällen
verwendet werden kann. Eine andere auf dem gleichen Gedanken beruhende Anordnung
besteht darin, die Konstantspannung einem kleinen Hilfsumformer zu entnehmen, wobei
in den Erregerstromkreis des zu regelnden Motors ein unabhängig von ihm laufender
Hilfsmotor eingeschaltet ist, der einen Hilfsgenerator antreibt. Die Felder der
beiden Hilfsmaschinen sind so erregt, daß der Hilfsmotor die gewünschte Gegenspannung
erzeugt. Abgesehen von dem Aufwand eines Hilfsumformers muß das Feld des Hilfsgenerators
der Netzspannung genau proportional sein, während andererseits die Erregung des
Hilfsmotors genau konstant bleiben muß.
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Den Mehraufwand zusätzlicher Hilfsmäschinen vermeiden nun solche Schaltungen,
die lediglich eine Zusatzwicklung für den Motor erfordern, wobei diese z. B. an
eine konstante Spannung gelegt ist und der normalen Nebenschlußwicklung entgegenwirkt.
Auch
hat man schon diese Hilfswicklung an die Differenz der veränderlichen Netzspannung
und einer konstanten Spannung gelegt und so erregt, daß sie das Feld gleichsinnig
mit den Spannungsänderungen beeinflußt. Auch ist es möglich, an Stelle der Nebenschlußwicklung
eine von der konstanten Spannung gespeiste Wicklung zu verwenden, so daß die Erregung
durch ein konstantes und ein diesem überlagertes veränderliches Feld erfolgt. Eine
Drehzahlkonstanz unabhängig von der zugeführten Netzspannung wird also stets durch
Einwirkung auf den Kraftlinienfluß des gesamten magnetischen Kreises erzielt.
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Nach der Erfindung wird der Einfluß der Netzspannungsschwankungen
auf die Motordrehzahl dadurch beseitigt, daß eine oder mehrere Erregerwicklungen
des Motors von einer Erregermaschine der Metadynebauart gespeist werden, deren Primärbürsten
an dem den Motor speisenden Netz liegen, und daß die Erregermaschine mit einer in
der Arbeitsbürstenachse wirkenden Stromregelwicklung versehen ist, deren Durchflutung
in demselben Sinne wie die Läuferdurchflutung wirkt. Der Gegenstand der Erfindung
ermöglicht u. a. bei Änderung sowohl der angelegten primären Spannung als auch der
Durchflutung der in der sekundären Bürstenachse wirkenden Stromregelwicklung eine
sehr schnelle entsprechende Änderung des an den Arbeitsbürsten abgenommenen Stromes.
An sich ist es bei Gleichstrommaschinen bekannt, eine mit proportionaler Drehzahl
laufende Querfelderregermaschine zu verwenden, die im Gegensatz zu der Querfeldmaschine
der nachfolgend erläuterten Metadynebauart mit einer in der primären Bürstenachse
wirkenden Erregerwicklung versehen ist. Ändern sich jedoch bei der bekannten Anordnung
die elektrischen Verhältnisse der Hauptmaschine plötzlich; so wird die steuernde
primäre Ständerwicklung der Erregermaschine eine nur allmählich erfolgende Erzeugung
der zur Herstellung des elektrischen Gleichgewichtes an den sekundären Bürsten der
Erregermaschine erforderlichen zusätzlichen EMK an den sekundären Bürsten bewirken.
Außerdem wird der in der sekundären Bürstenachse wirkende Fluß ausschließlich von
der Läuferdurchflutung erzeugt. Der sekundäre Strom würde sich also nur in den gleichen
Grenzen wie der sekundäre Fluß ändern.
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Eine Metadyne ist im wesentlichen eine Maschine mit einem Läufer,
der ähnlich wie der Anker einer Gleichstrommaschine mit Wicklungen und einem Stromwender
versehen ist. In der einfachsten Form sind auf dem Stromwender über den Umfang verteilt
je ein Satz primärer und sekundärer Bürsten angeordnet, wobei die sekundären Bürsten
gegen die primären Bürsten um 9o° elektrisch versetzt sind. Eine Metadyne hat bei
konstanter Drehzahl ihres Läufers die Eigenschaft, daß bei konstanter primärer Spannung
der sekundäre Strom konstant bleibt. Eine Metadyne kann auch mehr als einen Stromwender
und mehr als eine Ankerwicklung besitzen.
