DE246666C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

e 246666 KLASSE 21^. GRUPPE

FRED NEWTON in LUTON, Engl.

oder Stromstärke.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 28. Juni 1911 ab.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln von elektrischen Generatoren, und zwar insbesondere von solchen, welche bei veränderlicher Geschwindigkeit eine konstante Spannung geben sollen. Die Erfindung ist indessen auch auf Generatoren anwendbar, welche einen konstanten Strom geben sollen.

Die Erfindung beruht auf dem verschiedenen Verhalten von gesättigten und nicht gesättigten

ίο magnetischen Feldern bei veränderlicher Erregung. Bekanntlich erhöht in einem magnetischen Kreis, dessen Eisen etwa gesättigt ist, eine Zunahme der Erregung den Kraftlinienfluß nur unbedeutend, während in einem ungesättigten magnetischen Kreis oder in einem Kreis, der zum großen Teil aus nicht magnetischem Material besteht, der Kraftlinienfluß sich annähernd mit der Erregung ändert. Erregt man nun zwei solche magnetische Kreise von derselben Spannungsquelle aus oder mit demselben Strom und richtet ihre Wicklungen so ein, daß für einen bestimmten Wert der Erregerspannurig oder des Erregerstromes die Kraftlinienflüsse in beiden Kreisen gleich stark sind, so hat bei niedrigeren Werten der Spannung oder des Stromes der gesättigte magnetische Kreis einen stärkeren Kraftlinienfluß als 'der ungesättigte, dagegen bei höheren Werten der Spannung oder des Stromes der ungesättigte magnetische Kreis einen stärkeren Kraftlinienfluß als der gesättigte. Der Unterschied in der Stärke der beiden Kraftflüsse ändert sich also in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Erregerspannung oder dem Erregerstrom und einem bestimmten Wert derselben.

Gemäß der Erfindung werden zwei solcher Felder zur Regelung eines Generators benutzt. Soll dieser konstante Spannung geben, so werden die beiden Felder von der konstanten Spannung aus erregt und erzeugen in den bewegliehen Leitern des Generators eine E. M. K., welche benutzt wird, um die Erregung des Generators zu regeln. Jedes Feld kann eine besondere E. M. K. erzeugen, und die Differenz derselben kann zur Regelung der Erregung benutzt werden. Man kann aber auch, zunächst das eine Feld von dem anderen abziehen und die Differenz der Felder zur Erzeugung der·';.".-E. M. K. benutzen, die zur Regelung dienen soll. Läßt man jedes Feld für sich eine E. M. K. erzeugen und zieht man letztere nachher voneinander ab, so können beide Felder auf die gewöhnliche Ankerwicklung oder auf verschiedene Wicklungen mit gemeinsamem Kern oder endlich auf verschiedene Anker wirken. Handelt es sich um einen Generator, der konstanten Strom geben soll, so werden beide Felder durch den konstanten Strom erregt.

Auf den Zeichnungen sind eine Reihe von Ausführungsbeispielen dargestellt. Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Generatoren, bei denen die Regelungsfelder auf den Anker des Generators selbst wirken. Fig. 3 zeigt die Charakteristiken der beiden Magnetfelder. Fig. 4 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform, bei welcher die Regelungsspannung auf eine Hilfsmaschine wirkt. Fig. 5 ist eine vierte Ausführungsform einer Maschine, bei welcher die Regelungsfelder auf den Anker des Hauptgenerators einwirken. In den Fig. 6 und 7 sind schematisch Anord-

Qv

nungen dargestellt, bei welchen die Regelungsfelder auf getrennte Anker einwirken. Die Fig. 8 und 9 schließlich zeigen eine Anordnung zur Erzeugung von konstanter Spannung bzw. von konstantem Strom, bei denen die Differenz der beiden Magnetfelder zur Erregung benutzt wird.

Der Generator gemäß Fig. 1 ist im Grunde genommen nur zweipolig, jedoch ist für die Zwecke der Erfindung jeder Pol in drei Stücke geteilt. Die äußeren Teile der beiden Pole sind mit ι und 2 sowie 3 und 4 bezeichnet. Von diesen sind 1 und 3 mit ihren Wicklungen so eingerichtet, daß sie bei weitem nicht gesättigt sind, und daß der Luftraum zwischen ihren inneren Stirnseiten und dem Anker größer ist als an den übrigen Polen. Infolgedessen verändert sich der Kraftfluß in diesen Polen bei einer Änderung der Erregerspannung gemäß der Kurve α in Fig. 3. Die Pole 2 und 4 haben dagegen anderen Querschnitt und andere Wicklungszahlen, so daß der Kraftfiuß in ihnen sich etwa nach der Kurve b in Fig. 3 ändert. Mit 5 und 6 sind die Hauptbürsten des Generators bezeichnet, von welchen der Strom für die im Nebenschluß geschalteten Wicklungen der Pole I, 2, 3 und 4 abgezweigt wird. Außer diesen Hauptbürsten sind noch vier Hilfsbürsten 7, 8 und 9, 10 vorgesehen, welche ebenso wie erstere in Wirklichkeit natürlich auf dem Stromwender schleifen und nicht auf dem Anker selbst, wie dies auf der Zeichnung schematisch dargestellt ist. Die Bürsten liegen sämtlich zwischen den äußeren und mittleren Teilen der Pole. Die Mittelstücke 11, 12 jedes Poles haben eine Wicklung, die zwischen den Hilfsbürsten 7, 8 bzw. 9, 10, liegt.

Der Generator wirkt in folgender Weise. Läuft er mit normaler Geschwindigkeit, so ist der Zustand der Pole 1, 2, 3 und 4 durch die Ordinate φ in Fig. 3 dargestellt, d. h. der Kraftfluß der Pole 1 und 4 sowie 2 und 3 ist gleich stark. Die Bürsten 7 und 8 führen daher gleiches Potential und ebenso die Bürsten 9 und 10.

Infolgedessen fließt kein Strom durch die Wicklung der Pole 11 und 12, welche also nicht erregt werden. Nimmt die Geschwindigkeit des Generators ab, so daß sein Zustand z. B. durch die Ordinate q in Fig. 3 dargestellt wird, so ist offenbar der Kraftfluß des gesättigten Poles 4 erheblich stärker als der des nicht gesättigten Poles ι, und ebenso ist es mit den Polen 2 und 3. Infolgedessen führen die Bürsten 7 und 8 nicht mehr das gleiche Potential, sondern ein Strom fließt von 7 durch die Wicklung des Poles 11 zu S₁ und ebenso von 9 durch die Wicklung des Poles 12 nach 10. Der Pol 11 ist so gewickelt, daß dieser Strom in ihm einen Kraftfluß von gleicher Richtung wie in den Polen 1 und 2 erzeugt, so daß sich die drei Teilpole 1, 2 und ii unterstützen. In derselben Weise unterstützten sich dann auch die Teilpole 3, 4 und 12. Hierdurch wird das wirksame Hauptfeld des Generators so verstärkt, daß es den Spannungsabfall infolge der langsameren Geschwindigkeit wieder ausgleicht und somit an den Bürsten 5 und 6 die Spannung unverändert aufrechterhält.

Steigt die Geschwindigkeit des Generators, bis sein Zustand z. B. durch die Ordinate r in Fig. 3 dargestellt wird, so wird umgekehrt der Kraftnuß in dem Pol 1 stärker als in dem Pol 4, und zwischen den Bürsten 7 und 8 fließt Strom in entgegengesetzter Richtung. Mithin wirken jetzt die Pole 11 und 12 den zu beiden Seiten benachbarten Polen entgegen und schwächen das wirksame Hauptfeld der Maschine. Sie verhindern also eine Steigerung der Spannung an den Bürsten 5 und 6, die sonst infolge der höheren Geschwindigkeit auftreten würde.

