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Einrichtung an Wechselstrommaschinen Einrichtungen an Wechselstromgeneratoren,
die aus einem Regler bestehen, um die Spannung auf der festgesetzten Höhe zu halten,
sind schon bekannt.
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Man kennt auch Wechselstromanlagen, bei denen die Erregung des Wechselstromgenerators,
der die elektrische Energie liefert, und der Anker des Wechselstromerregers, der
mittels eines Gleichrichtersystems den für die Erregung des Wechselstromgenerators
erforderlichen Erregerstrom liefert, die gleiche Drehachse und die gleiche Winkelgeschwindigkeit
haben, wodurch eine konstante elektrisch leitende Verbindung zwischen Anker der
Erregermaschine und Haupterregung unter Wegfall von Schleifkontakten ermöglicht
wird.
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Man kennt im übrigen Spannungsregler für Wechselstromgeneratoren,
bei denen die zu regelnde Spannung des Wechselstromgenerators auf eine elektrodynamische
Vorrichtung arbeitet, die eine in Abhängigkeit von dieser Spannung stehende Antriebskraft
erzeugt und eine Verschiebung der genannten elektrodynamischen Vorrichtung gegen
die Kraft einer Rückholvorrichtung bewirkt, so daB die elektrodynamische Vorrichtung
im Gleichgewichtszustand in Abhängigkeit von der Spannung des Wechselstromgenerators
gebracht wird, und in dieser Stellung die für den Betrieb des Wechselstromgenerators
erforderlichen elektrischen Teile so steuert, daB die Spannung des genannten Generators
auf konstanter Höhe gehalten wird.
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Die vorliegende Erfindung sieht verschiedene Verbesserungen an einer
Wechselstromgeneratoranlage vor, die aus einem Wechselstromgenerator ohne
Schleifkontakt
der vorstehend erwähnten Art und einer elektrodynamischen Regelvorrichtung der gleichen
Art, wie vorstehend beschrieben, besteht.
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Die Erfindung geht" von einer Einrichtung zur Regelung der durch einen
Wechselstromgenerator gelieferten Spannung aus, in der der Erregergleichstrom für
diesen Generator nach Gleichrichtung durch eine Wechselstromerregermaschine geliefert
wird, auf die eine Regelspannung wirkt, während der Regler aus einer elektrodynamischen
Vorrichtung besteht, die einerseits einem Drehmoment in Abhängigkeit von der vom
Wechselstromgenerator gelieferten Spannung, andererseits einem Widerstandsmoment
in Abhängigkeit von der zu erzielenden Spannung unterworfen ist. Erfindungsgemäß
wird die Regelspannung von der Wechselstromerregermaschine in Form einer Spannung
geliefert, die in Hilfsspulen des Ständers der genannten Wechselstromerregermaschine
induziert wird und den Erregerkraftflußschwankungen unterworfen ist, wobei diese
Vorrichtung somit ermöglicht, die später für die Regelung dienende und durch die
elektrodynamische Regelvorrichtung entsprechend geänderte Spannung ohne Benutzung
von Schleifkontakten zu entnehmen.
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Gemäß der einen Ausführungsform ist die Anordnung der Wicklungen im
Ständer der Wechselstromerregermaschine und die Zahl der Nuten im Läufer der genannten
Erregermaschine so, daß die Frequenz der Entnahmespannung für die Regelung weit
über den industriell üblichen Frequenzen liegt, so daß eine Verringerung des schädlichen
elektrodynamischen Moments, das den Gleichgewichtszustand der elektrodynamischen
Regelvorrichtung stört, eintritt und infolgedessen eine bessere Regelgenauigkeit
gewährleistet ist.
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Letzteres kann auch dadurch erreicht werden, daß der Wechselstromgenerator
selbst Hilfsspulen trägt, die auf Zähne aufgebracht sind, die in die Kerne der Pole
des Ständers eingelassen sind, die zur Aufnahme der Erregerspulen dienen, sp daß
infolge Drehung des Nutenläufers unter dem Einfluß des Induktorerregerfeldes an
den Klemmen der genannten Hilfsspulen eine zusätzliche Wechselspannung in Erscheinung
tritt, die also ohne Benutzung von Schleifkontakten entnommen werden kann.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf die nachfolgend beschriebenen
Merkmale und auf ihre verschiedenen möglichen Kombinationen.
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Eine Einrichtung entsprechend dem Erfindungsgedanken ist als Beispiel
auf der Zeichnung dargestellt. In dieser Zeichnung bedeutet: Abb. i die Übersichtszeichnung
der Anlage, Abb. 2 eine schematische Darstellung der für die Anlage i verwendeten
Wechselstromerregermaschine im Schnitt.
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Die Anlage besteht aus dem Wechselstromgenerator 3o, dessen Spannung
geregelt werden soll, und aus der elektrodynamischen Regelvorrichtung 31 zur Regelung
der Spannung des Generators 30.
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Der Wechselstromgenerator 3o besteht aus der zu induzierenden Wicklung
i, die den Wechselstrom erzeugt, dessen Spannung. man konstant zu halten wünscht,
und einem Magnetrad oder Polrad 2. Dieses Polrad 2 wird mit Strom gespeist, der
durch das Gleichrichtersystem 3 gleichgerichtet wird.
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Das Gleichrichtersystem 3 wird mit Wechselstrom vom Anker 4 der Erregermaschine
32 mit der Erregerwicklung 5 gespeist. Das Polrad 2, das Gleichrichtersystem 3 und
der Anker 4 der Erregermaschine 32 drehen sich mit der Welle der Wechselstrommaschine
und sind untereinander durch geeignete, mit dem gesamten System einen unlöslichen
Teil bildende Verbindungen angeschlossen. Der elektrodynamische Regler 31 besteht
aus einem beweglichen Rahmen io in dem Feld eines Magneten ii. Ersterer ist mit
einer Wicklung'versehen, die von einem Strom durchflossen wird, welcher der zu regelnden
Wechselspannung verhältnisgleich ist und vorher durch ein geeignetes Gleichrichtersystem
12 gleichgerichtet wird.
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Der Durchgang dieses Stromes durch die Wicklungen des beweglichen
Rahmens io erzeugt unter dem Einfluß des Magnetfeldes ii ein Drehmoment, das der
Spannung des zu regelnden Wechselstromes verhältnisgleich ist und dessen Proportionalitätsfaktor
durch einen in den fraglichen Stromkreis eingeschlossenen Widerstand (Sollwerteinsteller)
13 regelbar gehalten wird. Die Verstellung des beweglichen Rahmens io im Magnetfeld
zieht die Verstellung eines Teiles aus diamagnetischem Metall 15 nach sich,
welcher den beweglichen Kern eines Transformators bildet, dessen Übersetzungsverhältnis
zwischen Primärwicklung 9 und Sekundärwicklung 8 in Abhängigkeit von der Stellung
des Teiles 15 zu diesen Wicklungen steht.
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Eine Feder 14 übt ferner ein Widerstandsmoment aus, das dem Drehmoment
des beweglichen Rahmens entgegenarbeitet. .
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Die Stellung des beweglichen Kernes 15 zu den Wicklungen 8 und 9 des
Transformators entspricht daher dem Gleichgewichtszustand zwischen diesen entgegenwirkenden
Kräften, wobei dieses Gleichgewicht- einerseits bestimmt wird durch die Höhe der
zu regelnden elektrischen Spannung, die das Drehmoment erzeugt, und andererseits
durch die elastische Spannung der Feder, die das Widerstandsmoment erzeugt.
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Der in der Wicklung 8 induzierte Sekundärstrom wird durch den Gleichrichter
7 gleichgerichtet und speist die Erregung 5 der Erregermaschine 32 des zu regelnden
Wechselstromgenerators 30. Er steuert also zuerst die durch diese Erregermaschine
32 erzeugte Spannung und folglich die durch den Wechselstromgenerator 3o selbst
erzeugte Spannung, die in Abhängigkeit zu jener steht.
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Jede Spannungsänderung nach oben oder nach unten der Spannung, die
dem Gleichgewichtszustand des Reglers entspricht, hat eine Verstellung des Kernes
15 des Transformators 8, 9 in Richtung der steigenden Erregung bei einem Spannungsabfall
und in Richtung der abnehmenden Erregung im entgegengesetzten Fall zur Folge. Der
Gleichgewichtszustand kann sich nur für die Generatorspannung- einstellen, die durch
die Einstellung des auf den beweglichen Rahmen einwirkenden Widerstandes 13 vorher
festgesetzt ist.
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Es werden jedoch schädliche elektrodynamische
Rückwirkungen
in dem beweglichen Teil des Transformators 8 und 9 hervorgerufen, die ein zusätzliches
Moment schaffen, wodurch Störungen in dem obengenannten Gleichgewichtszustand auftreten
können. Es ist daher erforderlich, diese Rückwirkung auf einen möglichst kleinen
Wert zu reduzieren.
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Es wird infolgedessen vorgesehen, die Frequenz des Speisestromes für
die Primärwicklung 9 des Transformators zu erhöhen. Unter diesen Umständen werden
bei gleicher Leistung die Teile, aus denen sich der Transformator zusammensetzt,
um so mehr verkleinert und werden untereinander um so weniger elektrodynamischen
Rückwirkungen ausgesetzt sein, je höher diese Frequenz liegt. Der praktische Wert
dieser Frequenz liegt etwa zwischen 400 und 1200 Perioden und kann von dem Wechselstromgenerator
selbst, dessen Frequenz normal bei 25 bis 6o Perioden liegt, nicht geliefert werden.
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Erfindungsgemäß erhält man diese hochfrequente Spannung zur Speisung
der Primärwicklung 9 des Transformators, indem man diese Spannung der Erregermaschine
32 entnimmt, die zu diesem Zweck in der folgenden in Abb. 2 dargestellten Form konstruiert
ist.
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Diese 3phasige Erregermaschine besteht aus einem 4poligen Ständer
mit den Polen 361, 362, 363, 364 und einem Läufer 37 mit 12 Nuten, z. B. 381, 382,
383 usw.
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Diese Erregermaschine könnte aus einem Stator und einem Läufer bestehen,
der sich aus einer verschiedenen Anzahl von Polen und Nuten zusammensetzt, wobei
die gewählte Zahl keinen Einfluß auf die Hauptmerkmale der Erfindung hat.
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Um nun einen Strom von höherer Frequenz zu erhalten als die Frequenz,
die von der oben definierten Erregermaschine geliefert wird, die sich nach der Größenordnung
der industriellen Frequenz zu richten hätte, hat man gemäß der Erfindung in die
Kerne der Magnetpole 36 Nuten 39 und 4o eingelassen, in die die Hilfswicklung 6,
auch in Abb. 1 dargestellt, zur Speisung der Primärwicklung 9 des Transformators
8 und 9 eingelegt werden kann. Der Zahn 41, der von der Wicklung 6 umgeben ist,
wird unter dem Einfluß der Erregerpole von einem Kraftfluß durchflossen, der einen
Höchstwert erreicht, wenn dieser Zahn einem Zahn des Läufers 37 gegenüb°rsteht,
und der andererseits seinen kleinsten Wert erreicht, wenn dieser Zahn 41 einer Nut
38 im Läufer gegenübersteht.
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Die Spule 6 bildet somit eine Gleichpolmaschine für Wechselstrom,
deren Frequenz eine Funktion der Nutenzahl ist; die an diesem Zahn während einer
Ankerumdrehung vorbeilaufen.
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Im vorliegenden Fall, wo 12 Nuten vorhanden sind, ergeben sich pro
Umdrehung 12 volle Schwingungen der Kraftflußänderung, dieses entspricht bei der
Geschwindigkeit von 150o UPM einer Frequenz von
Perioden pro Sekunde.
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Wenn der Läufer 24 anstatt 12 Nuten hat, würde die Frequenz auf
Perioden steigen. Man sieht also, daß man für jede gegebene Geschwindigkeit durch
diesen Kunstgriff eine so hohe Frequenz erreichen kann, wie man sie wünscht, indem
man hierzu die Nutenzahl des Läufers ändert.
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Ebenso kann die zur Speisung des Reglers notwendige Leistung, die
übrigens sehr gering ist, durch geeignete Werte der Zahnquerschnitte des durch diese
laufenden Erregerkraftflusses und der davon abhängenden Wicklungen erzielt werden.
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Als Variante der vorliegenden Erfindung und für Wechselstrommaschinen
geringer Leistung kann man den hochfrequenten Strom dadurch erzielen, indem man
am Magnetständer der Wechselstrommaschine selbst die für die vorstehend beschriebene
Erregermaschine vorgesehenen Nuten und Spulen vorsieht.
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In diesem Falle muß der Läufer der Wechselstrommaschine unbedingt
auch offene Nuten in einer Breite enthalten, die der Größe des Kraftflusses in den
Hilfswicklungen, die in die Nuten der Polschuhe der Induktoren eingelegt sind, entspricht.
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Hierdurch werden indessen Harmonische in dem von der Wechselstrommaschine
gelieferten Stromerzeugt, so daß die Anwendung des Systems auf die Fälle beschränkt
bleibt, wo die Form der Spannungskurve der Wechselstrommaschine beliebig sein kann.
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Im vorliegenden Fall sind die Harmonischen der Verzahnung des Läufers
der Erregermaschine praktisch durch die Gleichrichter und Drosselvorrichtungen,
die in den Erregerstromkreis eingeschaltet sind, auf einen solchen Wert verringert,
daß ihre Übertragung auf die Wicklungen der Hauptwechselstrommaschine durch Induktion
praktisch auf die Spannungskurve derselben ohne Einfluß ist.