DE94992C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Der Hauptnachtheil bei asynchronen Maschinen, gleichviel, ob sie als Stromerzeuger oder als Slromempfänger verwendet werden, liegt in der Art und Weise ihrer Erregung. Diese Erregung mufs mit Hülfe von Wechselströmen geschehen. Der Widerstand, welcher sich den Wechselströmen entgegenstellt, mufs durch eine scheinbare Arbeit überwunden werden, welche weit gröfser ist als diejenige Arbeit, welche der durch die Wechselströme in den Leitern entwickelten Wärme proportional ist. Wenn diese scheinbare Arbeit durch eine Stromerzeugungsmaschine geleistet werden soll, so wird der Wirkungsgrad dieser Maschine sehr verringert. Soll die Arbeit durch eine besondere Erregermaschine geliefert werden, die mit jeder der Haupt-Dynamomaschinen gekuppelt ist, sei es z. B. durch einen synchronen, übererregten Motor, dessen Ankerwickelung zwischen den Klemmen der inducirenden Wickelung der Dynamomaschine in Nebenschlufs geschaltet ist, so findet man, dafs diese Erregermaschine ähnliche Abmessungen haben mufs wie die Hauptmaschine, mit welcher sie in Verbindung steht. Soll die Arbeit durch eine Condensatorbatterie geliefert werden, so stellt sich heraus, dafs die Herstellungskosten derselben unverhältnifsmäfsig hohe sind, so dafs ihre Anwendung keinen Vortheil bietet:

In allen eben betrachteten Fällen müssen die Amperewindungen, welche zur Erzeugung der Kraftlinien dienen, die die magnetischen Stromkreise der Haupt-Dynamomaschine durchfiiefsen sollen, von der inducirenden Wickelung jener Maschine erzeugt werden, d. h. von demjenigen der Stromkreise, der zwischen die Enden des Leitungsnetzes geschaltet ist.

Bezeichnet man mit -=- die Wechselzahl

der durch die Leitung zugeführten Ströme oder der in die Leitung durch die Dynamomaschine gesendeten Ströme, so wird die Wechselzahl der Kraftlinien in der, inducirenden Wickelung

der Maschine auch gleich -=- sein und diese Kraftlinien müssen selbst durch Ströme von der Wechselzahl -=■ erzeugt werden.

Nun aber wächst das Verhältnifs der scheinbaren Arbeit zur wirklichen Arbeit, welches vorhanden sein mufs, damit ein bestimmter Stromkreis von einem Strom von gleichfalls bestimmter Stärke durchflossen wird, schnell mit der Wechselzahl dieses Stromes, und die

Wechselzahl -~ ist in der Praxis stets grofs.

Aber die Wege, welche die Kraftlinien in einer asynchronen Dynamomaschine verfolgen, gehen ebensowohl durch die inducirten Stromkreise als durch die inducirende Wickelung der Maschine. Hierbei ist es von geringer Wichtigkeit für die Erzeugung dieser Kraftlinien , ob die nothwendige magnetisirende Kraft durch die Amperewindungen der inducirenden Wickelung oder durch die in-

ducirten Stromkreise der Maschine entwickelt wird.

Es ist bekannt, dafs, wenn man mit 2 η die Polzahl einer asynchronen Maschine und mit W die Umdrehungsgeschwindigkeit bezeichnet, die Wechselzahl der durch die inducirten Stromkreise gehenden Kraftlinien nicht mehr —_r> sondern ,-=- — κ ω ist, und dafs, wenn eine solche

Dynamomaschine sich unter normalen Betriebsverhältnissen befindet, die Wechselzahl

-=- — η w ungefähr 50 mal kleiner als die

Wechselzahl

ist.

Hieraus ergiebt sich, dafs, wenn man durch die inducirten Stromkreise einer asynchronen Dynamomaschine und nicht mehr durch ihre inducirende Wickelung die zu ihrer Erregung nothwendigen Ströme hindurchsendet, das Verhältnifs der scheinbaren Arbeit zu der wirklichen Arbeit sehr nahe gleich der Einheit ist, da diese Ströme stets eine sehr niedrige Wechselzahl haben würden.

Hat man ein solches Ergebnifs erreicht und können noch die nöthigen Erregerströme durch eine Erregermaschine erzeugt werden, deren Abmessungen zu der Gröfse der zu liefernden scheinbaren Arbeit einfach proportional und unabhängig von der Wechselzahl der zu erregenden Ströme ist, so würde das Erregermaterial , welches mit einer asynchronen, als Stromerzeuger oder Stromempfänger arbeitenden Dynamomaschine zu kuppeln wäre, keine verba'ltnifsmäfsig wichtigere Rolle spielen als die Gleichstrom-Erregerniaschine, welche man mit jeder S}'nchronen Dynamomaschine kuppelt.

Dieses ist die Aufgabe, welche die Erfinderin lösen will. Die technischen Mafsnahmen, welche zur Lösung dieser Aufgabe führen, bilden den Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

. Damit die inducirten Stromkreise einer asynchronen Dynamomaschine die zur Erregung der letzteren nothwendigen Kraftlinien erzeugen können, ist es nöthig und genügt es, dafs die Stromkreise im Stande sind, ein Drehfeld von passender Stärke zu erzeugen, welches im Verhältnis zu den inducirten Stromkreisen eine relative Umdrehungsgeschwindigkeit von der

Gröfse —
η

— η cm

hat.

In der That ist, wenn die relative Umdrehungsgeschwindigkeit der inducirten Stromkreise zu den inducirenden Wickelungen gleich ω ist, die relative Geschwindigkeit des .Drehfeldes zu der inducirenden Wirkung gleich der algebraischen Summe beider oben betrachteter Geschwindigkeiten, also gleich:

nw \ =

nT

Da aber die Maschine in Pole hat, so ist dies ■· genau die Geschwindigkeit,, welche im Verhä'Itnifs zur inducirenden Wickelung ein gewöhnlicher Feldmagnet haben mufs, der durch einen Gleichstrom erregt wird, um darin eine elektromotorische Kraft von der Wechsel-.

zahl -=- zu erzeugen.

Damit die inducirten Stromkreise im .Stande sind, ein solches Drehfeld zu erzeugen, müssen ihrer wenigstens zwei vorhanden sein. In diesem Fall müssen sie von einander geometrisch um einen Winkel von der Gröfse

verschieden sein und von Strömen von

der Stärke

J, = a sin 2

J₂ = a ■ cos · 2 π

ι
Ψ

nw I t

ηω

durchflossen werden, wobei α einen genügend grofsen Werth besitzt, um die Erzeugung der nöthigen Kraftlinien zu sichern.

Es sei mit r und / der Widerstand und der Coefficient der Selbstinduction eines jeden dieser beiden inducirten Stromkreise bezeichnet.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht nun darin, diese beiden Gröfsen auf künstliche Art nahezu gleich Null zu machen.

Würde man dies erreichen, so würde eine sehr kleine elektromotorische Kraft genügen, um durch diese Stromkreise Ströme von der Stärke I₁ und L₂ hindurchfliefsen zu lassen.

Bezeichnet man mit h den Maximalwerth jener elektromotorischen Kraft, so hat man:

= a \/ r² + 4 π² I -ψ — M J

Γ².

Ist diese elektromotorische Kraft wesentlich gleich Null gemacht, so ist kein Hindernifs mehr vorhanden, um sie durch die Induction der inducirenden Wickelung auf die inducirten Stromkreise zu erzeugen. Da die inducirende Wickelung in diesem Fall nur Kraftlinien von zu vernachlässigender Stärke zu entwickeln braucht, so könnte die scheinbare Arbeit, die an ihren Klemmen frei werdon müfste, um die Entwickelung dieser Kraftlinien zu veranlassen, ebenfalls vernachlässigt werden.

Man kann jedoch die Stärke des Erregerstrom.es der inducirenden Wickelung in zwei

Componenten zerlegen. Die eine der Componenten wird Wechsel von derselben Phase wie diejenigen der zwischen den Klemmen der inducirenden Wickelung erzeugten elektromotorischen Kraft haben. Dieser Stromtheil wird eine Kraftmenge verbrauchen, welche der in den inducirten Stromkreisen erzeugten Wärmemenge äquivalent ist. Sein Vorhandensein hat einfach den Zweck, den inneren Arbeitsstrom zu vermehren, der durch die Dynamomaschine selbst aufgebraucht wird, wenn sie als Stromempfä'nger dient, oder den von ihr gelieferten inneren Arbeitsstrom zu verringern, wenn sie als Stromerzeuger arbeitet. Da diese Arbeit auf irgend eine Weise geliefert werden mufs, so hat es keinen Werth, den Widerstand r auf künstliche Weise zu verringern, was nur dadurch geschehen könnte, dafs man auf irgend eine Weise Arbeit ausgiebt. Die Wechsel der anderen Componente des Erregungsstromes werden um Y₄ Periode mit Bezug auf diejenigen der elektromotorischen Kraft, die zwischen den Klemmen der inducirenden Wickelung aufrecht erhalten wird, verschieden sein. Soll diese Componente gleich Null gemacht werden, so mufs man auf künstliche W^Teise den Coefficienten der Selbstinduction / jedes der inducirten Stromkreise der Dynamomaschine gleich Null machen.

Man gelangt so zu folgendem, Schlufs:
Die an den Klemmen einer asynchronen, als Stromempfänger angewendeten Dynamomaschine verfügbare scheinbare Arbeit ist gleich der wirklichen von ihr aufgebrauchten Arbeit und die Stärke des Erregungsstromes, den man durch ihre inducirende Wickelung schicken mufs, um die Maschine als Stromerzeuger anzuwenden, wird gleich Null sein, wenn in beiden Fällen der Coefficient der Selbstinduction jedes . ihrer inducirten Stromkreise auf künstliche Weise gleich Null gemacht ist.

Die Erfinderin hat zu diesem Zweck schon vorgeschlagen, die inducirten Stromkreise auf Condensatoren zu schliefsen; diese Anordnung erlaubt jedoch nicht, aus der grofsen Verminderung der scheinbaren Arbeit, die nöthig ist, um das Fliefsen der Erregungsströme zu bewirken, Vortheil zu ziehen. In der That wird die Wec-hselzahl dieser Ströme in demselben Verhältnifs vermindert und alle sonst gleichen Umstände, die Abmessungen eines Condensators, welcher fähig ist, eine bestimmte scheinbare Arbeit zu liefern, sind der Wechselzahl der Ströme, welche ihn durchfliefsen sollen, umgekehrt proportional. Man könnte hier auch nicht die Wirkung eines Condensators durch diejenige eines synchronen übererregten Motors ersetzen. Letzterer würde in der That praktisch Ströme liefern, deren Wechselzahl zwischen ι und 2 liegt. Ein solcher Motor könnte nur sehr schlecht ausgenutzt werden.

Die Erfinderin ist nun bestrebt gewesen, einen Apparat zu schaffen, der, trotzdem er fähig ist, dieselben elektromotorischen Kräfte wie ein Condensator zu entwickeln, Abmessungen hat, welche für eine bestimmte zu leistende scheinbare Arbeit von der Wechselzahl der Ströme unabhängig sind.

Nitpmt man eine Gleichstrommaschine für die Erzeugung des Erregerstromes als vorhanden an, deren Ankerwickelung einen zu vernachlässigenden Coefficienten der Selbstinduction besitzt und deren Feldmagnet durch einen Wechselstrom erregt wird, so wird die durch die Drehung des Ankers zwischen den Bürsten entwickelte elektromotorische Kraft dieselbe Wechselzahl haben wie der inducirende Strom. Die wirksame Gröfse dieser Kraft wird nur von der Constructionsart der Maschine, ihrer Umdrehungsgeschwindigkeit und der Stärke des wirksamen Stromes abhängen; sie wird von der Wechselzahl dieses Stromes unabhängig sein. Die Abmessungen einer solchen Maschine zur Hervorbringung einer bestimmten scheinbaren Arbeit sind also unabhängig von der Wechselzahl der Ströme, welche sie durchfliefsen, und sind klein, wenn diese scheinbare Arbeit klein ist.

