DE654601C - Einrichtung zur Erzielung stetiger Stromaenderungen in Gleichstromerregerwicklungen bei grobstufigen Spannungsaenderungen, insbesondere in Gleichstromerregerwicklungen von elektrischen Maschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzielung stetiger Stromänderungen in Gleichstroimerregerwicklungen bei grobstufigen, etwa durch einen grobstufigen Regler bewirkten Spanniungsänderungen und findet überall dort Anwendung, wo eine gleichmäßige Änderung des Stromes nötig ist, z. B. bei der Steuerung von Gleichstrommaschinen, insbesondere Gleichstromgeneratoren, die in der bekannten Leonardschaltuing betrieben werden. Sieht man für die Feldregelung eines Leonardgenerators einen Feldvorsehaltwiderstand mit nur wenigen Schaltstufen vor, so machen sich die starken Wechsel bzw.

ig Sprünge der Generatorerregung und damit des Drehmoments des Arbeitsmotors durch starke Stöße sehr unangenehm bemerkbar. Man ist daher gezwungen, feinstufige Schaltgeräte zu verwenden, die kompliziert und entsprechend teuer sind und durch welche oft, beispielsweise wenn der Reglerhebel über die Kontaktreihe zu schnell hinweg bewegt wird, der erstrebte Zweck nicht einmal erreicht wird. Diese unsachgemäße Behand-

₂g lung führt besonders bei schwerem Anlauf zu großen Nachteilen, da dem Generator dann außergewöhnlich hohe Ströme entnommen werden, die leicht zu Beschädigungen der Maschine führen können.

Bei selbsttätigen Steuerungen, welche durch Drücken eines Druckknopfes in Betrieb gesetzt werden, sind verwickelte und teure Anlaßgeräte erforderlich, die die Veränderung des Feldwiderstandes durch verzögert arbeitende Abschalteinrichtungen mit sehr großer Kontaktzahl bewirken.

Nun ist es bekannt, zur Verlangsamung der Feldänderuingen einer Gleichstrommaschine auf den Polen dieser Maschine Dämpferwicklungen anzubringen. In der Dämpferwicklung werden bei Spannujngsänderungen an den Enden der Erregerwicklung induktive Ströme erzeugt, die einen Kraftfluß hervorrufen, der der Hauptkraftflußänderung entgegenwirkt, so daß diese verzögert wird. Um eine genügend langsame und stetige Feldänderung zu erzielen, muß jedoch eine sehr große Selbstinduktion (Dämpferwicklung) auf der Maschine vorgesehen werden; das kann nur unter Verwendung eines größeren Maschinenmodells als bei normaler Ausführung der Maschine geschehen. Dies ist darin begründet, daß die Dämpferwicklung einen erheblichen Mehraufwand an Kupfer erfordert und außer-

dem der von ihr beanspruchte Raum ver lorenen Wickel raum darstellt, da sie kein aktives Feld erzeugt, sondern nur bei auftretenden Feldänderungen zur WirkUi, kommt. Schließlich ist eine Einstellung FeldänderungsgeschAvindigkeit auf einem liebigen Wert mit Rücksicht auf praktische Ausführbarkeit bei einer Dämpferwicklung nur in beschränktem Maße und auch dann ίο nur durch, weitere Vergrößerung der Maschine möglich.

Durch die Erfindung werden die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden, und zwar wird eine stetige Stromänderung in Gleichstromerregerwicklungen bei grobstufigen Spannungsänderungen dadurch erzielt, daß parallel zu der Wicklung eine frei laufende, fremderregte, mit einer dem gewünschten Verlauf der Stromänderung angepaßten Schwungmasse versehene GleichstromnilfsmascliMie liegt, und daß die beiden Parallelzweige mit einem Widerstand in Reihe geschaltet sind. Durch die Hilfsmasehine wird der stetige Stromanstieg und -abfall in der Wicklung beim Übergang von einer Schaltstufe zur anderen in der unten näher beschriebenen Weise bewirkt. Allzu schnelle Änderungen der Haupt- und Streukraftflüsse und damit unzulässige Überspannungen werden am Ursprung selbst verhindert. Bei der Anwendung auf elektrische Maschinen besteht ein weiterer Vorteil darin, daß normale Maschinen verwendet und für die erforderliche Beharrungsleistung voll ausgenutzt werden können, während die kleine Hilfsmasehine nur für die Erregcrleistung auszulegen und daher klein und billig ist. Durch entsprechende Bemessung des Schwungmoments der mit dem Anker der Hilfsmaschine verbundenen Massen ist es ferner in einfacher Weise möglich, die Dauer des Hochlaufs der Hilfsmasehine auf jeden beliebigen Wert einzustellen. Zweckmäßig wird das Schwungmoment durch Verwendung zusätzlicher. Schwungmassen in leichter Weise veränderbar gemacht.

Es sei noch, erwähnt, daß man bereits Hilfsmaschinen in äußerlich, ähnlicher Schaltung, wie bei der Erfindung, verwendet hat, doch dienen diese bekannten Anordnungen zur Unterdrückung des Spannungsanstiegs bzw. des Ausschaltfunkens beim Unterbrechen von mit Selbstinduktion behafteten Stromkreisen oder zur Schnellerregung von elekirischen Maschinen. Die bei der Erfindung eintretende Wirkung ist bei den bekannten Einrichtungen somit gar nicht beabsichtigt.

Die grundsätzliche Arbeitsweise der Hilfsbzw. Zusatzmaschine der Anordnung nach der Erfindung läßt sich aus Abb. 4 entnehmen. Z₁ sei der Stromverbraucher, beispielsweise die Feldwicklung einer elektrischen Maschine, welche von der mit I₁ bezeichneten Stromquelle gespeist wird. Parallel zur Feldwick-, ,Jung Z₁ ist eine fremderregte Gleichstrom-Jf ',Maschine angeordnet, deren Anker mit Z₁ und leren fremderregtes Feld mit V₁ bezeichnet ^;! sind. Der Feldwicklung Z₁ und dem parallel . zu ihr liegenden Anker Z₁ der Hilfsmasehine ist ein fester Widerstand W₁ vorgeschaltet. Der Widerstand des Ankers Z₁ ist klein im Verhältnis zum Widerstand der Wicklung Jf₁; der Ohmwert des Ankers betrage beispielsweise ι ο 0/0 des Ohmwertes von Zi- Die Maschine Z₁, V₁ ist mit einem Energiespeicher, beispielsweise leinem Schwungrad m_v gekuppelt. Um einen günstigen Ausgleich zu erhalten, soll die Anordnung vorzugsweise so ausgelegt sein, daß die im Schwungrad aufgespeicherte Energie bei Dauerbetrieb etwa iVnmal so groß ist wie die dem Felde Zi innewohnende magnetische Energie. Sofern die aufgespeicherte Energie unter einem bestimmten kritischen Wert liegt, treten leicht Stromschwankungen im Felde auf. Die Zusatzmaschine soll so ausgelegt sein, daß ihr niedrigster Betriebsstrom im Vergleich zum normalen Höchststrom des Feldes Z₁ sehr klein ist.

Es soll nun die Wirkungsweise der Anordnung für den Fall geschildert werden, daß das Feld Z₁ eingeschaltet wird. Es sei angenommen, daß der Schalter q eine genügend lange Zeit geöffnet war; die Zusatzmaschinie steht still, und in der Wicklung Zi wfc auch im Ankerz-L fließt kein Strom. Wird nun der Schalter q geschlossen, so wird an die Klemmen der Wicklung Zi und des Ankers Z₁ eine Spannung gelegt, welche wegen des hohen Spannungsabfalls im Widerstand W₁ sehrniedrig ist. Unmittelbar nach dem Einschalten ist die Wicklung Zi durch den noch stillstehenden Anker Z₁ kurzgeschlossen. Die Zusatzmaschine beginnt zu laufen und beschleunigt sich anfangs rasch. In dem Maße, wie ihre Gegen-EMK steigt, steigt auch die Spannung an den Klemmen der Wicklung Z₁ und dementsprechend auch der Strom in ihr an. Die Beschleunigung der Zusatzmaschme wird aber infolge der Abnahme des Ankerstromes geringer. Da der Strom in der Wicklung Zi weiterhin ansteigt, wird der Überschuß der an die Feldklemmen gelegten Spannung über den Omschen Spannungsabfall kleiner, so daß der Stromanstieg in der Wicklung Zi allmählieh nachläßt, je mehr sich das System dem stationären Zustand nähert.

Für die beabsichtigte Wirkung ist es erforderlich, daß der Wicklung und der zu ihr parallel liegenden Hilfsmasehine stets ein Widerstand W₁ vorgeschaltet ist, denn andernfalls würde der Stromanstieg in der Wick-

lung völlig unabhängig von der Hilfsmaschiiie lediglich nach Maßgabe der Netzspannung und der Selbstinduktion der Wicklung erfolgen. An den Klemmen der Wicklung/! würde mit dem Einschalten die volle Netzspannung auftreten, nicht eine allmählich ansteigende Spannung. Die Hilfsmaschiiie wäre völlig wirkungslos. Durch den vorgeschalteten Widerstand erst wird ein von

ίο der jeweiligen Stromstärke abhängiger Spannungsabfall hervorgebracht.

Ähnlich sind die Verhältnisse beim Abschalten der Wicklung. Der Schalter q sei eine genügend lange Zeit geschlossen, so daß in dem ganzen System stationäre Zustände herrschen. Der Strom in der Wicklung /j und die Geschwindigkeit der Zusatzmaschime habe den Höchstwert erreicht. Die linke LeItUiIgZ₁ sei, wie in der Zeichnung dargestellt., positiv; dann fließt der Strom im Feld Z₁ von der linken Netzleitung zur rechten Netzleitung. Im gleichen Sinne fließt der Strom durch den Anker Z₁ der Zusatzmaschine. Die in der Zeichnung rechts dargestellte Klemme des Ankers ist demnach positiv. Wird nun der Schalter q geöffnet, dann entsteht ein Entladestrom durch den Anker Z₁ der Zusatzmaschine. Der Erregerstrom der Wicklung /_x sucht sich nicht nur durch die beim Abklingen infolge der Selbstinduktion entstehende elektromotorische Kraft aufrechtzuerhalten, sondern auch durch die. gegenelektromotorische Kraft der Zusatzmaschine, welche nunmehr durch das Schwungrad als Generator angetrieben wird. Dadurch klingt der Strom in der Feldwicklung f_t sehr langsam ab, und zwar bedeutend langsamer, als wenn zur Dämpfung lediglich die in der Wicklung Z₁ aufgespeicherte Energie verwendet würde.

Da der Dauerbetriebsstrom im Anker Z₁ und der Ohmsche Widerstand des Ankers sehr niedrig sind, so ist im stationären Zustand und bei Beginn des Abschaltvorgangs die Gegen-EMK des Ankers Z₁ praktisch gleich dem Ohmschen Spannungsabfall in der Wicklung Z₁. Daraus folgt, daß die Gegen-EMK der Zusatzmaschine, sobald infolge Widerstandsvorschaltung oder Öffnung des Stromkreises die Spannung an den Feldklemmen und damit auch der Feldstrom abfällt, den Ohmschen Spannungsabfall in der Feldwicklung sofort überwiegt und daher als Generator Strom ins Feld liefert, und zwar in der gleichen Stromrichtung wie bisher beim Motorbetrieb. Im ersten Augenblick nach dem Abschalten bzw. Einschalten des Vorschaltwiderstandes wird die Zusatzmaschine den größten Teil der Erregerenergie liefern.

Wenn dann die Zusatzmaschine infolge dieser Belastung in ihrer Drehzahl herabgeht, sinkt auch ihre Gegen-EMK rasch, so daß der Strom in der Wicklung f_t schneller abfallen könnte. Dadurch wird aber die durch Selbstinduktion hervorgerufene EMK im Felde gestärkt, die den Abfall des Stromes wieder verzögert. Das Abklingen des Stromes geht also langsamer vor sich als das Abklingen der Drehzahl der Zusatzmaschine. Es sei noch bemerkt, daß beim Abschalten der GleichstiOmerregerwicklung das Vorhandensein einer festen, nicht ausschaltbaren Widerstandsstufe (W₁ in Abb. 4) von den beiden aus Feldwicklung und Hilfsmaschine bestehenden Parallelzweigen nicht erforderlich ist.

Die Abb. 1 zeigt die Schaltung einer Anordnung nach der Erfindung in Anwendung' auf eine Leonardsteuerung. Das Leonardaggregat besteht aus dem Motor /, dem Generator g und der Erregermaschine e. Parallel zu dem Feld/ des Leonardgenerators £ liegt die Zusatzmaschine ζ; beide liegen in Reihe mit dem grobstufigen Regelwiderstand w an den Klemmen der selbsterregten Erregermaschine £. Das fremderregte Feld V der Zusatzmaschine liegt direkt an der Erregerspannung. In Reihe mit dem Anker der Erregermaschine ist noch ein Widerstand d geschaltet, durch dessen Einschalten oder Kurzschließen der Einfluß der Zusatzmaschine verändert werden kann. Der Anker der Zusatzmaschine ist mit einer Schwungmasse m gekuppelt.

Wird der Regelwiderstand aus der dargestellten Ausschaltstellung 0 auf die ersie Schaltstufe/' verstellt, dann liegt vor dem Generatorfeld und dem zu ihm parallel liegenden Anker der Hilfs- bzw. Zusatzmaschine (Dämpfungsmaschine) ζ der gesamte Regelwiderstand. An den Klemmen von Feld*und Hilfsmaschinenanker Hegt also nur eine Teilspannung, die zunächst für die Zusatzmaschine die Betriebsspannung darstellt. Bis zu einer dieser Teilspannung entsprechenden Drehzahl wird die Zusatzmaschine ζ hochlaufen; i.05 dabei steigt der Wert ihrer Gegen-EMK von Null auf einen etwas unter der Klemmenspannung liegenden Wert stetig an. Nun stellt die Gegen-EMK einen Widerstand dar, der bei Stillstand Null, bei vollem, verlustfreien Lauf unendlich groß ist, welcher also von seinem kleinsten Wert bis zu einem größten Wert stetig ansteigt. Im Maß dieses Widerstandsanstiegs wird der im Stillstand fast ganz durch den Anker fließende Strom durch das Generatorfeld gedrängt.

Wird jetzt auf Stufe 2 weitergeschaltet, so wird in demselben Zeitpunkt an das Generatorfeld/ wohl eine größere Spannung gelegt. Diese tritt aber nicht in einem Stromstoß im Generatorfeld in Erscheinung, da die vergrößerte Spannung auch an den Anker-

Hemmen der Zusatzmaschines liegt. Da die Gegen-EMK ihren Wert nach dem Weiterschalten des Regelwidexstandes zunächst nicht geändert hat, so besteht wieder eine Differenz der Spannungen, und damit ist der Widerstandswert des Ankers der Zusatzmaschine ζ kleiner, d.h. endlich geworden. Ein entsprechender Teil des Stromes fließt jetzt wieder durch den Anker, bis dieser durch ίο Hochlaufen seine Gegen-EMK auf einen der vergrößerten Klemmenspannung entsprechenden Wert gebracht hat; dann fließt wieder praktisch der ganze Strom durch das Generatorfeld/. Das gleiche Spiel wiederholt sich auf jeder weiteren Schaltstufe.

In den Abb. 2 und 3 sind Kurven dargestellt, welche für die Zusatzmaschine die Drehzahl η in Abhängigkeit von der Zeit/ darstellen. Für einen Betrieb in der vorstehend beschriebenen Weise, und zwar ohne die Schwungmasse m, erhält man eine Arbeitsweise gemäß der Kurven beim Anlauf der Zusatzmaschine bzw. beim Einschalten der GleichstrOmwicklung (Abb. 2) und beim Auslauf der Zusatzmaschine bzw. beim Abschalten der Gleichstrom wicklung (Abb. 3). Es ist ohne weiteres verständlich, daß diese Kurven sehr steil verlaufen müssen^ da die Zusatzmaschine ζ ohne jede Belastung betrieben wird. Für den Betrieb des Leonardaggregats ist aber dieser steile Anstieg der Generatorerregung, der Generatorspannung und damit der Drehzahl des Arbeitsmotors oft nicht erwünscht. Es ist daher für die meisten Fälle zweckmäßig, mit der Zusatzmaschine die entsprechend bemessene Schwungmasse tn zu kuppeln. Diese sichert einen langsameren Anlauf und Auslauf nach den Kurven b der Abb: 2 und 3. Die Vorgänge beim Einschalten und entsprechend auch beim Ausschalten sind die gleichen, wie bereits beschrieben, nur vollzieht sich der Anstieg der Gegen-EMK und in deren Folge der Anstieg

des Feldstromes, der Generatorspannung und der Motardrehzahl entsprechend langsamer. 45 Dabei besteht noch ein besonderer Vorteil der Anordnung darin, daß der Anstieg der Erregung von der Schaltgeschwindigkeit des Regelwiderstandes w fast unabhängig ist. Die Form der Kurven- ist fast allein bedingt 50 durch die Größe der Zusatzmaschine 2 und der Schwungmassem. Die letztere wird man so groß wählen, daß die höchstzulässige Beschleunigung auftritt, die durch die Tangente an die Kurven b im Wendepunkt derselben 55 gegeben ist.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   ι. Einrichtung zur Erzielung stetiger Stromänderungen in Gleichstromerregerwicklungen bei grobstufigen Spannungsänderungen, insbesondere in Gleichstromerregerwicklungen von elektrischen Maschinen, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der durch die grobstufigen Spannungsänderungen zu regelnden Wicklung eine frei laufende, fremderregte, mit einer dem gewünschten Verlauf der Stromänderung angepaßten, zweckmäßig leicht änderbaren Schwungmasse versehene Gleich-Stromhilfsmaschine und in Reihe mit den beiden Parallelzweigen ein Widerstand liegt. ■
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1 in Anwendung auf Leonardsteuerungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker der Hilfsmascbine parallel zur Feldwicklung einer Leonarddynamo liegt, und daß in Reihe mit diesen beiden Parallelzweigen ein Widerstand liegt.

   ■3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, ■ dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Anker der Hilfsmaschine ein Widerstand (d) geschaltet ist, durch dessen Einschalten oder Kurzschließen der Einfluß s₅ der Zusatzmaschine verändert wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen