DE310692C - - Google Patents

Description

Größe elektrische Maschinen muß man im allgemeinen künstlich belüften, da ihre Oberfläche zur- Abgabe der Verlustwärme nicht mehr ausreicht. Für solche Maschinen, deren Drehzahl außerordentlich stark geändert wird, ist sogar eine besondere Lüftung von außen her notwendig, da ihre natürliche Ventilation, selbst wenn sie bei hoher Geschwindigkeit ausreicht, doch bei kleiner GeschwindigkeitLarge electrical machines generally have to be artificially ventilated because of their surface for the dissipation of the heat loss is no longer sufficient. For machines whose The speed is changed extremely strongly, there is even a special ventilation from the outside fro necessary because of their natural ventilation, even when at high speed sufficient, but at low speed

ίο der Maschinen meist zu gering wird. In Fig. ι ist eine Schaltanordnung für ein derartig großes Maschinengetriebe gezeichnet, durch das vermittels eines schnell laufenden Drehstromgenerators α und langsam laufendenίο the machines are mostly too small. In Fig. Ι a switching arrangement for such a large machine transmission is drawn, by means of a fast-running three-phase generator α and slowly running

¹S: Asynchronmotors b eine Schiffsschraube c angetrieben wird. Die Umdrehungszahl der Schraube soll dabei durch Ändern der Drehzahl :des Generators in weitem Bereiche reguliert werden. ¹ S: Asynchronous motor b a propeller c is driven. The number of revolutions of the screw is to be regulated over a wide range by changing the number of revolutions of the generator.

Man hat derartige Antriebe bisher meist so geregelt, daß man die magnetische Feldstärke in den Maschinen während der Touren-Tegelung konstant ließ. Es sind auch schon. Vorschläge gemacht, sie in gewisser Weise,So far, such drives have usually been regulated in such a way that the magnetic field strength in the machines during the touring control left constant. There are already. Made suggestions to them in a way,

as entsprechend der geänderten Geschwindigkeit, zu regeln, um durch Herabsetzung der Gesamtverluste einen besseren Wirkungsgrad der Maschinen zu erzielen.as according to the changed speed, to regulate in order to improve the efficiency of the Machines to achieve.

Nach der Erfindung soll nun die magnetische Feldstärke, am besten durch Einstellen der Erregung des Antriebsgenerators in Fig. 1, bei geänderter Geschwindigkeit und Leistung des Getriebes derart geregelt werden, daß die ,Verteilung der. elektromagnetischen Verluste auf die verschiedenen aktiven Teile der Maschinen bei allen Belastungen und Drehzahlen möglichst gleichartig bleibt. Man erhält dadurch den außerordentlichen Vorteil, daß man die zur Kühlung erforderlichen Luftmengen mit abnehmender Leistung der Maschinen nahezu im gleichen Maße vermindern darf, ' ohne daß lokale Überhitzungen in den Maschinen auftreten, so wie es der Fall wäre, wenn die Verteilung der Verluste nicht gleichartig bleibt, sondern wenn die Verluste nur in einigen Teilen, beispielsweise in den Kupferleitern, geringer würden, und in anderen Teilen, beispielsweise im Eisen, in voller oder nahezu voller Höhe bestehen blieben. Durch die erfindungsgemäß ermöglichte Verringerung der Kühlluftmengen erhält man den weiteren Vorteil einer mit abnehmender ■ Leistung der Maschinen stark verringerten Ventilationsarbeit, was besonders bei schnell laufenden Maschinen eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades bewirkt," und schließlich ist man nunmehr in der Lage, die Maschinen selbst ventilierend auszuführen, da die geförderte Luftmenge sich hierbei ungefähr proportional der Drehzahl ändert und daher auch bei geringen Geschwindigkeiten vollständig ausreichend ist, um die nunmehr gleichmäßig ■. verteilten elektromagnetischen Verluste abzuführen. Der gesamte Wirkungsgrad einer derartig geregelten Anlage bleibt bei allen Belastungen ungefähr der gleiche wie bei Vollast,According to the invention, the magnetic field strength should now, ideally by setting the excitation of the drive generator in Fig. 1, with changed speed and power of the transmission are regulated in such a way that the, distribution of. electromagnetic losses on the various active parts of the machines at all loads and speeds remains as similar as possible. This gives the extraordinary advantage that one the amount of air required for cooling with decreasing machine performance can be reduced to almost the same extent without local overheating in the machines occur just as it would if the distribution of losses were not uniform remains, but if the losses were only reduced in some parts, for example in the copper conductors, and in others Parts, for example in the iron, remained in full or almost full height. By the reduction in the amount of cooling air made possible according to the invention is obtained from the further Advantage of a significantly reduced ventilation work ■ with decreasing machine performance, which is a significant improvement in the Efficiency causes "and finally one is now able to use the machines perform self-ventilating, since the air volume that is conveyed changes approximately proportionally to the speed and therefore also at low speeds is completely sufficient to the now evenly ■. dissipate distributed electromagnetic losses. The entire efficiency of a Such a regulated system remains approximately the same as with all loads Full load,