Es wird also zur Erreichung des gesteckten Zieles genügen, jeden der inducirten Stromkreise eines asynchronen Wechselstrommotors auf die Ankerwickelung einer solchen Maschine zu schliefsen und ihre Feldmagnete passend zu, erregen. Es soll an einem Beispiel gezeigt werden, wie diese letztere Aufgabe in einfacher Weise gelöst werden kann.

Auf der beiliegenden Zeichnung ist in Fig. ι eine einphasige asynchrone Wechselstrommaschine dargestellt; der Anker dieser Maschine ist als beweglich angenommen und mit A A bezeichnet. Der einzige durch die verschiedenen Spulen gebildete Stromkreis des Ankers ist zwischen zwei auf der Achse des Ankers sitzende Ringe C geschaltet. Auf den Ringen C schleifen zwei feste Bürsten B, die den von dem Anker gelieferten Strom abnehmen, wenn die Maschine als Stromerzeuger dient, bezw. den nöthigen Strom in den Anker hinein leiten, wenn die Maschine als Stromempfänger angewendet wird.

Die inducirten Stromkreise sind fest. Im vorliegenden Falle sind zwei solcher Stromkreise angenommen, die der Kürze wegen in Nachstehendem mit Sinusstromkreis und Cosinusstromkreis bezeichnet werden sollen. Die Spulen, welche den Sinus- und den Cosinusstromkreis bilden, stehen in regelmäfsig abwechselnder Reihenfolge, wie dies aus Fig. ι zu ersehen ist. . Ferner sind die Spulen jedes Stromkreises so gewickelt, dafs sie in demselben Augenblick abwechselnd positive und negative Pole darbieten (Fig. i). Die Spulen des Sinuskreises

sind mit S und die des Cosinuskreises rait C bezeichnet. Diese Buchstaben sind mit den Vorzeichen »-j-« oder »-—■« versehen, um dadurch die Art der Pole zu bezeichnen, welche die Spulen in einem bestimmten Augenblick aufweisen.

Die Fig. 2 und 3 stellen die Erregermaschine dar, welche mit der eben beschriebenen Wechselstrommaschine gekuppelt werden soll.

Die Erregermaschine besteht aus zwei in besonderer Weise angeordneten, aber sonst gleichartigen Gleichstrommaschinen. Ihre Anker sitzen auf einer gemeinschaftlichen Welle (Fig. 3) und werden durch denselben Antrieb in Umdrehung versetzt.

Es sei \^rorausgesetzt:

1. dafs die Anker dieser Maschinen durch einen gewöhnlichen Gramme'schen Ring a a gebildet werden. Einer der Ringe ist in Fig. 2 in Seitenansicht und in Fig. 3 im Schnitt dargestellt; sie sind beide mit Stromwendern O O versehen, auf denen die um i8o° versetzten Bürsten schleifen;

2. dafs die Feldmagnete ebenfalls durch Ringe MM nach dem Gramme'schen System gebildet werden, die zu den Ankern concentrisch angeordnet und mit zwei gesonderten Wickelungen belegt sind. Die Hälfte der Abtheilungen des Ringes MM ist in Fig. 2 im Schnitt dargestellt worden, um die beiden Spulen, aus denen jede Abtheilung besteht, erkennen zu lassen.

In: gewöhnlicher Weise ist jede Spulenreihe unter sich geschlossen. Der Ring MM ist so mit zwei besonderen Wickelungen nach Gr amme'scher Art bedeckt.

Die eine dieser Wickelungen wird dazu dienen, die inducirenden Kraftlinien zu erzeugen. Zu diesem Zweck ordnet man die Eintrittsund Austrittspunkte des Stromes in einer Linie an, welche mit der durch die Berührungspunkte der Bürsten gehenden Linie einen Winkel von 90⁰ bildet (Fig. 4).

Die Eintritts- und Austrittspunkte des durch die zweite Wickelung gebildeten Stromkreises hingegen ordnet man in der Linie der Bürsten an (Fig. 4).

Der so gebildete Stromkreis mufs genau dieselbe Anzahl von Windungen haben wie der Anker und wird mit letzterem in Reihe geschaltet. Diese Anordnung geschieht derart, dafs die von dem Stromkreis in der Längsrichtung der Linie der Bürsten entwickelten Pole im Gegensatz zu den durch den Anker entwickelten Polen stehen. Der Anker kann von nun ab keine Kraftlinien hervorbringen und verhält sich daher, als ob sein Coefficient der Selbstinduction gleich Null wäre.

Das Schema der Fig. 5 veranschaulicht, wie die inducirenden Stromkreise der Wechselstrommaschine und die verschiedenen Stromkreise der Erregermaschine unter sich verbunden sind.

Der Sinusstromkreis S der Wechselstrommaschine ist mit dem inducirenden Stromkreis Ic der einen der erregenden Dynamomaschinen und mit dem Anker As der anderen Dynamomaschine in Reihe geschaltet. Dieser Sinusstromkreis begreift zu gleicher Zeit den Stromkreis Js mit ein, welcher die Aufgabe hat, den Coe'ffkienten der scheinbaren Selbstinduction des Ankers As gleich Null zu machen.

Der Cosinusstromkreis C der Wechselstrommaschine ist mit dem inducirenden Stromtheil Is der einen der Erreger - Dynamomaschinen und mit dem Anker Ac der anderen dieser Dynamomaschinen in Reihe geschaltet; zu dem Cosinusstromkreis gehört gleichzeitig auch der Stromkreis Jc, dazu bestimmt, den Coefficienten der scheinbaren Selbstinduction des Ankers A c gleich Null zu machen.

Unter diesen Umständen, da die Wechselstrommaschine in diesen beiden inducirten Stromkreisen Ströme erzeugt, die um ^x/₄ Periode zu einander verschoben sind und die die Erfinderin Sinusstrom und Cosinusstrom nennen will, erhellt, dafs der von dem Sinusstrom durchflossene Anker der Erregermaschine durch den Cosinusstrom erregt wird und umgekehrt. Andererseits haben der Cosinus - und der Sinusstrom dieselbe wirksame Stärke.

Hieraus folgt, dafs die durch die Erregermaschine in jedem der inducirten Stromkreise erregten elektromotorischen Kräfte den wirksamen Stärken derjenigen Ströme, welche diese Stromkreise durchfliefsen, proportional und im Verhältnifs zu diesen Kräften um Y₄ Periode verschieden sind.

Indem man den Sinn der inducirenden Wickelungen Ic und Is passend wählt, kann man es so einrichten, dafs diese elektromotorischen Kräfte den.Stromstä'rken voraus sind.

Somit ist also der erstrebte Zweck erreicht.

Es wurde bisher vorausgesetzt, dafs es sich um eine einphasige Wechselstrommaschine handelt. Aber alles, was bisher gesagt worden ist, ist von der Art der Beschaffenheit der inducirenden Wickelung dieser Wechselstrommaschine unabhängig und pafst unmittelbar für den Fall, wo diese inducirende Wickelung Mehrphasenströme von beliebiger Anzahl hervorbringt oder empfängt. Man kann also den Anker AA mit Einphasenstrom (Fig. 1) durch irgend einen Anker mit Mehrphasenstrom ersetzen.

Es wurde ferner vorausgesetzt, dafs die Wechselstrommaschine gleichfalls mit zwei inducirten Stromkreisen ausgerüstet ist. Die Anzahl jener Stromkreise kann aber auch beliebig sein, man mufs dann jedoch ebenso viel besondere Erregermaschinen anordnen, als in der

inducirenden Wickelung besondere Stromkreise vorhanden sind.

Angenommen, es seien drei inducirte Stromkreise vorhanden. Letztere müssen dann bezw. durch Ströme von den Stärken

= a · sin 2 π

J₁, ζ= a ■ sin 2 π

ι .

-= — η ω \ t

IY ι \ ² Ί

j_s ζ= α ■ sin ² π Ι -ψ — nw I ί -j

durchflossen werden. ^:

Zur ' Lösung der ., vorliegenden Aufgabe ist es nöthig, dafs die Erregermaschine, deren Anker durch den Strom von der Stärke

= a ■ sin 2

I ,

durchflossen wird, durch einen Strom von der Stärke

= α cos ■ 2 7Γ

— nw

erregt wird.

Obwohl die Erfinderin nicht mehr einen

solchen Strom, sondern zwei Ströme oder

■=. a ■ sin 2 π

-=■ — η w I t 4- ■—
¹ J 3

und J₃ = a ■ sin 2 π \\-= —

anwendet, so kann dasselbe Ergebnifs dennoch mit derselben Leichtigkeit erreicht werden.

In der That, wenn N die Anzahl der Windungen jeder Spule des inducirenden Stromkreises ist, den man durch einen Strom von der Stärke

I₁ = a · cos 2 π

— η w

Ni₁ =n_x durchfliefsen lassen kann, so kann man jede dieser Spulen durch zwei über einander angeordnete Spulen ersetzen, die bezw. W₁ und M₂ Windungen haben und durch die man Ströme von den Stärken j.₂ und j₃ fliefsen läfst, die natürlich zur Verfügung stehen.

Die gesammte durch diese beiden Spulen entwickelte magnetisirende Kraft, die durch die einzige Spule mit JV Windungen hervorgebracht wird, vorausgesetzt, dafs durch sie ein Strom von der Stärke I₁ fliefst. Man hat dann in gleicher Weise

2 + ⁿik

Na cos 2 -π ί -=- — η w J t = W₁ α sin 2 π I -=- — w w J t -f —

+ n„a sin 2 π I -=■ — η w I t -f-

Na ■ cos ■ 2

π\-ψ — nw

α sin 2

/ ι \ , Γ 2π \ίϊ

π -=- — η ω t ■ η. cos -4- ^ηι ^cos

\^τ /L 3 3

α cos 2

(ί \Γ . 2 7Γ .471"I

π -=τ — ηω \ t \ η, sin \- η, sin ~— .

W /L 3 3 J

Der angestrebte Zweck wird erreicht, wenn man macht

n, cos

7T₁ 47Γ

\- w, cos ~— =

4 7Γ

2 7Γ

n, sin · r- n, sin

3 JV

(- — = O, woraus W₁ = — W₂

0,866 [H₁ — W₂) = JV.

JV

VT

Man ersieht also, auf welche Weise es möglich ist, mit Hülfe jeder der erregenden Dynamomaschinen eine elektromotorische Kraft zu entwickeln, die zur Stärke des Stromes, welcher

ihren Anker durchfliefst,. um ^:/₄ Periode verschieden ist.

Man würde auf die gleiche Weise verfahren, wenn die Anzahl der inducirten Stromkreise der asynchronen Dynamomaschine gröfser als 3 wäre.

Man mufs aber berücksichtigen, dafs, da in allen Fällen zwei inducirte Stromkreise genügen, es eine unnöthige Erschwerung wäre, die Anzahl dieser Stromkreise zu vermehren.

Es erhellt ohne Weiteres, dafs es möglich ist, eine asynchrone Dynamomaschine, welche mit einer Erregermaschine, wie oben beschrieben, ausgerüstet ist, in eine synchrone Dynamomaschine zu verwandeln..

Zu dem Zweck genügt es, die Verbindungsweise der verschiedenen Stromkreise der Erregermaschine so umzuändern, wie durch die Fig. 6 veranschaulicht ist.

Vermöge dieser Verbindungsweise kann jeder der Anker der Erregermaschine mit seinem zugehörigen Feldmagneten in Reihe geschaltet werden. Die Maschine wird so in eine gewöhnliche Gleichstrommaschine umgewandelt und die Feldmagnete der Maschine werden durch Gleichströme erregt.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Erregungsweise von asynchronen Wechselstrommaschinen, dadurch gekennzeichnet, dafs das Feld durch mehrere Wickelungen (C und S) erregt wird, welche je für sich einen Strom^ kreis bilden, bestehend aus der Feldwickelung (I) der einen, der Ankerwickelung (A) der anderen von zwei gleichartigen Gleichstrommaschinen und einer auf dem Feldmagnet der letzteren — um 90 ° gegen die eigentliche Feldwickelung dieser Maschine versetzt — angeordneten und bezüglich ihrer Windungszahl mit der Ankerwickelung übereinstimmenden Wickelung (J), welche dazu dient, den Selbstinductionscoefficienten des zugehörigen Gleichstromankers annähernd gleich Null zu machen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.