DE94564C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

KLASSE

LEKTRISCHE APPARATE.

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, durch Theilung eines einzigen Wechselstromes zwei Wechselströme von verschiedenen Phasen zu erhalten, welche alsdann zusammen zur Erzeugung eines elektromagnetischen Drehfeldes benutzt werden können;

Nach dem Verfahren kann man jede beliebige Phasenverschiebung zwischen den beiden Strömen erhalten, insbesondere eignet es sich dazu, zwei Ströme von 90° Phasenverschiebung zu erzeugen. Das mit diesen Strömen hergestellte elektromagnetische Drehfeld gestattet daher z. B. Einphasenwechselstrommotoren mit grofser Kraft anlaufen zu lassen. Ein bequemes Verfahren, eine Phasenverschiebung von 90° zwischen den ein Drehfeld erzeugenden Strömen herzustellen, ist von besonderem Werth, wenn das Drehfeld benutzt werden soll, das bewegliche Element eines Mefsgeräthes abzulenken oder einen Anker zu treiben, dessen Umdrehungszahl das Mafs der verbrauchten elektrischen Energie darzustellen bestimmt ist. Denn bei diesen Instrumenten ist es bekanntlich nothwendig, dafs die beiden Ströme der Phase nach genau um 90 ° gegen einander verschoben seien.

Zur Erläuterung des Gesagten diene Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung, welche das bekannte Schema eines Ferr.aris'schen Drehstrommotors darstellt.

AAAA ist ein aus Blechen und isolirenden Zwischenlagen hergestellter Eisenring mit vier Polansätzen B₁ B₁ B₂ B₂, der einen in gleicher Weise hergestellten Eisenkern EE umgiebt.

Zwischen den Polansätzen und dem Kern EE ist ein Luftraum gelassen und in diesem Raum ist ein Cylinder FF aus leitendem Material, beispielsweise aus Kupferblech, um die Achse G leicht drehbar angebracht. Auf die Pol-' ansäfze B₁ B₁ sind zwei Spulen C C aus dickem Draht geschoben, die neben oder hinter einander geschaltet sind, auf die Polansätze B₂ B₂ zwei Spulen D D aus dünnem Draht, die in gleicher Weise geschaltet sind. Fliefst durch die Spule C C ein Wechselstrom J₁ und durch die Spule D D ein Wechselstrom J₂ und herrscht zwischen beiden Phasenverschiebung φ, so ist das auf die ruhende Kupfertrommel FFausgeübte Drehungsmoment gleich

K= C · J₁ J₂ · sin φ.

Mit der Drehung kommt noch ein weiteres Glied hinzu, das indessen bei geringer Geschwindigkeit vernachlässigt werden kann. Ist nun J₁ dem Verbrauchsstrom in einem bestimmten Kreise, ist ferner J₂ der Spannung E₁ dieses Verbrauchsstromes proportional, aber in der Phase um genau 90° gegen die Spannung E verschoben, so kann man setzen:

K= C- J₁ J₂ sin φ = C₁- J₁-E₁- cos Cp₁,

wenn ψ₁ die Phasenverschiebung zwischen J₁ und E₁ bedeutet. Das Drehungsmoment der Trommel FF zeigt in diesem Falle die Arbeit J₁-E₁- cos Cp₁ an. Man kann nun bekanntlich die Trommel mit einer Spiralfeder versehen, welche ihr eine bestimmte Ruhelage anweist und in jeder Stellung einem bestimmten

Drehungsmoment das Gleichgewicht hält, so dafs die Stellung der Trommel ein Mafs für die Arbeit darstellt. Man erhält so ein Meisinstrument, das die Arbeit eines Wechselstromes anzeigt oder auch, wenn man die Spannung E₁ als constant ansieht, die Arbeit leistende Componente der Stromstärke, nämlich J₁ ■ cos Cp₁. Man kann aber auch die Trommel rotiren lassen und mit einem Zählwerk verbinden, um das Instrument. nach Anbringung von geeigneten Dämpfungsvorrichtungen unmittelbar als Wattstundenzähler zu verwenden.

Solche Anordnungen und ähnliche, bei denen z. B. der Cylinder durch eine kreisrunde ebene Scheibe ersetzt ist, sind wiederholt beschrieben worden. Bei solchen Instrumenten ist die nothwendige Voraussetzung für richtiges Arbeiten, dafs der Strom J₂ der Spannung E₁ proportional sei und beide der Phase nach gegen einander genau um 90° verschoben seien.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun eine Schaltungsweise, die es ermöglicht, eine Phasenverschiebung von genau 90 ° zwischen J₂ und E₁ herzustellen. Die Gröfse der Phasenverschiebung zwischen J₂ und E₁ wird bei einer bestimmten Anordnung von der Stromcurve des Stromes abhängig sein, der gemessen werden soll. Die im Nachstehenden beschriebene Schaltung gestattet auch, diese Phasenverschiebung ohne grofse Schwierigkeit bei verschiedenen Stromcurven genau auf go° zu justiren.

Die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Schaltung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt.

Das Mittel, zwischen dem Strom J₂ und der Spannung E₁ eine Phasenverschiebung von 90⁰ herzustellen, besteht darin, dafs man die Spulen DD in den .Brückendraht einer Wheatstone'schen Brücke einschaltet. Die Sammelschienen S₁ und S₂ sind mit der Stromquelle verbunden gedacht, und von ihnen wird der Arbeitsstrom zur Speisung der Lampen K oder der Motoren I abgenommen. Die beiden Klemmen P und Q. sind mit den Sammelschienen S₁ und S₂ verbunden. Zwischen P und Q sind neben einander zwei Zweige PMQ und PNQ. eingeschaltet und die einander gegenüberliegenden Seiten PMund QN haben eine grofse Selbstinduction von geringem wahren Widerstände, in die Seiten PiV und Q. M dagegen ist je ein bedeutender Widerstand von geringer Selbstinduction eingeschaltet.

Unter, diesen Umständen wird, sich zwischen M und N eine bedeutende Spannung zeigen, und diese Spannung besitzt eine Phasenverschiebung gegen .die Spannung zwischen P und Q, d. h. gegen die Betriebsspannung, der man jede gewünschte Gröfse geben kann. Man kann sie kleiner oder gröfser als go° machen, je nach der Wahl der Widerstände und der Selbstinductions-Coefficienten K und L in den Zweigen PMQ und PNQ. Ist in der Brücke MN kein Strom, so kann man leicht die Bedingung dafür aufstellen, dafs die Spannung zwischen M und N 90⁰ Phasenverschiebung gegen die Spannung zwischen P und Q hat. Wenn die Seiten PiV und QM keine Selbstinduction und gleichen Widerstand R₁ haben, ferner die Seiten PM und Q. N gleichen Widerstand R₂ und gleichen Selbstinductions-Coefficienten L₂ haben (Fig. 3), so ist bei sinusartigem Strom die Bedingung für die Phasenverschiebung von 90 °:

R₁* — R₁*

(2 π n)*

wobei η die Periodenzahl des Stromes bedeutet. Zum Beweise dieses Satzes beziehen wir uns auf Fig. 4. Die Strecke A B stelle graphisch die Spannung zwischen P und Q. in Fig. 3 dar. Schalten wir zwischen P und Q. einen Leiter ein, der Selbstinduction besitzt, so wird in ihm eine Stromstärke I entstehen, die um einen bestimmten Winkel φ gegen die Spannung AB verschoben ist. Der Leiter werde ' aus den Widerständen R₁ und Pi₂ gebildet und besitze die Selbstinduction L₂. Wir fällen von B auf AI eine Senkrechte B C; es stellt dann A C eine Spannung dar, \velche in dem inductionsfreien Widerstände ^JR₁ -j- R₂) die Stromstärke / erzeugen würde, und B C die durch die Selbstinduction L₂ hervorgerufene elektromotorische Kraft. Theilen wir nun A C durch D so, dafs' sich AD zu DC verhält wie R₁ zu P₂, so tritt in R₁, d. h. in der Seite PN und ebenso in der Seite MQ der Brückenschaltung die Spannung A D auf. Die Spannung zwischen P und N ist daher gleich A D und ebenso die Spannung zwischen M und Q. auch gleich A D. Sucht man nun die Spannung zwischen M und N, so hat man nur die drei Spannungen zwischen P und Q., P und iV und Q und M an einander zu tragen. Wir legen (Fig. 5) A B und A D, wie in Fig. 4, an einander und tragen von B aus B E gleich A D aber in entgegengesetzter Richtung ab. Die Spannung zwischen M und N ist dann E D. Endlich ist die Spannung zwischen P und M durch A E und die zwischen N und Q. durch D B gegeben. Nun kann man dem Winkel φ jede beliebige Gröfse bis zur theoretischen Grenze von 90° und dadurch C eine beliebige Lage auf dem um A B als Durchmesser geschlagenen Halbkreis geben. Man kann demnach D jede beliebige Lage innerhalb des Halbkreises geben. Dasselbe gilt für E. Bei der angenommenen Vertheilung von Widerstand und Selbstinduction liegt D unterhalb A B, E oberhalb A B. Die Strecke D E wird daher die Strecke AB schneiden, und zwar unter einem beliebigen

gegebenen Winkel, je nach der Wahl von R₁R₂ und L₂. Damit DE rechtwinklig auf A B stehe, mufs nach geometrischen Sätzen

I) Td²- d~b² = Te² — e~b²

sein. Da in unserem speciellen Falle

AD=EB
und DB = AE, ,
so mufs A D² = D B² sein.

Nun ist D JB² = D C² + C B²

= J² i?₂ ² + (2-π η L₂/² J²
und Α~Ί>² ±= /² R₁ ²,
daher A₁ ²= -R₂ ² + β ■ π η LJ²,

was mit der oben gegebenen Formel übereinstimmt. Auf demselben Wege kann man aus der Gleichung I) auch ganz allgemein die Bedingung dafür ableiten, dafs die Spannung zwischen M und N um 90 ° gegen die Spannung zwischen P und Q. verschoben ist. Man kann danach R₁ R₂ und L₂ angenähert bestimmen. Schaltet man nun zwischen M und N einen Stromzweig mit hohem Widerstände ein, so wird sich die Spannung zwischen M und N und die Phasenverschiebung dieser Spannung ändern, aber nur unbedeutend, wenn der Strom von M nach N gering ist im Vergleich mit den Strömen zwischen P und Q. Man kann nun durch Aenderung der Widerstände oder der Selbstinduction leicht die Phasenverschiebung wieder auf 90° bringen.

Werden daher die Spulen D D, denen noch ein gröfserer inductionsfreier Widerstand vorgeschaltet werden kann, als Brücke zwischen M und N geschaltet (Fig. 2), so ist es durch passende Wahl der Widerstände und Selbstinduction in den Theilen PMQ und PNQ stets möglich, genau'90° Phasenverschiebung zwischen dem Strom, der die Spulen DD durchfliefst, und der Betriebsspannung, die zwischen P und Q. herrscht, herzustellen.

Mefsapparate der beschriebenen Art lassen sich mit grofser Empfindlichkeit herstellen, so dafs man in den Spulen D D nur sehr geringe Ströme und Energiemengen braucht. Dementsprechend brauchen auch die Ströme in den Zweigen PMQ und PiVQ der Brücke nicht grofs zu sein, und der ganze Apparat erfordert keinen bedeutenden Aufwand an elektrischer Energie.

Die Gleichheit der Selbstinductions - Coefficienten und Widerstände in gegenüberliegenden Theilen der Brückenschaltung war nur der Einfachheit halber angenommen. Der angestrebte Zweck kann auch erreicht werden, wenn z. B. der Zweig PNQ gar keine Selbstinduction besitzt. An Stelle des Ohm'sehen Widerstandes kann auch Capacität treten. Die Bedingung, dafs der zwischen M und N fliefsende Strom eine Phasenverschiebung von 90° gegen die Spannung zwischen P und Q. hat, läfst sich auf sehr mannigfache Weise erfüllen.

Es ist ferner nicht nöthig, dafs man zur Erzeugung der beiden Selbstinductions-Goefficienten zwei verschiedene Apparate nimmt, man kann zwei Spulen nehmen, die über einander gewickelt sind und einen gemeinsamen Eisenkern haben.

Die Justirung der Phasenverschiebung erfolgt in einfacher Weise dadurch, dafs man entweder die. Selbstinduction oder den Widerstand in einem oder beiden Zweigen PMQ und PNQ ändert. Zu dem Zwecke kann man die eine Spule eines empfindlichen Dynamometers, die mit vorgeschaltetem Widerstände genau denselben Widerstand und dieselbe Selbstinduction besitzen möge wie die Spulen D D, mit dem vorgeschalteten Widerstände W zwischen M und N schalten, während man durch die andere Spule einen Strom schickt, der gleiche Phase mit der Betriebsspannung hat. Da das Dynamometer das Product J₁ J₂ cos φ mifst und cos φ sich bei geringen Aenderungen von φ bedeutend ändert, wenn φ nahezu gleich 90 ° ist, so besitzt diese Methode ■ eine ■ grofse Empfindlichkeit. Das Dynamometer wird nach der einen oder anderen Seite ausschlagen, je nachdem φ gröfser oder kleiner als 90 ° ist, und wird keinen Ausschlag zeigen, wenn φ genau gleich 90° ist. Man sieht daraus, dafs man die gewünschte Phasenverschiebung von 90 ° bequem und genau justiren kann.

Eine Schaltung zum Betriebe oder zur Inbetriebsetzung von Einphasenmotoren stellt Fig. 6 dar. C C ist die ständig von Strom durchflossene Wickelung, die durch die Ausschalter A₁ A₂ eingeschaltet wird. D D ist die Hülfswickelung und erzeugt ein zweites magnetisches Feld, dessen Achse bei einem zweipoligen Motor, wie gezeichnet, rechtwinklig zur Achse des durch CC erzeugten Feldes steht. ■ Die Wickelung D D erhält in der Regel nur zum Anlassen Strom, sie kann daher durch die Ausschalter A_s und ^₄ besonders ausgeschaltet werden. Diese Hülfswickelung wird als Brücke der Brückenschaltung zwischen M und N geschaltet. Da beim Laufen des Motors in der Hülfswickelung D D elektromotorische Kräfte auftreten, rhufs noch ein Ausschalter /L₄ angeordnet werden, damit nicht bei offenem Ausschalter A₃ Ströme in der Brücke auftreten. Versuche zeigen, dafs man mit dieser Schaltung ein besonders starkes Drehungsmoment beim Anfahren erzielen kann.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Verfahren zur Zerlegung eines einzigen Wechselstromes in zwei Wechselströme, welche der Phase nach um einen beliebigen gegebenen Winkel gegen einander

   verschoben sind, darin bestehend, dafs man an erster Stelle den genannten Wechselstrom oder eine ihm gleichphasige geeignete Abzweigung desselben unmittelbar und an zweiter Stelle einen Stromzweig benutzt, welcher den Brückendraht einer zwischen die Betriebsklemmen geschalteten W heatst one'sehen Brückenschaltung bildet, deren Hauptzweige aufser Ohm'schem Widerstände in geeigneter Vertheilung Selbstinduetion oder Capacität oder beides enthalten.
2. 2. Ein nach dem im Anspruch ι gekennzeichneten Verfahren hergestelltes Mefsgeräth, bestehend aus der Verbindung zweier räumlich gegen einander versetzter und einen drehbar aufgehängten Cylinder oder ein gleichwerthiges Constructionselement aus beliebigem Metall beeinflussender Spulen oder Spulengruppen mit einer Brückenschaltung nach Anspruch ι, derart, dafs die eine Spule oder Spulengruppe in den Betriebsstrom, die andere in den Brückendraht eingeschaltet ist.

   Eine nach dem im Anspruch ι gekennzeichneten Verfahren hergestellte Schaltung zum Betriebe oder zur Inbetriebsetzung von Einphasen-Wechselstrommotoren.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.