DE254022C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVl 254022 KLASSE 21 d. GRUPPE

ALEXANDER HEYLAND in BRÜSSEL.

induzierten Spannungen.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 21. Dezember 1911 ab.

Bekannt ist bei Gleich- und Wechselstrom-Kommutatormaschinen, die durch die Kommutierung des Stromes in der jeweils durch eine Kommutatorbürste kurzgeschlossenen Spule erzeugte Stromwende- oder Reaktanzspannung durch ein mit Hilfe des Bürstenstromes in der Kommutierungszone erzeugtes Hilfs- oder Wendefeld aufzuheben. Die Reaktanzspannung ist proportional dem Strome und der Tourenzahl, bei Wechselstrommaschinen liegt sie gleichfalls genau in Phase mit dem Strome und läßt sich deshalb durch einmalige richtige Einstellung der Stromwindungen des Wendefeldes, für variable Tourenzahl und Belastung selbsttätig richtig wirkend, aufheben.

Bekannt ist ferner, insbesondere bei Wechselstrom-Kommutatormaschinen, andere wie z. B. die durch das Drehfeld erzeugten Spannungen in der jeweils durch eine Kommutatorbürste kurzgeschlossenen Spule durch Einstellung eines diesen entsprechenden Hilfsfeldes in der Kommutierungszone aufzuheben. Diese Hilfsfelder passen sich jedoch im allgemeinen nicht in einer ähnlich ausreichenden Weise der Wirkungsweise der betreffenden Maschinen an.

Endlich ist auch eine Anordnung bekannt, die darin besteht, daß zwei oder mehrere diesen letztgenannten Zwecken dienende, verschieden erzeugte Hilfsfelder oder die. diese Hilfsfelder erzeugenden Stromquellen in ihrer Wirkung übereinander gelagert werden.

Dieses Verfahren sei hier zunächst an einigen Beispielen erläutert.

B'

In Fig. ι stellt die ausgezogene Kurve —

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für eine Drehfeldmaschine, beispielsweise einen Dreiphasenkommutatormotor, das Verhältnis zwischen der Felddichte B' in der Kommutierungszone und der normalen Felddichte B des Motors dar, welches bei verschiedenen Tourenzahlen des Motors eingestellt werden müßte, um die durch das Drehfeld induzierte Spannung aufzuheben und, also abgesehen von der Aufhebung der Reaktanzspannung, bei diesen Tourenzahlen funkenlosen Gang zu erzielen. Nennt man s die Schlüpfung, wobei + s Untersynchronismus, — s Übersynchronismus bedeutet, so lautet die Beziehung:

B¹ B

I — S

50

Wir sehen, bei Synchronismus wird das Verhältnis = i. Bei Untersynchronismus müßte B' je nach der Tourenzahl des Motors größer, bei Ubersynchronismus in geringerem Maße kleiner gemacht werden. Die bekannten Mittel, derartige Hilfsfelder zu erzeugen, sind bei Motoren, die untersynchron arbeiten sollen, den Luftraum in den Kommutierungszonen entsprechend kleiner, bei solchen, die übersynchron arbeiten sollen, entsprechend größer zu machen, oder man legt auf den Zahn in der Bürstenachse eine Hilfsspule, welche man an eine entsprechend angeordnete Statorspule anschließt. Je nach dem gewählten Windungs-

verhältnis kann man dann die Dichte B' nacli Wunsch einstellen. In allen jenen Fällen ist

Dl

das so erhaltene Verhältnis — konstant und |

ließe sich in Fig. ι durch irgendeine horizontale gerade Linie darstellen, wobei in dem

B> Punkte, wo sie die theoretische Kurve ,

schneidet, funkenloser Gang eintreten würde.

ίο Schließt man nun aber eine derartige Hilfsspule parallel zu den gleichachsigen Bürsten des Kommutators an, so wird in derselben ein Feld erzeugt, welches der Bürstenspannung, also der Schlüpfung s, proportional ist, und man erhält eine Summen wirkung, welche der Beziehung (a -f- b · sj entspricht, wobei die Konstanten α und b beliebig nach Wunsch eingestellt werden können.

