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Kompensationsschaltung für Wechselstrom- und Drehstrom-Kommu.tatormaschinen
Bei Kommutatormaschinen treten in den kommutierenden Ankerwindungen Kurzschlußströme
auf, die sich über die Kontaktflächen der Kohlebürsten schließen. Zur Verminderung
der Kurzschlußströme sind bekanntlich Schaltungen entwickelt worden, bei denen die
normalen Bürsten in schmälere, nebeneinander angeordnete und über Ohmsche oder induktive
Widerstände verbundene Einzelbürsten aufgeteilt sind.
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Bei '\N'ech selstrom- und Dre@hstrom-Kommutatormaschinen ergibt sich
die günstigste Lösung, wenn die induktiven Widerstände als Stromteiler ausgeführt
werden. Jedoch gestatten die bekannten Schaltanordnungen dieser Art nur, die über
die Stromteiler umgeleiteten Kurzschlußströme zwischen den Bürsten weitgehend zu
begrenzen, während sieh sogenannte direkte Kurzschliußströme unter den Einzelbürsten
unvermindert ausbilden können. Die von den direkten Kurzschlußströmen durchflossenen
Ankerwicklungen erzeugen magnetische Felder, die das Erregerfeld ,der ,Maschine
schwächen und seine Phasenlage gegen den Ankerstrom verschieben, ferner treten erhöhte
Verluste und stärkere Funkenbildung auf. Damit sinkt die Leistung ,der Maschine,
und ihr Drehmoment schwankt periodisch zwischen positiven und negativen Werten.
Gelingt es daher, außer den umgeleiteten Kurzschlußströmen auch die direktenKurzschlußströme
zu begrenzen und ihre Rückwirkungen auf das 1-1aiiptfel,d aufzulheben, so lassen
sich die Maschinen besser ausnutzen, es verschwindet das bekannte Rattern mit seinen
unerwünschten Ne#benerscheinungen, das z. B. beim Anlaufen stark belasteter @,#'ec'hselstrommotoren
aufzutreten pflegt,
die Kommutierung wird besser, und der Verschleiß
sinkt.
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Erfindungsgemäß werden die schädlichen Einflüsse der Kurzsc hlußströme
dadurch beseitigt, daß man in ,der Ankerwicklung mit Hilfe besonders geschalteter
Stromteiler Kompensationsströme geeigneter Größe, Phasenlage und Kurvenform erzeugt
und hierdurch di.e spezifische Strombelastung der Bürstenkontakte senkt sowie die
von den Kurzsch.'lußströmen herrührenden magnetischen Durchflutungen aufhebt. Der
'Grundgedan'ke der letztgenannten Wirkung soll an Hand der Fig.,1 näher erläutert
werden.
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Die elektrisch und mechanisch getrennten Teilbürsten B1 und B2, von
denen jede eine vollständige Gruppe parallel geschalteter Einzelbürsten gleicher
Polarität veranschaulichen soll, sind an - einem Stromteiler S angeschlossen, der
den umgeleiteten Kurzschlußstrom zwischen den Bürsten begrenzt. Der Anl<#erwsclzlung
fließt der gesamte Arbeitsstrom J beiderseitig je zur Hälfte zu, verteilt sich über
die Bürsten und vereinigt sich wieder im Stromteiler. Die Bürsten sind ferner mit
den direkten Kurzschlußströrnen Jk belastet, da sie Teile der @nkerwiclclung über
die Kommutatorstege i und :2 bzw..4 und 5 kurzschließen. Um die von den Strömen
Jj, erzeugten Kraftflüsse aufzuheben, wird der Ankerwicklung über die Bürsten ein
so bemessener Kompensationsstrom T;, zugeführt, daß sich mit den von ihm .durchflossenen
Ankerwindungen eine gleich große und entgegengesetzt gerichtete magnetische Durchflutung
ergibt.
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Die notwendige Phasenlage des Kompensationsstromes J3 hängt davon
ab, ob die Kurzschlußströme durch eine transformatorische Spannung, durch eine nicht
aufgehobene Stromwendespannung oder durch eine Drefspannung, wie sie z. B. bei übersynchronem
Lauf von Repulsionsmotoren auftritt, verursacht sind. Zur Anpassung .der Phasenlage
an die Jeweils vorliegenden Verhältnisse wird der Strom I3 aus zwei gesondert einstellbaren
Komponenten zusammengesetzt, von denen eine in Phase mit dem Arbeitsstrom liegt:
Die andere Komponente ist gegenüber dem Arbeitsstrom um 9o° verschoben. Sie beseitigt
die unerwünschte Phasenverschiebung zwischen dem Erregerfeld und dem Arbeitsstrom,des
Ankers.
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Die erstgenannte Komponente von J3 läßt sich dadurch erzengen, daß
man die induktiven Widerstände der Stromteilerwicklungen und damit die Arbeitsströme
in den Bürstenzweigen in einem bestimmten Ausmaß unsymmetrisch macht. Das kann z.
B. entsprechend Fig. i durch Verschiebung des Stromteilerntillpunktes mittels der
regelbaren Anzapfung A geschehen. In dem dargestellten Fall führt dann ,die Bürstengruppe
B1 einen Arbeitsstrom 1, = J/2-13, während über die Bürstengruppe B2 der
Arbeitsstrom J2 = J/2 -i-- J3 fließt.
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Ist zwischen den Kommutatorstegen eine transforrnatorischeSpannung
vorherrschend, so wird der Nullpunkt entsprechend Fig. i nach dem an die ablaufende
Bürstengruppe B2 angeschlossenen Stromteilerende hin verschoben. Hierdurch läßt
sich gleichzeitig der über den Stromteiler fließende umgeleitete restliche Kurzschlußstrom
kompensieren, der in diesem Fall dem Arbeitsstrom J1 gleichgerichtet und J2 entgegengesetzt
gerichtet ist. Damit hat man die Möglichkeit, den Stromteiler kleiner zu bemessen
und trotzdem schädliche Rückw irkungen auf die Verluste an den Kontaktflächen der
Bürsten zu vermeiden.
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Eine weitere Schaltung zur Erzeugung einer dem Arbeitsstrom des Ankers
gleichgerichteten Komponente von 1" ist in Fig. ? angegeben. Hier wird eine regelbare
Drosselspule D je nach der Drehrichtung des Ankers mittels des Umschalters der Wicklung
S1 oder S2 eines Stromteilers mit festem Nullpunkt parallel geschaltet. Die gleiche
Wirkung lä(3t sich erzielen, wenn man den Stromteilerw icklungen Drosselspulen wechselweise
vorschaltet oder entsprechend Fig.3 einen Kondensator C parallel schaltet, der zweckmäßig
über einen Transformator T angeschlossen wird. Der Kondensator liegt im Nebenschluß
zur Stromteilerwicklung S1, _ wenn letztere mit der vorlaufenden Bürstengruppe B1
verbunden ist.
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Ersetzt man die Drosselspule D nach Fig. .: durch einen Ohmschen Widerstand
R, so erhält der Kompensationsstrom 1, eine Komponente, die gegen den Arbeitsstrom
im Anker um 9o° phasenverschoben ist. J3 wird voreilend, wenn der Widerstand zu
der an die ablaufenden Bürstengruppen B, angeschlossene Stromteilerwicklung ,S2
parallel angeordnet ist, und nacheilend bei umgekehrter Schaltung. Fig. 4 zeigt
eine entsprechende Ausführung. die es gestattet, beide Komponenten von J3 beliebig
einzuregeln.
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Eine Kombination der bisher behandelten Schaltungen ist in Fig. 5
dargestellt. Hier werden zur Erzeugung des Kompensationsstromes ein Kondensator
C. eine Drosselspule D und ein mit ihr in Reihe -liegender Ohmscher Widerstand R
gleichzeitig benutzt. Die Ankopplung der Glieder an die Stromteilerwicklungen erfolgt
über Hilfstransformatoren T1 und T2. Das hat den Vorteil, daß die beim Wechsel der
Drehrichtung benötigte Umschalteinrichtung W hier für wesentlich kleinere Ströme
bemessen werden kann als die Schalter TI' der Anordnungen nach den Fig. -:J2 bis
4..
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In zahlreichen Fällen genügt es, die Komponenten des Kompensationsstromes
J3 in ein festes Verhältnis zueinander zu bringen, das bei allen Betriebzuständen
der Maschine konstant bleibt. Dagegen ist es erwünscht; beim Wechsel der Drehrichtung
gänzlidh ohne zusätzliche Umschalteinrichtungen TrF auszukommen. Dies wird durch
die in Fig. 6 angegebene Schaltung erreicht.
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Der Stromteiler besitzt .hier eine vom Betriebsstrom J der Maschine
derart durchflossene Zusatzwicklung Z, daß der Kraftfluß in der mit den vorlaufenden
Teilbürsten Bi verbundenen Stromteilerhälfte S, verstärkt wird. Damit steigt der
induktive Widerstand von S1, während die -Induktiv ität der Wicklung S@ abnimmt,
wodurch der Arbeitsstrom J2 größer als J1 wird. Den Stromteilerhälften sind ferner
Ohmsche Widerstände R1 und R2 vorgeschaltet,
die eine Phasenvoreilung
voll J2 gegenüber Ji verursachen. Die geometrische Differenz zwischen J2 und Ji
ergibt den Kompensationsstrom J. mit den beiden gewünschten Komponenten.
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Die Zusatzwicklung Z wird bei Repulsionsmotoren mit den Nullpunkten
der zueinander gehörigen Stromteiler verbunden und somit vom Ankerstrom durchflossen,
dessen Richtung sich bekanuntlich beim Wechsel der Drehrichtung des .Ankers umkehrt.
Bei Wechselstroni-Reihenschlußmotoren kann man die Zusatzw icklung Z mit der Wicklung
des Erregerfeldes in Reihe oder parallel schalten, wobei die Wicklung Z in letzterem
Fall mehr Windungen erhält, da sie nur von einem Teil des gesamten Betriebsstromes
J durchflossen wird. Auch hier erfordert ein Wechsel der Drehrichtung keine zusätzlichen
Umschalter am Stromteiler. Für die Phasenverschiebung der Teilströme 11 und
J2 lassen sich die Ohmschen Widerstände der Stromteiler- und Bürstenzuleitungen
mitbenutzen, so daß die Widerstände R, und R2 entsprechend kleiner bemessen werden
können.
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Der direkte Kurzschlußstrom Jk unter den Bürsten steigt meist stärker
als proportional mit dem Betriebsstrom J der Maschine. Um den Kompensationsstrom
J3 diesen Verhältnissen bei u--echselnder Belastung anpassen zu können, sind die
Ohmschen, indulztiveii und kapazitiven Nebenschlußwiderstände in den Schaltungen
nach den Fig.2 bis 5 regelbar. Bei der letztgenannten Anordnung genügt eine Regelung
von zwei Widerständen. Sie kann selbsttätig erfolgen, wenn man eine eisengesättigte
Drosselspule D und einen Ohinschen Widerstand R mit negativer Charakteristik vorsieht.
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auch bei Anwendung des in Fig. 6 dargestellten Prinzips, wo der Kompensationsstrom
vom Betriebsstrom gesteuert wird, ist eine selbsttätige Regelung möglich. Die entsprechende
Schaltung zeigt Fig.7. Der Erregerstrom der Zusatzwicklun- Z wird hier mittels einer
eisengesättigteil Drosselspule E verändert. Die Zusatzwicklung Z und die Drosselspule
E liegen im Nebenschluß zu einem induktiven Hilfswiderstand H, der bei Repulsionsmotoren
mit dein Anker und bei Reihenschlußmaschinen mit .der Feldwicklung in Reihe geschaltet
wird. Durch diese Anordnung läßt sich ferner die Kurvenform des Kompensationsstromes
J3 dem zeitlichen Verlauf des direkten Iurzschlußstroines angleichen, der wegen
der negativen Charakteristik des Kontaktwiderstandes der Bürsten mit steigendem
Strom spitzförmiger wird.
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1-lit wechselnder Drehzahl des Ankers ändert sich im allgemeinen die
Größe der direkten Kurzschlußströme, auch wenn der Betriebsstrom der Maschine konstant
bleibt, sei es, weil die Spannung zwischen den Kommutatorstegen andere Werte annimmt
oder «weil sich der Xontaktwiderstand der Bürsten mit der Drehzahl verändert. Die
Anpassun;g des Kompensationsstromes J3 all diese Betriebsverhältnisse erfolgt nach
Fig. 7 durch eine weitere Wicklung G auf dem Stromteiler, die von der Alikerspannung
gespeist wird. Der Wicklung Ü ist ein Ohmscher Widerstand R3 vorgeschaltet, der
zur Einstellung der notwendigen Phasenverschiebung dient. Die Richtung des j magnetischen
Kraftflusses der Wicklung G wird so gewählt, daß eine Schwächung des Kraftschlusses
der Wicklung Z eintritt, wenn es sich um eine Maschine handelt, bei der die direkten
Kurzschlußströme unter den Bürsten bei konstantem Betriebsstrom mit steigender Drehzahl
abnehmen. Im umgekehrten Fall verstärkt man mit der Wicklung G den Kraftfluß der
Wicklung Z. Wird letztere mittels eines Ohmschen Widerstandes R5 geshuntet, so kann
man ferner die Phasenlagen der Grund-und Oberwellen des resultierenden Kraftflusses
und damit auch die Phasenlage sowie ,die Kurvenform des Kompensationsstromes verändern.
Beim Wechsel der Drehrichtung ist keine Umschaltung erforderlich.
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Ähnliche Wirkungen wie die soeben beschriebenen lassen sich mit einer
Schaltung nach Fig. 8 erreichen, bei der seich jedoch Größe und Phasenlage .des
Kompensationsstromes J3 in unmittelbarer Abhängigkeit von der Spannung zwischen
den Kommutatorstegen selbsttätig einstellen. Zur Steuerung dient die Spannung zwischen
den Bürstengruppen Bi und B2, die der Stegspannung proportional ist. Hier wird ein
bei normalem Betriebsstram der Maschine im gekrümmten Teil der der Magnetisierungslinie
arbeitender Stromteiler verwendet, an den sekundärseitig ein aus dem Kondensator
Ci und der Drosselspule L bestehender Schwingungskreis angeschlossen ist.
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Der Kondensator C, ist im Gegensatz zu bekannten Schaltungen so bemessen,
daß ,die Wick-Iungen Si und S2 außer den Arbeitsströmen einen mit der Stegspannung
steigenden voreilenden Steuerstrom J, der Grundfrequenz führen. Dieser addiert sich
in der einen Stromteilerihälfte zum Arbeitsstrom, während er sich in der anderen
Hälfte subtrahiert. Fr läßt daher die induktiven Streuwiderstände der Stromteilerwicklungen
und damit die in den Bürstenzweigen fließenden Arbeitsströnie J1 und J2 unsymmetrisch
werden, so daß man wie bei den vorher beschriebenen S.chaltungeu den ge-viinschten
Kompensationsstrom J3 erhält. Die Grundeinstellung des erforderlichen Phasenwinkels
von J, erfolgt wieder durch die Widerstände Ri und R2. Beim Wechsel zier Drehrichtung
sind auch hier keine Umschaltungen erforderlich.
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Die transformatorische EMK in den kommutierenden Ankerwicklungen hat
bekanntlich im allgemeinen einen spitzförmi-gen Verlauf und daher einen überhöhten
Scheitelwert, der die Kurzschlu@ßströme wesentlich stärker anwachsen läßt als eine
Spannung der theoretischen Sinusform. Um die Kurvenform der Stegspannung zu verbessern
und damit die Spitzenwerte der Kurzsehlußströme unter den Bürsten zu senken, kann
die Drosselspule I_ im Verhältnis zum Kondensator Ci so bemessen werden, daß der
Schwingungskreis in der Schaltung nach Fig.8 für die entsprechenden Oberwellen,
von denen die dritte Harmonische am stärksten ausgeprägt ist, eitlen induktiven
Widerstand
darstellt. Damit erhält man einen spitzförmigen Steuerstrom
und im Kompensationsstrom sowie im Erregerfeld Oberwellen von einer solchen Phasenlage,
daß fdie transformatorischeEMK sinusförmiger wird.
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Um bezüglich :der Steuerung des Kompensationsstromes eine erhöhte
Wirkung oder eine besondere Charakteristik zu erhalten, lassen sich mehrere .der
zuletzt beschriebenen Schaltungen kombinieren, wofür Fig.9 ein Beispiel gibt. Der
Stromteiler besitzt hier eine vom Betriebsstrom durchflossene Zusatzwicklung Z.
wie in der Schaltung nach Fig. 6, sowie den aus der Drosselspule L und :dem Kondensator
C1 bestehenden Steuerkreis der Schaltung nach Fig. B.
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Bei der Parallelschaltung von Bürstengruppen mittels Stromteilern
.können sich ungünstige Rückwirkungen auf die elektrischen Verluste an den Kontaktflächen
der Bürsten einstellen, wenn eine unsymmetrische Verteilung =der Arbeitsströme auf
die Bürstengruppen :erzwungen wird. Um im vorliegenden Fall derartige Rückwirkungen
zu verhindern, werden die Kontaktwiderstände der Bürsten der sich im Dauerbetrieb
ergebenden mittleren Stromverteilung angepaßt.
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Das geschieht durch geeignete Einstellung der Teilbürsten jedes Bürstenbolzens.
Beider üblichen Anordnung von Doppelbürsten, die normalerweise parallel geführt
sind, haben die ablaufenden Teilbürsten einen. höheren Kontaktwiderstand als die
vorlaufenden. Stellt man die Teilbürsten im Gegensatz hierzu genau radial ein, so
erhält man gleiche Kontaktlvi.derstände und kann die Belastung :der ablaufenden
Bürsten steigern. Soll letzteren ein noch größerer Anteil des gesamten Arbeitsstromes
zugeteilt werden, dann ordnet man die Teilbürsten so schräg an, daß der Schnittpunkt
X ihrer Mittellinien entsprechend Fig..zo oberhalb des Kommutatormittelpunktes IW
liegt. Jetzt erhalten die ablaufenden Teilbürsten B.' durch die Reaktionskräfte
der Bürstenreibung einen kleineren Kontaktwiderstand an der Lauffläche und lassen
sich mit höheren Dauerströmen belasten als die vorlaufenden Bürsten B1, wenn die
Anwendung starker Kompensationsströme dies erfordert.
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Als weitere Maßnahme zur Verhütung von Kontaktüberlastungen kann :eine
derartige Steuerung des Kompensationsstromes vorgesehen werden, daß die höchste
Arbeitsstrornbelastung jeweils nur in dem Zeitpunkt auftritt, wo der direkte Kurzschlußstrom
unter der betreffenen Teilbürste einen verhältnismäßig niedrigen Wert hat. Zu diesem
Zweck ordnet man die Teilbürsten nicht entsprechend Fig. i symmetrisch zu den Kommutatorstegen,
sondern in der durch Fig.9 dargestellten Weise so an, daß die Bürsten Bi und B2
jeweils eine ungleiche Anzahl von Kommutatorstegen überdecken. Hierdurch erhält
man eine im Talkt der Stegfrequenz schwankende Spannung am Stromteiler und eine
unterschiedliche Belastung der Bürstengruppen durch Kurzschlußströme.
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Bei der in Pig. 9 angegebenen Stellung des Kommutators haben z. B.
die direkten Kurzschlußströme unter der Bürste Bi ein Maximum und unter B2 ein .Minimum.
Gleichzeitig erreicht die Spannung am Stromteiler bei konstanter Stegspannung ihren
Höchstwert. Bewegt sieh der Kommutator um eine halbe Stegteilung weiter, so kehren
sich die Verhältnisse um. Die auf diese Weise am Stromteiler auftretende Oberwellenspannung
wird dazu benutzt, den Kompensationsstrom im Takt der Stegfrequenz so zu steuern,
daß er die Arbeitsstrombelastung der Bürsten in dem Augenblick senkt, wo sie den
höheren direkten Kurzschlußstrom zu übernehmen haben. Mit dem Arbeitsstrom wird
.gleichzeitig der Kurzschlußstrom vermindert, da der Kontaktwiderstand steigt. In
der anderen Bürstengruppe ist die Belastungsverschiebung umgekehrt, so daß es zu
einer Angleichung der elektrisohenKontaktbeanspruchungen kommt. Der schwankende
Kompensationsstrom behält jedoch stets einen Mittelwert; der zur Aufhebung dier
Feldschwächung benötigt wird.
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Den Mittelwert erzeugt bei einer Schaltung nach Fig. g die Zusatzwicklung
Z, während der überlagerte Oberwellenstrom von 1, durch :den sekundärseitig
an den Stromteiler angeschlossenen Schwingungskreis gesteuert wird. Zu diesem Zweck
sind der Drosselspule L ein Kondensator C2 und ein mit letzterem in Reihe liegender
Ohmscher Widerstand R4 parallel geschaltet. Die Kapazität von C2 ist derjenigen
Stegfrequenz angepaßt, bei der sich eine Verminderung der maximalen Kontaktbelastungen
als besonders notwendig erweist. Im allgemeinen ist das bei niedriger Drehzahl und
entsprechender Stegfrequenz .:der Fall, wo sich die direkten Kurzschlußströme am
stärksten ausbilden können. Durch den Widerstand R4 läßt sich jedoch der Frequenzbereich,
in dem der Belastungsausgleich voll wirksam ist, erheblich erweitern. Ferner dient
der Widerstand R4 zur Einstellung der notwendigen Phasenverschiebung zwischen der
steuernden Oberw ellenspannung und dem Steuerstrom.
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Bei ungleichmäßiger Eisensättigung in den Stromteilerhälften kann
es vorkommen, daß der die Wicklung Z durchfließende Betriebsstrom infolge unsymmetrischer
Oberwellenanteile -des Kompensationsstromes in den Bürstenzweigen wellig wird. Um
zu verhüten, daß hierdurch Oberwellenspannungen induziert werden, die zu einer unerwünschten
Verzerrung der Stegspannung führen, schaltet man der Wicklung Z einen Kondensator
parallel oder hält die Oberwellen von der Wicklung Z durch den bereits beschriebenen
Ohmschen Parallelwiderstand RS fern. Ebenso wird an die Erregerwicklung der Maschine
ein für die OberwLllenfrequenz bemessener Parallelkondensator angeschlossen.