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Gleichstrommaschine, an der zwischen der abgegebenen Nutzspannung
und einer steuernden Erregerspannung eine mehrfache Verstärkung stattfindet. Für
die, Regelung großer Synchrongeneratoren hat es sich als zweckmäßig erwiesen, mehrere
Erregermaschinen in Kaskade zu verwenden, um mit kleiner Regelleistung auszukommen
und dabei eine schnelle Regelung zu erhalten. Besonders schnelle Erregung bei einer
Kaskade von zwei Erregermaschinen erhält man dadurch, daß der vom der zweiten Erregermaschine
ans den Synchrongenera tor abgegebene Strom gleichzeitig zur Gegen kompoundierung
der ersten Erregermaschine benutzt wird. Der oft schwierige mechanische Zusammenbau
von mehreren Maschinen führte zur elektrischen Vereinigung von zwei Gleichstrommaschinen
als Metadyne, wovon der Querfeldmaschinenverstärker (Amplidyne) eine spezielle Ausführung
darstellt. Die Amplidyne besitzt meistens ausgeprägte Pole, hat also, den äußeren
Aufbau einer 4poligen Gleichstrommaschine mit vier Hauptpolen und vier Wendepolen.
Zwei aufeinanderfolgende Hauptpole besitzen jedoch Flüsse von angenähert gleicher
Größe und Richtung, so daß das Ständer- und Läuferjoch praktisch doppelt so stark
sein muß wie bei der normalen Gleichstrommaschine. Der 2polige Läufer besitzt eine
größere Wickelkopfausladung als der 4polige. Ferner dienen von den vier Bürstenbolzen
nur zwei für die Lieferung des Verbrauchsstromes, während die anderen zwei zur Erregung
dienen.
Dadurch wird, abgesehen von ungleichen Flüssen und ungleichen
Läuferstrombelägen, der Materialaufwand wesentlich höher als bei der normalen 4poligen
Gleichstrommaschine. Um außerdem eine neue Maschinentypenreihe zu vermeiden, muß
man die Verwendung einer normalen Gleichstrommaschine anstreben.
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Die Erfindung betrifft eine Gleichstrommaschine, an der ebenfalls
zwischen der abgegebenen Nutzspannung und einer steuernden Erregerspannung eine
mehrfache Verstärkung stattfindet. Die geschilderten Nachteile der bekannten Anordnungen
sind aber dabei vermieden. Es können an der 4n-poligen Gleichstrommaschine drei
praktisch vollkommen getrennte Verstärkungsvorgänge ohne gegenseitige Rückwirkung
überlagert werden. Trotzdem werden normale Maschinentypen verwendet, und es ergibt
sich eine höhere Materialausnutzung. Ständer- und Läuferjoche führen dabei gegenüber
der bekannten Amplidyne angenähert die halben Flüsse, da die Teilpole abwechselnde
Polarität besitzen. Der Läufer ist 4n-polig, besitzt also geringere Wickelkopfausladung.
Die Ankerströme können in jeder Polteilung gleich groß gemacht werden. Die Verbraucherströme
werden von allen vier Bürstenbolzen geliefert, während bei der Amplidyne die Verbraucherströme
nur von zwei Bürstenbolzen geliefert werden und die anderen zwei lediglich der Erregung
dienen. Erfindungsgemäß ist an einer 4poligen oder mehr als 4poligen (zweckmäßig
4n-poligen), mit einer einfachen Schleifenwicklung ohne Ausgleichsleiter ausgerüsteten
Gleichstrommaschine außer der normalen, in der Aufeinanderfolge der Pole das Vorzeichen
wechselnden Erregung noch eine (oder mehrere) auf den normalen Polen untergebrachte
Erregung vorgesehen, deren Fluß zwei für die normale Erregung gleichnamige Pole
über den Anker und über die beiden. Luftspalte nacheinander durchsetzt (Polachsenerregung)
und so an zwei normalen gleichpoligen Bürsten eine Differenzspannung hervorruft,
die zur Speisung der normalen Erregung dient. n. ist dabei eine beliebige ganze
Zahl.
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Die Erfindung ist an Hand der Figuren der Zeichnung und der darin
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Fig. I zeigt zunächst den Verlauf der magnetischen Flüsse und der
in der Ankerwicklung induzierten Spannungen und Ströme an einer normalen 4poligen
Gleichstrommaschine. Die Ankerwicklung ist eine einfache Schleifenwicklung ohne
Ausgleichsleiter. Um an Hand der späteren Figuren das Wesen der Erfindung besser
erläutern zu können, ist die Ankerwicklung nicht in der Üblichen Weise als einfache
Schleifenwicklung dargestellt, sondern es ist eine Ersatzschaltung gewählt, deren
Wirkung für die Zwecke der Erfindung jedoch die gleiche ist. Es ist angenommen,
daß die Wicklung in einem bestimmten Zeitpunkt unterhalb der Anschlußpunkte der
Bürsten aufgeschnitten ist, und es sind die oberen und die unteren Ankerstäbe zwischen
zwei Aufschnittpunkten (unter einem Pol) als gesonderte Wicklungen wo und wu dargestellt.
Die Wicklung wo des einen Pols ist dabei immer mit der Wicklung wu des anderen Pols
als Ganzes in Reihe geschaltet, trotzdem bei der wirklichen Schleifenwicklung immer
ein Oberstab und ein Unterstab in Reihe geschaltet sind. Der gezeichnete Flußeintritt
in den Anker erzeugt in den gezeichneten Wicklungen eine Spannung im Uhrzeigersinn,
so daß die angegebenen Bürstenspannungen + A1, - B1 und + A2,- B2 erhalten werden.
Werden die Bürsten symmetrisch belastet, so fließen in der Ankerwicklung die durch
Pfeile eingetragenen Ströme. Diese Ankerdurchflutung sucht, in den Bürstenachsen
magnetische Flüsse zu erzeugen. Das Ankerfeld ist also ein reines Querfeld, d. h.
es kann keine resultierenden Flüsse in den Hauptpolen hervorrufen.
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Fig.2 der Zeichnung zeigt nun die gemäß der Erfindung verwendete Polachsenerregung
an der Maschine der Fig. I. Es werden die beiden horizontalen Erregerpole, die bei
der normalen Erregung der Fig. I gleichnamige Pole sind, von einem Fluß 0 erregt,
der nacheinander den linken Erregerpol und den linken Luftspalt des Ankereisens
der Maschine und dann den rechten Luftspalt und den rechten Erregerpol durchsetzt,
der also gegenüber den Normalflüssen in den horizontalen Erregerpolen einmal, die
gleiche, einmal die entgegengesetzte Richtung besitzt. Dieser Polachsenfluß erzeugt
in den unter den horizontalen Polen liegenden Ankerwicklungsteilen Spannungen, die
mit den eingezeichneten Pfeilen Übereinstimmen. Diese Erregung der waagerechten
Polachse der Fig. 2 bewirkt, daß an den Bürsten A1 und A2 entgegengesetzte Potentiale
auftreten, während das Potential der Bürsten B1 und B2 Null bleibt. Überlagert man
also die Polachsenerregung der Fig. 2 der normalen Erregung der Fig. I, so wird
zwischen den Bürsten A1 und A2, die bei der Normalerregung dasselbe Pluspotential
aufweisen, eine Differenzspannung auftreten, während das normale Minuspotential
an den Bürsten B1 und B2 nicht geändert wird. Die Differenzspannung der Fig. 2 erzeugt
bei Anschluß an den äußeren Verbraucher im Anker dien durch Pfeile eingezeichneten
Strombelag. Es werden alle Leiter der Ankerwicklung vom Strom durchflossen:, jedoch
werden die Ober-und Unterstäbe unter den nicht erregten Polen, also unter dem oberen
und unteren Pol, in entgegengesetztem Sinne durchflossen. Der resultierende Strombelag
bildet für die erregenden horizontalen Pole nur ein Querfeld, d. h. er kann keinen
resultierenden Fluß in den erregenden Polen hervorrufen. Er erzeugt jedoch einen
resultierenden Fluß 0a in Richtung der senkrechten Polachse.
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Fig. 3 der Zeichnung zeigt den entsprechenden Fall, wenn bei der Polachsenerregung
der obere und der untere Pol im Sinne der eingezeichneten Flüsse 0 erregt werden.
Diei Differenzspannung tritt dann an den Bürsten Bi und B2 auf, und ein von dieser
Differenzspannung erzeugter Strome ergibt einen Ankorrückwirkungsfluß Ob, der diie
horizontalen Erregeirpole zu durchsetzen sucht.
Aus den obigen Erläuterungen
geht hervor, daß sowohl die Polachsenerregung nach Fig. 2 als auch die Polachsenerregung
nach Fig. 3 an der normalen symmetrischen, Erregung (Fig. I) keine resultierende
induzierte Spannung hervorrufen kann, da beispielsweise für die horizontale Polachsenerregung
zwar die Erregung auf dem rechten Pol mit der Normalerregung desselben Pols gleichgerichtet
ist, jedoch auf dem linken Pol die entgegengesetzte Richtung besitzt, so daß die
in den beiden normalerregten Polen induzierten Spannungen sich gegenseitig aufheben.
Umgekehrt kann auch die normale Erregung in den Erregerwicklungen für die Polachsenerregung
keine resultierende Spannung erzeugen. Man kann daher sowohl die Polachsenerregung
der Fig.2 als auch die Polachsenerregung der Fig. 3 der Normalerregung der Fig.
I überlagern, ohne daß eine gegenseitige störende Beeinflussung eintritt. Bei der
Überlagerung werden auch die in der Ankerwicklung induzierten Spannungen überlagert.
Man kann nun die von der Normalerregung hervorgerufene Ankerspannung von der durch
die Polachsenerregung hervorgerufenen Spannung dadurch trennen, daß man einmal den
Mittelwert der Bürstenpotentiale von A1 und A2 bzw. B1 und B2 nimmt, was die Potentiale
für die Normalerregung ergibt, und im zweiten Fall den Differenzwert dieser Bürstenpotentiale,
wodurch die durch die Polachsenerregung erzeugte Differenzspannung erhalten wird.
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Fig. 4 der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem an einer 4poligen Gleichstrommaschine sowohl eine horizontale als auch eine
vertikale Polachsenerregung vorhanden ist. Im Gegensatz zu den Fig. I bis 3 sind
nicht die Erregerpole, sondern die auf ihnen untergebrachten Erregerwicklungen dargestellt.