Dieses ist aber die Gleichung einer gegen die Horizontale geneigten Linie, welche leicht so gewählt werden kann, daß sie sich der

Dl

theoretischen Beziehung für — in weiten Gren-

zen sehr nahe anschmiegt. In der Nähe des Synchronismus würde dieses beispielsweise der Fall sein für (1 + s) und in weiteren Grenzen für (τ,τ -f- *λ In Grenzen für s = 20 bis 40Prozent bzw. 10 bis 50 Prozent, wie die Gerade (x 4- y) zeigt, wäre die Beziehung (0,85 4- 2 s); in Grenzen —10 bis — 80 Prozent, wie die Gerade (z — v) zeigt, (0,92 -J- 0,5 s).

Man könnte also an einem Teile der Kommutierungszonen Hilfspole durch an entsprechende Statorspulen angeschlossene Hilfsspulen, an einem anderen Teile durch an die Bürsten angeschlossene Hilfsspulen erzeugen. Oder man könnte auch die Hilfsfelder in denselben Hilfspolen übereinanderlagern, indem man dieselben Hilfsspulen an die Stator- und Bürstenspannung in Serie anschließt, sei es direkt oder zweckmäßiger unter Zwischenschaltung von Transformatoren, durch welche die Summenspannung sich dann noch nachträglich genau einstellen ließe.

Endlich könnte man der vorliegenden Erfindung gemäß auch an einem Teile der Kommutierungszonen Hilfspole durch Veränderung des Luftraumes an einem anderen Teil durch an die Bürsten angeschlossene Hilfsspulen erzeugen.

Ganz andere und besonders interessante Anordnuugen erhält man für Maschinen, bei welchen nicht wie bei normalen Motoren die Statorfrequenz konstant, sondern variabel ist.

In Fig. 2 stellt die ausgezogene Kurve --

beispielsweise für einen Frequenzwandler, welcher mit der Ankerwicklung durch Schleifringe an eine gegebene Frequenz angeschlossen sei und an seinen Kommutatorbürsten eine variable Frequenz entwickeln soll, das oben definierte theoretische Verhältnis dar. In der obigen Beziehung ist hierbei nur s durch — zu ersetzen, und wir erhalten die Beziehung: B' s

I — S

Wir sehen, die Verhältnisse liegen hier ganz anders. Bei Synchronismus müßte B' = 0 sein, bei Untersynchronismus negativ zum Hauptfelde werden und bei Ubersynchronismus langsam ansteigen. Auch hier läßt sich zu-

JS'
nächst ein künstlich erzeugtes —-· konstant

B. '5

einstellen, auch negativ, indem man in der Kommutierungszone liegende Hilfsspulen im entgegengesetzten Sinne an die betreffende Statorspule anschließt. Dieses läßt sich wieder in der Fig. 2 durch irgendwelche horizontale, über oder unter der Nullinie liegende gerade Linie darstellen, wobei in dem Punkte, wo

Di

sie die Kurve — schneidet, auch hier funkenloser Gang eintreten würde. .

Andererseits scheint hier zunächst der Anschluß der Hilfsspulen an die Bürstenspannung keinen Erfolg zu versprechen, weil hier, infolge des reziproken Einflusses der Schlüpfung, offenbar ein durch die Bürstenspannung bestimmtes Hilfsfeld in Beziehung zum Hauptfelde durch eine Gleichung von der Form

B s

gegeben wäre. Dieses wäre eine Kurve von mit abnehmender Schlüpfung stark zunehmendem Verlauf, welcher sich dem oben aufge-

TJt

stellten gewünschten Verlauf für -_r zunächst in

^b B

keiner Weise anpassen würde.

Nun zeigt sich aber, daß infolge der erstens hierbei auftretenden Frequenzänderung der Bürstenspannung, durch den in die Bürstenabzweigung eingeschalteten Transiormator und durch den Widerstand dieser Abzweigung selbst diese Kurve einen ganz anderen Verlauf erhält, der auch noch in verschiedener Weise, beispielsweise durch Einschaltung eines massigen Widerstandes in die Bürstenabzweigung, geregelt werden kann.

