DE581736C - Wendepolerregung fuer Mehrphasenstromerzeuger - Google Patents

Description

Zur Erzeugung von mehrphasigem Wechselstrom veränderlicher Frequenz, wie man ihn benötigt, um Asynchronmotoren mit Kurzschlußankern mit beliebig regelbarer Gesdiwindigkeit zu betreiben, benutzt man vorteilhaft eine Stromwendermaschine, die mit zumindest annähernd gleichbleibender Drehzahl angetrieben und mit entsprechend veränderlicher Frequenz erregt wird. Die Stromwendung einer solchen Maschine läßt sich theoretisch so vollkommen beherrschen, daß sie bei Verwirklichung dieser theoretischen Möglichkeit praktisch einer Gleichstrommaschine gleichwertig wird (vgl. R ü denberg: »Die Kommutierung in Drehstromkollektormaschinen« in »Elektrotechnik und Maschinenbau« 1911, Heft 23/24, S. 467 bis 473 und 495 bis 498), In diesem Falle ist wegen der einfachen unempfindlichen Bauart des Kurzschlußankermotors die Geschwindigkeitsregelung mit Mehrphasenstrom veränderlicher Frequenz der entsprechenden gebräuchlichen Regelung mit Gleichstromübertragung (Leonhard-Schaltung) durch größere Betriebssicherheit und geringere Anschaffungskosten überlegen; sie eignet sich besonders gut für rauhe Betriebe.

Um die Stromwendung einer Maschine der beschriebenen Art zu beherrschen, muß man Vorsorge treffen, daß erstens das Ankerfeld vollkommen ausgeglichen ist, auch sogenannte Belastungsfelder beseitigt sind, und daß zweitens die Wirkung des umlaufenden Hauptfeldes auf die bei der Stromwendung kurzgeschlossenen Ankerspulen, im folgenden Transformatorspanming genannt, bei jeder Umlaufgeschwindigkeit des Drehfeldes, also bei jeder Frequenz, durch Wendepole aufgehoben wird. Eine dritte Bedingung, nämlich die Begrenzung der sog. Reaktanzspannung, erfordert nicht unbedingt besondere Maßnahmen, da diese Spannung bei Mehrphasenmaschinen mit Durchmesserwicklung verhältnismäßig klein ist. Nötigenfalls kann sie bekanntermaßen durch Wendepole unterdrückt werden, deren Wicklungen von den jeweiligen Bürstenströmen durchflossen sind. Ebenso ist zu erstens als wirksames Mittel zur vollkommenen Ausgleichung des Ankerfeldes eine Kompensationswicklung bekannt, deren Anschlußpunkte den Wendezonen gegenüberliegen. Die zu zweitens genannte Aufhebung der Transformatorspannung gelingt dagegen mit bekannten Mitteln nur mangelhaft, weil diese die weiterhin noch zu erläuternden Bedingungen nicht erfüllen können. Bekannt sind für vorliegenden Zweck Wendepolwicklungen mit Nebenschlüssen über Widerstände und Drosselspulen, mit Fremderregung durch den Erregerstrom für das Hauptfeld oder aus besonderen Stromquellen, wie kleinen Transformatoren, und

vereinigte derartige Anordnungen. Zur^ Gewinnung der richtigen Phasenlage ist es bekannt, unter Umständen Ströme zweier Nachbarphasen in verdoppelten Wicklungen nutzbar zu machen.

Außer diesen Mitteln, die bei Benutzung von Wendepolen in Frage kommen, sind auch Maßnahmen zur Erleichterung der Stromwendung auf anderm Wege bekannt, wonach ίο Wechselspannungen von Stromwendungsfrequenz von außen in die stromwendenden Ankerspulen eingeführt werden. Diese Wechselspannungen werden dabei entweder außerhalb der Maschine in besondern Vorrichtungen (Hilfsmaschinen, Transformatoren, Kondensatoren) oder in entsprechend wirkenden besonderen Wicklungen u. dgl. innerhalb der Maschine oder auf beiderlei Weise erzeugt. Ihre Sparinungskurve muß ao eine ganz bestimmte ungewöhnliche Form haben, ihre Phase genauestens festgelegt sein, was zumal bei der hohen Frequenz auf praktische Schwierigkeiten stößt. Diese ungewöhnlichen Stromwendungsmittel treten an die Stelle von Wendepolen; sie bedingen, abgesehen von den schon angedeuteten Schwierigkeiten, Abweichungen von dem regelrechten, am besten bewährten und fertigungstechnisch durchgebildeten Maschinenaufbau, wie Stromwender mit abwechselnden leitenden und ebenso breiten oder breiteren nichtleitenden Segmenten, ferner vermehrte Bürstenzahl u. a. m. Diese lange bekannten Maßnahmen haben daher keinen Eingang in die Praxis gefunden.

