DE208286C

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Publication number: DE208286C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

— JVl 208286 ■'—' RLASSE21 d. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 16. November 1907 ab.

Die Erfindung bezieht sich auf den Antrieb von Elektromotoren mittels Gleichstromgeneratoren, bei denen eine fremderregte Feldwicklung des Generators durch Vermittlung eines zur Änderung der Umdrehungszahl des Motors dienenden Reglers mit einer Stromquelle von möglichst gleichbleibender Spannung verbunden ist, und eine Nebenschlußwicklung derartig an die den Anker' des Motors mit dem Anker des Generators verbindenden Leitungen angeschlossen ist, daß sie das Magnetfeld des Generators in entgegengesetztem Sinne zu beeinflussen vermag, wie die durch Vermittlung des Reglers ari ihre Stromquelle angeschlossene Feldwicklung. Die Erfindung bezweckt, die Betriebsverhältnisse solcher elektrischer Anlagen wesentlich zu verbessern.

Dieser Zweck wird der Erfindung gemäß dadurch erreicht, daß beide Feldwicklungen gleichzeitig eingeschaltet sind.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt,

Der Gleichstromgenerator ist als Verbundmaschine ausgebildet; der.Anker ist mit A und die im Ankerstromkreise liegende Schenkelwicklung mit B bezeichnet. Auf den Schenkeln des Generators sitzt eine Neberischlußwicklung C, die unter Vermittlung eines Reglers D an ein fremdes Leitungsnetz L L¹ ange- schlossen ist. E ist eine zweite Nebenschlußschenkelwicklung des Generators. F bezeichnet den Anker des anzutreibenden Motors, dessen Klemmen f¹ und /² mit den Generatorklemmen α³ α² durch die Zuleitungen k k¹ verbunden sind. Der Motor ist als Nebenschlußmotor ausgebildet. Seine Schenkelwicklung G 40

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ist ebenfalls an das fremde Leitungsnetz L L¹ angeschlossen. Die Schenkelwicklung E des Generators ist derartig an die Motorklemmen f¹ f² angelegt, daß sie während des Betriebes von einem Strome durchflossen wird, der das Generatorfeld in entgegengesetztem Sinne beeinflußt wie der die Schenkelwicklung C durchfließende Erregerstrom. In dem Stromkreise, dem die Wicklung E angehört, befindet sich ein Ausschalter H. Die Verhältnisse sind so gewählt, daß durch den die elektromotorische Kraft des Generators verstärkenden Einfluß der Schenkelwicklung B der durch den Widerstand des Generatorankers A₁ der Wicklung B und den Zuleitungen k k¹ verursachte Spannungsäbfall nur teilweise ausgeglichen werden kann.

Es sollen zunächst kurz die Betriebsverhältnisse geschildert werden, unter besonderer Hervorhebung derjenigen Punkte, die für das Verständnis der weiter unten erläuterten Vorzüge der den Gegenstand der Erfindung bildenden Schaltung von.Wichtigkeit sind.

Wenn der Generator, dessen Umdrehungszahl als konstant vorausgesetzt wird, in Betrieb gesetzt ist, tritt aus seinem Anker A an der positiven Klemme α¹ ein Strom aus, der durch die Wicklung B und die Leitung k¹ nach der Klemme f¹ des Motorankers fließt. An dieser Stelle tritt eine Stromverzweigung ein, und zwar tritt der eine Zweigstrom in den Anker F des Motors und der andere in die die Schenkelwicklung E enthaltende Leitung ein. Der die Wicklung E ' durchfließende Zweigstrom bewirkt infolge der oben beschriebenen Anordnung der Wicklung £ eine Schwächung

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des Gcneratorfeldes. An der Klemme f- des Motorankers F vereinigen sich beide Zweigströme wieder und fließen durch die Leitung k über die negative Generatorklemme a" zum Anker A zurück.