Das Gesetz, nach dem für das in Fig. 1The law according to which for the in Fig. 1

gezeigte Wechselstromgetriebe die Feldstärken des Geneve tors und Motors mit geänder er Drehzahl geregelt werden rr.üssen,. ergibt sich I mit großer Annäherung auf folgendem Wege: i ...Das Drehmoment D jeder elektrischen Maschne ist proportional ihrem Kraftfluß Φ j und ihrem Arbeitsstrom / nach der BeziehurgAC transmission shown the field strengths of the generator and motor can be regulated with changed speed rr.ussen ,. I results with a close approximation in the following way: i ... The torque D of every electrical machine is proportional to its power flow Φ j and its working current / according to the relationship

D Q2 / Φ , D Q2 / Φ,

(ι)(ι)

ίο wobei das Zeichen £^ proportional bedeutet. Dieses .·. D e] moment kann sich wie in dem Beispiel des SchifLantriebes in Rg. ι mit der Drehzahl ändern, es kann aber auch unabhängig von der Geschwindigkeit sein. In allen Fälen sind die Stromwärmeverlustc in den Maschinen nahezu proportional dem Quadrat des Arbeitsstromes, alsoίο where the £ ^ sign means proportional. This .·. As in the example of the ship drive in Rg. Ι with the Change the speed, but it can also be independent of the speed. In in all cases the current heat losses are in the machines almost proportional to the square of the working current, that is

' tu =r; J ι 'tu = r; J ι

(2)(2)

während die Eisenverluste nahezu proportional dem Quadrat des Kraftflusses und der Frequenz oder der Drehzahl η sind, alsowhile the iron losses are almost proportional to the square of the power flow and the frequency or the speed η , so

Φ².Φ ² .

(3)(3)

Will man gemäß der Erfindung die Verteilung der Verluste auf die Kupfer- und Eisenteile der Maschinen bei allen Belastungszuständen möglichst gleich erhalten, so muß :. man das Verhältnis ihrer Werte nach Gleidrang 2 und 3, alsoIf you want according to the invention, the distribution of the losses on the copper and Iron parts of the machines must be kept as similar as possible under all load conditions :. the ratio of their values according to Gleidrang 2 and 3, that is

η² Φ² η ² Φ ²

V CuV Cu

(4)(4)

möglichst konstant halten. In Gleichung 4 ist dabei die Stromstärke durch ihren Wert nach Gleichung 1 ausgedrückt, um ein Gesetz zu erbalten, in dem die bestimmenden Größen für das Getriebe, nämlich seine Drehzahl und sein Drehmoment, vorkommen.
Um den Ausdruck der Gleichung 4 bei allen Belastungszusiänden konstant zu halten, muß man den Kraftfluß der Maschinen nach dem Gesetzkeep it as constant as possible. In equation 4, the current strength is expressed by its value according to equation 1 in order to develop a law in which the determining variables for the transmission, namely its speed and torque, occur.
In order to keep the expression of equation 4 constant under all load conditions, one has to calculate the power flow of the machines according to the law

τ.τ.

(5)(5)

regulieren, man muß ihn also proportionalder Wurzel aus dem Quotienten von Drehmoment und Drehzahl ändern. Die sich dann einstellende Änderung des Arbeitsstroms ergjbt sich durch Einsetzen in Gleichung 1 zuregulate it, so it has to be proportional to the square root of the quotient of torque and change the speed. The result is the change in the operating current that then occurs by substituting it in equation 1

Es steht natürlich nichts im. Wege, die nur angenähert gültigen Gleichungen 2 und 3 durch exakte zu ersetzen; man erhält dabei aber eine sehr viel komplziertere Bedingung für die Veränderung des Kraftflusses und St omes . zur Erzielung konstanter Verlustverl· ältnisse. Praktisch reicht d e Veränderung der Feldstärken gemäß- Gleichung 5 -vollständig-aus,· weil die Abweichungen der wirklichen Verluste von den Gesetzen 2 und 3 nach derselben; Seite gerichtet sind Und sich daher für das Verhältnis nach Gleichung 4 zum größten Teil aufheben. Die Siromwärmeverluste sinken in Wirklichkeit, besonders bei Drehstrommotoren, etwas langsamer als der ATbeitsstrom, weil auch der Magnetisierungsstrom Verluste bewirkt, und die Eisenverluste sinken etwas langsamer als das Quadrat von Drehzahl und Kraftfluß, weil außer den Wirbelstromverlusten auch Hysteresisverluste vorhanden sind, die sich nach einem etwas anderen Gesetz verändern. Es steht nichts im Wege, durch den praktischen Versuch noch geringe Abweichungen an dem Variationsgesetz nach Gleichung 5 vorzunehmen.Of course there is nothing in the. Paths that only approximate equations 2 and 3 through replace exact; but one obtains a much more complicated condition for the change in the flow of force and stomata. to achieve constant loss ratios. In practice, the change in the field strengths according to equation 5 is -completely-sufficient, because the deviations of actual losses from Laws 2 and 3 according to the same; Side are directed and therefore for the relationship according to equation 4 to pick up most of it. The Sirom heat losses actually decrease, especially with Three-phase motors, somewhat slower than the A working current, because the magnetizing current also causes losses, and the iron losses decrease a little slower than the square of the speed and power flow, because apart from the eddy current losses there are also hysteresis losses that change according to a slightly different law. There is nothing in the Ways, through the practical experiment, there are still slight deviations from the law of variation according to equation 5.

Besonders e^;nfach wird die Regelung der Feldstärken, wenn das Drehmoment der Maschinen eine bestimmte Abhäng^:gkeit von der Drehzahl besitzt, wie. es z. B. bei dem in F^:g. ι gezeigten Schiffsschraubenantrieb der Fall ist. Das Drehmoment ist hier sehr nahezu proportional dem Quadrat der DrehzahlEspecially e ^; n-tuple is the control of the field strengths, when the torque of the engine a certain ^Abhäng-: ness has on the rotational speed, as shown. it z. B. in the case of F ^: g. ι propeller drive shown is the case. The torque here is very nearly proportional to the square of the speed

D^n²,D ^ n ² ,

(7)(7)

so daß man als Bedingung für konstante Verlustverhältnisse bei allen Geschwindigkeiten erhältso that one as a condition for constant loss ratios at all speeds receives

(8)(8th)

Die Feldstärken der Maschinen werden also bei Schiffsantrieben zweckmäßig proportional mit der Wurzel aus der Drehzahl geändert, der Arbeitsstrom stellt.sich alsdann proportional der 3/2 Potenz der Drehzahl ein.The field strengths of the machines are therefore expediently proportional in ship propulsion systems changed with the square root of the speed, the working current is then proportional the 3/2 power of the speed.

In Fig. 2 ist für das elektrische Getriebe der Fig. 1 dargestellt, in welcher Weise man diese Regelung. bemessen muß. In dem Koordinatensystem ist nach links die Drehzahl η aufgetragen und darüber die Parabel, nach der sich der Kraftfluß Φ entsprechend dem soeben entwickelten Gesetz ändern muß. Rechts ist die Leerlaufscharakteristik des Generators' als ausgezogene Kurve dargestellt, und es sind die zu verschiedenen Drehzahlen und Kraftflüssen gehörenden Belastungsdreiecke eingezeichnet, deren Größe entsprechend der Arbeitsstromstärke nach Gleichung 8 gewählt wurde. Die runden Punkte in diesen Dreiecken stellen nach bekannten Regeln den" jeweils notwendigen Erregerstrom dar, um eine bestimmte Spannung und daher einen bestimmten Kraftfluß im Generator und Motor zu erzeugen. Den Zusammenhang des zu regelnden Erregerstfomes des Generators mit der Drehzahl von Generator und Motor ersieht man nunmehr ohne weitere? aus den in Fig. 2 eingetragenen Skalen und kann hiernach den Feldregler des Generators bemessen.In Fig. 2 is shown for the electrical transmission of Fig. 1, in which way this control. must be measured. In the coordinate system, the speed η is plotted to the left and above it the parabola according to which the power flow Φ must change according to the law just developed. On the right, the no-load characteristic of the generator is shown as a solid curve, and the load triangles associated with different speeds and power flows are drawn in, the size of which was selected according to the working current strength according to equation 8. The round points in these triangles represent, according to known rules, the "excitation current required in each case" to generate a certain voltage and therefore a certain flow of force in the generator and motor now without further? from the scales entered in FIG. 2 and can then measure the field regulator of the generator.

Regelt man die Feldstärken der Maschinen entsprechend der Gleichung 5, so erhält man Kupfer- und Eisenverluste, die genau proportional. der Leistung der Maschinen sind. Man erkennt dies äfh leichtesten, wenn man die nach dieser Erfindung auftretenden Kraftflüsse und Ströme nach Gleichung 5 und 6 in die Ausdrücke für die Verluste nach Gleichung 2 und 3 einsetzt. Es ergibt sich alsdannIf the field strengths of the machines are regulated according to equation 5, one obtains Copper and iron losses that are exactly proportional. the performance of the machines. Man recognizes this uh easiest when you look at the Force flows and currents occurring according to this invention according to equations 5 and 6 into the expressions for the losses according to equations 2 and 3. It surrenders then

V Cu ^V Cu ^

V_Fe Ö2 V _Fe Ö2

worin durch das Produkt von Drehmoment und Drehzahl bekanntlich die Leistung dargestellt ist. Die zum Abführen dieser Verluste erforderliche Kühlluftmenge darf also proportional der Leistung der Maschinen abnehmen. where, as is well known, the product of torque and speed represents the power is. The amount of cooling air required to dissipate these losses may therefore decrease proportionally to the performance of the machines.

Es ist zweckmäßig, den Feldregler, der für jede Drehzahl, entsprechend Fig. 2, eine bestimmte Erregerstromstärke einstellen muß, selbsttätig mit der Drehzahlregelung zu verstellen. It is useful to have the field controller, which for each speed, according to FIG. 2, a certain Must set excitation current strength, to be adjusted automatically with the speed control.

In einer großen Zahl von Fällen, insbesondere bei Propellerantrieben, wird es durch die Regelung gemäß der Erfindung möglich sein, bei Antrieben mit stark veränderlicher Drehzahl den Ventilator unmittelbar von der zu regelnden Maschine anzutreiben. Der Ventilator ^v wird so bemessen, daß er für die höchste Drehzahl und somit größte Belastung eine ausreichende Kühlluftmenge liefert. Da nun bei diesem Antrieb die Leistung stärker abfällt als die Drehzahl und andererseits der Ventilator seine Kühlluftlieferung ungefähr proportional der Drehzahl vermindert, wird immer auch bei geringen Drehzahlen eine völlig ausreichende Kühlung vorhanden sein.In a large number of cases, in particular in the case of propeller drives, the regulation according to the invention will make it possible to drive the fan directly from the machine to be regulated in the case of drives with a greatly variable speed. The fan ^v is dimensioned so that it supplies a sufficient amount of cooling air for the highest speed and thus the greatest load. Since with this drive the power drops more than the speed and, on the other hand, the fan reduces its cooling air delivery approximately proportionally to the speed, a completely sufficient cooling is always available even at low speeds.

Man kann aber auch den Ventilator εο anordnen, daß seine Drehzahl oder die Drehzahl des ihn antreibenden Antriebsmotors selbsttätig mit der Drehzahländerung oder Lei; tungsänderung geregelt wird. Hierzu können mechanische Mittel, wie beispielsweise veränderliche Übersetzungen, gewählt werden, die durch einen Fliehkraftregler eingestellt werden. Es können auch Anordnungen in Frage kommen, bei denen die elektrischen Verhältnisse des Antriebsmotors für den Ventilator je nach den elektrischen Verhältnissen der zu kühlenden Maschine eingestellt werden, beispielsweise dadurch, daß der Ventilatormotor als Hauptstrommotor ausgeführt wird, dessen Hauptstromwicklung von dem Strome des zu regelnden Motors durchflossen wird. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein Wechselstromantrieb mit. Asynchronmaschinen gewählt, da bei diesen die Verhältnisse am günstigsten liegen. Das beschriebene Verfahren kann aber auch bei Wechselstromkollektormaschinen oder Gleichstrommaschinen verwendet werden, sobald man nur besondere Mittel anwendet, beispielsweisedurch Änderung der.-Ankerspannung oder Drehzahlregelung des Generators, umBut you can also arrange the fan εο, that its speed or the speed of the drive motor driving it automatically with the speed change or Lei; change of policy is regulated. For this mechanical means, such as variable gear ratios, can be selected, which are set by a centrifugal governor. Arrangements in There are questions about the electrical conditions of the drive motor for the fan be set according to the electrical conditions of the machine to be cooled, for example in that the fan motor is designed as a main current motor, whose main current winding is traversed by the current of the motor to be controlled. In the embodiment described, an AC drive is included. Asynchronous machines chosen because these are the most favorable conditions. The method described can also be used for AC collector machines or DC machines be used as soon as one only uses special means, for example by Change of the armature voltage or speed control of the generator in order to

! über das Mittel ■ der' Feldregeltuig im Sinne der Erfindung verfügen zu können.! about the means ■ of the 'Feldregeltuig in the sense to be able to dispose of the invention.