Wie oben nachgewiesen ist, muß das Wendefeld zur Aufhebung der Transformatorspannung· bei Maschinen der eingangs bezeichneten Art sich geradlinig mit der Frequenz ändern, bei der Frequenz ο einen Mindestwert — entweder (für sechs Wendepole je Hauptpolpaar) gleich Null oder (für drei Wendepole je Hauptpolpaar) entgegengesetzt gleich dem Hauptfeld — haben und bei der synchronen Frequenz (Gleichlauf von Drehfeld und Anker) gleich dem Hauptfeld sein. Da das Wendefeld gleich der Summe des Hauptfeldes und des durch den Wendepolerregerstrom erzeugten Feldes ist, muß dieses bei gegebenem Hauptfeld den umgekehrten geradlinigen Verlauf nehmen, also bei der Frequenz ο entweder (für sechs Wendepole je Hauptpolpaar) entgegengesetzt gleich dem Hauptfeld oder (für drei Wendepole je Hauptpolpaar) entgegengesetzt und doppelt so stark wie das Hauptfeld sein, bei synchroner Frequenz verschwinden und im übersynchronen Bereich das Hauptfeld zunehmend verstärken. Mindestens im untersynchronen Bereich sind diese Bedingungen durchaus erfüllbar, zumal in der Nähe der Frequenz 0 das Hauptfeld stets nur schwach zu sein braucht, weil hier praktisch keine hohe Spannung zu erzeugen ist.

Der Wendepolerregerstrom zur Aufhebung der Transformatorspannung muß entsprechend dem von ihm erzeugten Feld von einem negativen Höchstwert bei der Frequenz ο aus mit wachsender Frequenz dem Wert Null bei Synchronfrequenz zustreben, gegebenenfalls darüber hinaus wieder ansteigen. Dieser Strom muß in Phase mit dem Hauptfeld sein. Zur Überwindung des Ohmschen Widerstandes in der Wendepolwicklung ist daher ein Spannungsbeitrag nötig, der sich wie der Strom bei gegebener Hauptfeldstärke umgekehrt proportional mit der Frequenz ändert. Dieser, nur zur Erzeugung des Wendepolerregerstromes für das von ihm hervorgerufene Feld dienende Spannungsbeitrag soll weiterhin als Hilfsfeldspannung bezeichnet werden.

Ein wesentlich höherer Spannungsbeitrag ist daneben zum Ausgleich der in der Wendepolwicklung durch das pulsierende Wendefeld entstehenden transformatorischen Wirkung erforderlich. Da diese einmal von der Feldstärke abhängig ist, die sich im vorliegenden Falle mit der Frequenz ändert, und andererseits von der -Frequenz selbst, ist sie bei gegebenem Hauptfelde dem Quadrat der Frequenz verhältnisgleich. Eine entgegengesetzt gleiche Spannung muß also im Stromkreis der Wendepolwicklung noch erzeugt werden. Dieser Spannungsbeitrag soll weiterhin als Wendefeldspannung bezeichnet werden. Er muß in seiner Phase gegen das Wendefeld um 90 ° versetzt sein.

Alle bisher betrachteten Größen sind von der Stärke des Hauptfeldes abhängig, dessen transformatorische Wirkung aufgehoben werden soll. Sowohl die Hilfsfeldspannung als auch die Wendefeldspannung sind daher ebenfalls mit der Hauptfeldstärke veränderlich.

Um eine Wendepolerregung zu gewinnen, die den dargelegten Bedingungen entspricht, die Transformatorspannung also aufzuheben vermag und dadurch die Stromwendung der Maschine vollkommen zu beherrschen gestattet, ist nach der Erfindung in erster Linie eine kleine Hilfsmaschine vorgesehen. Diese unterscheidet sich von der zuvor erwähnten bekannten Hilfsmaschine zur Einführung einer Wechselspannung von Stromwendungsfrequenz in die stromwendenden Ankerspulen, abgesehen von den weiterhin zu beschreibenden Einzelheiten, grundsätzlich dadurch, daß sie nicht Stromwendungsfrequenz, sondern Betriebsfrequenz (wie die Hauptmaschine) liefert und nicht auf deren Ankerwicklung, sondern auf ihre Wendepolwicklung arbeitet, für deren Erregung die Stromwendungs-

frequenz unbrauchbar ist. Die Ausführung der Hauptmaschine bedingt bei dieser regelrechten Benutzung von Wendepolen als Strornwendungsmittel keinerlei Besonderheiten; ebensowenig kommen außergewöhnliche Einzelanordnungen für die Hilfsmaschine in Betracht. Die Anwendung bewährter Ausführungsformen bedeutet namentlich für die Hauptmaschine eine Verein-ίο fachung und einen Vorteil gegenüber den bekannten Anordnungen mit außergewöhnlichen Stromwendungsmitteln und -verfahren.

