DE887070C

DE887070C - DC machine with strongly speed-dependent voltage

Info

Publication number: DE887070C
Application number: DES22045A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr-Ing Toefflinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1951-02-25
Filing date: 1951-02-25
Publication date: 1953-08-20

Description

Gleichstrommaschine mit stark,drehzahlabhängiger Spannung Für viele Zwecke werden Gleichstrommaschinen verlangt, die, auf konstanten Widerstand arbeitend, bei geringer Erhöhung der Drehzahl einen erheblich stärkeren, bei geringer Drehzahlerniedrigung einen wesentlich schwächeren Strom liefern, ohne daß dazu ein besonderer Regler benötigt wird. Die genannte Regelung der Maschine soll also mit anderen Worten lediglich durch ihre eigene Charakteristik erfolgen. Benutzt man eine solche Maschine beispielsweise als Erregermaschine eines mit ihr gekuppelten Gleichstrommotors, so wird die Drehzahl dieses Motors auch bei starken Lastschwankungen sich nur wenig ändern. Auch für .die Regelung von Fahrzeuggeneratoren, die aus einer Gleichstrommaschine und einer antreibenden Kraftmaschine, beispielsweise einem Dieselmotor, bestehen, können Maschinen mit der erwähnten starken Drehzahlabhängigkeit ihrer Spannung bzw. ihres Stromes mit Vorteil als Erregermaschine benutzt werden. Die Kraftmaschine wird in diesem Falle bei einem geringen Drehzahlabfall entlastet, bei einem geringen Drehzahlanstieg jedoch mehr belastet. Die geforderte hohe Drehzahlempfindlichkeit braucht im allgemeinen nur innerhalb eines begrenzten Drehzahlbereiches zu bestehen. *Um Pendelungen zu vermeiden, ist es jedoch wichtig, daß die Spannungs- bzw. Stromänderung der Drehzahländerung möglichst ohne Trägheit folgt.DC machine with strong, speed-dependent voltage For many Purposes, direct current machines are required which, working on constant resistance, if the speed is increased slightly, it is considerably stronger, if the speed is decreased slightly deliver a much weaker current without the need for a special regulator is needed. In other words, the mentioned regulation of the machine is only intended be done by their own characteristic. If you use such a machine, for example as the exciter of a DC motor coupled to it, the speed becomes this motor change little even with strong load fluctuations. Also for . the regulation of vehicle generators, which consist of a DC machine and a The driving engine, for example a diesel engine, can be machines with the aforementioned strong speed dependency of their voltage or current can be used with advantage as an exciter. The prime mover is in this Case relieved at a low speed drop, at a low speed increase however more burdened. The required high speed sensitivity is generally required to exist only within a limited speed range. * To commute too Avoid, however, it is important that the voltage or current change of the speed change as possible without indolence.

An sich hat schon der selbsterregte Gleichstromgenerator bei Innehaltung .gewisser Bedingungen die Eigenschaft, seine Spannung verhältnismäßig stark mit der Drehzahl und gleichsinnig mit dieser zu ändern. Dabei ist der Reihenschlußgenerator insofern überlegen, als die Stromänderung der Drehzahländerung infolge der kleineren Feldinduktivität schneller folgt. Er neigt auch weniger zu Kommutierungsstörungen bei plötzlichen Lastschwankungen und wird schließlich wegen des geringeren Raumbedarfs der Erregerwicklung noch etwas leichter und billiger als die Nebenschlußmaschine. Die Spannung, auf die sich ein selbsterregter, mit konstantem Widerstand belasteter Reihenschlußgenerator einstellt, ist bekanntlich durch den Schnittpunkt der -geradlinig ansteigenden Spannungsstromkennlinie des Belastungskreises mit der Magnetisierungskennlinie gegeben. Bei Drehzahländerungen werden die Ordinaten der Magnetisierungskennlinie im gleichen Verhältnis geändert, so daß der erwähnte Schnittpunkt bei Drehzahlanstieg nach höheren Spannungswerten hin wandert. Je weniger sich die Neigungen der beiden Kennlinien im Schnittpunkt unterscheiden, um so größer ist die Drehzahlempfindlichkeit des Generatorstromes bzw. der Spannung. Die höchste Empfindlichkeit erreicht man infolgedessen, wenn der Betriebspunkt noch unterhalb der Sättigung der Maschine liegt. Auf dem geradlinigen Anfangsteil der Magnetisierungskennlinie kann die Maschine allerdings nur dann in einem definierten Schnittpunkt, d. h. stabil arbeiten, wenn eine nennenswerte Remanenz vorhanden ist. Diese Remanenz kann man jedoch ersetzen durch eine feste Vorerregung, welche die Magnetisierungskennlinie nach links verschiebt, so daß sich auch bei ungesättigter Maschine innerhalb des gewünschten Drehzahlbereichs stets ein eindeutig definierter Betriebspunkt erzielen läßt.In itself, the self-excited DC generator has when pausing .certain conditions the property, its voltage is relatively strong with to change the speed and in the same direction as this. Here is the series generator superior to the extent that the change in current of the Speed change as a result follows the smaller field inductance more quickly. It is also less prone to commutation disturbances in the event of sudden load fluctuations and will eventually because of the smaller space requirement the excitation winding a little lighter and cheaper than the shunt machine. The voltage on which a self-excited, constant resistance loaded Series generator sets, is known by the intersection of -straight increasing voltage current characteristic of the load circuit with the magnetization characteristic given. When the speed changes, the ordinates become the magnetization characteristic changed in the same ratio, so that the mentioned intersection point with an increase in speed migrates towards higher voltage values. The less the inclinations of the two Differentiating characteristics at the point of intersection, the greater the speed sensitivity the generator current or the voltage. The highest sensitivity is achieved as a result, if the operating point is still below the saturation of the machine lies. The machine can however only then in a defined intersection, i. H. work stably when there is a noticeable remanence. However, this remanence can be replaced by means of a fixed pre-excitation, which shifts the magnetization characteristic to the left, so that it is within the desired speed range even with an unsaturated machine a clearly defined operating point can always be achieved.

Leider läßt sich die theoretisch mögliche hohe Drehzahlempfindlichkeit, die erreicht wird, wenn in der Umgebung des Schnittpunktes,die Magnetisierungskennlinie nur wenig flacher verläuft als die Kennlinie des Belastungskreises, praktisch nicht verwirklichen, und zwar wegen des Einflusses der Temperatur auf den Widerstand des Belastungskreises und der damit verbundenen Steilheitsänderungen der Kennlinie dieses Kreises. Man muß aus diesem Grunde die Magnetisierungskennlinie doch wesentlich flacher legen als die Belastungskennlinie, indem man entweder die Maschine stark vorerregt oder im Bereich der Sättigung arbeitet.Unfortunately, the theoretically possible high speed sensitivity, which is achieved when the magnetization characteristic is in the vicinity of the intersection is only slightly flatter than the characteristic curve of the load circuit, practically not realized because of the influence of temperature on the resistance of the Load circle and the associated changes in slope of the characteristic curve of this Circle. For this reason, the magnetization characteristic must be essential lay flatter than the load curve, either by making the machine strong pre-excited or working in the range of saturation.

Eine hohe Drehzahlempfindlichkeit ohne den erwähnten Nachteil, den die Temperaturabhängigkeit der Widerstände mit sich bringt, läßt sich erreichen, indem man dem Reihenschlußgenerator eine Zusatzerregung gibt, die ihrerseits wieder von einem mit der ersten Maschine gekuppelten zweiten Reihenschlußgenerator geliefert wird. Dadurch ergibt sich gewissermaßen eine Multiplikation der Regelwirkungen beider Maschinen, so daß die einzelne Maschine wesentlich unempfindlicher eingestellt werden kann. Ein solcher Maschinensatz arbeitet im übrigen auch dann noch stabil, wenn der Generator weder Remanenz noch Sättigung besitzt, da auf ihn ja eine Zusatzerregung einwirkt.A high speed sensitivity without the mentioned disadvantage, the the temperature dependence of the resistances brings with it, can be achieved by giving the series generator an additional excitation, which in turn again supplied by a second series generator coupled to the first machine will. This results in a kind of multiplication of the control effects of both Machines, so that the individual machine can be set much less sensitive can. Such a machine set also works stably even if the generator has neither remanence nor saturation, since it has an additional excitation acts.

Eine wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit läßt sich bei der soeben erwähnten Anordnung da= durch erzielen, daß man den' Belastungsstrom gewissermaßen auf die Erregermaschine rückkoppelt. Die Erregermaschine bekommt in diesem Falle, gegebenenfalls zusätzlich zu der Selbsterregungswicklung, eine Feldwicklung, die von dem Belastungsstrom der zweiten Maschine durchflossen wird. Ein schwerwiegender Nachteil dieser Einordnung bleibt aber insofern bestehen, als durch die Verwendung von zwei Maschinen die magnetische Trägheit erhöht wird, so daß die Stromänderungen in dem Belastungsstromkreis den sie auslösenden Drehzahländerungen nur mit einer Verzögerung folgen, die häufig nicht tragbar ist. Die Erfindung hat sich aus diesem Grund zum Ziel gesetzt, unter Beibehaltung der Rückkopplung die Erregermaschine und die Hauptmaschine zu einer einzigen Gleichstrommaschine zu vereinigen, um auf diese Weise ohne Verminderung der Regelempfindlichkeit die Trägheit weitestmöglich herabzusetzen.A substantial increase in sensitivity can be achieved with the mentioned arrangement because = achieve by that one the 'load current to a certain extent fed back to the exciter. In this case, the exciter machine receives possibly in addition to the self-excitation winding, a field winding that is traversed by the load current of the second machine. A serious one The disadvantage of this classification remains insofar as the use of two machines the magnetic inertia is increased, so that the current changes in the load circuit they trigger speed changes with only one Delays follow, which are often unsustainable. The invention has evolved from this Reason set the goal, while maintaining the feedback, the exciter and to unite the main machine into a single DC machine to get on In this way, the inertia as much as possible without reducing the control sensitivity to belittle.

Gemäß der Erfindung wird die Gleichstrominaschine als Querfeldmaschine ausgebildet, bei der das Hauptfeld, welches in der Ankerwicklung den Erregerstrom für das die Spannung an den Arbeitsbürsten induzierende Querfeld hervorruft, unter Kompensation des ihm entgegenwirkenden Ankerfeldes von dem über die Arbeitsbürsten fließenden Belastungsstrom erregt wird. Zur weiteren Erhöhung der Regelempfindlichkeit kann dann gemäß der weiteren Erfindung,das Querfeld durch eine ebenfalls vom Belastungsstrom erregte Ständerwicklung unterstützt werden.According to the invention, the DC machine is used as a cross-field machine formed in which the main field, which in the armature winding the excitation current for the transverse field which induces the voltage on the working brushes, below Compensation of the counteracting anchor field from that of the working brushes flowing load current is excited. To further increase the control sensitivity can then, according to the further invention, the transverse field through a likewise from the load current excited stator winding are supported.

Die Wirkungsweise einer Gleichstrommaschine nach der Erfindung wird am besten an Hand der Zeichnung beschrieben. In Fig. i der Zeichnung ist das Schaltbild einer zweipoligen Gleichstrominaschine nach der Erfindung wiedergegeben. Dabei sind die Bürsten in der üblichen Darstellungsweise als unmittelbar auf :der Ankerwicklung schleifend angedeutet. Der Anker i ist mit zwei Bürstenpaaren A, B und a, b ausgerüstet, die um go° elektrisch gegeneinander am Kornmutatorumfang versetzt sind. Die Bürsten A, B sind unmittelbar kurzgeschlossen, während die beiden anderen Bürsten a, b die Arbeitsbürsten darstellen, über die der Belastungsstrom abgenommen wird. Der Verbraucher ist der Einfachheit halber durch einen Widerstand 6 angedeutet.The operation of a DC machine according to the invention is best described with reference to the drawing. In Fig. I of the drawing, the circuit diagram of a two-pole DC machine according to the invention is shown. The brushes are shown in the usual way of illustration as being directly on the armature winding. The armature i is equipped with two pairs of brushes A, B and a, b, which are electrically offset from one another by go ° on the grain mutator circumference. The brushes A, B are directly short-circuited, while the other two brushes a, b represent the working brushes through which the load current is drawn. The consumer is indicated by a resistor 6 for the sake of simplicity.

Auf dem Ständer der Maschine befindet sich zunächst eine von einem festen oder einstellbaren Vorerregerstrom i durchflossene Wicklung a. In derselben Achse liegen die Wicklungen 3 und q., die beide von dem Belastungsstrom 1, erregt werden. , In der Querachse dazu ist eine ebenfalls vom Belastungsstrom durchflossene weitere Wicklung 5 auf dem Ständer angebracht.On the stand of the machine there is initially a winding a through which a fixed or adjustable pre-excitation current i flows. The windings 3 and q., Both of which are excited by the load current 1, lie in the same axis. A further winding 5 through which the load current also flows is attached to the stator in the transverse axis.

