DE82217C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21: Elektrische Apparate.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 26. Juni 1894 ab.

I. Zweck der Erfindung.

Gewöhnlich bezeichnet man als asynchronen Einphasen- oder Mehrphasen-Wechselstrommotor jede Wechselstrommaschine mit einem Feldmagneten, der ebenso viele getrennte Stromkreise besitzt, als man Wechselströme von verschiedenen Phasen nutzbar machen will, und auf inducirte Stromkreise einwirkt, die in Bezug auf ihn beweglich und in sich geschlossen sind.

Vor langer Zeit hat die Erfinderin durch Analyse ermittelt und durch den Versuch bestätigt, daß,, wenn man bei einem asynchronen Einphasen- oder Mehrphasen-Wechselstrommotor, der die zu seinem Gange nöthigen Wechselströme empfängt, es so einrichtet, daß das auf seiner Achse entwickelte widerstehende Kräftepaar durch ein treibendes Kräftepaar ersetzt wird, diese Maschine anstatt der oder den sie speisenden Linien Strom zu entnehmen, an diese Linien Strom abgiebt. (Vergl: Patentschrift Nr. 72461.)

Zur besseren Klarstellung sei auf die Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung hingewiesen, a b und c d stellen zwei Vertheilungslinien dar, zwischen denen man eine wirksame, wechselnde Potentialdifferenz bei gleichbleibender Wechselzahl ω aufrecht erhält. Bei A ist die Elektricitätsquelle und bei B der Stromkreis oder einer der Stromkreise des Feldmagneten eines asynchronen Motors. Dieser Stromkreis ist als Nebenschluß zwischen die Leitungen ab und cd geschaltet. Zur Erleichterung der Erklärung sei angenommen, dieser Motor wäre zweipolig.

Die Verbindungsstellen des Stromkreises B mit den Vertheilungsleitungen α b und c d sind mit α und β bezeichnet.

Man kann den asynchronen Motor mit beliebiger Geschwindigkeit sich drehen lassen, indem man auf seine Riemenscheibe eine passende Kraft einwirken läßt, die der treibenden Kraft widersteht. Man beobachtet dann Folgendes:

1. Solange die Drehgeschwindigkeit des als zweipolig angenommenen Motors geringer ist als der Wechselzahl ω, des verwendeten Wechselstromes entspricht, muß das auf seiner Riemenscheibe zur Einwirkung gebrachte Kräftepaar widerstehend sein, und die wirksame Stärke des längs der Leitungen a b und cd fließenden Stromes ist innerhalb der Strecken ab und β d geringer als innerhalb der Strecken α α und.cß.

2. Sobald seine Drehgeschwindigkeit gleich υ) ist, muß das auf seine Riemenscheibe zur Einwirkung gebrachte Kräftepaar Null sein, wenn man die Reibungen der Achsen vernachlässigt, und wenn die Stromkreise des Feldmagneten¹ des Motors große Coefficienten der Selbstinduction haben, so ist die wirksame Stärke des längs der Leitungen a b und c d fließenden Stromes innerhalb der Strecken ab und β d merklich dieselbe, wie innerhalb der Strecken α α und c ß.

3. Sobald seine Drehgeschwindigkeit höher

(2. Auflage, ausgegeben am 2. April igob.J

als ω ist, muß das auf seine Riemenscheibe zur Einwirkung gebrachte Kräftepaar treibend wirken, und die wirksame Stärke des längs der Leitungen α b_t und c d fließenden Stromes ist innerhalb der Strecken α ί> und ßd größer als innerhalb der Strecken α α und c ß.

Aus dem Vorstehenden ergiebt sich, daß es möglich ist, die allgemein asynchrone Motoren genannten Maschinen dadurch zur Stromerzeugung zu verwenden, daß man sie den oder die Ströme verstärken läßt, die von einer beliebigen Einphasen- oder Mehrphasen-Wechselstrommaschine geliefert werden.

Man begreift sofort, daß man den Stromkreis B durch eine beliebige Anzahl völlig gleicher Stromkreise ersetzen kann, die zu einem der asynchronen Motoren gehören, welche alle dazu beitragen, den von der Quelle A gelieferten Strom zu verstärken.

Der Ersatz der gewöhnlichen Wechselstrommaschinen durch diese als Erzeuger verwendeten Maschinen muß dieselben Vortheile darbieten, als wenn man die letztgenannten Maschinen als Motor anwendet an Stelle der gewöhnlichen, als synchrone Motoren gebrauchten Wechselstrommaschinen.

In dem einen wie in dem anderen Falle werden diese Maschinen niemals genöthigt sein, sich synchron zu drehen, weder unter sich noch mit der Wechselstrommaschine, deren Strom sie verstärken.

Aber es ist eine große Unbequemlichkeit, gezwungen zu sein, diese Maschinen nur in Verbindung mit einer gewöhnlichen Wechselstrommaschine als Erreger anwenden zu müssen. Die Umgehung dieses Zwanges ist der Zweck der vorliegenden Erfindung.

II. Grundgedanke der Erfindung.

Wenn man einen Stromkreis betrachtet, dessen Widerstand vernachlässigt werden kann und der gebildet ist durch die Vereinigung eines Condensators von der Capacität C und einer Spule mit dem Selbstinductions-Coefficienten L (Fig. 2), und wenn man diesem Condensator eine gewisse Ladung giebt, so wird bekanntlich diese Ladung verzehrt, indem sie die Entstehung von Wechselströmen veranlaßt, deren Stärke abnimmt, deren Periode T aber genau bestimmt und gleich T — 2tt|/CL sein wird.

Natürlich kann man den Condensator durch jeden anderen Apparat ersetzen, der fähig ist, denselben Dienst zu thun, d.h. die Energie, die dem ihn durchfließenden Strom entnommen ist, augenblicklich aufzuspeichern und später an diesen Strom wieder abzugeben; die so aufgespeicherte Energie erreicht den höchsten Betrag, wenn die Stärke des Stromes Null ist.

Die Erfinderin hat ermittelt,. daß, wenn man an Stelle der Spule mit dem Selbstinductions - Coefficienten L einen der Feldmagnet - Stromkreise einer asynchronen Maschine anwendet, und wenn man dieser Maschine eine Geschwindigkeit mittheilt, die

höher ist als —=- (die Anzahl der Pole η Τ

gleich 2 w genommen), nicht nur der schwingende Entladungsstrom stets erzeugt, sondern auch seine Stärke, anstatt abzunehmen, vermehrt wird, bis die magnetischen Stromkreise der Maschine gesättigt sind, und daß alsdann diese Stärke constant bleibt.

Die Erfinderin hat ferner ermittelt, daß, wenn man dann von den Enden des Feldmagnet-Stromkreises, der die Stelle der Spule mit dem Selbstinductions-Coefficienten L vertritt, zwei Vertheilungsleitungen abzweigt, zwischen diesen Leitungen eine wirksame und gleichbleibende, wechselnde Potentialdifferenz aufrecht erhalten bleibt, wie groß auch der Stromverbrauch dieser Leitungen sein möge.

Wenn der Verbrauchsstromkreis Selbstinduction oder Capacität hätte, so würden diese letzteren auf die Wechselzahl des gelieferten Stromes zurückwirken. Aber da in der Praxis die Capacität oder die Selbstinduction eines Verbrauchsstromkreises immer sehr klein sind im Verhältniß zu dessen Widerstand, so werden die Aenderungen der Wechselzahl des gelieferten Stromes immer sehr klein .sein; das System der Erfinderin ist also einer gewerblichen Anwendung fähig.

Wenn dem zufällig nicht so wäre, so würde es leicht sein, die Selbstinduction oder die Capacität eines in den Stromkreis eingeschalteten Apparates durch Hinzufügung eines Condensators oder einer Selbstinductionsspule zu diesem Apparat unwirksam zu machen.

III. Anwendung zur Erzeugung von Einphasenwechselströmen mittelst asynchroner Maschinen.

i. Fall einer einzigen Maschine (Fig. 3).

Ein gewöhnlicher asynchroner Motor soll veranlaßt werden, einen Wechselstrom von

der Wechselzahl — zu erzeugen.