Die Hilfsmaschine und etwaige zusätzliche Einrichtungen formen die Wendefeldspannung, gegebenenfalls auch die Hilfsfeldspannung aus der Ständer- bzw. der Läuferspannung der Hauptmaschine um, die bekanntermaßen von der Hauptfeldstärke und der Frequenz abhängig sind. Der relative Verlauf ao der Hilfsfeld- und Wendefeldspannung als Funktionen der Hauptfeldstärke und der Frequenz wird nach der Erfindung ohne irgendwelche Schaltvorgänge selbsttätig den theoretischen Bedingungen entsprechend geregelt. Die jeweilige absolute Größe jener Spannungen läßt sich daneben im Bedarfsfalle willkürlich abstimmen, ihre Phasenlage vollkommen nach Erfordernis einstellen, beides mit einfachen Mitteln, nötigenfalls auch im Betriebe. Das Verhältnis von Stromstärke und Spannung für die Wendepolerregung kann beliebig gewählt werden. Der Entwurf der Hilfsmaschine ist nicht streng an die Verhältnisse einer bestimmten Hauptmaschine gebunden; gegebenenfalls kann ein Hilfsmaschinenmodell für verschiedene Hauptmaschinenmodelle verwendbar sein. Die Hilfsmaschineneinrichtung besteht aus gangbaren betriebssicheren Einzelteilen; an den dazugehörigen Stromwendern treten nur niedrige Spannungen zur Überwindung Ohmscher Widerstände auf. Der Leistungsverbrauch der Hilfsmaschine ist verschwindend gering; ihre Abmessungen sind im Vergleich zur Hauptmaschine sehr klein. Diese selbst wird durch den Erfindungsgegenstand so wesentlich verbessert und vereinfacht, daß gegenüber den sonstigen Vorteilen der Geschwindigkeitsregelung mit Mehrphasenstrom veränderlicher Frequenz, zumal bei größeren Leistungen, der Aufwand für die Hilfsmaschineneinrichtung nicht ins Gewicht fällt.

Nach der Erfindung wird zunächst mittels der Hilfsmaschine im Stromkreis derjenigen Wendepolwicklung, die zur Aufhebung der Transformatorspannung dient, die erforderliche Wendefeldspannung erzeugt. Wenn außer dem Wendefeld noch andere Wechselfelder auf jenen Stromkreis einwirken, können sinngemäß auch die zum Ausgleich von deren transformatorischer Wirkung nötigen Spannungsbeiträge mittels der Hilfsmaschine gewonnen werden. Diese entspricht in ihrer Wirkungsweise einer Synchronmaschine; sie besitzt ein gleichstromerregtes Feld und eine Phasenankerwicklung. Jenes ist der Regel nach umlaufend, diese ruhend am Ständer anzuordnen und am einfachsten unmittelbar (in offener Schaltung) in den Stromkreis der Wendepolwicklung einzuschalten. Um eine bedingungsgemäß veränderliche Wendefeldspannung zu erhalten, soll nach der Erfindung allgemein die Gleichstromerregung jener Hilfsmaschine selbsttätig von der Stärke des Wendefeldes abhängig und der Schlupf zwischen Feld und Anker der Maschine, also die Umlaufgeschwindigkeit ihres Feldläufers, der Frequenz verhältnisgleich sein. Auf diese Weise wird die in der Maschine erzeugte Spannung im geradlinigen Verhältnis vom Hauptfeld und im quadratischen Verhältnis von der Frequenz abhängig. Mit dieser ändert sich nämlich sowohl der Schlupf als auch die Erregung; denn die Stärke des Wendefeldes, der die Erregung entsprechen soll, ist, wie dargetan, hier von der Hauptfeldstärke und der Frequenz abhängig. Infolgedessen läßt sie sich im vorliegenden Fall durch die Spannung in einer Ständerwicklung der Hauptmaschine darstel- go len, denn diese Spannung entspricht der Hauptfeldstärke und dem Schlupf des Drehfeldes, also der Frequenz. Demgemäß soll nach der Erfindung der Erregerstrom für die beschriebene Hilfsmaschine insbesondere dadurch gewonnen werden, daß eine vom Stan- -der der Hauptmaschine abgeleitete Wechselspannung in eine verhältnisgleiche Gleichspannung umgeformt und als solche in der Erregerwicklung der Hilfsmaschine verbraucht wird. Werkstoff und Sättigung für den zugehörigen Eisenkern sind so zu wählen, daß das entstehende Feld dem Strom möglichst verhältnisgleich bleibt.

Die erwähnte Umformung läßt sich am einfachsten dadurch bewirken, daß man als Feldläufer für die Hilfsmaschine einen Stromwenderanker benutzt. Dieser erfüllt dabei zugleich die Aufgabe eines Frequenz- . wandlers und eines Feldmagneten, da nämlieh seine Umlaufzahl von der Frequenz abhängt, d. h. die jeweils dieser und seiner Polzahl entsprechende synchrone Drehzahl darstellen soll, so setzt der Stromwenderanker die (mehrphasige) Wechselspannung, die ihm über entsprechende mehrphasige Bürsten zuzuführen ist, innerhalb seiner Wicklung in eine verhältnisgleiche Gleichspannung um, die in der Wicklung einen Strom und damit ein umlaufendes Feld erzeugt. Da diese Gleichspannung nur den Ohmschen Widerstand der. Wicklung zu überwinden hat, kann sie und

dementsprechend die zugeführte Wechselspannung sehr niedrig gewählt werden, so daß die Stromwendung bei diesem Anker keine Schwierigkeiten macht. Die zugehörigen Bürsten sind feststehend, jedoch zweckmäßig verstellbar anzuordnen. Denn durch Verschieben derselben läßt sich die Feldachse verdrehen und damit die Phasenlage der Spannung ändern, die in der Ständerwicklung

ίο der Hilfsmaschine erzeugt wird. Man kann also auf diese Weise die Phasenlage der gewonnenen Wendefeldspannung an der fertigen Maschine vollkommen nach Erfordernis einstellen, nötigenfalls auch im Betriebe nachregeln.

