DE183635C

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Publication number: DE183635C
Application number: DENDAT183635D
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Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVl 183635 -KLASSE 21 d. GRUPPE

Wechselstromkollektormaschine.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 26. September 1906 ab.

Bei großen Kraftanlagen, insbesondere solchen, welche teilweise oder ganz für den Betrieb von Bahnen, Förderanlagen oder ähnlichen Anlagen mit stark wechselnder Belastung dienen, ist schon lange eine selbsttätige Regelung der Spannung in Abhängig-. keit von der Belastung angestrebt worden, und zwar so, daß die Spannung möglichst konstant bleibt oder sogar mit zunehmender Belas lung ebenfalls zunimmt. Bei Gleichstromanlagen hat man dies namentlich durch Kompoundwicklung oder durch Zusatzmaschinen mit Reihenschlußschaltung erreicht. Bei Wechselstromanlagen ist der Spannungsabfall der Stromerzeuger und der Leitung von der Phasenverschiebung der Belastung abhängig, gewöhnlich bei induktiver Belastung größer. Man hat hier bisher als Zusatzmaschinen synchrone oder asynchrone Maschinen verwendet.

Anordnungen mit diesen Maschinen sind entweder nicht geeignet, eine für alle Phasenverschiebung annähernd richtige Zusatzspannung zu geben, oder bedingen komplizierte

, Zwischenglieder, welche eine Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom bewirken.

Nach der Erfindung wird eine Zusatzspannung richtiger" Größe Und Phase dadurch erzielt, daß man als Zusatzmaschine eine Wechselstromkollektor maschine nimmt und ihr Feld durch einen Strom erregt, welcher dem Belastungsstrom proportional und gegen denselben um einen gleichbleibenden Winkel verschoben ist; über die Größe des letzteren wird noch näheres angegeben werden. Selbstverständlich genügt es für die Praxis, wenn die Bedingungen angenähert erfüllt sind. Unter diesen Bedingungen ist die in der Kollektormaschine erzeugte Zusatzspannung ebenfalls dem" Belastungsstrom proportional und ebenfalls gegen denselben um einen bestimmten gleichbleibenden Winkel in der Phase verschoben. Gegen die Netzspannung ist sie aber um einen Winkel verschoben, welcher sich je nach der Phasenverschiebung des Belastungsstromes um den gleichen Betrag ändert. Dies läßt sich mit Synchrongeneratoren . als Zusatzmaschinen nicht erreichen; außerdem würde dann bei den letzteren unvermeidlich ein Pendeln eintreten, wenn sie nicht mit den Hauptmaschinen gekuppelt sind. Die Kollektorzusatzmaschine kann dagegen beliebig angetrieben werden wie eine Gleichstromzusatzmaschine ; sie kann wie die letztere von den Hauptmaschinen weit entfernt stehen. Sie braucht ferner nicht synchron zu kufen; sie kann mit der für die Kommutierung günstigsten Umlaufszahl betrieben werden.

Durch passende Wahl der Verhältnisse läßt sich für eine bestimmte Stärke und ,Phasenverschiebung der Belastung erreichen, daß die Zusatzspannung dem Spannungsabfall entgegengesetzt gleich ist. Dann gilt

dasselbe auch für andere Stromstärken und Phasenverschiebungen der Belastung, und es läßt sich daher eine gleichbleibende Netzspannung erreichen. Man kann aber auch durch eine andere Bemessung oder bei derselben Zusatzmaschine z. B. durch Änderung des Erregerstromes erreichen, daß die Zusatzspannung mehr oder weniger von dem eben angegebenen Werte abweicht und dadurch

ίο eine Über- oder Unterkompoundierun'g erzielen. Man kann so z. B. in einem Bahnnetze erreichen, daß bei stark induktiver Belastung die Spannung steigt, bei großen Wattströmen aber sinkt. Ersteres wird beim Anfahren der Fall sein; da hierbei der wirkliche Energieverbrauch das zulässige Maß nicht oder höchstens nur für sehr kurze Zeit überschreitet, so ist die Vermehrung desselben durch die Spannungserhöhung zulässig. Dagegen ist bei anhaltend großen Wattströmen (z. B. Bergauffahrt) eine Verminderung des Energieverbrauches durch Spannungserniedrigung erwünscht.

Fig. 4 zeigt die Beziehungen in Form eines Diagrammes. £ = O — 1 ist die zu regelnde Spannung (Generator- oder Netzspannung), / der beispielsweise in der Phase nacheilende Belastungsstrom. Derselbe erzeugt einen ohmschen und induktiven Spannungsabfall ο —· 2 -^- 3; die Vektoren sind in solcher Richtung gezeichnet, daß sie bereits die von außen zur Überwindung des Spannungsabfalles aufzuwendenden elektromotorischen Kräfte darstellen. Durch die Zwischenschaltung der Zusatzmaschine tritt zunächst ein weiterer Abfall 3 — 4 ■— 5 ein. Soll nun die Zusatzmaschine auf gleichbleibende Spannung regulieren, so muß ihre elektromotorische Kraft nach Größe und Phase gleich ο — 5 sein. Ist

z. B. die Kollektormaschine eine Einphasenmaschine, bei welcher die erzeugte elektromotorische Kraft in Phase mit dem Erregerstrom ist, so wird der Erregerstrom selbst die Phase von ο —-5 haben müssen, also gegen den Belastungsstrom um nahezu 90⁰ voreilen. ■ Wären die ohmschen Abfälle zu vernachlässigen, so müßte der Erregerstrom unter der gleichen Voraussetzung genau um 90⁰ in der Phase verschoben sein. Macht man die Zusatzspannung bei vorhandenen ohmschen Abfällen gleich dem Vektor 6 — 5 (wie beispielsweise im Diagramm eingezeichnet, und ■ zwar der Deutlichkeit wegen gegen 4 — 5 etwas versetzt), so'tritt der erwähnte Fall ein,

.55 daß die rusultierende Spannung E' = 6—1 bei stark induktiver Belastung größer, bei mehr ohmscher Belastung kleiner als die Leerlauf spannung E ist, wie man sich leicht überzeugt, wenn man das Diagramm für diese Fälle zeichnet.

Um den gewünschten Phasenunterschied zwischen Belastungsstrom und Erregerstrom herzustellen, kann man sich irgend eines der bekannten Mittel bedienen, durch welches aus einem Strom ein proportionaler von abweichender Phase gewonnen werden kann. Dabei kommt zustatten, daß man auch statt eines bestimmten Voreilungswinkels eine Phasennacheilung um den supplementären Winkel benutzen kann und umgekehrt, indem man die Zusatzmaschine auf entgegengesetzte Polarität umschaltet oder im entgegengesetzten Drehsinn umlaufen läßt. In Mehrphasennetzen kann man in jede zu regelnde Phase eine Einphasenzusatzmaschine legen oder in sämtliche zusammen eine Mehrphasenkollektormaschine, z. B. eine der in der Patentschrift 153730 beschriebenen Maschinen. Das Phasenverhältnis zwischen den Erregerströmen und den erzeugten ^: elektromotorischen Kräften hängt hierbei von der gegenseitigen Stellung der Ständer und · Läuferachsen ab; man kann daher durch passende Bürstenstellung erreichen, daß als mehrphasiger Erregerstrom der Belastungsstrom selbst, und zwar unmittelbar oder nach Transformierung verwendet werden kann.

Statt dem Erregerstrom eine bestimmte Phase zu geben, könnte man auch daran denken, den der Zusatzmaschine entnommenen Strom unter Anwendung bekannter Mittel in seiner Phase zu transformieren. Dies wäre aber im allgemeinen nicht so vorteilhaft; denn diese Transformierung erfordert größere Apparate und bedingt größere Verluste als die Transformierung der Phase- des Erregerstromes, dem eine geringere Energie entspricht. Nur dann,-wenn der Strom der Zusatzmaschine ohnehin transformiert wird — sei es, um eine Spannung der Größe nach zu ändern, sei es bloß zu dem Zwecke, um die Zusatzmaschine nicht unmittelbar in einen Hochspannungskreis einzuschalten .—, wird es vorteilhaft sein, gleichzeitig auch die Phase der Zusatzspannung in geeignetem Maße zu transformieren, bei Drehstrom z. B. durch einen Transformator mit gemischter Schaltung. Die dem Erregerstrom zu gebende Phasenverschiebung wird dann im gleichen Maße geringer und gegebenenfalls gleich Null.

Die Zusatzmaschine ist im allgemeinen nur für diejenige Leistung zu bemessen, welche dem Spannungsabfall der Stromerzeugeranlage entspricht, also für etwa 10 bis 20 Prozent der Leistung der Stromerzeugeranlage. Bei Überkompoundierung fällt die Zusatzmaschine je nach dem Grade derselben größer aus. Wenn von dem Kraftwerke bezw. einer Unterstation mehrere Speiseleitungen ausgehen, so können natürlich statt einer ein-

zigen Zusatzmaschine in der ungeteilten Leitung deren mehrere in den einzelnen Speiseleitungen angeordnet und im Bedarfsfalle die einzelnen Spannungen verschieden geregelt werden. Häufig wird sich eine Teilung der Zusatzmaschine in mehrere andere schon mit Rücksicht auf die zulässige Größe empfehlen, in welcher Kollektormaschinen gebaut werden können. In diesem Falle — aber auch

ίο sonst — ist es zweckmäßig,' eine besondere Erregermaschine aufzustellen, welche ebenfalls als Kollektormaschine ausgebildet ist und so wie in den früheren Fällen die Zusatzmaschine selbst von einem Strom erregt wird, welcher dem Belastungsstrom proportional und gegen denselben um einen gleichbleibenden Winkel verschoben ist. Zur Herstellung der richtigen Phase der Zusatzspannung hat man dann sowohl die" Phasendifferenz zwisehen dem Belastungsstrom und dem Erregerstrom der Erregermaschine als auch die Phasendifferenz zwischen der elektromotorischen Kraft der Erregermaschine und dem -Erregerstrom der Zusatzmaschine zur Verfügung. Stellt man nur die erstgenannte Phasendifferenz durch besondere Hilfsapparate ein, so fallen die letzteren klein aus und verursachen nur geringe Verluste, denn die Erregerenergie der Erregermaschine ist geringer als die der einen bezw. mehreren Zusatzmaschinen. Stellt man nur die zweite Phasendifferenz durch besondere Hilfsapparate ein, so hat dies unmittelbar den Vorteil, daß diese Hilfsapparate nicht im Hochspannungskreise liegen.