Wenn dieser Motor 2,n Pole hat, so wird ihm eine Geschwindigkeit mitgetheilt, die

größer als —=- ist (der Unterschied zwischen

dieser Geschwindigkeit und der Größe —— ^B η Τ

wird um so kleiner sein, je besser die Maschine ist, und er braucht dann nicht mit großer Genauigkeit bestimmt zu werden).

Wenn der einzige Feldmagnet-Stromkreis S dieser Maschine einen Coefficienten L der Selbstinduction hat, so muß man zwischen die beiden Vertheilungsleitungen u ν und xy, die von den Enden dieses Stromkreises ab-

gezweigt sind, einen Condensator von solcher Capacität C im Nebenschluß einschalten, daß

C —

Ebenso wie sich eine Holtz'sche Maschine meistens selbst erregt, wenn man sie in Drehung versetzt, ebenso genügt es, die vorliegende Maschine schnell zu drehen, damit sie sich von selbst erregt.

In allen Fällen genügt es, dem Condensator eine beliebige Ladung zu geben, indem man z. B. über ihn eine Batterie eine sehr kurze Zeit hindurch* schließt, um das Erregen der Maschine zu Wege zu bringen. Das \⁷erstärken des Stromes in dem Vertheilungsstromkreis u ν xy findet dann auf die angegebene Weise statt.

2. Fall mehrerer parallel geschalteter Maschinen.

Es genügt, jede Dynamomaschine mit einem besonderen Condensator auszurüsten, dessen Capacität, wie. nachstehend angegeben, bestimmt wird.

Wenn man nun die Feldmagnete von K Maschinen parallel kuppelt, so gruppirt man ihre Condensatoren notwendigerweise ebenfalls parallel.

Sind die K Maschinen gleich, so wird der Coefficient der Selbstinduction des Stromkreises, der durch die Parallelschaltung ihrer K Feldmagnet-Stromkreise gebildet ist, Kmal kleiner sein als derjenige eines dieser Feldmagnet - Stromkreise. Mit anderen Worten,

er wird gleich —- · K.

Aber gleichzeitig hat auch der totale Condensator, der durch die Vereinigung der K besonderen Condensatoren der gekuppelten Maschinen entsteht, eine Capacität, die Kmal größer ist als diejenige eines dieser Condensatoren.

Nun aber ist immer T — 2π ]/CL.

Die Wechselzahl -— des erzeugten Stromes

wird also durch die Parallelschaltung mehrerer Maschinen nicht verändert und diese Operation kann ohne irgend eine besondere Vorsichtsmaßregel ausgeführt werden.

IV. Anwendung zur Erzeugung von Mehrphasen -Wechselströmen.

Es ist nicht möglich, diesen Fall unmittelbar aus dem vorigen dadurch hervorgehen zu lassen, daß man jeden der Stromkreise des Feldmagneten einer Mehrphasen - Wechselstrommaschine als eine besondere Einphasen-Wechselstrommaschine betrachtet.'

Es wäre in der That nicht möglich, die Capacitäten der Condensatoren, die man jedem dieser von einander unabhängigen Stromkreise beigesellen müßte, mit absoluter Genauigkeit zu regeln, und die Wechselzahlen der erzeugten Ströme könnten nicht streng denselben Werth haben.

Diese Schwierigkeit wird in folgender Weise vermieden.

Man benutzt einen einzigen Resonator, der von einem Condensator Γ und einer besonderen Selbstinductionsspule A gebildet ist (s. Fig. 4, rechts).

Dieser Resonator liefert Entladungsströme von ganz bestimmter Wechselzahl,' die hernach in ebenso viele Ströme von verschiedenen Phasen zerlegt werden, welche später durch die verschiedenen Stromkreise der asynchronen Maschinen verstärkt werden.

Indem man jeden der Ströme, die von der Zerlegung des Entladungsstromes des Resonators herrühren, einzeln verstärkt, gelangt man zu demselben Ergebniß, als wenn man diesen Entladungsstrom vor seiner Zerlegung verstärkte.

