DE76814C - Verfahren zur Herbeiführung und Aufrechterhaltung des synchronen Ganges von Wechselstrommotoren - Google Patents

Description

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Der synchrone Gang von zwei beweglichen Körpern ist ein wirklicher mechanischer Gleichgewichtszustand. Es ist ein Naturgesetz, dafs der Gleichgewichtszustand erst nach einer gewissen Anzahl von Schwingungen um die endgültige Lage erreicht wird.

Daher ist es sehr schwierig, Wechselstrommaschinen synchron gehen zu lassen, obwohl dieser Gang bekanntlich theoretisch möglich ist.

Aus dem Gesagten ergiebt sich, dafs es zur Erzielung des synchronen Ganges nicht genügt, die beiden Maschinen zu treiben, bis sie die dem Synchronismus entsprechende Geschwindigkeit erreicht haben, es mufs vielmehr während einer hinreichenden Zeit auf die beiden Maschinen dergestalt eingewirkt werden, dafs sie von dieser Geschwindigkeit genügend wenig abweichen, damit die Schwingungen aufhören können; hierin liegt eine Schwierigkeit für das Ingangsetzen.

Andererseits verändert jede störende Ursache — und diese sind unvermeidlich von jeder Art vorhanden — das Gleichgewicht, welches sich erst nach neuen Schwingungen wieder herstellen kann und also sehr unbeständig wird.

Wenn die störende Ursache zu bestimmter Zeit wiederkehrt, wie z. B. der Vorbeigang einer Riemennaht, und wenn die Umlaufszeit der Dauer der natürlichen Schwingungen des Ankers merklich gleich ist, so kann der ,synchrone Gang niemals erhalten werden.

Aus diesen Gründen giebt es In der Praxis keine' Wechselstromrriascihinen > welche" genau synchron gehen. ί

Das Verfahren, welches den Gegenstand vorliegender Erfindung bildet, hat die Wirkung, Wechselstrommaschinen leicht und sicher synchron in Gang zu setzen und in synchronem Gang zu erhalten, welches auch immer die Aenderungen der Inanspruchnahme und allgemein die störenden Ursachen sein mögen.

Der Grundgedanke dieses Verfahrens ist der folgende:

In dem Gramme'schen Ringanker O einer elektrischen Maschine (Fig. 1), der sich zwischen zwei inducirenden Polen N und S dreht, werde der Strom an z,wei um i8o° von einander entfernt gelegenen Punkten α und b mittelst zweier Ringe und zweier fester Reiber A und B eingeleitet. Der Feldmagnet werde durch einen in seinen gewöhnlichen Stromkreis gesendeten Gleichstrom erregt, er trage aufserdem aber noch einen in sich selbst geschlossenen Stromkreis CDE.

Sendet man in den Anker O einen Wechselstrom von gleichbleibender Stärke und theilt diesem Anker eine allmälig wachsende Geschwindigkeit mit, so beobachtet man, dafs in dem Stromkreise CDE inducirte Ströme entstehen,, welche zu einem auf den Anker O zurückwirkenden-Krä'ftepaar Veranlassung geben.

Die Gröfse dieses Kräftepaares ist eine Function der Geschwindigkeit. Dieser Werth kann durch eine Curve, wie sie Fig. 2 andeutet, versinnlicht werden. Für die Geschwindigkeit Null ist das Kräftepaar Null; es j wachst mit der Geschwindigkeit und erreicht den gröfsten Werth A bei einer Geschwindigkeit, welche

kleiner als die dem Synchronismus entsprechende ist, letzterer aber sehr nahe kommt; es wird abermals Null, wenn, der Synchronismus .erreicht ist, oder genauer bei einer dem Synchronismus aufserordentlich naheliegenden Geschwindigkeit; es erscheint mit umgekehrtem Zeichen, sobald dieser Punkt überschritten ist,., und. erreicht einen neuen gröfsten, dem ersten entgegengesetzten Werth A¹ bei einer Geschwindigkeit, die wenig höher als diejenige des Synchronismus ist, um alsdann in dem Mafse, wie die Geschwindigkeit zunimmt, unbegrenzt bezw. unbestimmt abzunehmen.

Es folgt daraus, dafs, sobald die Geschwindigkeit der Maschine dem Synchronismus genügend nahe gekommen ist, z. B. den Punkte erreicht hat, das betrachtete Kraftepaar energisch bestrebt ist, den synchronen Gang herbeizuführen und diesen, nachdem er erreicht ist, bestandig aufrecht zu erhalten unter Correctur der Abweichungen, welche in dem einen oder dem anderen Sinne stattfinden könnten.

Das Kraftepaar dient also als Regler und als Dampfer.

