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Gleichstromregelmaschine Die Erfindung bezieht sich auf Gleichstromregelmaschinen,
bei denen die Differenz zwischen dem im wesentlichen gleichförmigen Fluß eines gesättigten
Magnetsystems und dem veränderbaren Fluß eines nicht gesättigten magnetischen Systems,
die in Abhängigkeit von der zu regelnden Größe erregt werden, auf diese Größe eine
Korrekturwirkung in dem Sinne ausübt, daß dieser Unterschied verringert wird.
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Die Erfindung geht aus von einer Gleichstrommaschine mit einer vierpoligen
Schleifenwicklung im Anker und einem vierpoligen Magnetsystem, in dem zur Erzeugung
eines vierpoligen Hauptflusses zwei einander gegenüberliegende Hauptpole in Abhängigkeit
von einer zu regelnden Größe erregt werden und ein zwischen den beiden gegenüberliegenden
Hauptpolen auftretender zweipoliger Ausgleichfluß über Ausgleichströme in Bürstenstromkreisen
gleicher Polarität zum Steuern der zu regelnden Größe dient.
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Erfindungsgemäß ist eine solche bekannte Maschine dadurch gekennzeichnet,
daß der eine der beiden gegenüberliegenden Hauptpole im Sättigungsgebiet, der andere
im linearen Bereich zweier sich schneidenden magnetischen Kennlinien arbeitet und
beide Hauptpole in Abhängigkeit von der zu regelnden Größe gleichpolig erregt werden,
so daß die beiden räumlich gegeneinander gerichteten Polflüsse für einen bestimmten
Sollwert der zu regelnden Größe gleich groß sind und unter Benutzung der benachbarten
unerregten
Hauptpole als magnetischer Rückschluß lediglich einen
vierpoligen Hauptfluß, bei Abweichungen vom Sollwert der Regelgröße hingegen zwischen
den beiden gegenüberliegenden Hauptpolen zusätzlich den die Regelgröße über Ausgleichströme
steuernden zweipoligen Ausgleichfluß erzeugen.
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Bei den bisher bekannten, meist zweipoligen Regelmaschinen sind die
Flüsse der beiden ungleichmäßig gesättigten Systeme entweder kein Teil des Hauptflusses
der Maschine, oder sie dienen zwar zum Aufbau eines zweipoligen Hauptflusses einer
Maschine mit einem höherpoligen Magnetsystem, der Unterschied zwischen diesen Flüssen
aber wirkt auf Hilfsbürsten ein, deren Stromkreis vom Stromkreis der Hauptbürsten
getrennt ist.
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Bei der Maschine gemäß der Erfindung bilden die beiden räumlich gegeneinander
gerichteten Flüsse der beiden verschieden stark gesättigten magnetischen Systeme
hingegen einen untrennbaren Bestandteil des sich dabei unter Ausnutzung der benachbarten
unerregten Hauptpole als magnetischer Rückschluß einstellenden vierpoligen Hauptflusses
der Maschine, wobei der Unterschied zwischen diesen beiden Flüssen eine Unsymmetrie
des Hauptflusses ergibt, die dann als Ausgleichfluß unmittelbar auf die Hauptbürsten
der Maschine einwirkt. Die Regelwirkung wird also in an sich bekannter Weise durch
die im Anker fließenden Ausgleichströme bewirkt, die in dem Bürstenstromkreis der
gleichen Polarität unter dem Einfluß des magnetischen Ungleichgewichtes entstehen.
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Die Erfindung ermöglicht es, mit einer üblichen Vierpolmaschine eine
als Motor oder Generator arbeitende Regelmaschine zu bauen, deren Aufgabe darin
besteht, einen Flußunterschied festzustellen, der sich aus einer möglichen Änderung
der zu regelnden Größe ergibt, diesen Flußunterschied zu verstärken und eine Regelwirkung
auf die zu regelnde Größe auszuüben.
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Weitere Merkmale sowie die Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden
Beschreibung hervor. In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in allen
Abbildungen gleiche Teile bezeichnen, zeigen Abb. I und 2 Teilquerschnitte bzw.
Teillängsschnitte des Magnetkreises einer Maschine nach der Erfindung in prinzipieller
schematischer Darstellung, Abb. 3 die Verteilung des Flusses in diesem Magnetkreis,
Abb. 4 zwei charakteristische Magnetisierungskurven des Magnetkreises, Abb.5 eine
detaillierte schematische Darstellung einer als Reguliererregermaschine verwendeten
Maschine nach der Erfindung, Abb.6 dieselbe als selbstregulierte Erzeugermaschine
verwendete Maschine.