Die Stärke dieses Stromes nimmt, wie im ersten Falle, fortwährend zu, bis die von seiner Zerlegung herrührenden Ströme die Magnetkerne der verschiedenen Feldmagnet-Stromkreise, die sie durchdringen, gesättigt haben.

Was die Zerlegung des Entladungsstromes des Resonators in mehrere Ströme von verschiedenen Phasen anbelangt, so erhält man diese in folgender Weise:

Es sei zunächst angenommen, es handle sich darum, zwei um Y₄WeIIe verschobene Speiseströme mittelst zweier getrennter Dynamomaschinen zu erzeugen.

In Fig. 4 sind bei S₁ und S₂ schematisch die beiden Feldmagnete der Dynamomaschinen dargestellt, die gleichzeitig um ¹j_i Welle verschobene Ströme liefern sollen, deren Stärken beispielsweise bezw.

Z₁ = A sin 2π-ψ und J₂ = A cos 2 π -ψ

seien. . .

In Fig. 4 sind die Anfänge der Leiter angedeutet , welche diese Ströme fortführen sollen, und es ist angenommen, die Rückleitungen endigten in einen gemeinsamen Leiter ab.

Der Resonator oder ' das die Erregungsströme erzeugende Organ wird gebildet durch die Reihenschaltung einer Drahtspule mit dem Selbstinductions - Coefficienten A und eines Condensators von der Capacität Γ oder jedes anderen Apparates, der denselben Dienst wie ein Condensator thun kann.

Will man Ströme von der Wechselzahl -= erhalten, so muß man die Selbstinduction A

und die Capacität T in der Weise bestimmen, daß folgender Gleichung genügt wird:

X IO^b

Mikrofarad.

Das eine der beiden Enden des Resonators Γ A ist mit dem gemeinsamen Rückleiter α b in Verbindung gesetzt.

Das andere Ende desselben Resonators wird mit einem Punkt P (Fig. 4) verbunden.

Von dem Punkt P gehen zwei Abzweigungen aus:

Die erste enthält einen Condensator von der Capacität C₁ und geht bis zum Punkt d, dem Ende des Stromkreises des Feldmagneten J₁.

Die zweite enthält einen Condensator von der Capacität C₂ und geht bis zum Punkt c, dem Ende des Stromkreises des Feldmagneten J₂.

Bezeichnet man mit L₁ den Coefficienten der Selbstinduction des Feldmagneten S₁ und mit L₂ den Coefficienten der Selbstinduction des Feldmagneten J₂, ferner mit R den Widerstand des Resonators, der die Selbstinductionsspule A und den Condensator von der Capacität Γ enthält, so müssen die Capacitäten C₁ und C₂ durch die folgenden Gleichungen bestimmt werden.

27Γ

T²

= R

L₂--

Unter diesen Bedingungen werden ebenso wie vorhin die Dynamomaschinen, deren Feldmagnete durch die Stromkreise s und s.₂ versinnlicht sind, nicht nur sich selbst erregen und bezw. alle vorhin aufgeführten Eigenschaften der Einphasen-Wechselstrommaschine besitzen, sondern sie werden auch um Y₄ Welle verschobene Ströme liefern.

Es sei jetzt angenommen, es handele sich darum, k Mehrphasenströme zu erzeugen, die, auf einander folgend, um Y₄ Welle verschoben sind.

Die Fig. 5 veranschaulicht die Schaltungsart, die der Erzeugung von drei auf einander folgend, um Y₃ Welle verschobenen Strömen entspricht, aber man hat nur in Allem, was nachstehend gesagt wird, die Zahl 3 durch die Zahl k zu ersetzen, um daraus die für alle Fälle geeignete Schaltungsart herzuleiten.

Das erregende Hauptorgan ist abermals ein Resonator, der durch Reihenschaltung eines Condensators von der Capacität Γ und einer Spule mit dem Selbstinductions-Coefficienten A gebildet ist,

Wenn die Wechselzahl der zu erzeugenden

Ströme
dingung

ist, so muß man stets die Be-

■p

T²

x 10

(5

Mikrofarad innehalten.

Um unter diesen Bedingungen den Entladungsstrom des Resonators zu zerlegen, muß man ebenso viele Condensatoren anwenden, als man verschobene Ströme nutzbar machen will.

Man kann die Anwendung des vorliegenden Verfahrens in - dieser Hinsicht vereinfachen, indem man zu folgender Einrichtung greift:

Man beginnt immer damit, den Entladungsstrom des Resonators A Γ (Fig. 5) in zwei Ströme zu zerlegten, die bezw. um Y₄ Welle verschoben sind.

Diese Zerlegung geschieht, wie im vorhergehenden Falle, mittelst zweier Condensatoren C₁ und C₂, deren Capacität durch die weiter unten gegebene Formel angegeben wird.

Die durch die beiden Condensatoren zerlegten Ströme werden bezw. in die Umformerspulen T₁ und T₂ gesendet, die einen gemeinsamen Rückleiter d Γ haben. Diese Spulen bilden die primären Stromkreise der Umformer, deren Kerne bei m η und ρ q dargestellt sind.

Die Wickelungen der primären Stromkreise T₁ und T₂ sind gleich.

Bezeichnet man mit R den Widerstand des Entladungsstromkreises des Resonators und mit L den Coefficienten der scheinbaren Selbstinduction jedes der primären Stromkreise T₁ und T₂, so werden die Capacitäten C₁ und C₂ durch folgende Gleichungen bestimmt:

27Γ
2 Ti

T
JL-i '

= R

= — R.

Um jeden Kern m η bezw. ρ q der Umformer werden die secundären Stromkreise angeordnet, im vorliegenden Falle je 3, d.h. wenn man drei regelmäßig um ^!/₃ Welle verschobene Ströme erzeugen will. Die secundären Stromkreise sind in der Figur durch die Spulen 1, 2, 3, i¹, 2¹, 3¹ dargestellt.

Die Spulen 1 und i¹, 2 und 2¹,. 3 und 3¹ sind bezw. in Reihe geschaltet, so daß drei Stromkreise gebildet sind, welche über die Feldmagnete S₁ S₂ und S₃ der Maschinen geschlossen sind, wo die Verstärkung geschehen soll.

Damit die Ströme in den. drei Strom-

kreisen regelmäßig um Y₃ Welle verschoben seien, muß man der Zahl der Windungen jeder Spule i, 2, 3, i¹, 2¹, 3¹ folgenden Werth geben, worin y eine constante Windungszahl und α eine willkürliche und constante Zahl bezeichnen.

Umformer mn:
Spule ι c sin 2 π et,
Spule 2 ν sin 2 π (α -f- ¹J₃),'
Spule 3 y sin 2 π (α -j- Ve)·

Umformer ρ #:
Spule ι ¹ ν cos 2 πα,
Spule 2¹ ν cos 2 π (α + Ve).
Spule 3¹V cos 2 Tr (a -j- ²As)-

Da unter diesen Bedingungen die Ströme, welche die primären Stromkreise T₁ und T₂ der Umformer m η und ρ q durchlaufen, um '/₄ Welle verschoben sind, so sind die Kraftlinien ebenfalls um Y₄ Welle verschoben und ihre Aenderungen erzeugen in jeder Windung, die den ersten oder den zweiten Kern umgiebt, die durch die folgenden Ausdrücke versinnlichten elektromotorischen Kräfte:

Bezeichnet man die in den Stromkreisen

ι i¹ S₁

'ij und 3 3¹ S₃ entwickelten elektromotorischen Kräfte mit E₁ E₂ und E₃ und mit h den Werth der größten E. M. K. pro Windung, so ist:

= ν /z I si

sm 2 π a sin 2 π

cos 2 π a. cos 2 π

J = ν h cos 2π J-=- -^- α)

E₂ = ν h J sin 2 π (α + Y₃) sin 2 π -=■ + cos 2 π (α -)- Y₃) cos 2 π -=- = ν h cos 2 Tr J -=- — α — Y₃ J

E₃ = ν h J sin 2 π (α -{- ²/_s) sin 2 ττ -=- -j- cos 2 ττ (α -j- ²/₃) cos 2 ττ -=- J

= ν h cos 2 TT (^7 — α — ²/;

Diese drei elektromotorischen Kräfte haben denselben wirksamen Werth, aber ihre Aenderungen sind um '/₃ Periode verschoben.

Folglich werden die den drei Feldmagneten gelieferten Erregungsströme ebenfalls um Y₃ Periode verschoben sein.

Bisher wurde der leichteren Erklärung halber angenommen, daß man ebenso viele getrennte Dynamomaschinen anzuwenden hätte, als man Ströme von verschiedenen Phasen erzeugen wollte. Dies ist jedoch nicht nothwendig.

Man braucht nur einen gewöhnlichen Drehfeldmotor zu nehmen, dessen Feldmagnet ebenso viele getrennte, in Bezug auf einander verschobene Stromkreise hat, als man Mehrphasenströme erzeugen will.

Jeder dieser Stromkreise kann so angesehen werden, als ob er den Feldmagneten einer besonderen Maschine bilde; es gelten daher in dieser Beziehung alle vorhergehenden Schlußfolgerungen.

Diese Stromkreise werden einzeln erregt, indem man je nach Umständen die in Fig. 4 oder 5 angegebene Schaltung wählt, und damit die Maschine als Erzeuger thätig sei, genügt es, sie sich mit einer Geschwindigkeit ω drehen

zu lassen, die größer als

11T

ist, wenn die

Polzahl der Dynamomaschine gleich 2 μ ist und die Wechselzahl des Stromes, den man erhalten'will, gleich —— sein soll.

Wenn man mehrere Dynamomaschinen, von denen jede mit einem besonderen Resonator ausgerüstet ist, parallel schalten will, so genügt es, die verschiedenen Stromkreise dieser Maschinen, die gleichzeitig von Strömen derselben Phase durchlaufen werden sollen, parallel zu schalten unter der Bedingung, daß man gleichzeitig 1. die Condensatoren und 2. die Selbstinductionsspulen aller Erreger parallel schaltet. Auf diese Weise wird das von den gekuppelten Maschinen gebildete System stets durch einen einzigen Erreger erregt, der einen Strom von ganz bestimmter Wechselzahl liefert. Die gekuppelten Dynamomaschinen brauchen sich nicht synchron zu drehen.

In dem Vorausgehenden wurde nur die Parallelschaltung der Maschinen behandelt, weil dieser Fall in der Praxis am häufigsten vorkommt, man kann die Maschinen jedoch auch in Reihe schalten. Alsdann ist es rathsam, im Augenblicke der Kupplung die Erregungsapparate der verschiedenen Dynamomaschinen ebenfalls in Reihe zu schalten, wenn sie von einem System von solchen Condensatoren gebildet sind, wie sie vorhin beschrieben wurden.

Claims (1)

1. Pate nt-Ansprüche:

   ι. Stromerzeugung durch dynamoelektrische Wechselstromerzeugermaschinen mit in sich geschlossenem Anker, dadurch gekennzeichnet, daß die stromerzeugende Feldmagnetwickelung der Maschinen — außer durch die Verbrauchsleitungen — durch einen Stromkreis geschlossen wird, in welchem Selbstinduction und eingeschaltete Condensatoren oder die Stromphase ähnlich beeinflussende Apparate derart zusammenwirken, daß die Resonanzverhältnisse dieses Stromkreises die Wechselzahl des zu erzeugenden Stromes bestimmen.

   Erzeugung von Strömen verschiedener Phase, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem im Anspruch i. gekennzeichneten Stromkreis zwei oder mehrere Feldmagnete in verschiedener Phase erregt werden.
   Erzeugung von Strömen verschiedener Phase, dadurch gekennzeichnet, daß die in Anspruch 2. gekennzeichneten Erregungsströme aus dem Resonanzstromkreis nicht unmittelbar, sondern durch Stromwandler entnommen werden, deren primäre Windungen in dem Resonanzstromkreise liegen, während die secundären Windungen so geschaltet sind, daß sie eine größere Zahl von Strömen verschobener Phase ergeben.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.