Anstatt anzunehmen, dafs der Anker O einen einzigen Stromkreis trägt und einen einzigen Strom empfangt, kann man voraussetzen, dafs er zwei Stromkreise tragt, deren Eintrittsstellen auf zwei rechtwinklig zu einander stehenden Durchmessern gelegen sind, und welche von zwei hinsichtlich ihrer Phase verschobenen Strömen durchlaufen werden, so dafs der AnkerO ein magnetisches Drehfeld erzeugen wird.

Die Wirkungen des als Dampfer dienenden Stromkreises CDE auf jeden der Stromkreise des Ankers finden dann in derselben Reihenfolge und demselben Sinne statt, so dafs die synchronisirende Wirkung-nicht verändert wird. Sobald der synchrone Gang erreicht ist, dreht sich der Anker mit derselben Geschwindigkeit, aber in umgekehrter Richtung wie das Feld; das Feld wird also im Räume unbeweglich bleiben.

Die Pollinie des Ankers wird dann eine bestimmte Lage sn, Fig. 3, einnehmen und mit der Pollinie N-S des inducirenden Feldes einen Winkel φ bilden. Dieser Winkel ist eine Function des widerstehenden Kraftepaares, welches der als Empfänger gehenden Maschine auferlegt ist. Wenn dieses Kraftepaar sich ändert, so erhält der Winkel φ einen anderen Werth und nimmt die Pollinie s-n eine neue Lage ein, ia welcher sie nach einigen Schwingungen stehen bleiben mufs. Durch die Gegenwart des Stromkreises CDE werden diese Schwingungen begrenzt und sehr rasch aufgehoben, so dafs der Synchronismus aufrecht erhalten wird. Damit aber die dümpfende Wirkung kräftig und regelmä'fsig sei, ist es offenbar höthig, dafs der Stromkreis CDE stets von den von dem Anker O ausgehenden Kraftlinien durchschnitten werde, welches auch immer die Lage der Pollinie s-n des Ankers sein möge. Dieser Stfomkreis mufs also den Anker derart umgeben, dafs jede Verschiebung der Linie der Pole des Ankers zu einer Induction Veranlassung giebt.

Um diesem Stromkreise die gröfste Wirksamkeit zu verleihen, ist es nöthig, dafs die kleinste Verschiebung der Pollinie in dem genannten Stromkreise die möglich gröfste Energiemenge erzeugt.

:. Dies erheischt einerseits, dafs die inductive Wirkung, oder genauer ausgedrückt, die gegenseitige Induction zwisclien diesem Stromkreise und dem Anker so grofs wie möglich, andererseits der Widerstand dieses Kreises so klein wiemöglich sei. Vor allen Dingen mufs die gegenseitige Induction im Verhältnifs zum Widerstände sehr grofs sein.

Man wird daher dem Dampfungsstromkreise im allgemeinen die Gestalt eines den Anker umfassenden Leiters geben, welcher von einer grofsen Kupfermasse gebildet und in.sich selbst geschlossen ist. .

Diese Gestalt ist jedoch, wenngleich sie auch die beste ist, nicht unbedingt nothwendig, sie kann vielmehr, vorausgesetzt, dafs der Strom-^ kreis die erläuterten wesentlichen Eigenschaften ^; bewahrt, nach Bedarf verändert werden; in diesen Stromkreis können nämlich zeitweilig oder dauernd Hülfsvorrichtungen, wie z. B. Condensatoren, Widerstände oder Quellen elektromotorischer Kraft, eingeschaltet werden, welche in gewissen Fällen zur Erleichterung des Ingangsetzens der Maschine dienen oder zur Regelung ihres Ganges beitragen können.

Die Anwendung dieser Grundgedanken auf Maschinen von bekannter Ausführungsform ist : folgende:

Es sei zunächst eine Wechselstrommaschine mit magnetischem Drehfeld, wie eine solche in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, betrachtet. Der feste Feldmagnet trägt zwei Stromkreise A B₁ der bewegliche Anker zwei Stromkreise α b. In die letzteren werden zwei hinsichtlich ihrer Phasen verschobene Ströme gesendet, welche ein Drehfeld erzeugen.' In den einen A der festen Stromkreise leitet man einen Gleichstrom; der andere B bleibt wie bei der ge-, wohnlichen Arbeitsweise dieser Maschinen in sich selbst geschlossen.

Auf Grund dieser Vorkehrungen und des durch den Stromkreis B erzeugten treibenden Kräftepaares setzt sich die Maschine in Bewegung und erlangt eine Geschwindigkeit, welche derjenigen des Synchronismus sehr nahe' kommt; man kann die Geschwindigkeit der Maschine der letztgenannten Geschwindigkeit dadurch beliebig nähern, dafs man den Strom-' kreis B passend einrichtet, besonders ihm eine grofse Kupfermasse giebt. Unter diesen Bedingungen stellt sich der Synchronismus rasch

•und mit Sicherheit her, die Maschine arbeitet dann so, wie mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wurde. Der Stromkreis A wirkt als Feldmagnet mit fester Polarität, der Stromkreis B dient als Dämpfer und erhält den Synchronismus aufrecht, welches auch die Aenderungen der Inanspruchnahme sein mögen.

