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Dynamomaschine mit einer zur Kaskadenschaltung geeigneten Vereinigung
der Ständerwicklungen und der Läuferwicklungen zweier Maschinen. Die vorliegende
Erfindung betrifft synchrone Wechselstrom-Dynamomaschinen. Es ist bereits bekannt,
asynchrone Maschinen in Kaskadenschaltung mit einer gesonderten Synchronmaschine,
die durch Gleichstrom erregt ist, zu verbinden, vgl. Arnold und La Cour »Die asynchronen
Wechselstrommaschinenc< Teil z, rgog, Seite 536 und 537. Die Maschine von Bradley
nach dem amerikanischen Patente 43$6o2, auf welche Arnold verweist, hat den Nachteil,
daß die Wicklungen der beiden getrennten Ständerglieder nicht in einem Gliede vereinigt
werden können. Anderseits ist in den Patenten 2o6533 und 22o4go dargelegt, wie asynchrone
Maschinen hergestellt werden können, in denen in ein .und derselben Maschine mit
einem Läufer und einem Ständer die nötigen Wicklungen zum Laufe in Kaskadenschaltung
vorgesehen sind, sowie zum Laufe bei einer Umdrehungszahl, welche einer der Normalpolzahlen
entspricht, die zusammen die Kaskadenpolzahl ergeben.
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Um eine synchrone Kaskadenmaschine herzustellen, kann man daran denken,
in einer Maschine die Wicklungen zweier getrennter Maschinen zu vereinen, so daß
Läufer und Ständer je zwei Wicklungen von verschiedener Polzahl tragen, wobei die
eine Wicklung auf dem Ständer mit Wechselstrom gespeist wird, während die andere
mit Gleichstrom gespest wird, damit das Feld für synchronen Lauf mit einer der Wicklungen
auf dem Läufer geschaffen wird. Hierzu wäre jedoch nötig, daß die Polzahlen der
beiden Teile in geeigneter Weise gewählt werden und daß die Gleichstromwicklung
auf dem Ständer derart geschaltet wird, daß Wechselströme in ihr nicht direkt von
der Primärwicklung induziert werden können. Eine derartige Anordnung würde praktisch
kaum brauchbar sein wegen ihrer notwendigerweise großen Abmessungen für eine gegebene
Leistung; ihr geringer Wirkungsgrad läßt sich aus erheblichen Kupferverlusten und
unvermeidlichen Verlusten in der Gleichstromwicklung erklären. Aus diesen Gründen
ist wohl niemals der Versuch gemacht worden, eine Synchronmaschine für Kaskadenlauf
in dieser Weise zu bauen: Es sind daher bisher noch nie die Vorteile einer derartigen
Anordnung für synchronen Kaskadenlauf erreicht worden, da man die entgegenstehenden
Schwierigkeiten nicht überwinden konnte.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine für Kaskadenlauf geeignete
Maschine, die kombinierte Wicklungen auf gemeinsamem Ständer und Läufer besitzt,
wie sie beispielsweise in der Patentschrift 22o4gc beschrieben sind, für synchronen
Lauf bei der Kaskadenumdrehungszahl, also der der Summe der Polzahlen
entsprechenden
Umdrehungszahl, geeignet gemacht, während sie beim Anlassenbis bzw. über die synchrone
Umdrehungszahl hinaus als Induktionsmotor mit einer der Normalpolzahlen laufen kann.
Bei synchronem Lauf ist die Maschine also als Kaskade von Induktionsmotor und Synchronmotor
geschaltet. Auf diese Weise wird die Schwierigkeit, eine synchrone Maschine anzulassen
und auf normale Umdrehungszahl zu bringen, überwunden. Der zum Speisen des zum synchronen
Laufe benötigten Feldes dienende Gleichstrom wird von einer besonderen Stromquelle
geliefert, vorzugsweise von besonderen Wicklungen auf einem Generator, der mit der
Maschine gekuppelt ist, und wird in an sich bekannter Weise in eine oder mehrere
oder alle Phasenwicklungen des einen Teils der Maschine, allgemein des Ständers,
durch Anzapfungen an geeigneten Punkten der Phasenwicklungen geleitet. Die Anzapfungen
derjenigen Phasenwicklungen, die nicht mit Gleichstrom beschickt werden, können
zu Dämpfungszwecken kurzgeschlossen werden.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
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Fig. i stellt ein Diagramm einer Ständerwicklung dar, die acht öder
vier Pole ergibt und zum Laufe bei synchroner Kaskadenumdrehungszahl geeignet ist,
die der Summe dieser Polzahlen, also i2 Polen entspricht.
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Die Fig. 2 und 3 sind Schaltungsschemen, die der Fig. i entsprechen
und die zeigen, wie der Gleichstrom zwei oder allen Phasen zugeführt werden kann.
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Die Fig. ¢ und 5 zeigen die Ankerwicklungen direkt gekuppelter Gleichstromgeneratoren,
die zwei oder drei Phasen der Ständerwicklung den Gleichstrom zuführen, wie in Fig.
2 bzw. Fig. 3.
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Fig. 6 zeigt den Stromverlauf in der Läuferwicklung während des Anlässens
als Induktionsmotor mit einer der Normalpolzablen (im dargestellten Falle acht Pole).
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Fig. 7 stellt das zu Fig. 6 gehörende Schaltungsschema dar, welches
die Stromverbindungen während der geschilderten Arbeitsweise zeigt.
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Fig. 8 zeigt die Läuferwicklung und den Stromlauf in ihr während des
synchronen Laufes als Kaskadenmaschine.
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Fig. 9 ist das der Fig. 8 entsprechende Schaltungsschema.
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Die Bezeichnungen nach Patentschrift 220.¢9o zur Bezeichnung der .Ströme
in den drei Phasen sind beibehalten worden. Die ausgezogenen Linien stellen die
augenblicklichen Maxima der Phasen dar. Die gestrichelten Linien und die strichpunktierten
Linien stellen die Phasen auf der Hälfte der M?,mrna dar. Diej enigen Linien, welche
- abwechselnd aus Punkten und Kreuzen bestehen, stellen Leiter dar, welche im Augenblick
stromlos sind. Doppelte Linien stellen Leiter dar, welche Ströme führen, welche
von zwei um ,o° versetzten Phasen compoundiert sind und dem quadratischen Wurzelmittelwert
mal 1,73 der Leiter entsprechen, welche die normalen Dreiphasenströme führen.
Schließlich stellen die dicken Linien in Fig. 2 und 3 die Gleichstromverbindungen
dar.
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Die. Fig. i, 2 und 3 zeigen, wie das stationäre Feld für synchrone
Wirkungsweise mit Gleichstrom gespeist werden kann durch Anbringung von Anzapfpunkten
an Mittelpunkten der Phasen der Wechselstrom-Ständer-Wicklung. Während des Anlassens
wird Wechselstrom von einer Dreiphasenstromquelle durch die Klemmen io, ii und i2
der Ständerwicklung zugeführt und fließt in ihr, wie durch die Kreuze und Punkte
innerhalb der Kreise, welche die Stäbe darstellen, in Fig. i angegeben. 13 bedeutet
eine Sternverbindung. Hierdurch wird das normale achtpolige Feld erzeugt, mit- welchem
die Maschine als Induktionsmotor angelassen wird. Wenn die Umdrehungszahl, die 12
Polen entsprichtalso die Haskadenumdrehungszabl für eine Maschine mit Normalpolzahlen
von 8 und ¢ -nahezu erreicht oder überschritten ist, wird. der- Gleichstrom den
Phasenwicklungen des Ständers durch Anzapfpunkte bei 1q. und 15, 16 und 17, 18 und
ig zugeführt oder durch einen oder nur zwei .derselben. Wenn der Gleichstrom allen
Phasen zugeführt wird, so gestaltet sich der Stromfluß, wie es durch die Kreuze
und Punkte außerhalb der Kreise, welche die Stäbe darstellen, in Fig. i dargestellt
ist, und es ergibt sich, daß in drei Nuten die Ströme in einer Richtung fließen,
in den nächsten drei sich aufheben und so fort um den Ständer herum sich verhalten,
so daß .ein stationäres vierpoliges Feld erzeugt wird. Dieses wird aber gerade benötigt,
um mit dem sekundären vierpoligen Felde des Läufers zusammenzuarbeiten, wodurch
ermöglicht wird, daß die Maschine als Synchronmaschine bei der Kaskadenurndrehungszahl
läuft. Natürlich sind die Gleichströme den Wechselströmen in der Ständerwicklung
übergelagert, aber der Effekt ist in elektromagnetischer Hinsicht derselbe,-als
ob die Gleichströme in gesonderten Wicklungen in denselben Nuten flössen. Die resultierenden
Ströme in. jedem Stabe können nicht dargestellt werden, da sie vom Leistungsfaktor,
der Anzahl der mit Gleichstrom gespeisten Phasen u. dgl. abhängen. Fig. 3 zeigt,
wie Gleichstrom jeder Phasenwicklung des Ständers durch seine Anzapfpunkte zugeführt
wird, wobei die .Ströme von drei gesonderten Generatoren oder von gesonderten Wicklungen
,.esselben Generators 2o durch gesonderte
Kommutatoren 2r, 22 und
23 zugeführt werden. Es ist zum mindesten notwendig, einen Generator mit gesonderten
Wicklungen zur Speisung jeder Phase mit Gleichstrom zu benutzen, da sonst die Gleichstromleitungen
zwischen den Anzapfpunkien der drei Phasen kurzgeschlossen werden würden. Fig. 2
zeigt, wie nur zwei Phasen der Ständerwicklung mit Gleichstrom von Kollektoren 21
und 22 gespeist werden, während die dritte Phase zu Dämpfungszwecken bei 24 kurzgeschlossen
sein kann. In diesem Falle müssen die Gleichströme, welche jeder der beiden Phasen
zugeführt werden, ungefähr im Verhältnis 3:2 verstärkt werden, im Vergleich zu dem
Falle der Fig. z und 3, wo die Gleichströme jeder Phase zugeführt werden, damit
derselbe elektromagnetische Effekt erzielt wird. In der dritten Phase werden Ströme
induziert, wenn die Maschine nicht synchron läuft, welche.das Bestreben zeigen;
die Maschine in Synchronismus zu bringen und daher jede Neigung zu Schwingungen
oder Voreilung unterdrücken. Dieselbe Wirkung tritt in gewissem Maße in allen drei
Phasen durch die Gleichstromverbindungen auf.
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Geeignete Wicklungen auf Generatoren, welche mit der Welle des Motors
direkt gekuppelt werden können und den Synchronisierstrom dem Ständer liefern, sind
in Fig. q. und 5 dargestellt. Fig. q. zeigt zwei gesonderte Wicklungen, die in denselben
Nuten des Ankers des Generators angebracht sind und mit gesonderten Kollektoren
21 und 22 verbunden sind. Es ist eine Wellenwicklung dargestellt, aber aus Bequemlichkeit
kann eine einfache Armatur mit einer geraden Zahl von Nuten benutzt werden, und
zwei Windungen 25 werden als tote Windungen belassen, die nicht in den Stromkreis
geschaltet sind. Wenn die Armatur eine ungerade Anzahl von Nuten besitzt, so besteht
keine Notwendigkeit, diese toten Windungen zu belassen. Fig: 5 zeigt eine Armatur
mit regelmäßig verteilten Wicklungen, die so angeordnet sind, daß sie drei gesonderte
Phasen des Ständers durch drei gesonderte Kollektoren 2r, 22 und 23, wie in Fig.
3, speisen. In hig. 5 haben die Kollektoren eine. gerade Anzahl von Stäben,- und
vier Bürsten laufen auf jedem, die entgegengesetzt paarweise wie üblich verbunden
sind, um Ströme zu führen, wie durch die + - und - - Zeichen dargestellt. Die in
Fig. q: und 5 dargestellten Armaturen wirken in einem Gleichstromfelde von irgendeiner
geeigneten Art, das vier Pole ergibt, wie es durch die Buchstaben N, S, N, S in
den Figuren dargestellt ist, und der Stromfluß in den Wicklungen ist in dem zur
Darstellung gewählten Augenblick durch die Kreuze und Punkte an den die Stäbe darstellenden
Kreisen angegeben. Der für das Zusammenwirken mit dem Ständer bestimmte Läufer der
Kaskadenmaschine kann mit Wicklungen von der Art versehen werden, wie sie in der
Patentschrift 2204go beschrieben sind, jedoch wird vorzugsweise der Sternverbindungspunkt
(der mit 25 in den verschiedenen Figuren der Patentschrift 2209o bezeichnet ist)
geöffnet und mit Schleifringen verbunden, damit Widerstände an dieser Stelle auch
während des Anlassens eingeschaltet werden können. Sonst würden lokale Ströme in
den geschlossenen Strombahnen des Läufers während des Anlassensinduziert werden
können, und diese könnten bewirken, daß eine übermäßig hohe Spannung in den Gleichstromwicklungen
erzeugt wird.
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Die Fig. 6 und 7 zeigen den Stromfluß in der Läuferwicklung während
des Anlassens, a1: o während der Wirkungsweise als Induktionsmotor mit acht Polen.
Die durch die drei Schleifringe 26 fließenden Ströme werden durch einen Widerstand
28 geregelt. Die durch die drei anderen Schleifringe 27 fließenden Ströme werden
durch einen Widerstand 9.9 geregelt. Während des Anlassens fließen Ströme
durch beide Widerstände, und in dem zur Darstellung gewählten Augenblick stellt
sich der Stromfluß in den Stäben gemäß Fig. 6 dar, aus der sich klar ergibt, daß
ein achtpoliges Feld erzeugt wird. Wenn die synchrone Kaskadenumdrehungszahl (zwölfpolige
Umdrehungszahl) erreicht wird, ist der Widerstand 29 geöffnet, wie es in Fig. 9
dargestellt ist, während bei der normalen synchronen Wirkungsweise der Widerstand
28 sich in der in Fig. g dargestellten kurzgeschlossenen Stellung befindet, wobei
die Schleifringe 26 kurzgeschlossen sind. Der Stromfluß in der Läuferwicklung ist
dann, wie in Fig. 8 dargestellt. Die Teile der Läuferwicklung, welche in den Fig.
7 und 9 von den Schleifringen 27 ausgehen, werden zweckmäßig aus Leitern von verhältnismäßig
geringem Querschnitt hergestellt, da sie nur für eine kurze Zeit während des Anlassens
in Wirkung stehen und da ihre Wirkungsweise der geringen Verluste wegen nur von
untergeordneter Bedeutung wäre.