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Die Wirkungsweise der Metadyne ist folgende: Der zwischen den primären
Bürsten fließende Strom erzeugt in Richtung der primären Kommutierungsachse einen
magnetischen Fluß, der an den sekundären Bürsten eine EMK induziert. Der in dem
sekundären Stromkreis fließende Strom erzeugt seinerseits in Richtung der sekundären
Kommutierungsachse einen magnetischen Fluß, der eine Gegen-EMK zwischen den primären
Bürsten induziert. Jede Änderung des sekundären Stromes wird also eine Änderung
des sekundären Flusses und somit der primären Gegen-EMK in solcher Richtung hervorrufen,
daß der sekundäre Strom konstant bleibt. Da der an den sekundären oder Arbeitsbürsten
der Metadyne abgenommene Strom, der bei der Anordnung nach der Erfindung die Erregerwicklung
des zu regelnden Motors speist, willkürlich in weiten Grenzen einstellbar sein muß,
wird er nach einem weiteren Gedanken der Erfindung mit Hilfe einer im Ständer angeordneten
fremderregten Stromregelwicklung, deren magnetische Achse mit der sekundären magnetischen
Achse des Ankers zusammenfällt, in seiner Größe geändert. Dadurch wird prinzipiell
das in der Ankerbürstenachse wirkende Feld im Anker, in folgendem mit Querfeld bezeichnet,
nach Größe und Richtung abhängig von der Summe bzw. Differenz der Durchflutungen
der Stromregelwicklung im Ständer einerzeits und der Ankerdurchflutungen andererseits.
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Sind nun aber die Primärbürsten der Metadyne an ein Netz konstanter
Spannung angeschlossen, so muß auch die im Anker induzierte Gegen-EMK praktisch
konstant bleiben und damit auch das Querfeld, konstante Drehzahl der Metadyne, wie
üblich, vorausgesetzt. Da dieses, wie oben erwähnt, von der Summen- bzw. Differenzwirkung
des Fremdstromes einerseits, des Sekundärstroms andererseits abhängt, muß, z. B.
für den vorzugsweisen Fall der Summierung, einem willkürlich vermehrten Fremdstrom
im Ständer ein verminderter Sekundärstrom im Anker entsprcehen.
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. Der physikalische Vorgang der Einregulierung einer neuen sekundären
Stromstärke ist sehr einfach. Angenommen, ein Metadyne-
Umformer
liefere im Beharrungszustand, einen bestimmten Sekundärstrom von bestimmter Spannung
an eine rein Ohmsche Belastung. Dann entspricht diesem Betriebszustand, d. h. dieser
sekundären Energieabgabe, natürlich eine äquivalente primäre Energieaufnahme, also
bezogen auf ein Primärnetz konstanter Spannung ein bestimmter Primärstrom. Dieser
Primärstrom erzeugt, wie weiter oben schon geschildert wurde, einen vom Anker aus
erregten magnetischen Kraftfluß, d. h. das Hauptfeld der Maschine, der seinerseits
die Sekundärspannung induziert. Das Querfeld sei erregt durch die Summenwirkung
des Sekundärstromes im Anker und des Fremdstromes in der Stromregelwicklung.
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Schwächt man jetzt diesen Fremdstrom, so sinkt zunächst das Querfeld
und mit ihm die Gegen-EMK zwischen den Primärbürsten. Infolge dieser Senkung der
Gegen-EMK steigt der vom Netz konstanter Spannung gelieferte Primärstrom, was ein
Anwachsen des Hauptfeldes und damit auch der Sekundärspannung zur Folge hat, die
schließlich ihrerseits einen stärkeren Sekundärstrom durch den äußeren Widerstand
schickt.
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Da im Falle dieses Beispiels Anker- und Fremderregung des Querfeldes
gleichsinnig wirken sollen, wird die Wirkungskette vom steigenden Primär- zum steigenden
Sekundärstrom so lange wirksam bleiben, bis die Steigerung des Sekundärstromes die
Verminderung des Fremdstromes wettgemacht, d. h. das Querfeld einen neuen Sollwert
erreicht hat und damit ein neuer Gleichgewichtszustand zwischen der primären Gegen-EMK
und der konstanten Netzspannung hergestellt ist, der der notwendigen vermehrten
Energieaufnahme aus dem Netz unter Berücksichtigung des Ankerwiderstandes entspricht.