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Vom Anker sind nur der Kommutatorumfang und die auf ihm aufliegenden
Bürsten gezeichnet. I, 2, 3 und 4 sind die hintereinandergeschalteten Erregerwicklungen
der beiden Polachsenerregungen. Sie werden von einer Stromquelle 5 mit dem Erregerstrom
i versorgt; die eingezeichneten Pfeile zeigen dabei, daß die Wicklungen I und 3
die horizontale Polachsenerregung bewirken und die Wicklungen 2 und 4 die vertikale
Polachsenerregung. Die horizontale Polachsenerregung erzeugt an den Bürsten A1 und
A2 eine Differenzspannung. Die Differenzspannung speist nun die Erregerwicklungen
Wh1 der normalen 4poligen Erregung, während die von der vertikalen Polachsenerregung
an den Bürsten B1 und B2 erzeugte Differenzspannung ebenso die vier Erregerwicklungen
Wh2, die ebenfalls der normalen 4poligen Erregung dienen, speist. An den Bürsten
A2 und B1 wird dann die Nutzspannung der Verstärkermaschine abgenommen bzw. der
Verbraucherstrom. Entsprechend dieser Überlagerung der von der Polachsenerregung
hervorgerufenen Differenzspannungen mit den Spannungen des normalen Systems muß
die Bürste A1 eine um den Spannungsabfall der vier Erregerwicklungen Wh1 niedrigere
Spannung besitzen als die Bürsten A2. In analoger Weise muß die Bürste B2 eine geringere
Spannung besitzen als die Bürste B1, wobei die Differenz beispielsweise 5 % der
durch das Normalsystem erzeugten Spannung beträgt. Es ist daher in erwünschter Weise
von dem Erregerstrom i der Polachsenerregung nur eine geringe Ankerspannung von
5 % zu erzeugen, so daß die von ihm hervorgerufenen Erregerpoldurchflutungen nur
etwa 5 % der normalsymmetrischen Erregerpoldurchflutungen betragen. Dies bedeutet
eine Verringerung der Erregerleistung der ersten Stufe (Polachsenerregung) auf 5
% unter Aufwand von 5 % Erregerkupfer für die erste Stufe. Es ist also eine sehr
bedeutende Verstärkerwirkung erzielt worden.
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Infolge der in Fig.4 prinzipiell erreichbaren Symmetrie der Ströme
unter den Bürsten für den stationären Betrieb können die normalen Wendepole benutzt
werden. Sind die Bürstenströme durch Abweichung der Bemessung nicht gleich, dann
können Widerstände parallel oder in Reihe mit den Erregerwicklungen Wh für das Normalsymmetriefeld
geschaltet werden, um auf diese Weise die gewünschte Gleichheit herbeizuführen.
Bei ungleichen Bürstenströmen kann die Wendepolerregung durch eine solche Mischung
der Bürstenströme erzeugt werden, daß auch hierbei eine gute Kommutierung erfolgt.
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Fig. 5 der Zeichnung zeigt eine Schaltung gemäß der Erfindung, bei
der wiederum an der 4poligen Gleichstrommaschine eine horizontale, von den Erregerwicklungen
I und 3 gelieferte Polachsenerregung vorgesehen ist und eine vertikale, die von
den Erregerwicklungen 2 und 4 geliefert wird. Alle vier Erregerwicklungen werden
hintereinander von dem Erregerstrom i durchflossen. Die Schaltung der Erregerwicklungen
WO + I und WO - I für das normale 4polige Erregersystem ist jedoch eine andere.
Ferner ist noch die von dem Strom der einen Polachsenerregung erzeugte Ankerrückwirkung
durch die im Ankerkreis strichliert eingezeichnete Wicklung 5 und den dazugehörigen
Richtungspfeil angedeutet, ebenso, die von der Zweipolachsenerregung erzeugte Ankerrückwirkung
durch die Wicklung 6 und den dazugehörigen Richtungspfeil. Wie ersichtlich, speist
die von der horizontalen Polachsenerregung herrührende Differenzspannung mit dem
Strom Ja1 bzw. Ja2 die beiden vertikalen Pole der Normalerregung und ebenso die
von der vertikalen Polachsenerregung herrührende Differenzspannung mit den Strömen
JB1 bzw. JB2 die horizontalen Pole der Normalerregung.
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Auf dem unteren und auf dem rechten Erregerpol sind noch die beiden
Wicklungen Wb und Wa untergebracht, die von dem abgegebenen Nutzstrom J der Maschine
durchflossen werden.
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Im folgenden ist zunächst die Wirkungsweise der Maschine bei einem
Verbraucheirstrom J gleich Null geschildert. Der von der horizontalen Po,lachsenerregung
gelieferte Strom J,1 und Jag eezeugt nicht nur .in den vertikalen: Erregerwicklungen
W, -I- i und Wo-i den Erregerstrom für das normale Erregerfeld, er erzeugt auch
ein Ankerrückwirkungsfeld,
das gemäß der Erläuterung zu Fig. 2 ebenfalls
in vertikaler Richtung verläuft und das durch den Pfeil zu der strichlierten Wicklung
5 veranschaulicht ist. Um diese Ankerrückwirkung aufzuheben, kann man in dem magnetischen
Kreis der Ankerrückwirkung, der über die beiden vertikalen Pole sich schließt, die
Amperewindungen der Normalerregung ungleich groß bemessen, so daß sie innerhalb
diese magnetischen Kreises eine Resultierende ergeben, die der Ankerrückwirkung
der Wicklung 5 entgegenwirkt bzw. sie aufhebt.
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Dies ist in Fig. 5 dadurch veranschaulicht, daß die obere Erregerwicklung
des, normalen Erregersystems um den Betrag I größer als an sich erforderlich gemacht
ist und die untere Erregerwicklung um den Betrag I kleiner als erforderlich gemacht
ist (WO + I und WO - I). Die beiden Erregerwicklungen ergeben daher, trotzdem sie
in dem über die beiden vertikalen Pole sich schließenden Magnetkreis einander entgegenwirken,
in Richtung der Palachsenerregung eine Resultierende, die von oben nach unten wirkt
und die von unten nach oben wirkenden Amperewindungen der Ankerrückwirkung der Wicklung
5 gerade aufhebt. In derselben Weise sind die beiden normalen Erregerpole der horizontalen
Achse bemessen, die dann die Ankerrückwirkung der symbolischen Ankerwicklung 6 aufheben.
Die Amperewindungszahl der einzelnen Pole der normalen Erreguug WO ist etwa das
5fache der Amperewindungszahl der Ankerrückwirkung, die durch die Wicklungen 5 oder
6 veranschaulicht ist. WO + I entspricht also dem Betrag 6, WO - I dem Betrag 4.
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Bei Belastung der Maschine mit dem Strom J werden auch die noch im
Ständer untergebrachten Wicklungen Wa, Wb von diesem Strom erregt. Der Richtungssinn
dieser Erregung ist mit der Normalerregung (WO - I) der Pole, auf denen sich die
Wicklungen Wa, Wb befinden, gleichgerichtet, d.h. diese Wicklungen bewirken eine
Kompoundierung der Normalerregung der Maschine. Die Wicklungen Wa und Wb wirken
mit ihrem äußeren Belastungsstrom J nicht nur auf die Felder der Normalerregung
im Sinne einer Kompoundierung oder Gegenkompoundierung ein, sie beeinflussen, wie
ohne weiteres ersichtlich, auch die Felder der Polachsenerregung. Bei der Darstellung
der Fig.5 beeinflußt die Wicklung Wb die horizontale Polachsenerregung in verstärkendem
Sinne und die Wicklung Wa die vertikale Polachsenerregung in schwächendem Sinne.
Durch geeignete, voneinander verschiedene Bemessung der Wicklungen Wa und Wb läßt
sich eine gewünschte resultierende Kompound- oder Gegenkompoundwirkung der Wicklungen
Wa und Wb auf die Polachsenerregung erzielen. Zur Verringerung der Stromunsymmetrie
kann in Fig. 5 der Bürstenstrom JA1 statt den oberen und unteren Pol besser den
oberen und linken Pol speisen und der Bürstenstrom JB2 statt den linken und rechten
Pol besser den unteren und rechten Pol. Dadurch wird erreicht, daß der vom Feld
der waagerechten Polachse erzeugte Strom JA1 das waagerechte Polachsenfeld schwächt
und das senkrechte Polachsenfeld verstärkt; ebenso schwächt dann der Strom JB1 das
senkrechte Polachsenfeld und verstärkt das waagerechte Polachsenfeld, wodurch eine
Vergleichsmäßigung der Ströme JA1 und JB1 erfolgt.
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Durch das Anbringen einer Kompoundwicklung tritt bekanntlich an der
Gleichstrommaschine ein Rückkopplungseffekt ein, derart, daß mit der Verstärkung
der Kompoundwirkung auch der Rückkopplungseffekt wächst bzw. die Maschine immer
mehr in, den, Zustand der Selbsterregung übergeht, so daß die über die Polachsen
zugeführte Fremderregung immer geringer wird. Man kann nun zur Erzielung einer Verringerung
der von außen zugeführten Fremderregung durch geeignete Bemessung der Wicklungen
Wa, Wb sowohl den Rückkopplungseffekt dieser beiden Wicklungen auf die Normalerregung
als auch den geschilderten Rückkopplungseffekt auf die Polachsenerregung ausnutzen.
Will man eine Kompound- oder Gegenkompoundwirkung der Wicklung Wa oder Wb auf die
Polachsenerregung unterdrücken, so genügt dazu eine geeignete Bemessung dieser beiden
Wicklungen, insbesondere was ihre gegenseitige Stärke betrifft.
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Man kann andererseits die Kompound- oder Gegenkompoundwirkung der
Wicklungen Wa und Wb auf das System der Normalerregung unterdrücken, indem man beide
Wicklungen in zwei Teile aufspaltet und diese vier Teile auf die vier Pole aufteilt,
wobei dann in Fig. 5 die Wicklung Wb auf dem rechten Pol im Sinne der Normalerregung,
auf dem linken Pol entgegen der Normalerregung wirkt. Dasselbe gilt auch für die
Wicklung Wa bezüglich des oberen und des unteren Pols. Hierbei ergibt sich allerdings
der Nachteil einer Vermehrung des Erregerkupfers, weil sich die Wicklungen entgegenwirken.
Will man dies vermeiden, so kann man auch bei der Schaltung der Fig. 5 die Kompound-
oder Gegenkompoundwirkung auf das Normalerregungssystem dadurch unterdrücken, daB
man die positive Rückkopplung (Kompoundierung) des Ausgangsstromes J auf die Normalerregung
durch eine negative Rückkopplung (Gegenkompoundierung) des Ausgangsstromes J auf
die Polachsenerregung durch entsprechende Wahl der Windungszahl von Wa, Wb aufhebt.
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In Fig. 6 sind die drei Rückkopplungseffekte, die sich bei der Anordnung
der Fig. 5 ergeben können, in einer Prinzipskizze veranschaulicht. In dieser Skizze
entspricht die Erregerwicklung i den Erregerwicklungen I bis 4 der Fig. 5, die der
Polachsenerregung dienen. Die symbolische Maschine7 mit ihren Erregerwicklungen,
i, r und r0 entspricht der ersten Verstärkungsstufe der Maschine der Fig. 5, bei
der die Polachsenerregung zur Geltung kommt und: Spannungen. für, die Normalerregung
liefert. Die Maschine! 8 entspricht der zweiten Verstärkungsstufe, bei der die Maschine
der Fig. 5 mit dieser Noirmaler'regung arbeitet und. dlm: äußeren Bielas.tungs st@rom
J liefert. Dieser äußere Belastungsstrem bewirkt nun. an, der mit Normalerre:gUn:g
a,rlazit-enden Maschine mit Hilfe der Erregerwicklung
r' den ersten
Rückkopplungseffekt. Gleichzeitig bewirkt aber der Belastungsstrom J auch noch an
der mit Polachsenerregung arbeitenden Maschine einen Rückkopplungseffekt, der durch
die Wicklung r veranschaulicht ist.
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Die Fig. 6 zeigt noch eine Rückkopplungswicklung r0, die von dem Belastungsstrom
der Polachsenerregung an der symbolischen Maschine 7 geliefert wird. Diese Rückkopplung
kommt dadurch zustande, daß man die Erregerwicklungen W0 + I und W0 - I so bemißt,
daß sie bei Leerlauf der Maschine (J = o) nicht nur die Ankerrückwirkung des Polachsenstromes
an den Wicklungen 5 und 6 aufheben, sondern darüber hinaus nach eine zusätzliche
Erregung liefern.