Außer der Wendefeldspannung muß die Hilfsfeldspannung im Stromkreis der Wendepolwicklung erzeugt werden. Diese entgegengesetzt der Frequenz sich ändernde Spannung kann man aus dem Läufer der Hauptmaschine gewinnen. Denn dessen Schlupf gegen das Drehfeld ändert sich ebenfalls entgegengesetzt der Frequenz. In jeder Läuferwicklung der Hauptmaschine entsteht daher eine Spannung, die neben der stets vorhandenen Abhängigkeit vom Hauptfeld die hier erforderliche umgekehrte Abhängigkeit von der Frequenz besitzt. Eine vom Läufer der Hauptmaschine abgeleitete Spannung kann daher unmittelbar oder mittelbar zur Erzeugung des Wendepolerregerstromes benutzt werden.

Dieser Strom durchfließt auch die im Stromkreis der Wendepolwicklung liegende Phasenankerwicklung der zuvor beschriebenen Hilfsmaschine. Damit er hierbei keine störende Wirkung ausübt, ist er zweckmäßig in dieser Maschine zu kompensieren. Das hier vom Strom erzeugte Feld hat, der jeweiligen Frequenz entsprechend, die gleiche Umlaufgeschwindigkeit, wie sie der Läufer (Stromwenderanker) der Hilfsmaschine haben soll. Zur Kompensation läßt sich daher eine in diesem Läufer durch Gleichstrom erzeugte Feldkomponente benutzen. Nach der Erfindung wird das z. B. dadurch bewirkt, daß der Läufer mit einer zweiten Stromwenderwicklung versehen ist und dieser über zweckmäßig verstellbare Mehrphasenbürsten diejenige Wechselspannung von Betriebsfrequenz zugeführt wird, die man zur Erzeugung des Wendepolerregerstromes benutzt. Sinngemäß kann eine verhältnisgleiche, jedenfalls eine unmittelbar oder mittelbar vom Läufer der Hauptmaschine abgeleitete Spannung verwendet werden. Die Wirkung entspricht derjenigen der anderen Stromwenderwicklung dieses Läufers, nur daß der in der zweiten Wicklung gewonnene Gleichstrom dem Wendepolerregerstrom verhältnisgleich ist, daher diesen bei geeigneter Lage seiner Feldachse zu kompensieren vermag. Diese Achsenlage läßt sich wiederum durch Bürstenverschiebung beliebig einstellen; die Stromstärke nötigenfalls beispielsweise mit vorgeschalteten Widerständen abstimmen, die Spannung so niedrig wählen, daß die Stromwendung keine Schwierigkeiten macht.

Die frequenzabhängige Umlaufzahl für die Hilfsmaschine kann, unmittelbar oder mittelbar von derjenigen Maschine bestimmt werden, die als regelmäßiges Zubehör der Hauptmaschine diese mit veränderlicher Frequenz erregt. Denn diese Wechselstromerregermaschine besitzt im allgemeinen einen mit Gleichstrom erregten Feldmagneten, dessen beliebig regelbare Drehzahl die jeweilige-Betriebsfrequenz des ganzen Systems bestimmt. Mit diesem umlaufenden Feldmagneten, der weiterhin' als Hilfsläufer bezeichnet werden soll, wird zweckmäßig der Läufer der beschriebenen Hilfsmaschine mechanisch gekuppelt, die zur Erzeugung der Wendefeldspannung dient. Seine Drehzahl wird damit zwangsläufig von der Frequenz abhängig. Soweit in dieser Hilfsmaschine elektrodynamische Wirkungen auftreten, übertragen sie sich auf den Hilfsläufer und sind bei dessen Antrieb zu berücksichtigen. Wendepolerregerstrom und Wendefeldspannung ergeben je- go doch in der Hilfsmaschine nur eine Blindleistung, da sie gegeneinander um 90 ° phasenverschoben sind.

Die erfinduugsgemäße Wendepolerregung bleibt in entsprechender Weise, wie erläutert, wirksam, wenn die Hauptmaschine als Motor arbeitet, z. B. bei Nutzbremsung mit den angeschlossenen Asynchronmotoren.

Die beschriebenen Erfindungsmaßnahmen werden beispielsweise in einfacher Form zu- t.00 nächst in Abb. 1 der Zeichnung durch ein Schaltschema für ein dreiphasiges System veranschaulicht. Nicht dargestellt ist der mit zumindest annähernd gleichbleibender Drehzahl arbeitende Antriebsmotor für die Hauptmaschine C. Diese besitzt als Hauptbestandteile den Stromwenderanker 2 und die Ständer- (!Compensations-) Wicklung 7, die über die Bürsten 4 in Reihe geschaltet sind. In welcher Weise die erforderliche Erregung der no Hauptmaschine mit veränderlicher Frequenz bewerkstelligt wird, ist für die Erfindung gleichgültig. Von der Wechselstromerregermaschine B ist daher nur der mit Gleichstrom aus einem kleinen Stromerzeuger A gespeiste Hilfsläufer 1 dargestellt, der grundsätzlich vorhanden sein muß, auf irgenwelche Weise mit beliebig regelbarer Geschwindigkeit angetrieben wird und hiermit die seiner Umlaufzahl entsprechende Betriebsfrequenz des Systems bestimmt. Bekannt ist unter anderem, als Wechselstromerregermaschine

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eine Synchronmaschine zu benutzen, die von einem beliebig regelbaren Motor angetrieben wird und z. B. den Läufer der Hauptmaschine über die Bürsten mit Betriebsfrequenz erregt. Auch die Anordnung des Hilfsläufers an der Hauptmaschine selbst sowie andere Ausführungen mit einer besonderen Wechselstromerregermaschine kommen in Frage.

Mit dem Hilfsläufer ι ist der mit zwei

ίο Stromwenderwicklungen 16 und 18 versehene Läufer der Hilfsmaschine D mechanisch gekuppelt. Der einen von diesen beiden Wicklungen, die zur Erregung der Maschine D dient, und zwar der Ankerwicklung 16, wird über die zweckmäßig verstellbaren Bürsten 15 die Spannung aus einer Hilfswicklung 8 zugeführt, die am Ständer der Maschine C angeordnet ist und nur geringe Windungszahl besitzt. Auf diese Weise gewinnt man

ao zur Erregung der Maschine D eine niedrige Spannung, die derjenigen der Wicklung 7 verhältnisgleicli ist. Zur Aufhebung der Transformatorspannung dient an der Hauptmaschine C die Wendepolwicklung 14. Die zur Erzeugung des Wendepolerregerstromes nötige Hilfsfeldspannung liefert der Läufer der Hauptmaschine. Diese Spannung wird zunächst beispielsweise in der Widerstandsanordnung T auf einen geeigneten Wert abgedrosselt und dann von Punkt 9 aus durch die Ständerwicklung 12 der Maschine D der Wendepolwicklung 14 zugeführt. In der Wicklung 12 wird dabei der Hilfsfeldspannung die Wendefeldspannung überlagert. Da die Läuferspannung von C nicht die zur Erzeugung des Hilfsfeldes in den Wendepolen geeignete Phasenlage hat, sind bekanntermaßen für jeden Wendepol zwei von den Strömen der Nachbar phasen durchfiossene Wicklungen zu verwenden. Von Punkt 10 aus wird ferner die abgedrosselte Läuferspannung der Hauptmaschine über die zweckmäßig verstellbaren Bürsten 17 der zweiten am Läufer der Hilfsmaschine D vorgesehenen Stromwenderwicklung 18 zugeführt, um, in Gleichspannung umgeformt, in dieser den Kompensationsstrom zu erzeugen, der die Rückwirkung des in der Wicklung 12 fließenden Stromes aufhebt.

Die Widerstandsanordnung / läßt sich nicht ohne weiteres zur Ersparung der entstehenden Verluste durch einen Umspanner ersetzen, weil die Läuferspannung der Hauptmaschine ihren Höchstwert bei der Frequenz Null hat. Zur Abhilfe ist nach der Erfindung vorgesehen, daß statt der Betriebsfrequenz die entgegengesetzt sich ändernde Frequenz ihres Ankers an festen Punkten von dessen Wicklung oder einer Hilfswicklung entnommen und weiterhin wieder in Betriebsfrequenz umgeformt wird. Hierzu kann insbesondere ein Frequenzwandler sonst bekannter Ausführung ähnlich einem Gleich' stromanker benutzt werden; dessen Umlaufzahl ist verhältnisgleich der Antriebsgeschwindigkeit der Hauptmaschine zu wählen, der Frequenzwandleranker also zweckmäßig mit deren Läufer mechanisch zu kuppeln. Die Ankerfrequenz ist ihm dann in geeigneter Phasenfolge an festen Punkten seiner Wicklung zuzuführen und die Betriebsfrequenz an seinem Stromwender über feststehende, verstellbare Mehrphasenbürsten zu entnehmen, oder umgekehrt. Bei Zuführung der Ankerfrequenz an festen Punkten muß z. B. das Drehfeld des Frequenzwandlerankers zu diesem gegenläufig sein; bei dem Höchstwert der Ankerfrequenz, d. h. bei der Betriebsfrequenz Null, steht es dann im Raum still, mit wachsender Betriebsfrequenz (abnehmender Ankerfrequenz) wird sein Schlupf gegen den Anker geringer, seine absolute Geschwindigkeit entsprechend der Betriebsfrequenz größer. Die Stromwendung bei dem Frequenzwandler macht ebenfalls keine Schwierigkeiten, weil wiederum die auftretende Spannung, nämlich die Hilfsfeldspannung, sehr niedrig gehalten werden kann. Denn auch diese Spannung hat nur Ohmsche Widerstände (im Stromkreis der Wendepol- go ■wicklung) zu überwinden. Sie kann z. B,. in einem zwischen Hauptmaschine und Frequenzwandler eingeschalteten kleinen Umspanner herabgewandelt oder auch dadurch begrenzt werden, daß man sie aus einer am Läufer der Hauptmaschine angeordneten besonderen Hilfswicklung von geringer Windungszahl entnimmt. In diesem Falle kann man den Frequenzwandler mit der Hauptmaschine unmittelbar durch deren Welle hindurch verbinden, wenn man ihn auf diese setzt. Andernfalls sind an der Hauptmaschine und am Frequenzwandler Schleifringe nötig. Man erreicht im übrigen mit der Verwendung eines Frequenzwandlers noch den weiteren Vorteil, daß sich durch Verstellen seiner Stromwenderbürsten auch die Phasenlage der Hilfsfeldspannung beliebig einregeln und hiernach die Wendepolwicklung an der Hauptmaschine vereinfachen läßt.

Bild 2 stellt ein durch den Frequenzwandler vervollkommnetes Ausführungsbeispiel dar. Für die Hauptmaschine C, die zugehörige Wechselstromerregermaschine B und Gleichstromerregermaschine A gelten im wesentliehen die bereits gegebenen Erläuterungen. Die Ständerspannung ist jedoch an den Enden der Kompensationswicklung 7 selbst abgenommen und wird zunächst in einem kleinen Umspanner F weitgehend herabgesetzt. Dessen Übersetzungsverhältnis kann auf beliebige, bekannte Weise veränderlich sein (ange-

deutet durch Anzapfungen). Hierdurch' oder auch mit vorgeschalteten Widerständen läßt sich die Erregung der Hilfsmaschine D und damit die Wendefeldspannung, unbeschadet ihrer Abhängigkeit von der Hauptfeldstärke und Frequenz am fertigen Maschinensatz, ihrer absoluten Größe nach abstimmen, nötigenfalls auch im Betriebe nachregeln. Von dem Umspanner F gelangt die ίο herabgewandelte Spannung über die zweckmäßig verstellbaren Bürsten 15 zum Gleichstromanker 16 der Hilfsmaschine D, deren Läufer mit dem Hilfsläufer 1 der Wechselstromerregermaschine B mechanisch gekuppelt ist. Die Wirkungsweise der Maschine D ist die gleiche wie nach Bild 1.

Die Lauf er spannung der Hauptmaschine wird an festen Punkten ihres Ankers 2 mit dessen Frequenz abgenommen und über Schleifringe 3 ebenfalls zu einem kleinen Umspanner G (mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis) geführt. Durch willkürliches Ändern der jeweils hieraus gewonnenen Spannung läßt sich auch der Wendepolerregerstrom, unbeschadet seiner Abhängigkeit von der Hauptfeldstärke und der Frequenz, am fertigen Maschinensatz seiner absoluten Stärke nach abstimmen, nötigenfalls auch im Betriebe nachregeln. Von dem Umspanner G gelangt die weitgehend herabgesetzte Spannung von Ankerfrequenz über Schleifringe 19 zu festen Punkten am Anker 20 des Frequenzwandlers E₁ der mit dem Läufer der Hauptmaschine C mechanisch gekuppelt ist. Nach Umformen auf Betriebsfrequenz wird dann die so gewonnene Hilfsfeldspannung in geeigneter Phasenlage an verstellbaren Bürsten 21 abgenommen und durch die Ständerwicklung 12 von Maschine!) der Wendepolwicklung 14 an der Hauptmaschine zugeführt (Umspanner H bleibe zunächst außer Betracht). Von den Zuleitungen zu Wicklung 14 führt ein Abzweig über einen kleinen Widerstand 11 zum Abstimmen der Hilfsfeldspannung und über die zweckmäßig verstellbaren Bürsten 17 zu der zweiten Stromwenderwicklung 18 des Läufers von D, die zur Kompensation des Stromes in der Wicklung 12 dient.

