DE653299C - Anordnung zur Abgabe bzw. Aufnahme eines im wesentlichen konstanten Gleichstromes, bestehend aus einer selbsterregten mehrphasigen Synchronmaschine mit zwei unabhaengig voneinander erregten Feldkomponenten, deren Achsen gegeneinander versetzt sind, und einem Gleichrichter - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Abgabe bzw. Aufnahme eines im "wesentlichen konstanten Gleichstroms, bestehend aus einer selbsterregten mehrphasigen Synchronmaschine mit zwei unabhängig voneinander erregten Feldkomponenten, deren Achsen gegeneinander versetzt sind, und einem Gleichrichter. Es ist bereits vorgeschlagen worden, zu diesem Zweck die eine FeIdkomponente mit einem im wesentlichen konstanten, von der Arbeitsspannung im Gleichstromkreis unabhängigen, "die andere, gegen

die erste um—versetzte Feldkomponente «mit

einem im Verhältnis zur Arbeits Spannung im Gleichstromkreis veränderlichen Gleichstrom zu erregen. Die Erfindung bezweckt, bei einer in dieser Weise betriebenen Maschine ein nachgiebiges Verhalten bei Belastungsänderungen zu erzielen, und demgemäß werden durch eine umlaufende Schaltvorrichtung die Phasen in der Weise mit den Anoden des Gleichrichters periodisch verbunden, daß jeweils diejenigen Phasenwicklungen in den Stromkreis eingeschaltet werden, deren Kraftflüsse der mit konstantem Gleichstrom erregten Feldkomponente entgegenwirken. Auf diese Weise ist erreicht, daß man die Maschine mit Sicherheit auf dem veränderlich einstellbaren Drehzahlwert halten kann.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt.

Fig. ι bis 3 beziehen sich auf eine Maschine mit Dreiphasenwicklung, Fig. 4 bis 7 auf Maschinen mit Vierphasenwicklung; Fig. 8 ist ein Schaltschema zur Erläuterung des Übergangs vom Motor- zum Generatorbetrieb und umgekehrt.

Bei der ersten Ausführunigsform ist in Fig. ι der Anker der Maschine mit einer in Stern geschalteten Dreiphasenwicklung 1, 2, 3 versehen. Die Felderregung besteht aus zwei

um—gegeneinander verschobenen Feldern, die .,.

in dem gezeichneten Ausführungsbeispiel durch zwei gesonderte Wicklungen 8 und 9 erregt werden, von denen die Wicklung 8 die induzierende und die Wicklung 9 die kompensierende Wicklung darstellt. Die kompensierende Wicklung 9 ist in die Verbindung des einen Pols des Gleichstromnetzes 7 mit dem Sternpunkt 4 der Dreiphasenankerwicklung geschaltet. Die induzierende Wicklung 8 ist unter Vorschaltung eines Regelwiderstandes 10 an die Netzspannung gelegt. Die Stromzuführung zu den Wicklungen 8 und 9 erfolgt über nicht dargestellte Schleifringe und Kontaktbürsten. Die äußeren Klemmen i, 2, 3 der Dreiphasenwicklung stehen

mit den entsprechenden Anoden ι, 2, 3 eines Ventilsystems mit gemeinsamer Kathodes über eine Schaltvorrichtung in Verbindung, die die Phasen mit den Anoden periodisch verbindet. Die Schaltvorrichtung besteht ausdrei gleichachsig angeordneten Walzen 11, 13, 15. Jede Walze ist mit je einem Kontaktsegment 17, 19, 21 versehen, die mit den Ankerphasen über Schleifringe und Kontaktbürsten verbunden sind. In der Fig. 1 sind die Walzen 11, 13, 15 nebeneinander dargestellt, um die Verbindungsleitungen deutlich darstellen zu können. In Wirklichkeit sind die Walzen aber gleichachsig angeordnet mit hintereinanderliegeiLden Siegmenten 17, 19, 21. Die den Phasen 1, 2, 3 der Drehstrcxmwicklung entsprechenden, Andöen 1, 2, 3 des Ventilsysteme sind an Kontaktbürsten E₁, B₂, -B₃ angeschlossen, die den Schaltwalzen 11, 13,15 zugeordnet und um 120⁰ gegeneinander versetzt angeordnet sind, so daß sie eine Verbindung der Ankerphasen 1, 2, 3 mit den zugehörigen Ventilanoden derart herstellen, daß stets nur diejenigen Phasenwicklungen in den Stromkreis eingeschaltet werden, deren Kraftflüsse der mit konstantem Gleichstrom erregten, kompensierenden Feldkomponente entgegenwirken. Der Antrieb der Schaltvorrichtung wird weiter unten erläutert. In Fig. 2 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Schaltvorrichtung abgewickelt dargestellt. An Stelle einer einzigen Schaltwalze ist hier jeder Phase ein Paar von Schaltwalzen 11, 12 bzw. 13, 14 bzw. 15, 16 zugeordnet. Jede Sohaltwalze ist mit je einem Kontaktsegment 17 bis 22 versehen. Die Bürsten S₁ bis -B₃ sind hier nicht mit den Anoden des Ventilsystems verbunden, mit denen vielmehr die Kontaktsegmente 18, 20, 22 der zusätz-4.0 liehen Schaltwalzen 12, 14, 16 in Verbindung stehen. Die Bürsten haben hier nur die Aufgabe, in den richtigen Zeiten eine Verbindung zwischen den zugehörigen Kontäktsegmentpaaren herzustellen. Beispielsweise verbindet in der gezeichneten Stellung die Bürste B₁ gerade die Kontaktsegmente 17, 18 und die Bürste B₃ die Kontaktsegmente2i, 22, während die Kontaktsegmente 19 und 20 miteinander nicht verbunden sind. Ersichtlich entspricht diese Stellung genau der in Fig. 1 dargestellten Stellung der einfacheren Ausführung der Schaltvorrichtung. Beide Male stehen in der gezeichneten Stellung der Schaltvorrichtung die Ankerphasen 1 und 3 mit den zugehörigen Anoden in Verbindung, während die Verbindung zwischen der Ankerphase 2 und ihrer Anode unterbrochen ist. Fig. 3 zeigt den Verlauf der Phasenströme.