Da die Schcnkelwicklung G des Motors an das Leitungsnetz L L¹ angeschlossen ist, dessen Spannung als konstant vorausgesetzt wird, ist die Kraftlinienzahl des Motorfeldes unveränderlich. Hieraus folgt einerseits, daß die Umlaufszahl des Motors der elektromotorischen Gegenkraft, und andererseits, daß die Belastung des Motors, d. h. das Drehmoment, das dieser zu überwinden hat, der Ankerstromstärke des Motors proportional ist.

Vergrößert man durch entsprechende Schaltung des Reglers D die Stromstärke in der Schenkelwicklung C, so wird das Magnetfeld und daher auch die elektromotorische Kraft des Generators verstärkt. Bei gleichbleibender Belastung des Motors kann die Stromstärke in den Leitungen k k¹, da die Ankerstromstärke des Motors in diesem Falle konstant bleibt und die veränderliche Stromstärke in der Wicklung- E immer nur einen sehr geringen Bruchteil der Ankerstromstärke ausmacht, annähernd ebenfalls als konstant betrachtet \verden. Das Gleiche gilt alsdann von dem Spannungsabfalle in den Leitungen k k¹.

Die Verstärkung der elektromotorischen Kraft des Generators bewirkt also auch eine Verstärkung der Klemmenspannung und damit" auch ; der elektromotorischen Gegenkraft des Motors. Die Verstärkung der Klemmenspannung des Motors hat allerdings auch eine Verstärkung der Stromstärke in der Wicklung E und damit eine Schwächung des Generatorfeldes zur Folge. Diese Schwächung des Generatorfeldes ist aber, wie sich durch eine genauere Untersuchung nachweisen läßt, stets geringer wie die durch die Vergrößerung der Stromstärke in der Wicklung C bewirkte Verstärkung des Generatorfeldes, so daß die resultierende Feldstärke des Generators trotz des An-Wachsens des die Wicklung E durchfließenden Erregerstromes größer wird. Eine durch Vermittlung des Reglers D bewirkte A'erstärkung des Generatorfeldes hat also unter allen Umständen bei gleichbleibender Belastung eine

50· Verstärkung der Klemmenspannung und der elektromotorischen Gegenkraft des Motors, sowie weiterhin, da die Umlaufszahl des Motors im vorliegenden Falle der elektromotorischen Gegenkraft proportional ist, auch eine Vergrößerung der Umlaufszahl des Motors zur Folge. Umgekehrt ergibt sich bei einer durch Vermittlung des Reglers D bewirkten Schwächung des die Wicklung C durchfließenden Erregerstromes unter sonst gleichen Verhältnissen eine Verkleinerung der Umlaufszahl des Motors. . ·

Bei einer Steigerung der Belastung wird die Stromstärke im Motoranker F und in den Zuleitungen k k¹ größer, folglich wird auch der Spannungsabfall in den Leitungen kk¹ größer, mithin die Klemmenspannung und die elektromotorische Gegenkraft des Motors kleiner. Die Abnahme der Klemmenspannung des Motors hat allerdings auch eine Abnahme der Stromstärke in der Wicklung E und mithin eine Verringerung der durch die Wicklung E bewirkten Schwächung, d. h. eine relative Verstärkung des Generatorfeldes, zur Folge, Diese relative Verstärkung des Generatorfeldes ist jedoch, wie sich durch eine genauere Untersuchung nachweisen läßt, nicht ausreichend, um bei zunehmender Belastung das Sinken der Klemmenspannung des Motors zu verhindern. Es wird daher unter allen Umständen bei einer Steigerung der Belastung eine Abnahme der Klemmenspannung und der elektromotorischen Gegenkraft des Motors, sowie weiterhin, da die Umlaufszahl des Motors im vorliegenden Fälle der elektromotorischen Gegenkraft proportional ist, auch ein Sinken der Umlaufszahl des Motors eintreten. Umgekehrt tritt bei einer Verringerung der Belastung eine Steigerung der Umlaufszahl des Motors ein. .

Der erste Vorteil, der sich aus der die Erfindung kennzeichnenden Anordnung der Schenkelwicklung E ergibt, besteht darin, daß es möglich ist, den Motor auch bei kleiner Belastung sehr langsam laufen zu lassen. Wäre nämlich die Wicklung E nicht vorhanden, so wäre die kleinste Umlaufszahl, mit der man den Motor betreiben kann, diejenige, die sich einstellt, wenn man den Stromkreis, dem die Wicklung C angehört, öffnet. In diesem Falle läuft der Generator mit einer Spannung, die durch den Remänenzwert seines Magnetfeldes bestimmt ist. Bei hinreichend kleiner Belastung des Motors können sich aber bei dieser Generatorspannung immer noch unerwünscht große Umlaufszahlen für den Motor ergeben. Anders liegen die Verhältnisse dagegen bei Benutzung der Wicklung E. Da der diese Wicklung durchfließende Zweigstrom das Generatorfeld schwächt, so ist es möglich, den Generator mit einer Spannung laufen zu lassen, die niedriger ist als die durch den Remanenzwert seines Magnetfeldes bestimmte Spannung, und zwar ohne daß man den Stromkreis, dem die Wicklung C angehört, zu öffnen braucht. Je niedriger aber die Generatorspannurig ist, desto niedriger fällt unter sonst gleichen Umständen die Klemmenspannung und die elektromotorische Gegenkraft des Motors, folglich auch die Ümlaufszahl des Motors aus.

Ein weiterer Vorteil, der sich aus der An-Ordnung der Wicklung £ ergibt, besteht darin, daß der Motor sehr stark überlastungsfähig

ist. Wie-oben beschrieben worden ist, nimmt bei einer Steigerung· der Belastung die Klem-. menspannung des Motors und daher auch die

• Stromstärke-in der Wicklung £ ab. Gleichzeitig trifft infolge der Abnahme der in der Wicklung E auftretenden Stromstärke eine relative Verstärkung des Gencratorfeldes ein, welche die Abnahme der Klemmenspannung und der elektromotorischen Gegenkraft des Motors zwar nicht zu verhindern, aber wesent-. lieh-zu verringern vermag. Es wird daher bei Benutzung der-Wicklung Ti auch' die Umdrehungszahl des Motors in wesentlich geringcrem Maße mit der Belastung abnehmen,

^X5 als es ohne Benutzung der Wicklung,E der Fäll sein würde, d. h. der Motor ist im ersten Falle in stärkerem Maße überlastungsfähig als im zweiten.

• Will man ohne Benutzung der Wicklung E eine hinreichend große Uberlastungsfähigkeit des Motors erzielen, so muß man den Querschnitt der Zuleitungen kk¹ unverhältnismäßig groß wählen, um den in diesen auftretenden Spannungsabfall hinreichend niedrig zu halten.

Bei Benutzung der Wicklung kann man dagegen, um die gleiche Überlastungsfähigkeit zu erzielen, den Querschnitt der Zuleitungen k und k¹ wesentlich kleiner halten, also an Lei-■tungsmaterial sparen, was ebenfalls ein erheb-

licher Vorteil ist. '

Ebenso wie bei steigender Belastung wirkt auch bei sinkender Belastung . der Einfluß der Wicklung E einer Änderung der .Umlaufszahl des .Motors entgegen, d.- h. die Umlaufszahl wird bei' abnehmender Belastung in geringerem Maße steigen, als es ohne Benutzung der Wicklung E der Fall sein würde. Auch hierin liegt ein großer betriebstechnischer Vorteil,

Ein weiterer Vorteil, der sich aus der An-. ■ 4° Ordnung der Wicklung E ergibt, besteht darin, daß der Motor bei Benutzung der Wicklung E wesentlich schneller anläuft, als es ohne Benutzung der Wicklung E der Fall sein würde,: vorausgesetzt, daß der Regler Ό in beiden Fällen für die gleiche Umlaufszahl des Motors eingestellt ist und im übrigen alle Verhältnisse dieselben sind. . Wenn der Motor im Beharrungszustande in beiden Fällen bei gleicher Belastung mit gleicherUmdrehungszahl laufen soll, muß die elektromotorische Kraft des Ge-' nerators und daher auch seine Feldstärke in beiden Fällen annähernd gleich groß sein. Da im "ersten Falle' der die Wicklung E durch-, fließende. Zweigstrom auf eine Schwächung des Generatorfeldes hinwirkt, so muß der Regler D derartig eingestellt sein, daß die Stromstärke in der Wicklung C größer ist als im zweiten Falle, damit .die Feldstärke trotz des Einflusses der Wicklung E annähernd ebenso groß wird wie im zweiten. Falle. Solange nun . der Anker F des Motors noch stillsteht, ist der Zweigstrom in der Wicklung E, da diese einen weit größeren Widerstand besitzt als der Motoranker F, außerordentlich klein, die Schwächung des Generatorfeldes ist daher sehr geringfügig. Da nun im ersteh Falle die Stromstärke in der Wicklung C wesentlich größer ist als im zweiten Falle, so ist, solange der Motor noch stillsteht, die Feldstärke und daher auch die elektromotorische Kraft des Generators im ersten Falle ebenfalls wesentlich größer als im zweiten Falle. Hieraus folgt, daß auch die Stromstärke in den Leitungen k und k¹, und da die geringe Stromstärke in der Wicklung E vernachlässigt werden kann, auch die Stromstärke im Motoranker F im ersten Falle bei Stillstand des Motors wesentlich größer ist als im zweiten Falle. Je großer aber die Ankerstromstärke des Motors ist, desto größer ist auch sein Anzugsmoment, d. h. der Motor wird im ersten Falle wesentlich schneller anlaufen.

Auch beim Stillsetzen des Motors, das durch Ausschalten der Erregerwicklung C erfolgt, ergeben sich bei Benutzung der Wicklung E große Vorteile. Unmittelbar nachdem die ■Wicklung C ausgeschaltet ist, sinkt die elek-' tromotorische Kraft des Generators und daher auch die Klemmenspannung' des Motors auf einen sehr niedrigen Wert. Die elektromotorische Gegenkraft des Motors erlangt alsdann, wenn die Umlaufszahl, mit wel-, eher der Motor im Augenblicke des Ausschaltens der Wicklung C läuft, einen gewissen sehr niedrig liegenden Grenzwert übersteigt, das ⁹^ Übergewicht über die Klemmenspannung des Motors, und es entsteht daher im Motoranker F ein Strom, der die entgegengesetzte Richtung wie der im Beharrungszustande durch'den Anker F fließende Betriebsstrom besitzt und infolgedessen bremsend wirkt. Dieser Bremsstrom kann, wenn die Umläufszahl, mit welcher der Motor im Augenblicke des Ausschaltens der Wicklung C läuft, hinreichend groß.ist, so stark werden, daß der Gefierator umpolarisiert wird. Tritt dieser Fall ein, so wechselt die im Anker A des Generators erzeugte elektromotorische Kraft ihre Richtung und bewirkt daher eine Verstärkung des Bremsstromes. Wird der Generator nicht umpolarisiert, so behält die elektromotorische Kraft des Generators ihre ursprüngliche Richtung bei; in diesem Falle sucht die elektromotorische Kraft des Generators den Bremsstrom zu schwächen. In beiden Fällön ist je- ¹¹S-doch der Bremsstrom bei Benutzung der Wicklung E wesentlich, größer, als es ohne Benutzung der Wicklung E der Fall sein würde, wie sich aus der nachfolgenden. Überlegung ergibt. Solange nämlich sich der Motor noch dreht,, behält der die Wicklung E durchfließende Erregerstrom, wie sich durch eine