Es ist bekannt, daß eine mit konstanter Drehzahl leer laufende Nebenschlußmaschine
durch relativ sehr geringe Änderungen ihrer Felderregung dazu gebracht werden kann,
einen starken Strom vom Netz her aufzunehmen oder an das Netz zu liefern. In ähnlicher
Weise reichen bei einer Metadyne kleine Änderungen ihrer Querfelderregung durch
Änderungen des Fremdstromes in ihrer Regelwicklung aus, um große Änderungen des
Primärstromes und damit auch der Sekundärspannung bzw. des durch einen konstanten,
im Sekundärkreis liegenden Ohmschen Widerstand fließenden Sekundärstromes zu erreichen.
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Das oben Gesagte gilt sinngemäß auch für den Fall, daß nicht die Querfeldfremderregung,
sondern die -Primärspannung geändert wird bzw. sich .ändert. Durch eine der obren
beschriebenen völlig analoge Wirkungskette sind dann steigende- Primärspannung und
steigender Sekundärstrom, d. h. steigendes Querfeld, miteinander verknüpft.
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Der beschriebene Regelvorgang muß aber nicht nur sehr empfindlich,
sondern auch zeitlich sehr rasch verlaufen, denn der Grundbetrag der Querfelderregung
.wird in der Regel vom Anker herrühren, so daß die Regelwicklung im Ständer nur
für eine Durchflutung bemessen zu werden braucht, die dem gewünschten Regulierbereich
entspricht. Sie kann dementsprechend mit einem geringen magnetischen Energiegehalt
bzw. geringer Induktivität ausgeführt werden und erhält eine kleine Zeitkonstante,
so daß es durch eine derartige Anordnung ermöglicht wird, daß der sekundäre Strom
sowohl auf Änderungen im Stromkreis der Primärbürsten als auch auf Änderungen im
Stromkreis der Regelwicklung sehr schnell anspricht.
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Zur Vereinfachung wurde angenommen, daß die primäre Kommutierungsachse
und die primäre Bürstenachse bzw. die sekundäre Kommutierungsachse und die sekundäre
Bürstenachse zusammenfallen, obwohl dies tatsächlich nicht der Fall ist.
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Die Metadyne kann als Umformer oder auch als Generator ausgebildet
sein. In den meisten Fällen wird die Metadyne teils als Umformer, teils als Generator
arbeiten.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in einigen Ausführungsbeispielen
veranschaulicht. In allen Abbildungen stellt D einen an ein Netz mit schwankender
Spannung angeschlossenen Motor dar, dessen Drehzahl konstant gehalten werden soll
und dem als Erregermaschine eine als Umformer arbeitende Metadyne :b7 zugeordnet
ist.
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Die Erregerwicklung F des Motors ist in dem Ausführungsbeispiel nach
Abb. z mit den sekundären Bürsten b, d der Metadyne NI verbunden, während die primären
Bürsten a, c an die Spannung der Stromquelle gelegt sind, die den Motor speist.
Im Ständer der Metadyne ist eine fremderregte, in der Arbeitsbürstenachsewirkende
Stromregelwicklung hl, deren Durchflutung im selben Sinne wie die Läuferdurchflutung
wirkt, angeordnet. Der Strom im Stromkreis der Stromregelwickjung V1 kann zur Einstellung
der Motordrehzahl mit Hilfe eines Reglers geändert werden. Die Feldwicklung F auf
dem regelnden Motor D ist so geschaltet, daß sie einen Fluß erzeugt, der den Hauptfluß
des mit einer Reihenschlußwicklung versehenen Motors D unterstützt und ,der Netzspannung
und der Drehzahl unmittelbar proportional ist. Die Metadyne 111 wird durch einen
Motor G angetrieben, der von einer geigneten Stromquelle, z. B. einer Batterie Z3,
gespeist wird,
und ist mit einer zusätzlichen, fremderregten Feldwicklung
l'= versehen, die mit dem Anker des Motors D in Reihe geschaltet ist und das Auftreten
von Schwankungen bzw. Pendelungen des Ankerstromes verhindern soll.