Nach Bild 2 soll die Hauptmaschine C auch eine bekannte, vom Hauptstrom durchflossene Wendepolwicklung 5 zur Unterdrückung der Reaktanzspannung besitzen. Das Wendefeld setzt sich dann aus zwei Komponenten zusammen, von denen die eine dem bislang allein betrachteten Wendefeld zur Aufhebung der Transformatorspannung entspricht, die zweite zur Unterdrückung der Reaktanzspannung dient. Diese zweite Wendefeldkomponente würde ebenfalls transformatorisch auf den Stromkreis der Wicklung 14 wirken und eine. zweite Wendefeldspannung erzeugen. Diese Wendefeldkomponente ist vom Hauptstrom hervorgerufen und diesem annähernd verhältnisgleich. Um ihre Wirkung auf den Stromkreis der Wicklung 14 auszugleichen, kann man den Hauptstrom durch eine zweite offene Phasenwicklung am Ständer der Maschine D von solcher Anordnung und Bemessung leiten, daß er hier die entgegengesetzte transformatorische Wirkung auf den Stromkreis der Wicklungen 12 und 14 ausübt wie in den Wendepolen. Die umgekehrte Wirkung auf den Hauptstromkreis gleicht sich zwar an den beiden Stellen nicht aus, weil' dabei in den Wendepolen noch das Hauptfeld beteiligt ist. Diese Wirkung ist aber zu vernachlässigen, denn sie ist sehr klein im Verhältnis zu den übrigen Einflüssen, die auf den Hauptstrom einwirken und seine Stärke und Phasenlage bestimmen. Um den Hauptstrom mit seinen unter Umständen hohen Phasenspannungen nicht in die Hilfsmaschine D einführen zu müssen, kann man jenen Ausgleich auch in einem kleinen Umspanner H bewirken, wie im Bild 2 dargestellt. Die eine Wicklung 6 dieses Umspanners ist in den Hauptstromkreis, die andere Wicklung 13 in den Stromkreis der Wendepolwicklung 14 derart eingeschaltet, daß die transformatorische Wirkung des Häuptstromkreises auf den zweiten Stromkreis hier entgegengesetzt derjenigen in den Wendepolen ist. Man kann schließlich im Sinne der Erfindung zu dem gleichen Zweck auch die Erregung der Hilfsmaschine D durch den Hauptstrom beeinflussen, indem man statt des Stromkreises der Wicklung 14 den vom Umspanner F zum Anker 16 führenden Stromkreis (unter Berücksichtigung der Phasenlage) über den Umspanner H leitet. In dem letzteren Stromkreis überlagern sich dann die Sekundär spannungen der Umspanner/⁷ und H; ihre Resultierende wird im Anker 16 in eine entsprechende Gleichspannung zur Erregung der Maschine D umgeformt.

Bild 3 zeigt in schematischer Darstellung noch eine vorteilhafte Ausführungsmöglichkeit für die Maschinen D und E, woraus eine grundsätzliche Vereinfachung hergeleitet wer- no den kann. Der Frequenzwandler E, der im allgemeinen kleiner ausfällt als die Maschine D, ist mit dieser baulich vereinigt, indem der Läufer von D als Zwischenläufer zwischen dem Ständer mit der Wicklung 12 und dem Frequenzwandleranker 20 angeordnet ist. Dieser Zwischenläufer trägt außen die beiden Gleichstromankerwicklungen 16 und 18 und an seinen Enden die zugehörigen Stromwender 23 und 24. Er ist über eine Hohlwelle 22 in beliebiger Weise mit dem Hilfsläufer 1, der Anker 20 mit dem Strom-

wender 26 über die von der Hohlwelle 22 umschlossene Welle 25 mit dem Anker 2 der Hauptmaschine C gekuppelt. Mit seiner Innenseite kann der Zwischenläufer den Anker 20 eng umhüllen und zum magnetischen Schluß für diesen benutzt werden, zumal wenn demselben die Ankerfrequenz über die Schleifringe 19 zugeführt und die Betriebsfrequenz am Stromwender 26 entnommen wird, sein Drehfeld sich daher entsprechend der Betriebsfrequenz und damit entsprechend dem Zwischenläufer bewegt.

In diesem Falle läßt sich nun mit einem Bürstensatz, der an dem Zwischenläufer be-

X₅ festigt ist, also mit ihm umläuft und auf dem Stromwender 26 des Ankers 20 schleift, diesem unmittelbar die Gleichspannung entnehmen, die man zur Erzeugung des Kompensationsstromes in der Maschine D benötigt.

Man kann also den Stromwender für die Kompensationswicklung der Maschine D ersparen, wenn man diese mit einem Bürstensatz verbindet, der die Bewegung des Zwischenläufers mitmacht und auf dem Stromwender des Frequenzwandlers 20 neben den hier stets erforderlichen feststehenden Bürsten 21 schleift. Die umlaufenden. Bürsten sind bekanntermaßen gegen die Fliehkraft zu sichern. Für sie wie für die zugehörige Wicklung an dem Zwischenläufer wird zweckmäßig eine mehrphasige Ausführung gewählt, damit die Achse des kompensierenden Feldes stets der Phasenlage der Wechselspannung entspricht, aus der der Kompensationsstrom gewonnen wird.