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Die in den Fig. I und 2 dargestellte Maschine weist einen vierpoligen
magnetischen Fluß auf, der über ein Joch I, vier durch ihre Achsen X, Y, Z und Q
bezeichnete Hauptpole und einen induzierten Anker 2 fließt. Die Induktionswicklung,
die als vierpolige Schleifenwicklung ausgebildet ist, ist mit einem Kommutator verbunden,
der mit vier Bürsten 3, 4, 5 und 6 versehen ist, die sich in den normalen Kommutierungsstellungen
einer vierpoligen Maschine befinden, in der Annahme, daß sich die Bürsten etwa in
der Mitte zwischen den gerade kommutierenden Ankerleitern einer Spule befinden.
Ein vierpoliger Magnetfluß wird in der Maschine mit Hilfe einer auf zwei diametral
gegenüberliegenden Hauptpolen angeordneten Haupterregerwicklung bzw. einer Regelwicklung
erzeugt, die z. B. aus zwei Spulen 7 bestehen kann, die auf die Pole X und
Y verteilt und an zwei Leitungspunkte 8 und 9 angeschlossen sind und in direkter
oder indirekter Abhängigkeit von einer veränderlichen physikalischen Größe gespeist
werden. Der durch diese Wicklung erzeugte vierpolige Magnetfluß wird durch die Linien
IO, II, 12, 13 des Schemas in Fig. 3 dargestellt.
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Die zwei Pole gleicher Polarität X und Y besitzen einen
verschiedenen Sättigungsgrad. Der Pol mit der stärkeren Sättigungsmöglichkeit, z.
B. X, wird normalerweise bis zur Sättigung erregt, während der weniger sättigungsfähige
Pol Y unterhalb der Sättigung arbeitet, wobei die Flüsse dieser beiden Pole für
eine ganz bestimmte Haupterregung und daher für einen bestimmten Wert der Spannung,
welche die Wicklung 7 speist, im Gleichgewicht sind. Diese Bedingungen sind in Fig.
4 dargestellt, in welcher P1 und P2 die beiden Magnetisierungskurven der Pole X
und Y in Abhängigkeit von der Gesamterregung der Regelwicklung, ausgedrückt in at
(Amperewindungen) darstellen. Diese Kurven schneiden sich in einem Punkt P, dessen
Abszisse ato genau der spezielle Erregungswert ist, für welchen die Pole
X und Y im Gleichgewicht befindliche Flüsse besitzen.
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Die Höhe der Sättigung des Pols X und damit die Lage des Punktes P
kann mit Hilfe einer an sich bekannten magnetischen Regeleinrichtung eingestellt
werden, die z. B. aus einer Schraube 14 bestehen kann, die sich mehr oder weniger
in eine Kammer 15 des Pols X einschrauben läßt und durch eine Mutter 16 gesichert
wird.
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Für Erregungswerte at1 oder at2 die von dem Regelwert at, verschieden
sind, ist der vierpolige Fluß außer Gleichgewicht. Daraus ergibt sich entlang der
Achse X - Y ein unsymmetrischer Fluß oder Regulierfluß, der seine Polarität
zugleich mit der Abweichung der Erregung von dem genauen Regelwert at, gegebenenfalls
umkehrt.
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Besitzt der vierpolige Fluß eine Gleichgewichtsverteilung entsprechend
der Erregung at, so besitzen die vier Bürsten absolut gesehen gleiches Potential.
Wenn jedoch der vierpolige Fluß sich nicht im Gleichgewicht befindet, erzeugt der
Regulierfluß, der dann entsteht, zwischen den Bürsten gleicher Polarität 3 und 4,
genannt Primärbürsten, die den Polen X, Y zugeordnet sind, einen Potentialunterschied,
dessen Vorzeichen vom Strömungssinn des Regulierflusses abhängt. Diese Bürsten sind
normalerweise untereinander wie bei einer vierpoligen Maschine verbunden, wobei
ein sogenannter primärer Ausgleichstrom entsteht, dessen Richtung von der Flußrichtung
des Regulierflusses abhängt. Durch die Induktionswirkung dieses Primärstromes entsteht
ein anderer, stärkerer Strom, der sogenannte Sekundärstrom, zwischen den Bürsten
gleicher Polarität 5 und 6, den sogenannten Sekundärbürsten, die den Polen Z und
Q zugeordnet sind. Wird die Spannung, welche die Regulierwicklung speist, durch
einen elektrischen Kreis gesteuert, so genügt es, zur Regulierung
dieser
Spannung den elektrischen Stromkreis durch den sekundären Strom in der Weise zu
überwachen, daß eine Verminderung der Abweichung erzwungen wird, welche den Regulierfluß
erzeugt, so daß dadurch die erwähnte Spannung sich auf einen Gleichgewichtswert
einstellt, für den der Regulierfluß Null ist.
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Eine vierpolige Maschine, die in dieser Weise geeignet ist, eine Regulierwirkung
auszuüben, arbeitet im übrigen wie eine übliche Vierpolmaschine, sei es als Motor
oder als Generator, wie dies an Hand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele noch
erläutert wird.
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Abb. 5 zeigt die Anwendung der Maschine als Erreger und Spannungsregler
für ein Nebenschlußdynamo I7, die zwei Sammelschienen I8 und I9 Strom liefert. An
die Sammelschiene I8 ist das eine Ende der Erregerwicklung 2o des Dynamos und eine
die gleichpoligen Bürsten 3 und 4 verbindende Leitung angeschlossen, während das
andere Ende dieser Wicklung mit der anderen Sammelschiene I9 über einen Stromkreis
der Regelmaschine verbunden ist, der eine Klemme 2I, zwei Ausgleichwicklungen 22
und 23, die auf den Polen X bzw. Y liegen, ferner die Sekundärbürsten
6 und 5, zwei Ausgleichwicklungen 24 und 25, die auf den Polen Y und
X liegen, und eine Klemme 26 enthält, zu welcher die Sammelschiene I9 führt.
Die vier Ausgleichwicklungen 22 bis 25 sind derart angeordnet, daß sie, wenn sie
von einem zwischen den Klemmen 2I und 26 fließenden Strom durchflossen werden, längs
der Achse X - Y einander unterstützen, um einen Ausgleichfluß zu erzeugen,
dessen Zweck weiter unten genauer beschrieben werden soll.
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Die als Nebenschlußwicklung gedachte Regulierwicklung 7 besteht aus
zwei Spulen, die auf den Polen X bzw. Y angeordnet und mit den Klemmen 26 und 28
derart verbunden sind, damit sie der Spannung des Dynamos I7 unterworfen sind.
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Die Richtung der Ströme in den Leitern des Ankers ist in Abb. 5 durch
eine gleiche Anzahl von konzentrischen Lagen von Vorzeichen (+) bzw. (o) angegeben,
j e nachdem der in Frage kommende Strom in die Ebene der Abbildung bzw. aus derselben
ein- bzw. heraustritt.
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Die Maschine arbeitet wie folgt: Es wird angenommen, daß der durch
einen geeigneten Motor angetriebene Dynamo I7 (Fig. 5) sich derart erregt, daß die
Sammelschiene I8 negativ und die Sammelschiene I9 positiv ist. Die der an den Klemmen
26 und 28 entstehenden Spannung ausgesetzte Regulierwicklung 7 erzeugt einen vierpoligen
Fluß, und der diesem Fluß ausgesetzte Anker 2 läuft z. B. in der Pfeilrichtung an.
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Ia sei der durch die Klemme 26 und die Bürste 5 in den Anker eintretende
Gesamtstrom, Iex der durch die Bürste 6 zur Speisung der Wicklung 2o aus dem Anker
austretende Strom und I3 der durch die Bürsten 3 und 4 und die Klemme 28 aus dem
Anker austretende Strom. Diese drei Ströme erfüllen die Gleichung
Infolge der Ungleichheit der Belastungen der Bürsten 5 und 6 entsteht zwischen diesen
ein Durchfluß- oder Sekundärstrom I2 dessen Wert durch die
gegeben ist.
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Aus diesen beiden Gleichunken ergibt sich:
Der Strom I3, dessen Verteilung im Anker durch die äußere Lage der Zeichen (+) und
(o) angegeben ist, ist zwischen den vier Bürsten gleichmäßig verteilt und dient
zum Antrieb der Maschine. Der Strom I2, der in der durch die Zwischenschicht von
Vorzeichen (+) und (o) angegebenen Weise im Sekundärstromkreis der Maschine fließt,
erzeugt einen sekundären Ankerreaktionsfluß, der nach der Achse d. h. der Achse
des Regulierflusses, gerichtet ist. Die Ausgleichwicklungen 22 bis 25 sind gerade
zu dem Zweck vorgesehen, den schädlichen Einfluß dieser sekundären Ankerreaktionen
aufzuheben, und deshalb sind sie abwechselnd auf dem Pol X und auf dem Pol Y angeordnet,
um gegenüber der Sekundärstromkomponente zusätzliche und gegenüber der Belastungsstromkomponente
I3 abzuziehende Amperewindungen zu erzeugen.