In der Praxis reichen nun die bisher beschriebenen Maßnahmen nicht aus, um eine vollständig gleichmäßige Spannung zu erhalten, weil bei der Annäherung der Generatorspannung an ihren richtigen Wert die Kraftflüsse z. B. in den Polen 1 und 4 nahezu gleich werden, so daß der Erregerstrom der Pole 11 und 12 verringert wird. Jene Maßnahmen ergeben also nur einen teilweisen Ausgleich bei Geschwindigkeitsänderungen, und es ist nötig, den Ausgleich weiter auszubilden, damit man eine vollständige Konstanz der Spannung erhält. Zu diesem Zweck sind auf die Pole 1 und 3, einige Windungen aufgelegt, welche in Reihe mit den Wicklungen der Pole 11 bzw. 12 liegen. Der durch diese Zusatzwindungen erzeugte Strom reicht aus, um die erforderliche Ungleichheit zwischen den Polen 1 und 4 bzw. 2 und 3 zwecks Erzeugung des Stromes zwischen den Bürsten 7 und 8 bzw. 9 und 10 zu schaffen.

Auf der Zeichnung ist die Ankerwicklung als Grammesche Ringwicklung dargestellt, sie kann aber natürlich auch eine Trommelwicklung sein. Bei Anwendung der Ringwicklung können die Pole ι und 4 oder 2 und 3 gegeneinander vertauscht werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sich die Ankerrückwirkung weniger bemerkbar macht, welche die Verteilung des Kraftflusses bei Belastung der Maschine beeinflußt und immerhin etwas die beabsichtigte Wirkung stört. Dieses Querfeld des* Ankers kann jedoch in jedem Falle durch eine Wicklung ausgeglichen werden, welche den Ankerstrom oder . einen Teil desselben führt und zwischen den Polen oder an den Stirnflächen der Pole in bekannter Weise anzubringen ist. Eine derartige Wicklung ist auf der Zeichnung nicht dargestellt, da eine Reihe von solchen Einrichtungen in brauchbarer Form bei den gewöhnlichen Generatoren ganz üblich sind, und weil jene Wicklungen hier nicht unbedingt nötig sind.

Offenbar läßt sich die Erfindung ebensogut

auch auf vielpolige Maschinen anwenden. Ferner brauchen die drei Teile eines Poles nicht vollkommen räumlich getrennt zu werden. Es läßt sich vielmehr auch ein einziger Pol mit Schlitzen von der nötigen Breite und Tiefe zur Aufnahme der erforderlichen Wicklungen vorsehen.

Wie aus dem Gesagten zu ersehen ist, sind, die wirksamen Teile des Feldes tatsächlich doppelt vorhanden. Es ist daher nicht unbe-

Ίο dingt nötig, jeden Pol in drei Teile zu zerlegen, sondern dem einen Pol können gewisse Wirkungen und dem anderen Pol die übrigen Wirkungen zugeteilt werden.

Gemäß Fig. 2 besitzt das Feld des Generators vier Pole. Der Pol 13 dient als gesättigter und der benachbarte Pol 14 als ungesättigter Pol. Ihm steht wieder zweckmäßig ein größerer Luftspalt gegenüber. Die beiden übrigen Pole 15, 16 dienen zur Hilfserregung und haben Wicklungen, welche zwischen den Bürsten 17, 18 liegen.

Abgesehen von dieser verschiedenen Verteilung der Wirkungen auf die Pole, wodurch die Gesamtzahl der anzubringenden Pole verringert und der Kraftfluß im Anker anders verteilt wird, ist diese Anordnung der bereits beschriebenen durchaus ähnlich, so daß ihre Wirkung nicht weiter erörtert zu werden braucht. Die Reihen windungen zum Berichtigen der Hilfsspannung zwischen den Bürsten 17 und 18 liegen auf dem Pol 14. Ferner ist eine Windung zum Ausgleich der Ankerrückwirkung vorzusehen, aber nicht gezeichnet.

Will man aus irgendwelchen Gründen keine solche Potentialdifferenz zwischen den Hilfsbürsten 7, 8, 9, 10 oder 17, 18 haben, wie sie zur Erregung der Hilfsstücke der Pole erforderlich ist, so kann man diese Bürsten zur Abnahme eines Feldstromes für einen besonderen Erreger benutzen. Diese Anordnung ist in Fig. 4 in Verbindung mit der Ausführung gemäß Fig. 2 dargestellt. Der einzige Unterschied gegenüber letzterer besteht darin, daß die Bürsten 17, 18 nicht mehr Strom in die Wicklungen der Pole 15, 16 senden, sondern daß sie statt dessen den Erregerstrom für das Feld 19 einer Hilfsmaschine liefern, die natürlich mit dem Hauptgenerator auf derselben Welle sitzen kann und deren Anker 20 den Erregerstrom für die Pole 15, 16 liefert. Diese Anordnung ergibt eine empfindlichere Regelung.

In manchen Fällen kann es von Vorteil sein,

zwischen gewissen Polen eine magnetisierbare Brücke vorzusehen, so daß der Kraftfluß bei hohen Geschwindigkeiten nicht über den umlaufenden Anker zu verlaufen braucht. Der Kraftfluß in diesen Brücken wird dann mittels der Erregung ebenso geregelt wie in den mittleren Teilen der Pole.

Bei einem Trommelanker ist es bisweilen ferner von Vorteil, die Nebenschlußwicklung der gesättigten und ungesättigten Pole zwischen eine Haupt- und eine Hilfsbürste zu legen oder derart geschaltete Wicklungen mit Wicklungen zu kombinieren, welche in der beschriebenen Weise nur mit den Hilfsbürsten verbunden sind.

Der Generator gemäß der Erfindung ist besonders für Zugbeleuchtung geeignet. Er läßt sich aber auch überall da mit Vorteil verwenden, wo man trotz veränderlicher Geschwindigkeit konstante Spannung zu erhalten wünscht, wie z. B. bei Generatoren, die durch Wind- oder Wasserräder u. dgl. angetrieben werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist die Ausgleichswicklung auf das Joch gesetzt. 21 ist der gesättigte und 22 der nicht gesättigte Pol, während die Pole 23 und 24 fremde Erregung haben können oder nicht. Die Hilfsbürsten 25, 26 sind mit der Wicklung 27 auf dem Joch verbunden, das an der betreffenden Stelle verringerten Querschnitt hat, wodurch man jedes gewünschte. Maß der Sättigung erhalten kann.

Offenbär können die beiden Magnetfelder auf getrennte Leiter des Ankers wirken, indem man z. B. zwei Felder von verschiedener Polzahl und dementsprechend zwei verschiedene Ankerwicklungen mit entsprechender Polzahl anordnet. Ferner können die Felder auf räumlich vollständig getrennte Anker wirken, wie z. B. in Fig. 6 dargestellt ist. Hier bedeuten 28, 29 und 30 getrennte Anker, die auf derselben Welle sitzen. Der Anker 28 und sein Feld 31 bilden einen gesättigten magnetischen Kreis, während der Anker 29 mit seinem Felde 32 nicht gesättigt ist. Die beiden Felder 31 und 32 liegen zweckmäßig zwischen den Klemmen 33, 34, zwischen denen die konstante Spannung vorhanden sein soll, und die Klemme 33 ist an beide Maschinen angeschlossen. Die übrigen Klemmen der beiden Maschinen sind miteinander über die Feldwicklung 35 verbunden, die zu dem Anker 30 gehört, und dieser Anker liegt an einem Zwischenpunkt seiner Feldwicklung und der Klemme 34. Wenn dieser Maschinensatz mit der kritischen Geschwindigkeit läuft, ist das Feld 35 für den Anker 30 offenbar nicht erregt. Steigt oder fällt die Geschwindigkeit über den kritischen Wert, so wird das Feld,35 in dem einen oder anderen Sinne erregt, und der Generator 30 erzeugt eine E. M. K., welche derjenigen der Generatoren 28 und 29 entgegenwirkt oder sie unterstützt, so daß wieder die erforderliche konstante E. M. K. zwischen den Klemmen 33, 34 auftritt. Der Generator 30, 35 kann ganz klein gehalten werden, da er nur als Zusatzmaschine dient.

Die Ausführung gemäß Fig. 7 stellt eine weitere Ausgestaltimg der Schaltung gemäß Fig. 6 dar. Hier sind im ganzen sechs Anker vorhanden, die wieder auf einer gemeinsamen oder auf mehreren gekuppelten Wellen sitzen können. Die Anker 36 und 36' laufen in einem gesättig-

ten, dagegen die Anker 37 und 37' in einem ungesättigten Felde. Die Felder dieser beiden Maschinenpaare werden durch zwei, in Reihe liegende Wicklungen 38, 38' erregt. Diese liegen zwischen den Leitern, zwischen welchen eine gleichbleibende Spannung aufrecht erhalten werden soll. Zwischen die Anker 36 und 36' bzw. die Anker 37 und 37' ist je ein weiterer Anker 40 bzw. 40' eingeschaltet. Die Felder der Anker 40 und 40' werden durch Wicklungen 39 bzw. 39' erregt, welche in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise je zwischen zwei Maschinen mit einem gesättigten und einem ungesättigten Felde geschaltet sind. Infolgedessen wirkt die Differenz der Spannungen der Anker 36 und 37 auf das Feld 39 des Ankers 40, und die Differenz der Spannungen der Anker 36' und 37' wirkt auf das Feld 39' des Ankers 40'. Diese Anordnung hat gegenüber der nach Fig. 6 den Vorteil, daß sich hier keine Felder bilden, welche sich nachher wieder aufheben.

Bei allen bisher beschriebenen Ausführungen wirken das gesättigte und ungesättigte Magnetfeld jedesmal unmittelbar auf umlaufende Leiter zur Erzeugung einer E. M. K., und die Differenz der beiden erzeugten E. M. K. wird zum Ausgleich der Erregung benutzt. Man kann aber auch die Differenz der Kraftflüsse zur Erzeu- - gung der Ausgleichs-Ε. M. K. benutzen. Eine in dieser Weise eingerichtete Ausführung ist in . Fig. 8 dargestellt, und zwar in Anwendung auf die Erregermaschine eines Hauptgenerators 41,

42. Das Feld des Erregers besitzt hier zwei parallele Joche, von denen 43 gesättigt, dagegen 44 ungesättigt und zweckmäßig mit einem Luftspalt ausgeführt ist. Die Wicklungen der Joche

43 und 44 liegen parallel (Fig. 8) oder in Reihe an den Klemmen des Hauptankers 42 und sind so eingerichtet, daß für gewöhnlich der Kraftfluß nur über die beiden Joche verläuft. Sind die Kraftflüsse in den Jochen 43 und

44 gleich stark, so durchsetzt ein gewisser Teil des Kraftflusses den Anker 45. Ändert sich aber die Geschwindigkeit der Anker 42 und 45, welche wieder auf einer gemeinsamen Welle sitzen mögen, so wird der Kraftfluß in 44 kleiner oder größer als in 43, und der 45 durchsetzende Kraftfluß ändert sich ebenfalls und nimmt die für die Regelung erforderliche Größe an, die elektromotorische Kraft des Ankers 45 wirkt der Spannung des Ankers 42 entgegen.

Das Hauptfeld 41 kann mit beiden Ankern 42 und 45 oder auch allein mit letzterem in Reihe

. liegen. In letzterem Falle wird der. Bereich der Maschine durch die beiden Geschwindigkeiten begrenzt, bei welchen entweder die Differenz zwischen den Kraftlinien flüssen ihr Maximum hat oder die beiden Kraftflüsse gleich sind.

Die Vorteile dieser Ausführung ergeben sich zunächst aus einem Vergleich mit der Anordnung nach Fig. 1. Bei letzterer erzeugt die Ankerrückwirkung einen Kraftlinienfluß in der Richtung von der Bürste 5 nach der Bürste 6, und dieses Querfeld erzeugt eine E. M. K. zwischen den Bürsten 7 und 8.

Mithin beeinflußt die Ankerrückwirkung unmittelbar die zum Erregen benutzte Ausgleichs-E. M. K. Bei der Anordnung nach Fig. 8 beeinflußt dagegen der durch die Ankerrückwirkung hervorgerufene Kraftlinienfluß in der Hauptmaschine den Erreger offenbar überhaupt nicht. Da ferner der Kraftlinienfluß infolge der Ankerrückwirkung in dem Erreger und das Hauptfeld des letzteren etwa im rechten Winkel stehen, so kann letzterer durch ersteren überhaupt nicht beeinflußt werden und übt mithin auch keine Wirkung auf die erregende E. M. K. aus.

Wie. bei der ersteren Ausführung läßt sich auch bei allen übrigen eine genauere Regelung erzielen, indem man einen Ausgleichserregerstrom, d. h. den Erregerstrom der Zusatzmaschine in dem einen Falle und den Erregerstrom der Hauptmaschine in dem anderen Falle durch einige wenige Wicklungen schickt, welche auf dem Feld des ungesättigten magnetischen Kreises anzubringen sind. Offenbar läßt sich die gleiche Anordnung auch unmittelbar für den Hauptgenerator vorsehen. So könnte der Erregeranker 45 in Fig. 8 selbst der Anker eines Hauptgenerators sein.

Werden bei irgendeiner der beschriebenen Ausführungen das gesättigte und ungesättigte Feld mit Strom in Abhängigkeit vom Strome an Stelle von der Spannung der Hauptmaschine erregt, so erhalten sie diesen Strom konstant. Als Beispiel hierfür ist in Fig. 9 eine der Fig. 8 entsprechende Ausgestaltung dargestellt. Hier erregt allein der Anker 45 das Feld 41, und die Wicklungen der Joche 43, 44 liegen in Reihe mit dem Anker 42 und den Außenleitungen.

Obwohl —■ wie bereits gesagt — die vorliegenden Maschinen besonders für Zugbeleuchtung oder zum Antrieb durch Wind- oder Wasserräder geeignet sind, so· können sie auch als gewohnliche Generatoren oder Zusatzmaschinen in Kraftstationen verwendet und dann durchirgendwelche Maschinen angetrieben werden, welche mit nahezu gleichförmiger Geschwindigkeit laufen. Ihre Eigenschaften zeigen sich auch dann als wertvoll, weil ihre E. M. K. bei Änderungen der Belastung und der Ankerrückwirkung unverändert bleibt.

Claims (3)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Verfahren zum Regeln von elektrischen Generatoren auf gleichbleibende Spannung oder Stromstärke, dadurch gekennzeichnet, daß die zu regelnde Spannung oder der zu regelnde Strom benutzt wird, um im normalen Betriebe zwei Teile eines magnetischen Kreises oder zwei getrennte magne-

   tische Kreise von verschiedenem Sättigungsgrade gleich stark, und zwar so zu erregen, daß der eine Teil (Kreis) gesättigt, der andere hingegen von der Sättigungsgrenze noch erheblich entfernt ist, und daß die bei Abweichungen vom normalen Betriebe somit entstehenden, verschieden starken Kraftflüsse in jenen beiden Teilen (Kreisen) entweder in ihrer resultierenden Wirkung zur Induzierung einer gemeinsamen elektromotorischen Kraft oder einzeln zur Erzeugung zweier besonderer elektromotorischer Kräfte dienen, durch welche die Erregung des Generators oder seiner Erregermaschine in dem beabsichtigten Sinne geregelt wird.
2. 2. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der beiden Teile des magnetischen Kreises oder der eine magnetische Kreis eine Wicklung enthält, auf 20' welche die die Haupterregung ausgleichende elektromotorische Kraft bzw. die elektromotorischen Kräfte so geschaltet sind, daß die ausgleichende Wirkung erhöht wird, zum Zwecke, die Regelung möglichst empfindlich zu machen.
3. 3. Generator zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesättigten und nicht gesättigten magnetischen Kreise durch in Reihe liegende Joche gebildet werden, während der Anker zu ihnen parallel liegt, so daß bei Verschiedenheit der Feldstärken im gesättigten und ungesättigten Jochteil ein das Hauptfeld der Maschine regelnder Differenzkraftnuß über den Anker verläuft.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.