Claims

genauere Untersuchung nachweisen läßt, stets dieselbe Richtung bei, gleichgültig, ob der Generator umpolarisiert wird oder nicht. Durch den Einfluß der Wicklung E wird daher die elektromotorische Kraft des Generators, wenn dieser umpolarisiert ist, verstärkt, wenn dies nicht der Fall ist, geschwächt. Da nun im ersten Falle eine Verstärkung, im zweiten Falle eine Schwächung der elektromotorischen Kraft des Generators ein Anwachsen des Bremsstromes bewirkt, so wird in beiden Fällen der Bremsstrom durch den Einfluß der Wicklung E verstärkt. Der Motor kommt also bei Benutzung der Wicklung E wesentlich

¹S schneller zum Stillstande, als es ohne Benutzung der Wicklung E der Fall sein würde. Wenn der Motor zum Stillstande gelangt ist, kommt die elektromotorische Gegenkraft in Wegfall. Es findet alsdann, gleichgültig, ob der Generator während der Bremsperiode umpolarisiert worden ist oder nicht, stets eine solche Stromverteilung statt, daß der die Wicklung E durchfließende Erregerstrom das Feld des Generators in entgegengesetztem Sinne beeinflußt wie der die Wicklung B durchfließende Erregerstrom. Die elektromotorische Kraft des Generators nimmt daher einen sehr niedrigen Wert an, der weit unterhalb des dem Remanenzwerte des Generator- fcldes entsprechenden Betrages liegt. Die Ankerstromstärke des Motors ist in diesem Falle so gering, daß sie praktisch' gleich Null gesetzt werden kann; jedenfalls ist es bei passender Wahl der in Betracht kommenden Verhältnisse leicht möglich, die Ankerstromstärke so niedrig zu halten, daß sie nicht .mehr imstande ist, den Motor in Bewegung zu setzen. Es ist also bei Benutzung der Wicklung E möglich, den Motor stillzusetzen, ohne daß man gezwungen ist, auch den Generator außer Betrieb zu setzen oder den die Zuleitungen k k¹ enthaltenden Stromkreis zu öffnen. Auch hierin liegt ein großer betriebstechnischer Vorteil.

Selbstverständlich könnte man die Schenkelwicklung £ anstatt an die Motorklemmen/ und f¹ auch an die Generatorklemmen ar und a?

anschließen. Der Einfluß der Wicklung £ würde sich hierdurch nur dem Grade nach ändern, und zwar teils in günstigem, teils in ungünstigem Sinne. Die Überlastungsfähig-. keit des Motors würde beispielsweise verringert werden. Bei steigender Belastung nimmt nämlich die Klemmenspannung des Generators in geringerem Maße ab als die Klemmenspannung des Motors. Folglich wird, wenn die Wicklung E an die Generatorklemmen angeschlossen ist, auch die Verringerung der Stromstärke in der Wicklung E und damit auch die die Uberlastungsfähigkeit im günstigen Sinne beeinflussende relative Verstärkung des Generatorfeldes kleiner werden. In solchen Fällen, in denen der Hauptwert auf starke Überlastungsfähigkeit gelegt.wird, ist es daher zweckmäßiger, die Wicklung £ an die Motorklemmen f und f¹ anzuschließen.

Patenτ-A NSprüche:

ι. Schaltung für den Antrieb von Elektromotoren mittels Gleichstromgeneratoren, bei denen eine fremderregte Feldwicklung des Generators durch Vermittlung eines zur Änderung der Umlaufszahl des Motors dienenden Reglers mit einer Stromquelle von möglichst gleichbleibender Spannung verbunden ist, und eine Nebenschlußwicklung (E) derartig an die den Anker des Motors mit dem Anker des Generators verbindenden Leitungen angeschlossen ist, daß sie das Magnetfeld des Generators in entgegengesetztem Sinne zu beeinflussen vermag, wie die durch Vermittlung des Reglers an ihre Stromquelle angeschlossene Feldwicklung (C), dadurch gekennzeichnet, daß beide Feldwicklungen (C und E) gleichzeitig eingeschaltet sind.
2. Schaltung nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußwicklung (E) des Generators an die Klemmen (f¹ f²·) des Motors angeschlossen ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußwicklung (E) des Generators an die Klemmen (ar ar) des Generators angeschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.