Bei dem in Fig. 4 bis 6 dargestellten Äusführungsbeispiel ist die Maschine in ein Gleichstromnetz von konstanter oder wenigstens nahezu konstanter Stromstärke eingeschaltet. Die Maschine ist hier als Vierphasenmaschine dargestellt und besitzt einen Vierphasenanker mit den Wicklungen i, 2, 3, 4 mit gemeinsamem, durch einen Kreis 0 angedeuteten Sternpünkt. Die kompensierende Wicklung 9 ist zwischen diesen Sternpunkt und die Gleichstromleitung 7 mittels nicht gezeichneter Schleifringe o. dgl. geschaltet. Die induzierende Wicklung 8 erhält ihren Strom z. B. aus einer Akkumulatorenbatterie 23 o. dgl., gegebenenfalls unter Einschaltung einer Regelvorrichtung und einer Umschaltvorrichtung 24. Die Außenpunkte der Phasenwicklungen 1 bis 4 sind mit den entsprechenden Anoden des Ventilsystems mit gemeinsamer Kathode 5 über eine Vierfachschalt-■ walze 25 verbunden, die vier Paare von Kontaktsegmenten trägt, von denen jedes Paar mit entsprechenden Ankerphasen und Ventilanoden verbunden ist und in der richtigen Stellung durch die Kontakthürsten B in Verbindung gebracht wird. Die Ventilanode 5 ist an die positive Gleichstromleitung 7 angeschlossen. Der Verlauf der Phasenströme ist in Fig. 5 dargestellt. Fig. 6 ist ein Diagramm, das gleichfalls den Stromverlauf darstellt, und zwar erhält man den jeweiligen Stromwert in jeder Phase durch die Schnittpunkte von vier Innenkreisen 1, 2, 3, 4 mit einem umlaufenden Halbmesser des Außenkreises K. In der ausgezogen dargestellten Lage schneidet der· Halbmesser die Kreise 1 und 4 in ihrem außerhalb des Mittelpunktes des Kreises K gelegenen Schnittpunkt, d. h. in den Phasen ι und 4 fließt in diesem Augenblick der gleiche Strom, was in Fig. 5 durch die mit X bezeichnete Ordinate angedeutet ist. Die Phasen 2 und 3 sind bei dieser Stellung der Schaltvorrichtung stromlos. Es sind noch zwei weitere Stellungen durch die punktiert gezeichneten Halbmesser Y und Z angedeutet, für die auch in Fig. 5 die entsprechenden Ordinaten punktiert eingezeichnet sind.