Claims (10)

1. Patentansprüche:

   i. Wendepolerregung für Mehrphasenstromerzeuger, die mit zumindest annähernd gleichbleibender Antriebsgeschwindigkeit arbeiten und in weiten Grenzen veränderliche Frequenz liefern, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Stromkreis der zur Aufhebung der Transformatorspannung dienenden Wendepolwicklung (14) mittels einer Hilfsmaschine (D) mit Phasenanker und gleichstromerregtem Feld eine selbsttätig veränderliehe Spannung zum Ausgleich der transformatorischen Wirkung des Wendefeldes (das ist des die Wendepolwicklung durchflutenden Gesamtfeldes) auf die Wendepolwicklung dadurch erzeugt wird, daß die Erregergleichspannung für die Hilfsmaschine mit der Stärke des Wendefeldes veränderlich, insbesondere durch Umformung einer vom Ständer der Hauptmaschine (Mehrphasenstromerzeuger C) abgeleiteten mehrphasigen Wechselspannung gewonnen und der Schlupf zwischen Feld und Anker der Hilfsmaschine der jeweiligen Frequenz verhältnisgleich ist, während der Wendepolerregerstrom in demselben Stromkreis durch eine vom Läufer der Hauptmaschine abgeleitete Spannung erzeugt wird.
2. 2. Wendepolerregung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als umlaufender Feldmagnet für die Hilfsmaschine (D) ein mit einer der Frequenz verhältnisgleichen Umlaufzahl angetriebener Gleichstromanker (16, 23) dient, dem über — zweckmäßig verstellbare — Mehrphasenbürsten (15) eine vom Ständer der Hauptmaschine (C) abgeleitete Wechselspannung zugeführt wird.
3. 3. Wendepolerregung nach Anspruch r und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Ständer der Hauptmaschine abgeleitete Spannung vor Zuführung zu dem Feldmagneten der Hilfsmaschine in einem Umspanner (F), zweckmäßig einem solchen mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis, herabgewandelt wird.
4. 4. Wendepolerregung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer der Hilfsmaschine (D) mit einer zweiten Gleichstromankerwicklung (18) versehen ist, und dem zugehörigen Stromwender (24) über — zweckmäßig verstellbare — Mehrphaseribürsten (17) die zur Erzeugung des Wendepolerregerstrom.esbenutzte, vom Läufer der Hauptrnaschine abgeleitete, nötigenfalls herabgewandelte Spannung zugeführt wird.
5. 5. Wendepolerregung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer der Hilfsmaschine (Gleichstromanker 16-23, 18-24) mechanisch mit dem umlaufenden gleichstromerregten Feldmagnet (Hilfsläufer i) einer die Hauptmaschine mit veränderlicher Frequenz erregenden Wechselstrommaschine (Synchronmaschine B) gekuppelt ist, der durch seine Umlaufzahl die Betriebsfrequenz des Systems bestimmt.
6. 6. Wendepolerregung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung zur Erzeugung des Wendepolerregerstromes an festen Punkten der Ankerwicklung (2) der Hauptmaschine oder aus einer Hilfswicklung auf deren Läufer entnommen und die gewonnene Wechselspannung von Ankerfrequenz in entsprechende Wechselspannung von Betriebsfrequenz umgeformt wird, insbesondere in einem Gleichstromanker (Frequenzwandler E), dessen Umlauf zahl der Antriebsgeschwindigkeit der Hauptmaschine verhältnisgleich ist und dem die Ankerfrequenz, nötigenfalls über Schleif-

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   ringe, an festen Punkten seiner Ankerwicklung (20) . zugeführt, die Betriebs-• frequenz an seinem Stromwender (26) über — zweckmäßig verstellbare — Mehrphasenbürsten (21) entnommen wird, oder umgekenrt.
7. 7. Wendepolerregung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Läufer der Hauptmaschine entnom-

   to mene Wechselspannung von Ankerfrequenz in einem Umspanner (G), zweckmäßig einem solchen mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis, herabgewandelt wird.
8. 8. Wendepolerregung nach Anspruch 1 bis 3 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei konzentrischer Anordnung der Hilfsmaschine (D) und des Frequenzwandlers (E), und zwar innen angeordnetem Frequenzwandler, auf dem Stromwender des letzteren ein zweiter Bürstensatz schleift, der an dem Läufer der ersteren befestigt ist, dessen Drehung mitmacht und dem Frequenzwandleranker einen Gleichstrom entnimmt, der in der hierzu vorgesehenen (stromwenderlosen) Wicklung jenes Läufers den durch die zugehörige Phasenankerwicklung (12) fließenden Strom kompensiert.
9. 9. Wendepolerregung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein einer vom Betriebsstrom der Hauptmaschine durchflossenen Wendepolwicklung (5) der Ständerstromkreis der Hauptmaschine über eine zweite, offene Phasenankerwicklung am Ständer der Hilfsmaschine (D) von solcher Anordnung und Bemessung geführt ist, daß hier die transformatorische Wirkung des Hauptstromes auf den Stromkreis der zweiten vorhandenen, fremderregten Wendepolwicklung (14) die transformatorische Beeinflussung der letzteren durch die vom Betriebsstrom durchflossene Wendepolwicklung ausgleicht.
10. 10. Wendepolerregung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein einer vom Betriebsstrom der Hauptmaschine durchflossenen Wendepolwicklung (5) der Ständerstromkreis der Hauptmaschine über die eine Wicklung (6) eines Umspanners (H) geführt ist, dessen andere Wicklung (13) in den Stromkreis der zweiten vorhandenen, fremderregten Wendepolwicklung (14) eingeschaltet und so bemessen ist, daß die transformatorische Wirkung des Hauptstromkreises auf den zweiten Stromkreis in dem Umspanner diejenige in den Wendepolen ausgleicht.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen