DE245716C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVl 245716 -KLASSE 2id. GRUPPE

Dr.THEODOR LEHMANN in URMATT i. Els.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 8. Dezember 1910 ab.

Erregt man einen Eisenkern gleichzeitig mit Gleichstrom und mit Wechselstrom, so nimmt bekanntlich mit zunehmender Wechselstromerregung das Gleichstromfeld ab, sobald die maximale Magnetisierung über den geraden Teil der Magnetisierungscharakteristik hinausgeht.

Auf diese Erscheinung gründen sich bereits mehrere Kompoundierungsverfahren. Eines

ίο derselben verwendet direkt Wechselstromerregung im Erreger, welche in geeigneter Weise vom Generatorstrom abgezweigt ist. Die Feldoszillationen erzeugen jedoch Wechselspannungen sowohl in den Gleichstrommagnetspulen als im Anker und erschweren die Kommutierung ganz erheblich. Solche Erreger müssen deswegen sehr reichlich bemessen werden.

Bei einem anderen Kompoundierungsverfahren wird der Wechselstrom nicht um die

ao Erregermagnete direkt, sondern um eine von Polschuh zu Polschuh gehende Eisenbrücke geführt. Das durch diese Brücke sich schließende Streufeld wird mit wachsendem Generatorstrom abgedrosselt, was eine Entsättigung der Magnete und daher eine Steigerung der Erregerspannung zur Folge hat. Damit die Spannungssteigerung eintritt, müssen jedoch die Magnete schon bei Leerlauf vom Streufeld stark gesättigt werden, anderenfalls bleibt das Streufeld ohne jeglichen Einfluß auf das Nutzfeld. Dies bedingt wiederum eine um so reichlichere Maschine, als auch bei gesättigter Brücke die Feldstreuung noch wesentlich größer ist als bei einer gewöhnlichen Maschine. Auch die Feldoszillationen können nicht ganz vermieden werden, da infolge der bei Sättigung auftretenden Oberfelder an den Polspitzen sich beträchtliche Oszillationen geltend machen.

Beide Verfahren besitzen endlich den Nachteil, daß für die Sättigungsverhältnisse im Feldmagneten des Erregers ausschließlich die Kompoundierungsbedingungen maßgebend sind und letztere oft nur auf Kosten der Stabilität sich verwirklichen lassen.

Das folgende, auf gemischte Erregung in weiterem Sinne sich gründende Kompoundierungsverfahren ist nun von diesen Übelständen frei. Bei demselben werden stellenweise im Feldmagneten des Erregers Öffnungen vorgesehen, durch welche der magnetische Kreis auf kurze Strecken in zwei oder mehr parallele Teile zerlegt wird. Erregt man nun die einzelnen Teile duixh , Wechselstrom derart, daß die Wechselfelder sich um die Öffnungen herum schließen, daß also zu jedem Zeitpunkte die Summe der einzelnen Wechselfelder über dem Gesamtquerschnitt Null ist, so wird es offenbar möglich, die magnetische Durchlässigkeit durch rein lokale Wechselstromerregung zu regeln, ohne daß die Wechselfelder in den übrigen Magnetkreis dringen. Die Gleichstrommagnetspulen sowohl als die Ankerwicklung werden unter diesen Umständen von den Wechselfeldern nicht induziert, wo auch immer man die Unterteilungsstelle anordnet.

Die Sättigungsverhältnisse in dem von der Wechselstromerregung nicht betroffenen Teile des Feidmägneten können hierbei ohne jegliche Beeinträchtigung des Wechselfeldes stets so gewählt werden, daß im ganzen Regelungsbereiche vollkommene . Stabilität herrscht.

Dem Falle von Einphasenstrom z. B. entspräche lokale Zweiteilung des Kreises; beide Schenkel wären dann durch Wechselstrom in Gegenschaltung ähnlich wie ein Einphasentransformator zu erregen. Das Wechselfeld würde sich demnach an der Unterteilungsstelle von einem Schenkel zum anderen quer durch den Pol hindurch schließen, ohne den übrigen Kreis zu berühren. Mit Drehstrom

ίο hätte man zwei Öffnungen und drei durch je eine Phase erregte Schenkel. ■ Auch hier gehen die drei Felder nicht über die Erregungsstelle hinaus, da ihre Summe zu jeder Zeit Null ist.