Diese Einrichtung ist umkehrbar; man kann nämlich die verschobenen Ströme auch in die festen Stromkreise A und B leiten, den Stromkreis α mit einem Gleichstrom speisen und den Stromkreis b in sich selbst schliefsen.

Der Dämpfungs-Stromkreis braucht übrigens, wie bereits gesagt wurde, nicht unmittelbar in sich selbst geschlossen zu sein; man kann in denselben gemäfs einem von den Erfindern ■schon früher angegebenen Verfahren veränderliche Widerstände einschalten, um das Ingangsetzen zu erleichtern.

In diesen Stromkreis können ferner auch Condensatoren und andere Vorrichtungen, welche sich zum Erleichtern des Ingangsetzens oder zum Regeln der dämpfenden Wirkung eignen, eingeschaltet werden.

Da der Dämpfungsstromkreis den Anker bezw. die inducirte Bewickelung vollständig umgeben und dieser so nahe wie möglich angeordnet sein mufs, würde man diesem Kreise ganz einfach die Gestalt eines den Anker umgebenden Kupfercylinders (wenn der Anker cylindiische Form hätte) oder von auf beiden Seiten des Ankers angeordneten Kupferscheiben (wenn der Anker selbst Scheibenform hätte) geben können. Diese Anordnung würde aber den Nachtheil haben, den eisenfreien Raum in schädlicher Weise zu vergröfsern. Deshalb ersetzt man den zusammenhängenden Kupfercylinder bezw. die Scheiben durch eine Reihe von Stäben, welche man in den Polstücken des Feldmagneten unterbringt, also in Eisenmassen einbettet, und zwar dem eisenfreien Raum so nahe wie möglich. Alle die in Bezug auf den Anker an einer und derselben Seite gelegenen Enden dieser Stäbe werden unter sich durch massive Stücke verbunden, in welche sie eingefügt werden. Die Maschine kann alsdann die folgende Gestalt erhalten:

Der Feldmagnet wird von.einem Ring A, Fig. 5 und 6, gebildet, der aus neben einander gestellten Blechplatten zusammengesetzt ist. Dieser Ring trägt den inducirenden und den Dämpfungs-Stromkreis. Der erstere Kreis, der durch einen Gleichstrom oder gleichgerichteten Strom erregt wird, wird in der gewöhnlichen Weise von isolirten Drähten B C, C D gebildet, die um die mit durchgehenden Kerben versehenen Bleche dergestalt gewickelt werden, dafs in dem Ringe eine Reihe abwechselnder Pole entwickelt werden. Die in Fig. 5 und 6 gezeigte Maschine weist acht Pole auf.

Der Dämpfungs-Stromkreis wird, wie vorhin angegeben, von Kupferbolzen P P gebildet, die mitten durch den inducirenden Kern gehen, von welchem sie durch isolirende Hüllen getrennt sind. Diese Bolzen werden unter sich vereinigt und in elektrische Verbindung gebracht durch zwei Bronzewangen AfM, die zu beiden Seiten des Kernes A angeordnet sind und diesem gleichzeitig zur Versteifung dienen. Dieser Stromkreis ist mit dem Stromkreis BC, CD bedeckt, welcher den Gleichstrom aufnimmt. Die Bolzen PP, die den Dämpfungs-Stromkreis bilden, müssen dem Anker so nahe wie möglich angeordnet und rings um diesen so vertheilt werden, dafs sie in allen Stellungen von den vom Anker ausgehenden Kraftlinien durchschnitten werden. Die nahe dem äufseren Umfang dargestellten Bolzen P\ Fig. 5, dienen mit zum sicheren Zusammenhalten des Ganzen.

Der Gleichstrom, der den inducirenden Stromkreis BC, CD speist, kann von einer beliebigen Quelle, z. B. von einer kleinen, auf der Achse angebrachten Maschine D geliefert oder durch eine geeignete Gleichrichtung von Wechselströmen gewonnen werden, eine Gleichrichtung, die sich genau erlangen läfst, da die Maschine einen synchronen Gang hat.

Was den beweglichen Anker anbetrifft, so weist dieser ebenso wie der feste Feldmagnet acht Pole auf. Im Falle der Anwendung von verschobenen Strömen zur Erzeugung eines Drehfeldes werden diese Pole gerriäfs dem gewöhnlichen Verfahren durch eine Anzahl über oder neben einander liegender Stromkreise gebildet, die gleich ist der Anzahl der in Thätigkeit gesetzten verschobenen Ströme; also zwei Stromkreise, die sich in der Mitte des magnetischen Feldes, d. h. des zwischen zwei gleichnamigen Polen gelegenen Raumes, kreuzen, wenn zwei Ströme, ein Sinus- und ein Cosinus strom, angewendet werden; drei Stromkreise, die je auf ein Drittel des magnetischen Feldes vertheilt sind, wenn drei verschobene Ströme angewendet werden, u. s. w. Jeder dieser Stromkreise empfängt einen der Ströme, durch deren gleichzeitige Wirkung das Drehfeld gemäfs dem bekannten Verfahren erzeugt wird.

Die Maschine arbeitet alsdann in der Weise, wie oben (siehe Fig. 4) gesagt wurde.

Nach dem im Eingange gegebenen Grundgedanken ist aber zur Erzeugung der dämpfenden Wirkung des inducirenden Stromkreises ein Drehfeld nicht nöthig, diese Wirkung findet nämlich auch unter dem Einflüsse eines einzigen Wechselstromes statt. Man könnte also, wenn man über einen einzigen Strom verfügt, auf dem Anker der Maschine einen einzigen Stromkreis (Fig. 7) anbringen, welcher natürlich die Entstehung einer der Anzahl der inducirenden Pole gleichen Anzahl Pole veranlassen müfsle, ebenso, wie dies in Fig. 5 angedeutet ist. In diesem Falle setzt sich die Maschine nicht mehr

Claims (2)

von selbst in Gang, es ist daher nöthig, die·^ selbe anzutreiben und ihr künstlich eine Geschwindigkeit mitzutheilen, welche derjenigen des Synchronismus gleich oder sehr nahe ist. Bei Gegenwart des Diimpfungs-Stromkreises genügt es aber, dafs die Maschine die Geschwindigkeit des Synchronismus erreicht, um darin zu verharren. Der einfachste Weg ware also der, die Maschine zuerst mit einer beliebigen giölseren Geschwindigkeit anzutreiben und darauf von selbst die passende Geschwindigkeit erreichen zu lassen. Die Maschine bildet alsdann eine gewöhnliche Wechselstrommaschine, welche nur in ihrer Form von den bekannten abweicht, Das beschriebene Verfahren zur Erzeugung des synchronen Ganges ist allgemein anwendbar auf alle als Motor oder als Erzeuger dienenden Maschinen. Bekanntlich können die Wechselstrommaschinen nur dann in einem und demselben Stromkreis zusammen arbeiten, wenn sie sich synchron drehen. Die erläuterten wesentlichen Einrichtungen, · die den Zweck haben, die von dem Anker erzeugten Kraftlinien zu zwingen, einen ä'uiseren, in sich selbst geschlossenen Stromkreis von sehr schwachem Widerstände zu schneiden, müssen immer beibehalten werden. Nur die Einrichtungen dieses Stromkreises ändern sich mit den verschiedenen Maschinenarten. Als Beispiel ist in Fig. 8 und 9 die Anwendung des Verfahrens auf eine scheibenförmige Maschine mit vielen seitlichen Feldmagneten veranschaulicht. Es ist klar, dafs die angedeuteten Einrichtungen die Anwendung des Verfahrens nicht erschöpfen; wie schon gesagt, kann man die Art der Anwendung umkehren, d. h. den Dämpfungs-Stromkreis, anstatt auf dem festen TheiJ, auf "dem beweglichen Theil der Maschine anbringen, wenn der Anker fest und der Feldmagnet beweglich ist. Ueberdies kann diesem Stromkreise jede passende Einrichtung gegeben und derselbe in mehrere Stromkreise getheilt werden, wenn er nur die oben erläuterten wesentlichen Bedingungen erfüllt. Patent-Ansi'püche:

1. Das Verfahren, den synchronen Lauf von Wechselstrommotoren, deren Magnetfeld durch einen Strom von stets derselben Richtung erregt und deren Anker durch einen oder mehrere der Phase nach verschobene Wechselströme gespeist wird, dadurch herbeizuführen, dafs der Feldmagnet mit einer oder mehreren dämpfend wirkenden, in sich geschlossenen Wickelungen versehen wird.

2. Zur Ausführung des durch Anspruch 1. gekennzeichneten Verfahrens die Einrichtung, dafs der den Anker umgebende oder von demselben umgebene Dämpfungs-Stromkreis, um möglichst von sämmtlichen Kraftlinien des Ankers durchschnitten zu werden, gebildet ist durch Bolzen aus nicht magnetischem Metall, welche die Polstücke des Feldmagneten möglichst nahe der Polflache isolirt durchsetzen und aufsen durch nicht magnetische Metallwangen elektrisch mit .einander verbunden sind.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.