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Wenn andererseits die Spannung des Dynamos den Wert U noch nicht erreicht
hat, für welchen die durch die Wicklung 7 erzeugten Amperewindungen den Wert at0
haben, so besteht längs der Achse X- Y eine Regulierflußkomponente, die hier von
X nach Y gerichtet ist.
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Diese Komponente induziert im Primärstromkreis des Ankers der Reguliermaschine
eine primäre EMK El, die einen Primärstrom h erzeugt, der in der von der Bürste
4 zur Bürste 3 führenden Verbindung 27, d. h. in umgekehrter Richtung gegenüber
der in der Zeichnung durch die innere Lage von Vorzeichen und (o) angegebenen Richtung
fließt. Der Strom h erzeugt einen primären Ankerreaktionsfluß, der von Z nach Q
gerichtet ist. Dieser Fluß induziert in dem Sekundärstromkreis des Ankers eine EMK
EZ, die das absolute Potential der Bürste 6 erhöht, und zwar gegenüber dem mittleren
Potential der Primärbürsten 3 und q, so daB er infolgedessen bestrebt ist, den Strom
Iex in der Nebenschlußwicklung 2o zu erhöhen. Die Hilfswicklung 29 trägt ebenfalls
zur Erhöhung des Stromes Iex dadurch bei, daB sie unter dem EinfluB der Spannung
E2 einen zweipoligen FluB von gleicher Richtung wie der primäre Ankerreaktionsfluß
erzeugt.
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Aus diesem Grunde erreicht die Spannung des Dynamos den Wert U ziemlich
rasch, während der Regulierfluß abnimmt und schließlich verschwindet, und zwar gleichzeitig
wie die Spannungen E1 und E2, wobei die Erregerwicklung 2o des Dynamos 17 dann,
abgesehen von den Spannungsabfällen zwischen den Klemmen 21 und 26, durch die obenerwähnte
Spannung U gespeist wird.
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Ist die Spannung des Dynamos 17 bestrebt, über den Wert U zu wachsen,
so entsteht ein RegulierfluB in entgegengesetzter Richtung, d. h. von
Y nach X, der
dann im Primärstromkreis des Ankers
einen Strom I1 erzeugt, dessen Richtung in der Zeichnung durch die innere Lage von
Vorzeichen (+) und (o) angegeben ist. Nach einem gegenüber dem vorigen umgekehrten
Arbeitsgang ist die primäre Ankerreaktion jetzt von Q nach Z gerichtet, und diese
Reaktion erzeugt eine Spannung E2, die mit einem umgekehrten Vorzeichen zwischen
den Bürsten 5 und 6 erscheint. Diese Spannung E2 verringert das absolute Potential
der Bürste 6 gegenüber den Primärbürsten und ist so bestrebt, den Strom Iex zu verringern
und die Spannung des Dynamos auf ihren normalen Wert U zurückzubringen. Wenn die
Spannung des Dynamos 17 aus irgendeinem Grunde unter U sinkt, so entsteht der Regulierfluß
wieder in der Richtung von X nach Y und ist bestrebt, den Strom Iex zu verstärken.
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Der Regulierprozeß ist mit dem Fall identisch, bei dem die Maschine
sich mit der umgekehrten Polarität erregt. Der Strom Iex fließt in der anderen Richtung,
aber die Drehrichtung der Erreger- und Reguliermaschine ändert sich nicht, so daß
eine Erhöhung der Spannung über U das Auftreten eines Regulierflusses bewirkt, der
von X nach Y gerichtet ist. Gleichzeitig entsteht ein von Z nach Q gerichteter primärer
Ankerreaktionsfluß, der bestrebt ist, das absolute Potential der Bürste 6 gegenüber
dem mittleren Potential der Bürsten 3 und 4 zu verringern, so daß der Strom Iex
abnimmt und die Spannung auf ihren normalen Wert U zurückgebracht wird. Der hier
durch die Erregerwicklung 2o gebildete Nutzstromkreis muß daher, damit die Regulierung
erfolgt, zwischen den Primärbürsten und derjenigen Sekundärbürste verbunden sein,
deren Potential sich umgekehrt proportional zu dem Amperewindungen der Regulierwicklung
ändert.
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Die oben beschriebene Erreger- und Reguliermaschine kann als eine
Maschine betrachtet werden, die sich aus der Vereinigung von drei Einzelmaschinen
ergibt, die einen gemeinsamen Anker besitzen, und zwar einer ersten zweipoligen
Erzeugermaschine, die durch den Regulierfluß erregt wird, um an den Primärbürsten
3 und 4 eine einmal verstärkte Spannung zu erzeugen, einer zweiten zweipoligen Erzeugermaschine,
die durch die Ankerreaktion der ersten Erzeugermaschine erregt wird, um an den Sekundärbürsten
eine zweimal verstärkte Sekundärspannung zu erzeugen, die so verwendet wird, daß
sie der Ursache entgegenwirkt, die das Auftreten des Regulierflusses bestimmt hat,
und einem vierpoligen Motor, der gleichzeitig die Primär- und die Sekundärbürsten
verwendet und dazu dient, die beiden zweipoligen Erzeugermaschinen anzutreiben.
Die Maschine besitzt daher zwei Verstärkungsstufen und eine Antriebsstufe.
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Durch diese Anordnung ist es möglich, dafür zu sorgen, daß die Erreger-
und Reguliermaschine von der Maschine, mit welcher sie elektrisch verbunden ist,
mechanisch unabhängig ist.
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Die oben beschriebene Maschine kann selbstverständlich als selbstregulierte
Erzeugermaschine mit gleichbleibender Spannung arbeiten. Bei gleichbleibender Drehrichtung
genügt es, die Klemme 8 jetzt mit der Klemme 2,1 statt mit der Klemme 26 zu verbinden,
wobei die gleichbleibende Spannung zwischen den Klemmen 21 und 28 zur Verfügung
steht. Um die Maschine anzutreiben, genügt es, sie entweder durch ihre Klemmen 26
und 28 mit einer geeigneten elektrischen Energiequelle zu speisen oder mit einem
Motor zu kuppeln. Diese letztgenannte Anordnung ist in Abb. 6 dargestellt.
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In dieser Abbildung ist der jetzt nicht mehr benötigte Stromkreis
von der Klemme 5 zur Klemme 26 nicht dargestellt. Bei einer anderen Ausführungsform
werden die beiden Spulen, woraus die Regulierwicklung 7 besteht, zwischen den Klemmen
8 und 9 hintereinandergeschaltet.
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Die Arbeitsweise der Maschine ist im wesentlichen die gleiche, wie
bei der Maschine nach Abb. 5. Wenn der Anker in Drehung versetzt wird, erregt sich
die Maschine infolge ihres remanenten Magnetismus, wobei die Klemmen 2I und 28 z.
B. positiv bzw. negativ sind. Da die magnetisierenden Amperewindungen . den Wert
at0 nicht erreicht haben, so bestehen ein von X nach Y gerichteter Regulierfluß
und ein von Z nach Q gerichteter Primärankerreaktionsfluß, der das absolute Potential
der Bürste 6 und infolgedessen die Spannung an den Klemmen 21 und 28 erhöht. Wenn
die den Amperewindungen ato entsprechende Spannung U erreicht ist, so heben sich
die beiden vorgenannten Flüsse gegenseitig auf. Steigt die Spannung über ihren normalen
Wert U, so erscheinen diese beiden Flüsse aber jetzt in entgegengesetzter Richtung
wieder, was eine Abnahme des absoluten Potentials der Bürste 6 zur Folge hat. Diese
Abnahme ist bestrebt, einer Erhöhung der Maschinenspannung entgegenzuwirken.
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Um die Stromstärke zu regeln, genügt es, eine Regulierwicklung vorzusehen,
die mit dem Stromkreis hintereinandergeschaltet ist, durch welchen der zu regelnde
Strom fließt.
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Um irgendeine andere Regulierung vorzunehmen, genügt es, die Regulierwicklung
durch einen Strom zu speisen, der die Änderungen des anderen zu regelnden Wertes
wiedergibt.
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Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel wird die berichtigende
Wirkung des Regulierflusses zweimal verstärkt, bevor dieser Fluß auf den Mangel
an Gleichgewicht einwirkt, der den Regulierfluß hervorgerufen hat.
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Es versteht sich von selbst, daß sich die Erfindung nicht auf die
beschriebenen und dargestellten, nur beispielsweise angegebenen Ausführungsformen
beschränkt.
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So kann der von den gesättigten Polen erzeugte im wesentlichen gleichbleibende
Fluß auch durch einen Dauermagneten erzeugt werden, der den gesättigten Pol ersetzt,
wobei die Regulierung stets um den Schnittpunkt der waagerechten Flußcharakteristik
des durch den Dauermagneten gebildeten Pols mit der geeigneten Charakteristik des
nicht gesättigten Pols stattfindet.