Wenn die Maschine, beispielsweise wie in der Zeichnung durch den Pfeil yt angedeutet, im Rechtssinn angetrieben wird, so induziert das von dem Vorerregerstrom i erzeugte, durch einen Pfeil an der Wicklung z angedeutete Magnetfeld in der Querachse der Ankerwicklung eine Spannung die in,der Verbindung zwischen den Bürsten A, B den Kurzschlußstrom J1 fließen läßt. Dieser Strom erzeugt seinerseits in der Querachse ein Querfeld, das durch den horizontalen Pfeil im Bild des Ankers dargestellt wird. Dieses Querfeld wiederum induziert zwischen den Bürsten a, b eine Spannung in der Ankerwicklung, unter deren Einfluß der Strom J2 durch den Belastungskreis fließt. Da auch dieser Strom im Anker ein Magnetfeld hervorruft, welches der Magnetisierungswirkung des Vorerregerstromes i entgegengerichtet sein würde, ist eine Xompensationswicklungq. auf dem Ständer vorgesehen, die dieses Ankerfeld in der Längsachse wieder auslöscht. Das Hauptfeld in der vertikalen Achse wird durch die vom Belastungsstrom J2 durchflossene Haupterregerwicklung 3 erregt. Wenn nun die Drehzahl der Maschine beispielsweise steigt, so steigt naturgemäß der Querstrom il und das Querfeld wird verstärkt. Dadurch steigt aber auch die Spannung zwischen den Arbeitsbürsten a, b, was zunächst eine Zunahme des Belastungsstromes J2 zur Folge hat. Ein Steigen dieses Stromes bedeutet aber wiederum eine Verstärkung des Hauptfeldes, das von der Wicklung 3 geliefert wird, so daß auf diese Weise eine Rückkopplungswirkung zustande kommt, .die eine starke Abhängigkeit des Belastungsstromes bzw. der äußeren Spannung von der Drehzahl zur Folge hat. Diese Wirkung kann noch verstärkt werden durch die in Fig. i ebenfalls angegebene, schon erwähnte Wicklung 5, die bei einer Zunahme des Belastungsstromes J2 ihrerseits noch das Querfeld verstärkt.If the machine is driven in the right direction, for example as indicated by the arrow yt in the drawing, the magnetic field generated by the pre-excitation current i and indicated by an arrow on the winding z induces a voltage in the transverse axis of the armature winding in the connection between the brushes A, B allows the short-circuit current J1 to flow. This current in turn generates a transverse field in the transverse axis, which is represented by the horizontal arrow in the image of the armature. This transverse field in turn induces a voltage in the armature winding between the brushes a, b , under the influence of which the current J2 flows through the load circuit. Since this current also causes a magnetic field in the armature, which would counteract the magnetizing effect of the pre-excitation current i, a compensation winding q is required. provided on the stand, which cancels out this anchor field in the longitudinal axis. The main field in the vertical axis is excited by the main excitation winding 3 through which the load current J2 flows. If the speed of the machine increases, for example, the cross flow il naturally increases and the cross field is increased. However, this also increases the voltage between the working brushes a, b, which initially results in an increase in the load current J2. An increase in this current, however, in turn means a strengthening of the main field which is supplied by the winding 3, so that in this way a feedback effect occurs, which results in a strong dependence of the load current or the external voltage on the speed. This effect can be further increased by the already mentioned winding 5 which is also indicated in FIG.

Wie man aus Fig. i ersieht, liegen auf dem Ständer mehrere Wicklungen, die zwar in verschiedenen Achsen angeordnet sind, aber alle von dem gleichen Strom J2 durchflossen werden. Ihre Durchflutungen setzen sich deshalb zu einer resultierenden Durchflutung zusammen, die nur von dem Strom J2 abhängt. Es ist aus diesem Grunde möglich, diese einzelnen Wicklungen zum Teil oder alle zu kombinieren, wobei sich im letzteren Falle nur noch eine einzige Ständerwicklung ergibt, deren Achse dann allerdings nach Maßgabe der in der Längs- und Querachse wirksamen Windungszahlen sowohl zur Haupt- als auch zur Querachse schief liegen muß. Eine solche vereinfachte :Maschine ist in Fig.2 dargestellt, und zwar sind hier sämtliche Ständerwicklungen zu einer einzigen, vom Strom J2 durchflossenen Wicklung 7 zusammengefaßt. Aus einem Vergleich der Fig. i und 2 erkennt man unschwer, daß die Achse der Wicklung 7 in der Richtung der Resultierenden auf den Durchflutungsachsen .der Wicklungen 3, d. und 5 liegt.As can be seen from Fig. I, there are several windings on the stand, which are arranged in different axes, but all from the same stream J2 are flowed through. Their floods therefore become a resultant Flow together, which only depends on the current J2. It is for this reason possible to combine some or all of these individual windings, with each other in the latter case only a single stator winding results, the axis of which then however, according to the number of turns effective in the longitudinal and transverse axes must be oblique to both the main and the transverse axis. Such a simplified one : The machine is shown in Fig.2, and all stator windings are here combined into a single winding 7 through which the current J2 flows. From a Comparing FIGS. I and 2 it is easy to see that the axis of the winding 7 in the direction of the resultant on the flow axes .der windings 3, d. and 5 lies.