Wenn die einzelnen Felder sinusförmig verlaufen, läßt es sich verhältnismäßig leicht einrichten, daß sie sich gegenseitig aufheben. In der Mehrzahl der Fälle treten jedoch Oberfelder auf, die zum Teil von der Erregung, zum Teil von der gemischten Erregung grundsätzlich anhaftenden Unsymmetrie beider Wellenhälften herrühren. Die Bedingung, daß an der lokalen Sättigungsstelle die Einzelfelder sich aufheben, ist dann nicht mehr streng erfüllt; es werden insbesondere diejenigen Oberfeider, deren Ordnung ein Vielfaches der Phasenzahl beträgt, sich unterstützen und infolgedessen das ganze Magnetsystem in Mitleidenschaft ziehen. Dem läßt sich nun leicht durch Gegenschaltung zweier lokaler Sättigungsstellen pro Kreis begegnen, etwa in der Weise, daß entsprechende Spulen an beiden Erregungsstellen so geschaltet werden, daß in bezug auf den Hauptkreis sich ihre magnetomotorischen Kräfte aufheben.

Dem Wesen der Regelungsanordnung entspricht es dabei, daß mit abnehmender Wechselstromerregung die Erregerspannung an den Bürsten wächst. Das Schema für die Gewinnung der Wechselstromerregung ist demnach so anzuordnen, daß letztere abnimmt, wenn die Belastung am Generator steigt.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. ι einen Magnetpol des Erregers und die einphasig erregte Sättigungsstelle,

Fig. 2 einen Magnetpol mit dreiphasig erregter Sättigungsstelle,

Fig. 3 die Gegenschaltung zweier einphasiger Sättigungsstellen auf demselben Pole,
Fig. 4 die Gegenschaltung zweier einphasiger Sättigungsstellen auf zwei aufeinanderfolgenden Polen,

Fig. 5 das Gesamtschema der Regelungsanordnung für den Fall, daß der dem Erreger zugeführte Wechselstrom mittels Spannungs- und Stromtransformators vom Generator abgezweigt wird,

Fig. 6 einen für gleichzeitige Spannungsund Stromerregung eingerichteten Dreikerntransformator zur Gewinnung der geeigneten Wechselstromerregung,

Fig. 7 das Gesamtschema der Regelungsanordnung, wenn die Wechselstromerregung mittels des in Fig. 6 dargestellten Transformationsapparates gewonnen wird.

In Fig. ι bedeutet A den Magnetpol des Erregers, B die Gleichstrommagnetwicklung, C ein zwischen Pol und Magnetjoch E eingeschaltetes lamelliertes U-Stück, auf dessen Schenkel zwei entgegengeschaltete Spulen D sitzen. Schickt man durch die Spulen D Wechselstrom, so entsteht ein das U-Stück C mehr oder weniger sättigendes Wechselfeld, welches, wie die punktierte Linie andeutet, sich von einem Schenkel zum anderen quer durch den Pol hindurch schließt. Das Joch wird von dem Wechselfelde nicht berührt und kann daher massiv ausgeführt werden. Auch der Magnetpol braucht nicht eigens unterteilt zu sein, wenn man etwa das Zwischenstück als geschlossenes, aus zwei U-Stücken bestehendes Rechteck ausbildet.

Für die Anordnung der lokalen Sättigungsstelle zwischen Magnetpol und Joch sprechen namentlich konstruktive Rücksichten, insbesondere der Umstand, daß Pol und Joch normal ausgeführt werden können. Grundsätzlich steht jedoch der Anordnung der Sättigungsstelle im Joch selbst oder im Pol nichts im Wege, da die Zunahme des gesamten magnetischen Widerstandes mit der Wechsel-Stromerregung von der Lage der Sättigungsstelle nicht wesentlich beeinflußt wird. Das Zwischenstück C selbst ist je nach den Regelungsbedingungen zu dimensionieren; dessen Breite braucht natürlich mit derjenigen des Poles nicht übereinzustimmen.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel setzt Dreiphasenerregung voraus. Das Zwischenstück C ist jetzt dreischenklig, im übrigen liegen die Verhältnisse wie in Fig. 1.

Es ist klar, daß in manchen Fällen die Anordnung von Sättigungsstellen an jedem zweiten Pole schon hinreicht; es wäre ebenfalls auch denkbar, daß die Pole mit Wechselstromerregung keine Gleichstromerregung erhalten, so daß Pole mit Wechselstromerregung und Pole mit Gleichstromerregung miteinander abwechseln. Letztere Anordnung empfiehlt sich z. B., wenn der Spannungsabfall am Generator groß ist .und die Schenkel des Zwischenstückes C verhältnismäßig lang werden.

Aus Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, wie im Falle von Einphasenerregung die Wechselstromspulen angeordnet werden müssen, um das Eindringen von Oberfeldern in den Anker des Erregers zu verhüten. Die zu derselben Sättigungsstelle gehörenden Spulen sind wie in Fig. ι geschaltet. Die Grundwelle und sämtliche ungeraden Oberfelder werden daher durch die benachbarten Schenkel rings um die Öffnungen herum sich schließen. Die geraden Oberfelder jedoch haben in beiden

Schenkeln einer Sättigungsstelle das gleiche Vorzeichen und würden somit denselben Weg nehmen wie das Gleichstromfeld. Schaltet man aber das Spulenpaar der zweiten Sättigungsstelle in bezug auf den Hauptkreis dem ersten Spulenpaar entgegen, so kommen die geraden Oberfelder überhaupt nicht mehr zur Ausbildung, weil ihre magnetomotorischen Kräfte sich aufheben. In Fig. 3 sind die beiden Sättigungsstellen bzw. die sie erregenden Spulenpaare D und D' auf demselben Pole, in Fig. 4 auf zwei benachbarten Polen einander entgegengeschaltet. Wie die punktiert eingezeichneten Kraftlinien andeuten, wird in beiden Fällen vollkommene Lokalisierung der Wechselfelder erzielt, insofern als grundsätzlich weder in den Anker noch in den übrigen Feldmagneten Feldausläufer dringen können. Dementsprechend werden diese Teile auch von magnetischen Oszillationen irgendwelcher Art vollständig frei sein.

Bei Dreiphasenerregung kommen die Oberfelder in Betracht, deren Ordnung ein Vielfaches von 3 ist. Durch Gegenschaltung entsprechender Schenkel zweier Sättigungsstellen können, ähnlich wie in Fig. 3 und 4, die betreffenden Oberfelder zum Verschwinden gebracht werden.

Man könnte schließlich versucht sein, von den beiden Schenkeln eines Zwischenstückes nur den einen zu bewickeln. Da aber hierdurch der unbewickelte Schenkel mit dem Hauptkreis parallel geschaltet würde, müßte ein Teil des aus dem bewickelten Schenkel austretenden Wechselfeldes seinen Weg durch den Hauptkreis nehmen.

Durch Gegenschaltung nach Fig. 3 und 4 ließe sich dieser Übelstand zwar vermeiden, wenn sonst alles symmetrisch ist; irgendweleher Vorteil wird aber dabei nicht erreicht. Die Anordnungen Fig. 1 bis 4 sind sämtlich dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Wechselspannung erfordern, welche mit steigender Generatorbelastung abnimmt. Wenn der Generatorstrom wattlos ist (cos ψ = ο), ließe sich dies erreichen, indem man einen Spannungstransformator mit einem Stromtransformator derart in Reihe schaltet, daß die Sekundärspannungen beider Transformatoren einander entgegengerichtet sind. Falls dann im ganzen Regelungsbereiche die Spannung am Stromtransformator kleiner bleibt als diejenige am Spannungstransformator, nimmt dann tatsächlich die Gesamtspannung mit wachsender Belastung ab. Für cos q> — 1 jedoch würde die Gesamtspannung mit der Belastung zunehmen. Dadurch nun, daß man an die Sekundärklemmen des Stromtransformators einen geeignet bemessenen Widerstand anschließt, läßt sich in allen Fällen erreichen, daß die resultierende Spannung von cos ψ = ι bis etwa cos φ = ο,3 in gewünschter Weise abnimmt. Fig. 5 zeigt das gesamte Schaltungsschema für diesen Fall. A bedeutet hier die· Magnetwicklung des Generators G, B die Gleichstromerregerwicklung des Erregers E, C und F beiden Wicklungen vorgeschaltete Widerstände. D bezeichnet die Wechselstromspulen des Erregers, T den Spannungs- und 5 den Stromtransformator mit. dem parallel geschalteten Widerstände R.

Im Falle eines Drehstromgenerators läßt sich der Widerstand R übrigens umgehen, indem man den Transformator T nicht von der Phasenspannung, sondern in der Weise von der verketteten Spannung abzweigt, daß für cos φ = ι die Sekundärspannung um 30⁰ dem Strom voreilt. Wenn noch größere Voreilung erforderlich ist, was übrigens kaum vorkommen dürfte, läßt sich mittels Zusatztransformators von einer den Nachbarphasen abgezweigten Spannungskomponente jede beliebige Voreilung herstellen. Ganz abgesehen von der Phase des Generatorstromes muß natürlich die Spannung am Stromtransformator für den größten vorkommenden Strom noch kleiner sein als die Spannung am Transformator T. Bei gleichem Generatorstrom ist dabei die vektorielle Differenz beider Spannungen am kleinsten für die größtvorkommende Stromnacheilung ψ,

Ein wesentlicher Vorzug dieser Regelungsanordnung ist es nun, daß bei plötzlichem Kurzschluß die Erregung und damit der Generatorstrom nicht wie bei anderweitigen Kompoundierungsverfahren ins Ungemessene wächst, sondern im Gegenteil sofort abnimmt. Die Spannung am Stromtransformator S gewinnt nämlich die Überhand über diejenige des Spannungstransformators T, sobald der Strom am Generator den vorgesehenen Maximalwert überschreitet; von da an nimmt die Gesamtspannung an den Wechselstromspulen D des Erregers mit dem Generatorstrom zu, was eine Vergrößerung des Widerstandes der Sättigungsstellen und Hand in Hand damit eine Abnahme der Erregerspannung zur Folge hat. Meistens wird, wenn der Kurzschlußstrom den dreifachen Normalwert erreicht hat, der Widerstand der Sättigungsstelle so groß no geworden sein, daß ein vollständiges Erlöschen des Erregers eintritt. Man hat es also in der ¹ Hand, den Kurzschlußstrom fast beliebig niedrig zu halten, niedriger sogar als bei nicht kompoundierter Maschine.

Den Spannungstransformator T und den Stromtransformator 5 kann man in bekannter Weise auch zu einem einzigen Dreikerntransformator vereinigen, wobei gegebenenfalls zu demjenigen Kern, der durch den Generatorstrom erregt wird, der Widerstand R parallel zu schalten ist.

Fig. 7 stellt eine weitere Erregungsanordnung dar, bei welcher die richtige Wechselstromerregung ohne Parallelwiderstand mittels eines Transformationsapparates erhalten wird, der, wie Fig. 6 zeigt, dreischenkelig ist. Einer der Schenkel, z. B. der Schenkel A, liegt an der Generatorspannung. Der mittlere Schenkel B endigt gabelförmig in zwei Zacken, welche je eine Spule C tragen. Diese Spu-Jen C werden vom Generatorstrom erregt und sind entgegengeschaltet, so daß sie ein von einer Zacke zur anderen quer durch den Kern B sich schließendes Feld hervorrufen. Mit zunehmendem Generatorstrom werden die Zacken gesättigt, und das vom Schenkel A kommende, durch den Kern B sich schließende

. Teilfeld wird allmählich nach dem dritten Schenkel D' abgedrängt. In einer den ganzen mittleren Kern B umschließenden Spule E wird demnach eine mit zunehmendem Generatorstrom abnehmende Spannung induziert, welche sich zur Erregung des Erregers eignet. Man sieht leicht, daß schon für cos φ = ι die Spannung mit zunehmendem Generatorstrom abnimmt, da die Zackenfelder sich mit dem von A kommenden Felde rechtwinklig zusammensetzen und die Zackensättigung bzw. den Widerstand des mittleren Schenkels B erhöhen.

Bei Generatoren mit starkem induktiven Spannungsabfall empfiehlt es sich, den dritten Kern D' ebenfalls mit dem Generatorstrom zu erregen; die Windungen müssen aber so geschaltet werden, daß sie für cos φ = ο das von A kommende Feld in D' unterstützen und in B schwächen. Nebenbei wird dadurch bei plötzlichem Kurzschluß eine starke Dämpfung des Kurzschlußstromes erreicht.

Die Schemas Fig. 5 und 7 können ohne weiteres auf den Fall von Drehstrom übertragen werden. Man kann dabei den Erreger einphasig oder dreiphasig erregen; die grundsätzliche Anordnung der Regelungseinrichtung bleibt hiervon unberührt. Sie bleibt es auch, ob der Erreger fremd, im Nebenschluß oder Hauptschluß oder in Kompoundschaltung erregt wird. Bei Fremderregung fallen natürlich die Wechselstromspulen D (Fig. 1) reichlicher aus als bei Eigenerregung, wo sie gewissermaßen nur den Anstoß zu geben haben und naturgemäß sehr klein gehalten werden können. Für die Wahl der einen oder .ande-' ren Erregungsart ist neben der Regelungsempfindlichkeit die zu erzielende Momentan- wirkung maßgebend. Für die Schnelligkeit der Regelung kommt als günstiges Moment in Betracht, daß die Zwischenstücke C (Fig. 1), welche den magnetischen Widerstand des Erregers bestimmen, direkt vom Generator aus erregt werden und magnetisch den Belastungs-Schwankungen um so schneller folgen können, als sie zu ihrer Magnetisierung nur geringer Energiemengen bedürfen.

Diese Regelungseinrichtung ermöglicht es auch, Maschinen verschiedener Type und Größe anstandslos parallel zu schalten.

Claims (4)

Patent-An Sprüche:

1. Einrichtung zur selbsttätigen Spannungsregelung von Wechselstromgeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldmagnet des Erregers durch Öffnungen stellenweise in parallele Teile zerlegt ist, welche vermittels Wechselstrom derart erregt werden, daß die Wechselfelder an der Teilstelle um die Öffnungen herum durch die einzelnen Teile sich schließen, ohne den Anker zu berühren, zum Zwecke, den magnetischen Widerstand des Feldmagneten und dadurch die Spannung des Erregers in Abhängigkeit vom Generatorstrom selbsttätig zu regeln, wobei, dem Wesen der Regelungseinrichtung entsprechend, vom Generatorstrom induzierte E. M. Ke. mit der Generatorspannung so geschaltet werden, daß der dem Erreger zufließende Wechselstrom seinen Höchstwert bei Leerlauf erreicht und mit zunehmender Belastung nach Maßgabe der benötigten Generatorerregung abnimmt. .

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pro Polpaar am Erreger mindestens zwei mit Wechselstrom erregte Sättigungsstellen vorgesehen werden, deren Erregerspulen in bezug auf den Hauptkreis einander entgegengeschaltet sind, um zu verhindern, daß etwa auftretende Oberfelder, deren Ordnung ein Vielfaches der Phasenzahl beträgt, in den Anker eindringen.

3. Einrichtung. nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Pole des Erregers Gleichstrommagnetspulen und mindestens eine Wechselstromsättigungsstelle pro Polpaar besitzen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Erreger Magnetpole mit nur Wechselstromsättigungsstellen und Magnetpole mit nur Gleichstrommagnetspulen abwechseln.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.