DE274548C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 2\d. GRUPPE

Die gebräuchlichen Kompensatoren bestehen entweder aus einem rotierenden, mit Löchern versehenen Eisenring, bei welchem in diese Löcher eine an einen Kollektor angeschlossene (Gleichstrom-) Wicklung gelegt ist, oder aus einem bewickelten oder unbewickelten feststehenden Teil (Stator) und einem mit Gleichstromwicklung und Kollektor versehenen rotierenden Teil (Anker). Alle diese bekannten

ίο Kompensatoren erfordern zu ihrem mit Bezug auf die in ihnen fließenden Ströme übersynchronen Betrieb einen Antrieb von außen durch Riemen oder besonderen Antriebsmotor. Wollte man diejenigen Kompensatoren, welche einen Stator besitzen, freilaufend betreiben, dann wäre es naheliegend, dem Ständer eine Wicklung von gleicher Polzahl wie die der Läuferwicklung zu geben, welche man parallel oder in Reihe mit der Läuferwicklung des Kompensators schaltet. Durch Einstellung der Bürstenachse zur Ständerachse des Kompensators könnte man dann erreichen, daß der Kompensator als Serien- oder Nebenschlußkollektormotor läuft. Es zeigt sich jedoch hierbei, daß seine Tourenzahl mit zunehmender Belastung des Hauptmotors zunimmt, so daß seine Charakteristik eine Kurve höherer Potenz ist. Dies ist aber sehr ungünstig, da der Hauptmotor bei kleineren Belastungen unter-, bei größeren Belastungen überkompensiert sein würde. Bei Reihenschaltung der Wicklungen ist überdies die Tourenzahl des Kompensators von vielen äußeren Umständen abhängig. Eine Änderung des Bürstendruckes z. B. bedeutet eine Änderung der Belastung, und bei dem Seriencharakter dieser Maschine hat dies eine Änderung der Tourenzahl und dadurch der Kompensationswirkung im Gefolge. Es ist nun Gegenstand vorliegender Erfindung ein Verfahren, Kompensatoren, welche einen Stator besitzen, dadurch freilaufend zu machen, daß man sie außer als Kompensator mit der Polzahl p_x gleichzeitig als Induktionsmotor mit einer von P₁ abweichenden Polzahl betreibt. Im allgemeinen ist das Aufbringen zweier Wicklungen auf eine Maschine für ihren Betrieb äußerst ungünstig und wird auch stets vermieden. Führt man z. B. einen Induktionsmotor mit zwei Wicklungen für verschiedene Polzahl aus, so gibt es zwei Möglichkeiten der Ausführung, entweder liegt die eine Statorwicklung am Nutengrund, die zugehörige Rotorwicklung ebenfalls am Nutengrund oder im oberen Teil der Nut, oder es liegen beide Wicklungen nebeneinander in jeder Nut. Die erstgenannte Ausführungsform ist ungünstig, weil sie die Streuung des ^-poligen, eventuell auch des ^₂"P^0Ug^en Motors vergrößert, die letztgenannte, weil sie mechanisch schwer ausführbar ist und weil die Wickelköpfe viele Kröpfungen erhalten. Beim Kompensator liegt die Sache insofern anders, als es auf die Streuung der einen Wicklung, der Kompensatorwicklung, gar nicht ankommt, da ja das durch den Hauptstrom des Kompensators erzeugte Feld das eigentliche Nutzfeld ist. Diese

Wicklung darf daher ohne weiteres am Nutengrund untergebracht werden, während, die zweite Wicklung, die »Motorwicklung«, eine möglichst geringe Streuung aufweisen soll und daher am äußeren Teil der Rotornut bzw. am inneren Teil der Ständernut, d. h. also möglichst nahe dem Luftspalt, anzuordnen ist. Da die Motorleistung sehr gering ist, kann die Motorwicklung äußerst klein bemessen, werden,

to so daß eine wesentliche Vergrößerung des Modelles nicht erforderlich ist. Die Spannung und Phasenzahl der Motorwicklung wird man zweckmäßig so wählen, daß man die Ständerwicklung direkt oder über Transformatoren an das Hauptnetz des zu kompensierenden Induktionsmotors anschließen kann. Beim Betrieb eines derartigen Kompensators lagern sich die beiden verschiedenpoligen Drehfelder übereinander. Im allgemeinen ist es bei KoI-lektormaschinen nicht zulässig, ein zweites Drehfeld auf den gleichen Anker wirken zu lassen, da die im Bürstenkurzschluß befindlichen Ankerspulen von dem übergelagerten Drehfeld induziert werden, auch wenn die Polzahl dieses Drehfeldes von der der Kollektormaschine abweicht. Anders liegen die Verhältnisse beim Kompensator vorliegender Erfindung, da bei diesem der Rotor fast synchron mit dem übergelagerten Drehfeld rotiert.

Die Induktion dieses Drehfeldes auf die im Kurzschluß befindlichen Ankerspulen ist bei voller Tourenzahl des freilaufenden Kompensators nahezu gleich Null. Es ist daher auch möglich, die Motorwicklung z. B. sechspolig bei einer vierpoligen Kompensatorwicklung auszuführen. Das vierpolige Kompensatorfeld erzeugt in der sechspoligen Motorwicklung eine resultierende E. M. K. gleich Null, da der Faktor der gegenseitigen Induktion einer vierauf eine sechspolige Wicklung gleich Null ist. Das sechspolige Motorfeld erzeugt in der vierpoligen Kompensatorankerwicklung und auch in den im Kurzschluß befindlichen Ankerspulen ebenfalls eine E. M. K. nahezu gleich Null, weil der Anker sich fast synchron mit dem sechspoligen Motorfeld bewegt. Ein Feuern der Bürsten ist also auch in diesem Falle nicht zu befürchten. Trägt der Ständer keine Kompensatorwicklung, dann ist es möglich, den freilaufenden Kompensator gemäß vorliegender Erfindung mit nur einer Ständerwicklung und nur einer Läuferwicklung auszuführen, indem man die Läuferwicklung für zwei Polzahlen gleichzeitig geeignet macht.

Dies könnte in bekannter' Weise dadurch geschehen, daß jeder Ankerstab der Kompensatorwicklung durch eine Kurzschlußwindung dargestellt wird, deren Schritt der Motorpolzahl entspricht. Wenn man aber der Motorwicklung halb so viele Pole als der Kompensatorwicklung gibt, dann genügt es, äquipotentielle Punkte der normal ausgeführten Ankerwicklung miteinander zu verbinden. Diese Äquipotentialverbindungen machen die Ankerwicklung des />-poligen Kompensators zur

Kurzschlußwicklung für den ---poligen Motor.

Man kann aber auch in diesem Falle die Ankerwicklung mit einem Schritt ausführen, welche dem Mittelwert aus der Motor- und der Kompensatorpolzahl entspricht. Für die kleinere Polzahl ist dann der Schritt verkürzt, für die größere Polzahl verlängert. Die äußeren Verbindungsleitungen der gleichnamigen Bürsten des Kompensators stellen dann einen Bürstenkurzschluß des Ankers für den Motor dar.

Aber auch wenn der Ständer des Kompensators eine Kompensatorwicklung trägt, welche die Ankerwicklung des Ankers unterstützt oder 8c teilweise aufhebt, auch dann ist es möglich, mit nur einer Ständerwicklung und nur einer Läuferwicklung auszukommen, um den Kompensator gemäß vorliegender Erfindung freilaufend zu betreiben. Die Läuferwicklung kann dann wieder in der oben geschilderten Weise, z. B. durch Wahl eines mittleren Wicklungsschrittes, für die Kompensator- und die halb so große Motorpolzahl wirksam gemacht werden, während die Ständerwicklung etwa in der durch Patent 147427 bekannt gewordenen Weise (für zwei Polzahlen) ausgeführt wird. Für die größere Polzahl, also die Kompensatorpolzahl, ergibt dann die Ständerwicklung das Bild einer Dreieckschaltung, für die kleinere Polzahl, also die Motorpolzahl, das Bild einer Sternschaltung. Die Hintereinanderschaltung der Ständer- (Dreieck-) Wicklung des Kompensators mit der Läuferwicklung geschieht über einen Serientransformator. Wirken die Ständeramperewindungen des Kompensators den Läuferamperewindungen entgegen, dann ergibt sich hierbei ein weiterer Vorteil. Das Stromübersetzungsverhältnis des Serientransformators ist eine Funktion der Periodenzahl. Da es sich um relativ kleine Frequenzen, nämlich den Schlüpfungsfrequenzen, des Hauptmotors handelt, so ist das Verhältnis von Ständerstrom: Läuferstrom des Kompensators bei abnehmender Schlüpfung ein kleineres. Die Gegenkompensation der Kompensatorständerwicklung nimmt also bei kleinen Belastungen des Hauptinduktionsmotors ab, die kompensierende Wirkung des Kompensators dagegen zu, so daß der Bereich guter Phasenkompensation sich auch über kleine Belastungen des Hauptmotors erstreckt.

Schaltet man umgekehrt die Kompensatorständerwicklung mit dem Läufer des Hauptmotors direkt in Reihe, die Läuferwicklung des Kompensators jedoch mit dem Läuferstromkreis des Hauptmotors über einen Serien-

transformator, dann ändert sich das Stromverhältnis von Ständerstrom zu Läuferstrom in umgekehrtem Sinne wie oben angegeben, d. h. es wird mit abnehmender Schlüpfung größer. Solange die Bürstenachse mit der Achse der Ständerwicklung zusammenfällt, ist die durch Rotation im (ideellen) Ständerfeld erzeugte Spannung des Kompensators um i8o° phasenverschoben gegenüber der durch Rotation im

ίο (ideellen) Läuferfeld erzeugten Spannung des Kompensators, so daß sich die resultierende Spannung aus der algebraischen Subtraktion dieser beiden Spannungen ergibt. Diese resultierende Spannung ist gegenüber dem Strom des Kompensators genau um 90 ° phasenverschoben. Ist der Strom des Kompensators für den Induktionsmotor ein Wattstrom, dann hat die Spannung des Kompensators in diesem Falle auch gegenüber der Motorspannung bzw. der im Rotor des Motors vom Ständer aus induzierten Spannung ebenfalls eine Phasenverschiebung von annähernd 90 ° und ist daher zur Phasenkompensierung des Motors geeignet. Ist der Strom des Kompensators für den Induktionsmotor aber im wesentlichen ein wattloser Strom, wie es z. B. beim Leerlauf des Induktionsmotors der Fall ist, dann fällt die um 90° gegen den Motorstrom verschobene Kompensatorspannung in die Richtung der Induktionsmotorspannung, so daß eine Phasenkompensierung in diesem Falle unmöglich ist. Will man also den Induktionsmotor auch bei Leerlauf und bei sehr kleinen Belastungen kompensieren, dann darf die Spannung des Kompensators nicht um 90° gegen den Kompensatorstrom verschoben sein. Dies kann man dadurch erreichen, daß man die Bürstenachse des Kompensators gegen seine Ständer-• wicklungsachse verschiebt. Die aus dem (ideellen) Ständerfeld und dem (ideellen) Läuferfeld induzierten Spannungen addieren sich dann geometrisch zur resultierenden Spannung, und diese kann gegen die vom Läuferfeld herrührende Spannungskomponente, um 90° also, derart phasenverschoben sein, daß sie mit dem Kompensator strom ph äsen gleich wird. Ist aber auf diesem Wege, also durch Bürstenverschiebung, Phasengleichheit zwischen Kompensatorstrom und Kompensatorspannung erreicht, dann wird der Induktionsmotor bei Leerlauf Phasenkompensierung zeigen, bei Belastung jedoch nicht.

Hiernach kann man also ebenfalls den Bereich guter Phasenkompensation auch über kleine Belastungen des Hauptmotors, ja sogar fast bis zu seinem Leerlauf erstrecken, wenn man die Bürstenachse mit abnehmender Frequenz des dem Kompensator vom Hauptmotor zufließenden Stromes aus der Ständerachse herausdreht. Die Phase der Rotationsspannung steht dann nicht mehr senkrecht auf der Phase des Stromes, und diese Winkeländerung wird durch den Umstand noch vergrößert, daß bei abnehmender Frequenz die Läuferampere windungen gegenüber den Ständeramperewindungen relativ abnehmen. Eine nennenswerte Leistungsübertragung, d. h. Zurückarbeiten auf das Netz über den Motorteil des freilaufenden Kompensators findet hierbei nicht statt, da die Bürstendrehung erst erfolgen soll, wenn der Hauptmotor nur gering belastet ist. Diese Bürstendrehung kann natürlich von Hand oder automatisch in Abhängigkeit von der Belastung, vom Strom oder der Frequenz bewirkt werden.

Zur Erläuterung des Erfindungsgegenstandes ist in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 die Anordnung der Wicklungen und Bürsten auf Ständer und Lanier des Kompensators schematisch dargestellt. Fig. 1 betrifft den Fall, daß die Kompensatorwicklungen zweipolig, die Motorwicklungen vierpolig ausgebildet sind. Der Rotor R des Kompensators besitzt zwei Wicklungen, eine zweipolige, geschlossene (Gleichstrom-) Wicklung, welche mit dem Kollektor K verbunden ist, auf dem die Bürsten b₁, b₂, b₃ schleifen, und eine vierpolige Kurzschluß wicklung, welche den Sekundärteil für die ebenfalls vierpolige Ständermotorwicklung S₁, S₂, S₃, S₁', S₂', S₃' darstellt. Auch der Ständer trägt zwei Wicklungen, nämlich außer der eben genannten Motorwicklung noch die Kompensatorwicklung C₁, C₂, C₃, welche mit den Bürsten J₁, b₂, b_s in Reihe geschaltet ist und dazu dient, die Amperewindungen des Ankers teilweise zu kompensieren oder zu verstärken.

In welcher Weise die Ständer- und Läuferwicklungen in den Nuten anzuordnen sind, geht aus Fig. 2 hervor. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß die Ständer- und Läufermotörwicklungen möglichst dicht am Luftspalt verlegt sind, während die beiden Kompensatorwicklungen am Nutengrund liegen.

Fig. 3 stellt den Fall dar, daß nur eine Motorständerwicklung und nur eine für Motor und Kompensator gleichzeitig wirksame Läuferwicklung vorhanden ist. Diese Läuferwicklung besitzt einen Schritt, welcher einen Mittelwert von dem Schritt für die Motorpolzahl 2 und dem Schritt für die Kompensatorpolzahl 4 darstellt. Eine solche Läuferwicklung ist für beide Polzahlen wirksam. Die auf dem Kollektor K des Rotors R schleifenden Bürsten O₁- b_u b₂-b₂, b_a-b₃ sind vierpolig angeordnet und dienen dazu, den Schlüpfungsstrom des Hauptmotors dem Läufer des Kompensators zuzuführen. Die Verbindungsleitungen zwischen den gleichnamigen Bürsten b_x-\, b₂-b₂, b_s-b₃ der drei Phasen bedeuten aber für die Motorpolzahl 2 einen dreiachsigen Kurzschluß des Läufers. Der Läufer wird also gleichzeitig

den Kompensatorstrom und den relativ geringen Motorsekundärstrom führen, während der Motorprimärstrom der zweipoligen Ständerwicklung S₁, S₂, S₃ zugeführt wird.

Das Schema der Fig. 3 bliebe das gleiche, wenn an Stelle einer Ankerwicklung mit verkürztem Schritt ein Anker mit unverkürztem Schritt und mit Äquipotentialverbindungen gesetzt wird. Der Motorsekundärstrom wird |

sich in diesem Falle nicht über die Kollektor- j bürsten, sondern über die Äquipotentialver- j bindungen schließen.

Claims (7)

1. Pate nt-An Sprüche:

   i. Anordnung zum Betrieb von als Kompensator wirkenden Maschinen, welche Ständer und Läufer besitzen und deren in gleichen Abständen auf dem Kommutator

   - des Gleichstromankers angeordnete Bürsten an die Schleifringe des zu kompensierenden Induktionsmotors angeschlossen sind und deren Anker mit Bezug auf die in ihm fließenden Ströme übersynchron angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator außer mit der ppoligen Kompensatorwicklung mit einer zweiten Wicklung anderer Polzahl, und zwar einer Induktionsmotorwicklung, versehen ist, mit Hilfe deren er als Induktionsmotor freilaufend betrieben wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensatorwicklung am Nutengrund, die Motorwicklung dagegen möglichst in der Nähe des Luftspaltes angeordnet ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorpolzahl gleich der halben Kompensatorpolzahl gewählt ist, wobei die für die Kompensatorpolzahl ausgeführte Ankerwicklung durch Äquipotentialverbindungen

   auch für die Motorpolzahl wirksam gemacht ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung mit einem SchrittIgewickelt ist, welcher dem Mittelwert aus der Motor- und Kompensatorpolzahl entspricht, wobei die äußeren Verbindungsleitungen der gleichnamigen Bürsten des Kompensators 5" einen Bürstenkurzschluß für den ' Motor darstellen.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Ständerwicklung eine Wicklung gemäß Patent 147427 gewählt ist, welche als ^-polige Wicklung den Kompensatorstrom und gleichzeitig als -^--polige Wicklung den

   Motorstrom führt, wobei sie als Kompensatorwicklung mit der Lauf er wicklung über einen Serientransformator in Reihe geschaltet ist.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn eine mit dem Läufer in Reihe geschaltete Kompensatorwicklung auf dem Ständer vorgesehen ist, die Bürstenachse des Kompensators gegenüber seiner Ständerachse dann verstellt wird, wenn der Hauptmotor nur gering belastet ist, daß sie jedoch für größere Belastungen des Hauptmotors wieder in die Richtung der Ständerwicklungsachse zurückgeführt wird.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklung des Kompensators mit dem Läufer des Hauptmotors unmittelbar in Reihe geschaltet ist, während die Läuferwicklung des Kompensators über einen Serientransformator mit dem Läuferstromkreis des Hauptmotors verkettet ist.

   ■ Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.