Dieser Fall ist in Fig. 1 dargestellt, α ist der Wechselstromerzeuger, ζ die Zusatzmaschine, e die Erregermaschine. Erstere besitzt beispielsweise einen einachsig über Bürsten kurzgeschlossenen Läufer, eine damit gleichachs'ige Arbeitswicklung w am Ständer und eine Erregerwicklung f₂ ebendaselbst. Die Wicklung w ist in die Hauptleitung geschaltet, die Wicklung. f₂ wird von der Erregermaschine gespeist. Letztere ist beispielsweise wie eine Gleichstrommaschine ausgebildet und fremd erregt, indem nämlich ihr Feld Z₁ in die Hauptleitung geschaltet ist. f_t und w sind also vom Belastungsstrom durchflossen. Als Repräsentanten der Mittel, . welche zur Einstellung der gewünschten Phasendifferenz zwischen elektromotorischer Kraft der Erregermaschine und Erregerstrom der Zusatzmaschine zur Verfugung stehen, sind im Erregerkreis ohmsche, kapazitive und induktive Widerstände r, c und 5 eingezeichnet. Statt J₁ und w unmittelbar in den Belastungsstrom zu schalten, kann man sie auch unter Vermittlung von Transformatoren anschließen. Man kann dabei auch, wie die Fig. 2 zeigt, für beide Wicklungen einen gemeinschaftlichen Transformator t benutzen, indem man an dessen Sekundärwicklung den Erregerstromkreis ^₁ der Erregermaschine und den Arbeitsstromkreis w der Zusatzmaschine in Reihe anschließt. Die Erregermaschine ist hier beispielsweise durch den Läufer erregt; derselbe ist in einer zweiten Achse kurzgeschlossen und hat gleichachsig hierzu am Ständer eine Wicklung, von weleher der Erregerstrom für die Zusatzmaschine abgenommen wird. Mittel zur Phaseneinstellung sind hier nicht eingezeichnet.

Man kann die beschriebenen Einrichtungen auch benutzen, um die Spannung eines Netzzweiges selbsttätig in Abhängigkeit von der Belastung eines anderen parallel abzweigenden Netzzweiges zu regeln. Man kann so z. B. ein Licht- und Kraftnetz gegen die Rückwirkung der Belastungsschwankungen eines parallel abzweigenden Bahnnetzes schützen, wie Fig. 3 zeigt. Der Strom des Bahnnetzes b speist beispielsweise unter Vermittlung des Transformators t₁ die Erregerwicklung f₁ der Erregermaschine e, letztere erregt die Wicklung f₂ der Zusatzmaschine z. Von der Wicklung w der letzteren wird die Zusatzspannung abgenommen und unter Vermittlung des Transformators i₂ an den zu schützenden Netzzweig c abgegeben. , Auf diese Weise kann für diesen Netzzweig die Wirkung des Spannungsabfalles der Stromerzeuger, welcher durch die Belastungsschwankungen des Bahnnetzes hervorgerufen wird, aufgehoben oder beliebig geregelt werden. Man kann auch durch geeignete Wahl der Phase der Zusatzspannung erreichen, daß die Wirkung des Spannungsabfalles der Stromerzeuger nicht geschwächt, sondern im Gegenteil verstärkt wird. Dann wird bei steigender Belastung des Zweiges b der Energieverbrauch im Zweige c vermindert und die Gesamtbelastung der Kraftstation ist geringer, als ohne die angegebene Regelungseinrichtung der Fall wäre.

Claims

Paten t-An Sprüche:

i. Einrichtung zur selbsttätigen Spannungsregelung in Wechselstromkreisen mittels einer Wechselstromkollektormaschine, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld der als Zusatzmaschine dienenden Kollektormaschine, deren Arbeitswicklungen unmittelbar bezw. induktiv mit den zu regelnden Stromkreisen in Reihe geschaltet werden, von einem Strom erregt wird, welcher dem die Spannungsschwankungen hervorrufenden Belastungsstrom ungefähr proportional und gegen densel-

ben um einen ungefähr gleichbleibenden Winkel in der Phase verschoben ist.
2. Ausführungsform der Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld der Zusatzmaschine von einer besonderen, ebenfalls von einer Kollektormaschine gebildeten Erregermaschine gespeist wird, deren Erregerstrom dem Belastungsstrom ungefähr proportional und gegen denselben um einen ungefähr gleichbleibenden Winkel in der Phase verschoben ist.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.