In dem für die Regelung in Betracht kommenden Tourenbereiche erhält dann die obige Beziehung für das durch die Bürstenspannung , erzeugte Hilfsfeld ungefähr den Verlauf einer geraden Linie wie y in Fig. 2. Lagert man dieses Hilfsfeld in seiner Wirkung dann hier für Untersychronismus den im entgegengesetzten Sinne von der Statorspannung aus erzeugten Hilfsfelde über, welches durch die Beziehung — χ in Fig. 2 gegeben sei, so setzen sich beide zu der Linie — '(% — y) zu-

samnien, welche sich auch hier bei richtiger Wahl der Verhältnisse zunächst der theore-

R'

tischen Kurve -- bereits sehr nahe anschmiegt.

Nun kommt zweitens für derartige, wie hier für einen Frequenzwandler erläutert, mit variabler Bürsten- und Statorfrequenz arbeitende Maschinen der weitere Vorteil hinzu, daß dies immer Maschinen sind von solcher

ίο Wirkungsweise, daß sie nicht mit einem konstanten Felde zu arbeiten haben, sondern bei Synchronismus nur mit sehr schwachem Felde, und bei den übrigen Tourenzahlen -ungefähr proportional der Schlüpfung zunehmendem Felde und zunehmender Spannung. Die Folge hiervon ist, daß bei kleiner Schlüpfung s die hier in Frage kommenden Spannungen ihrem Absolutwerte nach ungefähr proportional s² sind 'und eine Ungenauigkeit in der Einstellung sich gleichfalls in diesem Verhältnisse reduziert und bei kleinen Schlüpfungen überhaupt keinerlei Bedeutung mehr haben würde. Infolge der gleichzeitigen und ineinandergreifenden Touren-, Feld-, Spannungs- und Frequenzvariationen am Kommutator wird die Wirkungsweise der Anordnung bei entsprechender Ausführung hier eine sehr vollkommene, und es genügt selbst, dieselbe auch nur für die höheren Schlüpfungsbereiche richtig einzustellen.

In der Fig. 2 sind außerdem rechts auch die Beziehungen für den übersynchronen Betrieb angegeben, und dieselben ergeben sich ohne weiteres durch entsprechende Umschaltung der an die Hilfsspulen angeschlossenen Statorspannung im gleichen Sinne zu diesen. Bei kontinuierlichem Betriebe ist also beim Übergange von Unter- zu Übersynchronismus eine Umschaltung vorzunehmen. Dieselbe bietet aber keine Schwierigkeiten, zumal diese Stromkreise bei Synchronismus hier strom- und spannungslos werden und in der Nähe des Synchronismus überhaupt ausgeschaltet bleiben könnten. Die Umschaltung könnte natürlich auch irgendwie selbsttätig bewirkt werden.

In der · praktischen Ausführung wird die Umschaltung besonders einfach dadurch, daß sich zeigt, daß bei gewisser. Wahl der Verhältnisse das Übersetzungsverhältnis der Bürstenspannung überhaupt nicht geändert zu werden braucht und, da die Richtung dieser Spannung sich selbsttätig umkehrt, dieser Stromkreis eingeschaltet bleiben kann und nur die betreffende Statorphase ihrer Richtung und Windungszahl nach umzuschalten ist.

Die in Fig. 2 für den Übersynchronismus gegebene Beziehung z, welche das durch den Anschluß der Hilfsspule an die Statorspannung erzeugte Hilfsfeld im Verhältnis zur Dichte des Hauptfeldes B darstellt, führt noch zu einem anderen interessanten Resultate. Dieses Hilfsfeld könnte zunächst, anstatt durch die genannten Hilfsspulen, auch durch eine entsprechende Vergrößerung des Luftraumes in den Kommutierungszonen erzeugt werden. Ersetzt man außerdem diese Beziehung ζ durch den absoluten Wert des ihr entsprechenden Hilfsfeldes, indem man sie hier, wie oben erläutert war, im Verhältnisse von B, d. h. annähernd dem Verhältnisse der Schlüpfung reduziert, so ergibt sich, daß dieser bereits

dem der Kurve — für B' entsprechenden

sich sehr nähert, insbesondere wenn man den Luftraum noch etwas mehr vergrößert, so daß die Beziehung ζ etwas tiefer zu liegen kommt. Man könnte also, wenn es sich nur um die Verminderung der durch das Drehfeld erzeugten Lamellenspannung handelte und dieses auch nur bis zu einer gewissen Grenze, für den hier betrachteten Fall im übersynchronen Betriebe dieses auch eventuell ohne sonstige Hilfsspulen lediglich durch entsprechende Vergrößerung des Luftraumes in den Kommutierungszonen erreichen.

Diese Anordnung ist jedoch zunächst praktisch nicht ausführbar, weil der hier erfor- * derliche Wert von ζ hier eine ziemlich starke Vergrößerung des Luftraumes in den Kornmutierungszonen bedingen würde und deshalb hiermit auch der Platz für die zur Aufhebung der Reaktanzspannung erforderlichen Wendepole und Wendespulen verloren gehen würde. Aus dem Beispiele geht aber bereits ziemlich gut hervor, daß die Beherrschung der durch das Drehfeld erzeugten Lamellenspannungen bei diesen Maschinen sogar bedeutend einfacher ist als beispielsweise bei normalen Drehfeldmotoren, bei welchen die

J5'
oben in Fig. 1 dargestellte Beziehung -—- gleich-

zeitig den- Maßstab für den absoluten Wert des erforderlichen Feldes B' in der Kommutierungszone gibt, und es ist ersichtlich, daß ein durch den Luftraum bestimmtes konstantes Hilfsfeld hier sich der Kurve in keiner Weise anschmiegt.

Weiter führen die hier erläuterten Unterschiede zwischen den erstgenannten, mit variabler Rotorfrequenz, und den zweitgenannten, mit variabler Statorfrequenz arbeitenden Maschinen bezüglich der letzteren noch zu der sehr wertvollen, den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Anordnung, welche gestattet, durch Überlagerung der Wirkung verschieden erzeugter Hilfsfelder die zu ihrer Erzeugung erforderlichen Stromwindungen bedeutend zu reduzieren.

Die Anordnung soll wiederum darin bestehen, daß der Stator in der Weise, wie dies auch vielfach üblich ist, nur an einem Teile

der Kommutierungszonen Hilfspole erhält, die zu dem vorliegenden oder zu anderen Zwecken, beispielsweise zur Aufhebung der Reaktanzspannung, dienen können, und an einem anderen Teile, beispielsweise allen freibleibenden Kommutierungszonen, Aussparungen, d. h. offene Nuten oder Löcher, welche eine ihnen entsprechende Vergrößerung des magnetischen Widerstandes und Schwächung des Feldes in

ίο der Kommutierungszone bewirken.

Der. Vergleich der obigen Figuren . zeigt, daß, während in Fig. ι das Hilfsfeld um den Wert ι schwanken soll und seine Erregung bei Ubersynchronismus dem Hauptfelde entgegen, bei Untersynchronismus in Richtung des Hauptfeldes liegen muß, so daß es bei s = 50 Prozent den Wert 2 erreicht, in Fig. 2 das Hilfsfeld um den Wert 0 schwanken soll, so daß seine Erregung immer dem Hauptfelde entgegen sich von diesem subtrahieren muß bzw. negativ addieren, so daß es bei s = 50 Prozent den Wert — 1 erreicht, während die hierzu erforderlichen Stromwindungen etwa den zweifachen Wert erreichen müßten.

Dieses hätte einerseits zwar wohl den Vorteil, daß die maximale Sättigung der Anker-

♦ zähne, welche schließlich das maximal erreichbare Hilfsfeld begrenzt, im zweiten Falle in ganz normalen Grenzen bliebe, während sie beim ersten Falle auf den doppelten Wert steigen müßte, andererseits aber den Nachteil, daß die Stromwindungen, wenn auch nicht den zweifachen, so doch einen bedeutend höheren Wert erreichen müßten als im ersten Falle.

Ersetzt man dann aber einen Teil, z. B. die Hälfte der Hilfspole, durch derartige Löcher, so verschwindet auch dieser Nachteil, indem diese Löcher bei entsprechender Dimensionierung eine dem Felde pro Pol annähernd entsprechende Strom windungszahl ersetzen können, so daß die totale Stromwindungszahl aller Hilfspole um einen diesen gleichen Betrag reduziert werden kann.

Die Anordnung leistet desgleichen auch die besten Dienste für den übersynchronen Betrieb, wobei dann hier eventuell außer den zur Aufhebung der Reaktanzspannung dienenden Wendespulen alle anderen Hilfsspulen auf den Hilfspolen auch in Fortfall kommen können. Reduziert man beispielsweise die Hilfspole auf die Hälfte, so könnten dieselben eventuell lediglich zur Aufnahme der Wendespulen dienen, wenn man an jeder zweitfolgenden Wendezone Löcher vorsieht, d. h. ebensoviel Löcher wie Hilfspole. Die Wirkung ist dann bei entsprechender Dimensionierung annähernd genau dieselbe, als wenn man zwei Hilfsfelder von der Beziehung B'j B gleich 1 und—^] J₂ übereinander lagert, und man erhält B'/B = ¹J₂, welcher Wert in Fig. 2 der Beziehung ζ entsprechen würde, welche, wie wir oben bereits gesehen hatten, infolge des Verlaufes von B dem sich ergebenden absoluten Werte für B' sehr nahe kommt.

Auch vom konstruktiven Standpunkte bietet die Anordnung verschiedene Vorteile, da es für die Dimensionierung der Maschine keinen Unterschied bedeutet, ob man an einzelnen Stellen Hilfspole oder Löcher vorsieht und die Hilfsspulen sich gut auf die Hälfte der Kommutierungszonen verteilen lassen. Außerdem können die so erhaltenen Löcher zur Aufnahme eines Teiles der zur Erregung der Hilfsspulen dienenden Statorspulen dienen, so daß hier direkt nutzbarer Wicklungsraum gewonnen wird.

Was die gleichzeitige Anordnung der zur Aufhebung der Reaktanzspannung dienenden Wendespulen anbetrifft, so wird deren Arbeitsweise und Schaltung als bekannt vorausgesetzt, desgleichen auch die bekannten Methoden zur störungsfreien Znsammensetzung des Kommutierungsfeldes. Bei der vorliegenden Anordnung dürfte es sich empfehlen, in den hier benutzten Hilfsstromkreis eine Drosselspule zu schalten, so daß die durch die Wendespule bewirkte Verschiebung der Phase des Hilfsfeldes eine entgegengesetzte Verschiebung in der Drosselspule erzeugt oder, noch besser, dieselbe durch in entsprechender Weise auf die Drosselspule gelegte Stromwindungen zu unterstützen. Diese Drosselspule könnte dann gleichzeitig auch zur genaueren Einregelung des HilfsStromkreises mit benutzt werden.

Eine andere, insbesondere bei Frequenzwandlern in den Kommutierungszonen auftretende und leicht zur Funkenbildung führende Spannung läßt sich gleichfalls in verhältnismäßig einfacher Weise durch zweckmäßige Übereinanderlagerung von verschieden erzeugten Feldern vermindern oder annähernd aufheben. Bei derartigen Maschinen ergeben sich infolge des Anschlusses der Bürsten des Kommutators an eine Frequenz und des Anschlusses der Ankerwicklung selbst durch feste Punkte derselben (Schleifringe) an eine andere Frequenz zwei Stellungen, welche z. B. bei Frequenzwandlern für Dreiphasenstrom, auf zweipolige Anordnung bezogen, um 30 ° auseinanderliegen. In der einen Stellung liegen die Stromzu- und -abführungszonen genau in derselben Lage, und der Strom kann zwischen Schleifringen und den Bürsten direkt überfließen, bzw. er fließt so, daß er kein Feld erzeugen kann. In der anderen Stellung liegen die Stromzu- und -abführungszonen um 30° auseinander, und der durch die Ankerwicklung fließende Strom erzeugt in der Kornmutierungszone ein Feld, welches infolge der Drehung des Ankers zwischen den durch die

Claims (2)

Bürsten verbundenen Lamellen einen Kurzschlußstrom induziert. Die diesen Kurzschlußstrom hervorrufende Spannung ließe sich nun offenbar vermindern 5 oder aufheben, wenn man dem genannten, in der Kommutierungszone erzeugten Felde ein mehr oder weniger phasenverschobenes Feld j in einem entsprechend entgegenwirkenden Sinne überlagert. Dieses geschieht dann hier, ίο da das schädliche Feld durch die Ankeranschlüsse bewirkt wird, wohl auch am zweckmäßigsten durch eine entsprechende Anordnung vom Anker aus. Man könnte beispielsweise auf dem Anker eine mehr als dreiphasige Hilfswicklung anordnen, welche an entsprechende Punkte des Kommutators angeschlossen werden könnte, so daß der zugeführte Dreiphasenstrom in derselben Ströme größerer Phasenzahl erzeugt, welche sich dem in der Ankerwicklung fließenden Strome in entsprechend mehr oder weniger entgegengesetzter Richtung und Phase überlagern können. Oder man könnte ein ähnliches Resultat auch vermittels eines geeignet ungleichmäßig versetzten Anschlusses der Schleifringe an die Ankerwicklung erzielen. Der normale Anschluß geschieht bei derartigen Frequenzwandlern ebenso wie bei normalen Dreiphasen-Gleichstromkonvertern, auf zweipolige Anordnung bezogen, entweder durch drei um 120° gleichmäßig versetzte oder, indem man die einzelnen Phasen trennt und an je zwei um 180 ° versetzte Punkte anschließt, durch sechs um 60 ° gleichmäßig versetzte Schleifringe. In beiden Fällen ist das gesamte Stromverteilungsbild dasselbe und wird in der Kommutierungszone das gleiche schädliche Feld erzeugt. Unter ungleichmäßig versetztem Anschlüsse der Schleifringe ist nun zu verstehen, wenn man beispielsweise bei getrennten Phasen die einzelnen Phasen nicht an je zwei um 180°, sondern an je zwei um 150 °. versetzte Punkte anschließen würde, also im ganzen durch sechs abwechselnd um 30 ° und 90 ° versetzte Schleifringe. Hierbei entsteht dann eine Ubereinanderlagerung der verschiedenen, in der Ankerwicklung fließenden Ströme und Felder, welche das bei normalem Anschlüsse in der Kommutierungszone erzeugte Feld auf rund 1J1reduzieren würden. Die letztgenannten Anordnungen können auch bei Gleichstromkonvertern benutzt werden, bei denen gleichfalls durch die verschiedenen Stellungen zwischen Stromzuführungspunkten und Bürsten ähnliche Felder in den Kommutierungszonen erzeugt werden. Die Anordnungen lassen sich außerdem natürlich noch in sehr verschiedener Weise ausführen. Im übrigen gilt das Verfahren natürlich auch für jede Art Kommutatormaschinen, gleichgültig ob sie als Generatoren, Motoren oder in irgendeiner anderen Weise als den hier erläuterten zu arbeiten haben. Pate ν τ-An Sprüche:

1. Verfahren zur Verminderung der in den Kommutierungszonen bei Kommutatormaschinen induzierten Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil aller Kommutierungszonen mit Hilfspolen bzw. Hilfsspulen versehen ist und ein anderer Teil mit Aussparungen, offenen Nuten oder Löchern, welche eine ihnen entsprechende Vergrößerung des magnetischen Widerstandes und ein diesem entsprechend schwächeres Feld erzeugen und in ihrer Wirkung sich der Wirkung der übrigen Wendepole überlagern.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch ι für Maschinen, die mit festen Punkten (Schleifringen) der Ankerwicklung an einen, mit den Kommutatorbürsten an einen anderen Stromkreis angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die angeschlossenen festen Punkte ungleichmäßig über die Ankerwicklung versetzt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.