Man ist ferner nicht darauf angewiesen, wie es in dem vorliegenden Beispiel veranschaulicht ist, die Feldregelung durch einen besonderen Regelwiderstand vorzunehmen;It is also not dependent on it, as illustrated in the present example is to carry out the field control by means of a special rheostat;

j man kann auch die Erregermaschine für den Generator den Verhältnissen entsprechend regeln. Man vermeidet hierdurch die Verluste im Regler,- die immerhin bei den großen in Frage kommenden Leistungen unter Umständen ins Gewicht fallen können. Andererseits ist es bei den Antrieben, die in erster Reihe für die Erfindung in Frage kommen, wie der Schiffsantrieb, unbedenklich, daß dasj you can also select the exciter for the generator according to the conditions rules. This avoids the losses in the regulator - at least those with the large ones The services in question may, under certain circumstances, have an impact. on the other hand it is with the drives that are primarily considered for the invention, like the ship's drive, no problem that that

ι Generatorfeld sich bei der Regelung nur langsam ändert, und zwar mit Rücksicht darauf, daß die Regelung im Erregerkreis einer Erregermaschine vorgenommen wird.ι The generator field only changes slowly during regulation, taking into account that that the regulation is carried out in the excitation circuit of an excitation machine.

Claims (6)

Patent-Ansprüche:Patent Claims: 1. Verfahren zur Regelung elektrischer Maschinen mit veränderlicher Luftkühlung, insbesondere für Schiffsantriebe, dadurch gekennzeichnet, daß bei allen Betriebsverhältnissen die Verteilung der Verluste auf die einzelnen Maschinenteile, insbesondere Kupfer und Eisen, annähernd unverändert bleibt.1. Procedure for controlling electrical machines with variable air cooling, in particular for ship propulsion, characterized in that in all operating conditions the distribution of the losses among the individual machine parts, in particular copper and iron, is almost unchanged remain. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Feldstärken der Maschinen proportional der Wurzel aus dem Quotienten von Drehmoment durch Drehzahl geregelt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the magnetic Field strengths of the machines proportional to the square root of the quotient of torque can be controlled by speed. 3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Regelung elektrischer Maschinen für Propellerantriebe, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke der Maschinen proportional der Wurzel aus der Drehzahl geregelt wird.3. The method according to claim 1 for controlling electrical machines for propeller drives, characterized in that the field strength of the machines is proportional the root of the speed is controlled. 4. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldregler für die Generatoren in selbsttätiger Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Drehmoment verstellt wird.4. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized in that that the field controller for the generators is automatically dependent is adjusted by the speed and the torque. 5. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch ι und 3, dadurch gekennzeichnet, daß'der Feldregler für die Generatoren in selbsttätiger Abhängigkeit. von der Drehzahl verstellt wird.5. Arrangement for performing the method according to claim ι and 3, characterized characterized that'der field controller for the generators in automatic dependency. is adjusted by the speed. 6. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluftmenge für die Maschinen proportional der Leistung eingestellt wird.6. Arrangement for performing the method according to claim i, characterized in that that the amount of cooling air for the machines is set proportionally to the power. .-- 4 ™-.-- 4 ™ - η. Anordnung zur Ausübung des Ver- j .' 8. Anordnung nach Anspruch 5; zur "fahrens nsch Ansprach ι bei Maschinen -Ausübung des Verfahrens nach Anspruch r, mit stark veränderlicher Drehzahl, dadurch dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsgekennzeichnet, daß der Ventilator für j motor für den Kühlluftventilätor in Abdie Kühlung der Maschinen von den Ma- j hängigkeit von der Drehzahl geregelt schinen selbst angetrieben, wird. - . | Wird. η. Order to exercise the ver j. ' 8. Arrangement according to claim 5; for "fahrens nsch address" in machines -exercise the method according to claim r, with a highly variable speed, characterized in that the drive is characterized in that the fan for j motor for the cooling air fan in Abdie the cooling of the machines on the Ma- depending on the speed is controlled, the machine is self-propelled. -. | Will. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.1 sheet of drawings. ■ BERLIN. .OEDRUCKT IN DER iipCHSDRUCKERE!. ·'■ BERLIN. .OEDRUCKT IN THE iipCHSDRUCKERE !. · '