Fig. 7 zeigt eine vereinfachte Ausführung der Schaltvorrichtung für eine Maschine nach Fig. 4, die sich insbesondere bei niedrigen Spannungen eignet. Jede der Ankerphasen 1, 2, 3, 4 ist zu einer mit der entsprechenden Zahl bezeichneten Bürste geführt. Die Bürsten 1 und 3 sind, um l8o° versetzt, am Umfang einer Schaltwalze 26 mit einem Kontaktsegment 27 angeordnet, das über einen Schleifring und Kontaktbürste mit der einen Anode eines zweianodigen Ventilsystems verbunden ist. Analog sind die Ankerphasen 2 und 4 zu Kontaktbürsten 2 und 4 geführt, die, um 180° versetzt, am Umfang einer Schaltwalze 28 mit Kontaktsegment 29 angeordnet sind, das mit der anderen Anode des zweianodigen Ventilsystems verbunden ist. Die

nebeneinandergezeichneten Schaltwalzen 26 und 28 sind in der tatsächlichen Ausführung gleichachsig mit hintereinandergelegenen Kontaktsegmenten 27 und 29 angeordnet, beispielsweise auf der Welle der Mehrphasenmaschine oder auf einer besonderen Welle, die ihren Antrieb von der Welle der Mehrphasenmaschine ableitet.

Durch die beschriebenen Anordnungen ist erreicht, daß die benachbarten ,und gleichzeitig stromführenden Phasenetromkreise ohne gegenseitige Berührung bis zur Kathode 5 des Ventilsystems geführt sind, so daß eine stromführende Kurzschließung vermieden ist. Gleichzeitig ist die wichtige Bedingung erfüllt, daß die Unterbrechung der Kontakte beim Ablauf der Bürsten stets in stromlosem Zustand der zugehörigen Phase erfolgt, wodurch eine funkenlose Unterbrechung gesichert ist.

Die Anordnungen der beschriebenen Art sind sowohl als Motor als auch als Generator verwendbar. Sie sind in ihrer Drehrichtung umkehrbar und können bezüglich der Drehzahl des Motors und der Spannung des Generators weitgehend geregelt werden.

Um die Vorgänge in den Phasenwicklungen der beschriebenen Anordnungen näher zu erläutern, möge ein Anwendungsbeispiel zugrunde gelegt werden, welches die praktisch zweckmäßige Betriebsart darstellt. Es ist dies der Betrieb einer Anordnung mit Strom konstanter Stärke und mit bedarfsmäßig veränderlicher Spannung, und zwar als Generator mit annähernd gleichbleibender Drehzahl, als Motor mit veränderlicher Drehzahl und gegebenenfalls mit Umkehrung der Drehrichtung. In der Fig. 8 ist das Schaltschema der Maschine für vier Phasen übereinstimmend mit der Anordnung nach den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt. Im Läufer bedeutet die Linie 9 die Achse des kompensierenden Feldes F_K, dessen momentane Richtung durch den Pfeil angedeutet ist, und die Linie 8 'die Achse des induzierenden Feldes F» dessen gleichzeitige Richtung durch die entgegengerichteten Pfeile, für die Generatorwirkung -j- Ff und für die Motorwirkung—F₁ bezeichnet ist. 0 ist der Nullpunkt der vier Phasenwicklungen, und 25 deutet die Schaltvorrichtung an, welche mit den Feldern umläuft und im dargestellten Augenblick die Phase 1 mit der zugehörigen Anode des Gleichrichters verbindet.

In dem Verfahren für den vorstehend bezeichneten Zweck wird das kompensierende Feld durch Gleichstrom gleichbleibender Stärke entweder fremderregt oder vom gleichgerichteten und durch eine. Kathodendrossel geglätteten Eigenstrom erregt, in jedem Falle mit einer MMK, die hinreicht, daß die Induktion dieses Feldes den Strom der gewünschten Stärke hervorbringt. Die vom kompensierenden Feld induzierten Spannungen überwinden die Impedanz, d. i. bei höheren Drehzahlen die weit überwiegende Reaktanz der Ankerwicklungen. Die daraus resultierenden Phasenströme sind Magnetisierungsströme, und ihre Kraftflüsse stellen sich phasenverschoben in Gegenrichtung zu dem Feld F_K ein. -

Das induzierende Feld F_t wird, wenn die Anordnung als Generator arbeiten soll, in dem Sinne erregt, daß ein gegen F% nacheilender Kraftfluß entsteht, welcher mit dem resultierenden Ankerstrom ein hemmendes Drehmoment in der günstigsten Winkelstellung erzeugt. Die von dem Feld -f- F₁ induzierten Spannungen sind phasengleich mit den Strömen, ihr Produkt stellt eine positive, d. h. stromliefernde Wirkleistung der Maschine dar. Die Größe der Leistung wird bei konstanter Drehzahl und Stromstärke von der Höhe der Spannung, also von der Stärke des Feldes + F₁, bestimmt. Wie aus dem Schema · der Fig. 8 zu entnehmen ist, wirkt die Induktion des Feldes + Fi in Gegenrichtung zu der Feldachse F^ und kann in der Phase 1 Strom durch den Gleichrichter vom Nullpunkt bis zur Kathode senden. Hingegen kann auch bei unmittelbarer Verbindung der Phase 3 mit ihrer Anode die von der Kathode zur Anode wirkende Spannung keinen Strom entwickeln. Für diesen Fall, wenn die Anordnung als Stromerzeuger arbeitet, ist daher die Schaltvorrichtung überflüssig, wie die viel verwendete Gleichrichtung gezeigt hat. Voraussetzung ist, daß die Reaktanz der Ankerströme die Ohmschen Widerstände möglichst weit überwiegt, was bei höherer Drehzahl insbesondere der Innenpol- und Vollpolanordnung zutrifft.