Es wurde bereits auf diemöglichen Verwendungszwecke der Gleichstrommaschine nach der Erfindung hingewiesen. Man kann sie also beispiels= weise verwenden, um einen mit ihr gekuppelten Gleichstrommotor auf konstante Drehzahl zu regeln, indem man ihr zumindest zum Teil die Erregung für diesen Gleichstrommotor entnimmt. Die Maschine wirkt dann etwa wie eine Kombination aus einer Tachometermaschine und einer Verstärkermaschine. Die neue Maschine würde iri diesem Falle im Anker etwa gleich groß werden wie eine solche Verstärkermaschine, im Ständer aber sogar noch etwas kleiner.It has already been pointed out to the possible uses of the DC machine pointed out according to the invention. So you can use it, for example, to to regulate a DC motor coupled to it to constant speed by at least part of the excitation for this DC motor is taken from it. the The machine then works like a combination of a tachometer machine and a Amplifier machine. In this case the new machine would be about the same in the anchor Become big like such an amplifier machine, but even something in the stand smaller.

Eine zweite Anwendungsmöglichkeit ist, wie schon erwähnt, die Regelung von Fahrzeuggeneratoren in der Weise, daß die Kraftmaschine bei Drehzahlsenkung stark entlastet wird und umgekehrt. Auch in diesem Falle wird die Maschine nach der Erfindung mit dem Generator gekuppelt und liefert den Erregerstrom für .diesen. Die neue Maschine ersetzt dabei den sonst erforderlichen Servo-Feldregler, der den Nachteil hat,' daß er besondere Bedingungen an die Charakteristik des Generators stellt, was bei der neuen Anordnung nicht mehr der Fall ist. Der Generator wird aus diesem Grunde etwa io bis 2o% leichter als ein Generator für sogenannte Char akter istiksteuerung, der den Eigenschaften der Fahrmotoren genau angepaßt werden müßte.As already mentioned, a second possible application is regulation of vehicle generators in such a way that the engine when the speed is reduced is greatly relieved and vice versa. In this case, too, the machine will follow the invention coupled to the generator and supplies the excitation current for .diesen. The new machine replaces the otherwise required servo field controller that controls the The disadvantage is that there are special conditions for the characteristics of the generator provides, which is no longer the case with the new arrangement. The generator will for this reason about 10 to 20% lighter than a generator for so-called char Akter istiksteuerung which is precisely adapted to the properties of the traction motors would have to.

Die Gleichstrommaschine nach der Erfindung ist aber auch als Motor brauchbar, und zwar besitzt sie in diesem Falle bei konstanter Belastung eine von der Klemmenspannung innerhalb eines ziemlich weiten Bereiches nahezu unabhängige Drehzahl.The DC machine according to the invention can also be used as a motor useful, and in this case it has one of at constant load the terminal voltage almost independent within a fairly wide range Rotational speed.

Claims

PATENT CLAIMS: i. DC machine, its voltage or current has a particularly strong dependence on the speed, characterized in that that it is designed as a cross-field machine, in which the main field, which in the armature winding, the excitation current for that which induces the voltage on the working brushes Causes transverse field, with compensation of the counteracting anchor field of the load current flowing through the working brushes is excited.

2. DC machine according to claim i, characterized in that the transverse field by a likewise from Load current excited stator winding is supported.

3. DC machine according to claim i and 2, characterized in that the load current flowing through for the excitation of the various fields serving coil groups on the stand all or are partly combined to form a common winding. d ..

DC machine according to claim 3, characterized in that: that in the main and in the transverse field axis lying field ampere turns by one inclined in the direction of its resultant Field winding lying on both axes can be generated.

5. Use of a DC machine according to claim i to q. for speed stabilization of a DC motor under load. changes in the way that it is coupled to the DC motor and his Excitation current supplies in whole or in part.

6. Use of a DC machine according to claim i to 4 for regulating a by a prime mover, in particular a diesel engine, powered vehicle generator in such a way that it is coupled to the vehicle generator and its pathogen in its entirety or to the Part supplies.

7. Application of a DC machine according to claim i to 4 as a DC motor, its speed at constant load of changes in the terminal voltage only is little influenced.