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Bei Spannungsschwankungen werden infolge des oben erläuterten schnellen
Ansprechens der an den Arbeitsbürsten b, d abgenommene sekundäre Strom der
Metadyne und damit die Erregung des Motors D sehr schnell beeinflußt, so daß Abweichungen
von der - gewünschten Motordrehzahl praktisch vermieden werden.
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Der Betrieb eines Metadyneumformers in Kreuzschaltung nach Abb. i
entspricht hinsichtlich der Speisung des Verbrauchers mit einer von einem positiven
Maximum über Null nach einem negativen Maximum regelbaren Spannung der Leonardschaltung
mit gewöhnlichen Gleichstrommaschinen. Wenn aber die Möglichkeit besteht, die Metadyne
nicht auf einen einzigen Verbraucher, sondern auf zwei Verbraucher je der halben
Leistung des ersteren arbeiten zu lassen, so ist es in der Regel wirtschaftlich
zweckmäßig, anstatt der Kreuzschaltung die Achterschaltung zu verwenden, die ihrem
Wesen nach eine Sparschaltung ist und der Zu- und Gegenschaltung normaler Gleichstrommaschinen
entspricht. Eine solche Anordnung ist in Abb. a dargestellt, bei der der Motor D
mit zwei Erregerwicklungen F1 und F. versehen ist. über je eine Reihenschlußwicklung
des Motors ist die Wicklung F1 mit den Bürsten a und b und die Wicklung F; mit den
Bürten c und d der Metadyne 11i1 verbunden. Die Wirkungsweise der Anordnung nach
Abb. :2 ist ähnlich derjenigen der Anordnung nach Abb. i. Die Unterteilung der Erregerwicklung
F in zwei Hälften F1 und F. bedeutet eine praktisch zu vernachlässigende Verteuerung
gegenüber der Möglichkeit, die Metadyne durch den Übergang von der Kreuz- auf die
Achterschaltung verkleinern zu können.
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Da die an den primären Bürsten einer Metadyne auftretende Spannung
dem Produkt aus Drehzahl und Querfeldstärke und diese wiederum dem Sekundärstrom
proportional ist, so ist der an den Arbeitsbürsten b, d ab-. genommene Strom
umgekehrt proportional der Drehzahl und direkt proportional der primären Klemmenspannung.
Will man daher aus wirtschaftlichen Gründen einen besonderen Antriebsmotor für den
Metadyneumformer einsparen, so kann man ihn gemäß Abb. 3 mit dem Motor D unmittelbar
mechanisch kuppeln, da der Sekundärstrom in der Erregerwicklung F einen Fluß erzeugt,
der den Motorhauptfluß unterstützt. Die Metadyne M liegt hierbei mit ihrer primären
Bürste a an der Verbindungsleitung zwischen dein Anlasser S und dem Anker
des Motors D.
Der Anlaßwiderstand S ist sowohl dem Motor- als auch dem Metadynestromkreis
vorgeschaltet. Dadurch erhält die Metadyne erst dann die volle Spannung, -,wenn
sie eine genügend hohe Drehzahl erreicht hat.
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Werden solche Anordnungen beispielsweise im Fernbahnbetrieb verwendet,
so ist es sowohl herstellungs- als auch betriebstechnisch unangenehm, daß bei Vollerregung
an den Erregerwicklungen F bzw. F1 und F2 die hohen Fahrdrahtspannungen von Iooo
bis 3ooo V auftreten. Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung wird daher die
Metadyne, wie in Abb. 4. dargestellt, mit zwei getrennten Ankerwicklungen versehen,
von denen jede an einen besonderen Stromwender geführt wird. Auf dem einen Stromwender
schleifen die Primärbürsten a, c, auf dem anderen die Sekundärbürsten h, ä.. Die
Feldwicklung F liegt an je einer Primär- und einer Sekundärbürste, während die beiden
übrigen Bürsten c, d unmittelbar miteinander verbunden sind. In diesem Fall
tritt an der Feldwicklung F nur die Differenz zwischen der Fahrdrahtspannung und
der hier frei wählbaren Sekundärspannung der Metadyne auf.