Anders ist die Wirkungsweise der Anordnung, wenn sie bei umgekehrter Erregung des induzierenden Feldes — F₁ als Motor arbeitet. Die Erregung und Induktionswirkung des kompensierenden Feldes F^ sind, um den Leerlaufstrom konstanter Stärke hervorzubringen, welcher energielos an den Enden des inneren Stromkreises, dem Nullpunkt und der Kathode keine Potentialdifferenz aufwejst, gleich wie vorher. Der konstante Strom erfährt keine Änderung, wenn der Innenstromkreis kurzgeschlossen wird, auch nicht, wenn von außen der Betriebsstrom derselben Stärke zugeführt wird. Solange dieser Strom spannungslos bleibt, werden die Stärke und die Verteilung der Phasenströme im Anker keine Änderung erfahren. Erst die negative Erregung des induzierenden Feldes läßt das krafterzeugende Drehmoment entstehen; die Drehung dieses Feldes induziert Spannungen in den Phasen in Gegenrichtung zu dem Strom

in Phase ι. In diesem Falle wird in der gegenüberliegenden Phase 3 ebenfalls eine Spannung induziert, und zwar in einer Richtung, welche von dam Nullpunkt zu der Anode führt (die Schaltvorrichtung sei vorläufig als nicht vorhanden gedacht). Es könnte in dem Stromkreis der Phase 3 ein Strom entstehen, welcher Verschiebungen und Schwächungen der einzelnen Leistungskomponenten verursachen kann. Diese Störung im Anker der Maschine kann vermieden werden, wenn man durch die synchron umlaufende Schaltvorrichtung, wie beschrieben, jedesmal die Verbindung der Phase, deren Kraftfluß in der Richtung des Kraftflusses von F^ liegt, mit der zugehöri- - gen Anode, in dem dargestellten Falle der Phase 3 zur Anode 3, unterbricht.

Im vorstehenden wurde vorausgesetzt, daß die Anordnung auch als Motor mit höheren Drehzahlen arbeitet. Bei abnehmender Drehzahl nimmt die Reaktanz des Ankers ab, und die induktionsfreien Widerstände kommen zur Geltung, so daß der von außen zugeführte Betriebsstrom mit anderer Verteilung, bei Stillstand sogar mit gleichmäßiger Verteilung durch die Phasenwicklungen fließt. Dadurch würden das Drehmoment und die Motorwirkung gestört. Hier hat die Schaltvorrichtung die Aufgabe, während des Laufes im Einklang mit der jeweiligen Drehzahl der Maschine unerwünschte Verbindungen zwischen den Phasen und den Anoden zu sperren und dem Strornfhiß immer die Wege offen zu halten, die für die Entstehung des Drehmomentes erforderlich sind.

Die beschriebene Steuerung der Phasen in bezug auf die Verbindung mit den Gleichrichteranoden ist nach vorstehender Darstellung unerläßlich, wenn die Anordnung mit Mehrphasenwicklungen als Motor arbeitet und in allen Fällen, wenn sie mit geringer Geschwindigkeit oder gegebenenfalls mit umgekehrter Drehrichtung betrieben wird.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Anordnung zur Abgabe bzw. Aufnahme eines im wesentlichen konstanten Gleichstromes, bestehend aus einem Gleichrichter und einer selbsterregten mehrphasigen Synchronmaschine mit zwei unabhängig voneinander erregten Feldwicklungen,

   deren Achsen um — gegeneinander versetzt sind, und von denen die eine Wicklung mit einem im wesentlichen konstanten, von der Arbeitsspannung im Gleichstromkreis unabhängigen, die andere Wicklung mit einem im Verhältnis zur Arbeitsspannung im Gleichstromkreis veränderlichen Gleichstrom erregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine umlaufende Schaltvorrichtung vorgesehen ist, durch die die Phasenwicklungen der Synchronmaschine in der Weise mit den Anoden des Gleichrichters periodisch verbunden werden, daß jeweils diejenigen Phasenwicklungen in den Stromkreis eingeschaltet werden, deren Kraftflüsse der.mit konstantem Gleichstrom erregten Feldkomponente entgegenwirken.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen