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Gleichstrom -Verstärkermaschine Die Erfindung bezieht sich auf umlaufende
Gleichstromerzeuger, bei welchen ein fremderregtes Regelfeld bewirkt, daß ein im
Innern der Maschine erzeugter Strom zwischen miteinander verbundenen gleichnamigen
Kommutatorbürsten fließt, und in welchen dieser Strom die Hauptfelderregung der
Maschine steuert. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Maschinen
der vorerwähnten Bauart, deren Feldanordnung der Mehrpolbauart entspricht, wobei
das Feld unter der Wirkung des Regelfeldes einer verzerrten Kraftflußverteilung
unterworfen ist, so daß der im Inneren fließende Strom seiner Art nach ein Ausgleichstrom
ist und zwischen den Bürsten auftritt, die in bezug auf den Außenstromkreis der
Maschine dieselbe Polarität haben. Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Verstärkermaschine
der obengenannten Bauart, die eine rasche und wirksame Verstärkerleistung in Verbindung
mit einer verbesserten Betriebsstabilität aufweist.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung sind die Gewährleistung eines guten
Wirkungsgrades unabhängig von Belastungsänderungen, verringerte Empfindlichkeit
in bezug auf die Genauigkeit der jeweiligen Bürstenstellung und verbesserte Kommutierung
im Vergleich mit bisher bekannten Maschinen der in diesem Zusammenhang in Frage
kommenden Bauart.
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Es sind bereits Gleichstrommaschinen bekannt, bei welchen zwischen
der abgegebenen Nutzspannung und einer steuernden Erregerspannung eine mehrfache
Verstärkung stattfindet und bei welchen an einer vierpoligen
oder
mehr als vierpoligen, mit einer einfachen Schleifenwicklung ohne Ausgleichsleiter
ausgerüsteten Maschine außer der normalen, in der Aufeinanderfolge der Pole das
Vorzeichen wechselnden Erregung noch eine (oder mehrere) auf den normalen Polen
untergebrachte Erregung vorgesehen ist, deren Fluß zwei für die normale Erregung
gleichnamige Pole über den Anker und die beiden Luftspalte nacheinander durchsetzt
(Polachsenerregung) und so an zwei normalen gleichpoligen Bürsten eine Differenzspannung
hervorruft, die zur Speisung der normalen Erregung dient.
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Die Erfindung unterscheidet sich von dieser bekannten Anordnung sowohl
hinsichtlich der angestrebten Wirkung als auch hinsichtlich der Wahl der Mittel
zur Erzielung derselben.
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Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Verstärkermaschine für Steuer-
und Regelzwecke mit mindestens zwei Magnetpolen gleicher Polarität und zu jedem
Pol gehörigen Kommutatorbürsten, einer vierpoligen Schleifenwicklung auf dem Anker,
einer Regelfeldwicklung, welcher eine veränderliche Steuerspannung zugeführt wird
und die auf mindestens einem der beiden genannten gleichnamigen Pole in einer solchen
Schaltung angebracht ist, daß die veränderliche Steuerspannung so wirkt, daß die
Feldstärke eines Pols der beiden genannten Pole abgeschwächt wird, wodurch eine
Differenzspannung zwischen den gleichnamigen Bürsten, die zu den genannten Polen
gehören, entsteht, und eine zusätzliche Feldwicklung, die in Serie mit den genannten
Bürsten geschaltet ist, so daß dieselbe durch die genannte Differenzspannung erregt
wird, und die auf einer größeren Anzahl von Polen so angeordnet ist, daß zwischen
den Ausgangsklemmen der Verstärkermaschine eine veränderliche Spannung erzeugt wird,
die ein Vielfaches der genannten Steuerspannung ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Teil der zusätzlichen Feldwicklung, der sich auf einem Feldpol befindet,
in zwei Spulen unterteilt ist, die so miteinander und mit der einen Ausgangsklemme
der Verstärkermaschine verbunden sind, daß sie von dem von der genannten Differenzspannung
erzeugten Ausgleichstrom in der gleichen Richtung durchflossen werden und von dem
Belastungsstrom der Verstärkermaschine in einander entgegengesetzten Richtungen
durchflossen werden.
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Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus der Erläuterung der Erfindung
in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
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Fig.I zeigt schematisch die Pol- und Bürstenanordnung einer vierpoligen
Verstärkermaschine gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist ein Schaltschema der Wicklungen
dieser Maschine; Fig. 3 ist ein Schaltbild der Maschine mit eingezeichneten Strom-
und Ankerfeldrichtungen; Fig. 4 ist ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform;
Fig. 5 bezieht sich auf Maschinen, die gemäß vorgenannten Ausführungsformen gebaut
sind und zeigt die Verteilung der Ankerströme in bezug auf die Kommutierungsachsen
dieser Maschinen; Fig. 6 zeigt die Wendepolwicklungen von Maschinen gemäß der Erfindung;
Fig. 7 ist ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung; Fig. 8 und
g zeigen jeweils schematisch zwei verschiedene Arten der Lieferung von Regelerregung
für Maschinen gemäß der Erfindung.
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Wie aus den Figuren ersichtlich, haben die praktischen Ausführungsformen
der Erfindung einen symmetrischen vierpoligen Ständer, wie ein solcher in Fig.I
zu ersehen ist. Der Ständer F besitzt vier Hauptpole P I, P2, P3 und P4 und vier
Hilfspole Q I, Q2, Q 3 und Q4. Ein Läufer mit überlappter, normal gesehnter Wicklung
und der dazugehörige Kommutator sind schematisch bei A gezeigt, und die vier dazugehörigen
Bürsten sind mit B I, B 2, B 3 und B 4 bezeichnet. Während des Betriebes des Generators,
wobei der Läufer entgegen dem Uhrzeigersinn umläuft und die Pole P I, P 2, P 3 und
P 4 in richtigem Sinne erregt werden, nehmen die Bürsten B I und B 3 negative Polarität
an, und die Bürsten B 2 und B 4 nehmen positive Polarität an. Die
Bürsten B I und B 3 sind durch eine innere Ausgleichsverbindung Cn miteinander verbunden;
und eine andere innere Verbindung Cp liegt zwischen den Bürsten B2 und B4. Beide
Verbindungen sind in Fig.I nur schematisch dargestellt, während ihr Aufbau im einzelnen
unter Bezug auf Fig. 2 erklärt wird.
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Wie aus den Fig. 2 und 3 zu ersehen, sind die Pole P I und P 3 , jedoch
nicht die Pole P 2 und P 4, mit Regelwicklungen S I und S 3 versehen, die zwischen
den Eingangsklemmen Ap und An angeschlossen sind und so gewickelt sind, daß die
Wicklung S I, wenn dieselbe durch eine Steuerspannung mit Strom beschickt wird,
die magnetische Feldstärke des Poles PI verstärkt, während die Wicklung S 3 die
Feldstärke des Poles P 3 verringert. Infolgedessen wird die Zuführung einer Steuerspannung
zu den Klemmen Ap und An die Kraftflußverteilung in dem Magnetgehäuse in einem Maße
verdrehen, welches von der Stärke des zugeführten Steuerstromes abhängt. Die beiden
positiven Bürsten B2 und B4 sind, wie erwähnt, miteinander verbunden, und die positive
Ausgangsklemme Tp der Maschine ist an die Bürstenverbindung Cp angeschlossen. Die
Verbindung Cn zwischen den beiden negativen Bürsten BI und B3 enthält Haupterregerwicklungen,
die auf allen vier Polen der Maschine liegen. Die negative Ausgangsklemme Tn ist
mit dem Mittelpunkt Mn der Verbindung Cia verbunden, während die Haupterregerwicklungen
der Maschine sich aus zwei Wicklungsgruppen zusammensetzen, die mit C I,
C?" C3, C 4 bzw. D i, D2, D3, D 4 bezeichnet sind. Diese
Wicklungen liegen alle in Serie zwischen den Bürsten Bi und B3, so daß sie einen
Teil des Innen-Stromkreises Cn darstellen. Die Wicklungen C i und D i liegen
auf dem Pol P i, die Wicklungen C z und D 2
auf dem Pol P2, die Wicklungen
C3 und D3 auf dem Pol P 3 und die Wicklungen C 4 und D 4 auf dem Pol P4.
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Wenn die Regelwicklungen Si und S3 so erregt werden, daß ein Ausgleichstrom
In durch den Stromkreis Cn fließt, so fließt dieser Strom der Reihe nach
durch alle Hauptfeldwicklungen und erregt die vier Pole in gleichem Maße und symmetrisch,
wodurch bewirkt wird, daß der Läufer eine Klemmenspannung
liefert,
die an den Sekundär- oder Ausgangsklemmen Tp und Tn auftritt. Wenn an diese Klemmen
eine Belastung (Verbraucher) angeschlossen wird, fließt der Belastungsstrom Is von
dem positiven Anschluß Mp der Bürsten B2 und B4 zur Klemme Tp, und von der Klemme
Tn zum Mittelpunkt Mn des Stromkreises Cn und von da parallel durch die Wicklungsgruppen
C I-C 2-C 3-C 4 und D I-D 2-D 3-D 4 zu den negativen Bürsten BI und B3. Infolgedessen
fließt der Belastungsstrom auch durch die Hauptfeldspulen; da jedoch seine Stromrichtung
in den Spulen C i, C2, C 3 und C 4 entgegengesetzt zu derjenigen in den entsprechenden
Spulen D I, D 2, D 3 und D 4 ist, wird die Wirkung des Belastungsstromes auf jeden
Pol aufgehoben.
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Im Gegensatz zum Belastungsstrom Is durchfließt der zwischen den Bürsten
BI und B3 fließende Ausgleichstrom In die Spulen jedes Pols, z. B. die Spulen C
I und D I für den Pol P i, in demselben Richtungssinn, so daß sich die vom Ausgleichstrom
In herrührenden Magnetisierungswirkungen dieser Spulen addieren.
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Infolgedessen hat der Belastungsstrom Is keine Wirkung auf die magnetische
Erregung des Ständereisens der Maschine, und die Magnetisierungswirkung der Hauptfeldspulen
wird nur durch den Ausgleichstrom 1n oder die Potentialdifferenz zwischen den gleichpoligen
Bürsten BI und B3 geregelt, die wiederum hervorgerufen und gesteuert wird von der
Steuererregung der Regelspulen SI und S3, wie dies oben erklärt wurde.
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Erfindungsgemäß ist der Generator nach Fig. 2 und 3 mit zusätzlichen
Feldwicklungen CC 2, CC4, CD 2 und CD4 ausgestattet, welche bestimmte Störwirkungen
ausgleichen, die gleichzeitig mit dem Auftreten einer asymmetrischen Kraftflußverteilung
in Erscheinung treten, wie dies im folgenden erklärt werden wird.
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Während des Betriebes des Generators sind die magnetischen Kraftflußbedingungen
infolge der ausgeglichenen Mehrpolfelderregung gleich denjenigen, die in normalen
vierpoligen Generatoren auftreten. Die normalen Wirkungen der Ankerrückwirkung sind
ebenfalls vorhanden und nicht verschieden von denjenigen, die bei symmetrisch erregten
Maschinen auftreten. Infolgedessen braucht über diese Erscheinungen nicht weiter
diskutiert zu werden. Die Überlagerung einer asymmetrischen Kraftflußkomponente
hat jedoch die Erzeugung entsprechender Komponenten der Ankerrückwirkung zur Folge,
die das Verhalten der Maschine im Vergleich zu denjenigen der bisher üblichen Generatoren
ändern und die infolgedessen nunmehr diskutiert werden müssen.
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Wenn ein Generator nach Fig. 2 und 3 unter Erregung seiner Regelfeldwicklungen
SI und S 3 betrieben wird, fließt der Ausgleichstrom In in dem Stromkreis Cn zwischen
den Bürsten BI und B 3 durch die Ankerleiter und erzeugt ein Ankerquerfeld On, das
konstant ist (Fig. 3) und eine 9Oº-Verschiebung zur Feldachse der steuererregten
Pole PI und P3 besitzt, d. h., die Achse dieses Ankerquerfeldes On fällt mit derjenigen
der Pole P2 und P4 zusammen. Der Pol P2 wird infolgedessen in magnetischem Sinn
mehr negativ, und der Pol P4 wird weniger negativ. Infolgedessen wirkt die Ankerrückwirkung
auf die Pole P2 und P4 in gleicher Weise. wie die Regelwicklungen SI und S 3 auf
die Pole PI und P3 wirken. Dieses wiederum bewirkt eine Differenz zwischen den elektrischen
Potentialen der positiven Bürsten B 2 und B4, so daß ein Ausgleichstrom Ip
durch den Anker und den Stromkreis Cp zwischen den Bürsten B2 und B4 fließt. Der
Strom Ip wiederum induziert einen zeitlich konstanten Ankerrückwirkungskraftfluß
Op (Fig. 3) in einer Richtung, welche senkrecht zur Polachse P2-P4 liegt. Dieser
Rückwirkungskraftfluß Op ist entgegengesetzt gerichtet dem Regelkraftfluß, der durch
die Regelfeldwicklungen SI und S3 induziert wird, und derselbe schwächt infolgedessen
den ursprünglichen Regelkraftfluß. Wenn in einer Maschine, die nach der oben beschriebenen
Weise gebaut ist, die Regelfeldwicklungen SI und S 3 erregt werden, werden die Ausgleichströme
In und Ip zwischen den jeweiligen gleichnamigen Bürstenpaaren hergestellt, und diese
Ströme ergeben bei Betrieb der Maschine im Beharrungszustand entsprechende Ausgleichswerte,
bei welchen der Ankerrückwirkungskraftfluß Op um einen Betrag kleiner als derjenige,
der von den Regelfeldwicklungen induziert wird, ist, der gerade ausreicht, um das
Fließen der Ströme In und Ip zu bewirken.
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Da der Ankerrückwirkungskraftfluß Op versucht, die Wirkung der Regelfeldwicklungen
S 3 und SI herabzumindern, kann die Leistung der Maschine dadurch verbessert werden,
daß Vorrichtungen vorgesehen werden, die diesen entgegengesetzt gerichteten Kraftfluß
unterdrücken oder kompensieren. Diese Hilfsvorrichtungen können so wirken, daß sie
entweder dem Kraftfluß Op entgegenwirken oder denselben kompensieren oder eine der
beiden Größen In oder On aufheben, die die Ursachen für den Kraftfluß O sind.
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Der Kraftfluß On kann erfindungsgemäß dadurch vermindert werden, daß
Gegenfeldwicklungen auf den Polen P2 und Pq. angebracht werden und dieselben durch
den Strom Ip zwischen den Bürsten B2 und Bq. erregt werden, so daß die magnetomotorische
Kraft dieser Wicklungen dem Kraftfluß On entgegenwirkt. Hilfswicklungen dieser Art
können On nur teilweise neutralisieren, weil dieser Kraftfluß von dem Erregerstrom
In der gleichen Wicklungen verursacht wird. Das erreichbare Abfallen der
Größe von On ist nichtsdestoweniger bemerkenswert. »Kompensationswicklungen«, entweder
in den Polschuhen eingelegt oder nach Art der konzentrierten Wicklungen, können
ebenfalls Anwendung finden. Wicklungen der letzteren Bauart sind leichter anzuwenden.
Sie können auf den Polen P2 und P q. angebracht werden und mit dem Stromkreis Cn
verbunden werden, so daß dieselben von dem Strom In durchflossen werden.
Die Wicklungen werden dann so erregt sein, daß sie dem Kraftflug On entgegenwirken.
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Eine andere Form der Anwendung von »Kompensationswicklungen« ist die,
dieselben auf den Polen Pi und P3 anzubringen und dieselben von dem Strom Ip durchfließen
zu lassen, um dem Kraftfluß Op entgegenzuwirken. Eine Korrektur durch Kompensationswicklungen
ist vom Standpunkt des Wicklungsraumes äußerst vorteilhaft.
Zurückkommend
auf die Fig. 2 und 3 wird noch festgestellt, daß die Wicklungen CC 2 und
CD 2 auf dem Pol P2 und die Wicklungen CC 4 und CD 4 auf dem Pol P4 Wicklungen
sind, welche der Kompensationsbauart angehören. Diese Wicklungen sind alle mit den
Hauptfeldwicklungen C i, C2, C3, C 4 und DI, D 2, D 3, D 4 im Stromkreis Cn zwischen
den Bürsten BI und B3 in Serie geschaltet, um dem Kraftfluß On, wie oben erklärt,
entgegen zu wirken. In Hinsicht auf den Magnetismus wirken die Wicklungen CC g.
und CD 2 in bezug aufeinander und im Hinblick auf den Ausgleichstrom In in dem Stromkreis
Cn sich gegenseitig unterstützend, sie wirken jedoch in bezug aufeinander und in
bezug auf den Sekundär- oder Belastungsstrom Is der Maschine gegensinnig. Dieselben
Bedingungen ergeben sich in bezug auf die Wicklungen CC4 und CD4, so daß nur der
innere Ausgleichstrom In, jedoch nicht der Belastungsstrom eine Wirkung auf die
Kompensationswirkung dieser Wicklungen hat.
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Ein weiteres Beispiel einer Maschine mit kompensierter Ankerrückwirkung
wird durch den in Fig. 4 gezeigten Schaltplan dargestellt. Zusätzlich zu den Regelfeldwicklungen
S I, S 3 und Hauptfeldwicklungen C I, C2, C3, C 4 und D i, D2, D3, D 4 ist diese
Maschine- mit den folgenden Hilfsfeldwicklungen ausgerüstet: I. Kompensationsspulen
CC2, CC4, CD2, und CD4 auf den Polen P2 und P4 im Stromkreis Cn zwischen den Bürsten
BI und B 3. Das Feld dieser Wicklungen wirkt dem Kraftfluß On (s. Fig. 3) in der
bereits oben unter Bezug auf entsprechend in den Fig. 2 und 3 bezeichnete Wicklungen
entgegen.
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2. Kompensationswicklungen CC I CC 3 und CD r, CD 3, die auf den Polen
PI und P3 liegen, um dem Kraftfluß Op entgegenzuwirken, und die innerhalb des Stromkreises
Cp zwischen die Bürsten B2 und B4 so geschaltet sind, daß dieselben durch den Ausgleichstrom
Ip geregelt werden. Wicklungen CC I und CD I sowohl als auch Wicklungen CC3 und
CD3 sind in bezug auf den Strom Ip gleichsinnig und sind gegensinnig und heben ihre
Wirkungen in bezug auf den Belastungs- oder Sekundärstrom Is auf.
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3. Gegenfeldwicklungen 0C2, 0C4 und 0D2, 0D4, die auf den Polen P
2 und P 4 angebracht sind und dem Kraftfluß On entgegenwirken, sind innerhalb des
Stromkreises Cp zwischen die Bürsten B 2 und B 4 geschaltet. Die Wicklungen 0C2
und OD 2 oder 0C4 und 0D4 wirken unter dem Ausgleichstrom Ip gleichsinnig und wirken
unter dem Belastungsstrom Is einander entgegen und gleichen sich gegenseitig aus.
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Die obenerwähnten Hilfsfeldwicklungen der in Fig.4 dargestellten Maschine
können so bemessen sein, daß die Kompensationswicklungen CC I, CC 3, CDI, CD 3 und
CC 2, CD 2, CC 4, CD 4 eine Kompensation von On und Op um 8o%, bewirken, während
die Gegenfeldwicklungen 0C2, 0C4, 0D2 und 0D4 eine Gegenwirkung gegen On von 65%
der wirksamen Ankerwindungen je Pol bewirken. Diese Bemessung ergab bei auf dem
Prüfstand untersuchten Maschinen ein Mindestmaß von Gesamtwicklungsraum bei gleichzeitig
befriedigender Tätigkeit. Eine Art der Erregung der Regelfeldwicklungen einer Maschine
der beschriebenen Bauart ist die, diese Erregung und die daraus folgende Feldverzerrung
proportional zum Abfall der erzeugten Klemmenspannung von einem bestimmten Wert
an zu machen. Da bei einem solchen Betrieb die Steuerspannung verschwindet, wenn
die richtige Ausgangsspannung erreicht wird, werden zur Aufrechterhaltung der Klemmenspannung
auf dem richtigen Wert einige andere Einrichtungen benötigt. Dies wird durch die
Anordnung einer »abgestimmten« oder »ausgeglichenen« Selbsterregung erreicht. Die
Erregerfeldwicklungen der Selbsterregung können in Serie, im Nebenschluß oder im
Verbund geschaltet sein. Sie liegen auf allen Polen der Maschine, so daß die Kraftflußverteilung
der Selbsterregung symmetrisch ist. Es ist klar, daß im Gegensatz zu den obenerwähnten
Hauptfeldwicklungen und Hilfswicklungen die Selbsterregungswicklungen vom Belastungsstrom
Is geregelt werden und im wesentlichen von den Ausgleichströmen unbeeinflußt sind.
Die Feldwicklungen der Selbsterregung haben eine verstärkende Rückkopplungswirkung,
d. h., sie nutzen einen Teil der erzeugten Ausgangsenergie der Maschine für die
eigene Felderregung aus, so daß hierdurch wieder diese Ausgangsleistung aufrechterhalten
wird. Die in Fig.4 dargestellte Maschine hat z. B. eine Verbundanordnung der Selbsterregerwicklungen.
Dieselben sind mit SS r, SS 2, SS 3 und SS4 bezeichnet und liegen im Belastungsstromkreis
Cs in Reihe und mit den Polen PI , P 2, P3 und P4 verbunden. Die Wicklungen SPI,
SP2, SP3 und SP4 liegen im Nebenschluß und in Reihe mit einem Regelwiderstand R.
Die Nebenschlußfeldwicklungen liegen ebenfalls auf entsprechenden Polen P I, P 2,
P 3 und P 4 und wirken in bezug auf die entsprechenden, in Serie geschalteten Wicklungen
der Selbsterregung verstärkend. Das hierdurch erregte Feld der Selbsterregung ist
so bemessen und mittels des Widerstandes R so eingestellt, daß seine Stärke gerade
ausreicht, um die für die Aufrechterhaltung der erzeugten Ausgangsspannung benötigte
Erregung zu gewährleisten. Mit anderen Worten fällt die magnetische Kennlinie des
Feldes der Selbsterregung ungefähr mit der Sättigungs- oder Luftspaltcharakteristik
der Maschine im unbelasteten Zustand (Leerlaufcharakteristik) zusammen. Dies gilt
nur für den im wesentlichen geradlinigen Teil unterhalb des Sättigungswertes der
magnetischen Charakteristik der Maschine. Infolgedessen wird die oben beschriebene
Regelwirkung dieser Maschinenbauart im wesentlichen auf den Luftspaltteil (ungesättigten
Teil) der magnetischen Charakteristik derselben beschränkt.
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Die Anwendung von in Serie geschalteten Feldwicklungen in Kombination
mit Nebenschlußfeldwicklungen zur Erzeugung einer abgestimmten Selbsterregung wird
vorzugsweise in einer Form ausgeführt, daß die in Serie geschalteten Wicklungen
so bemessen sind, daß eine etwas kleinere als benötigte Feldstärke vorgesehen ist
und daß der Unterschied durch das Feld der in Nebenschluß geschalteten Wicklungen
aufgenommen wird. Eine solche Kombination vermeidet die Notwendigkeit der Benutzung
von stark belastbaren Widerständen im Belastungsstromkreis der
Maschine,
da die richtige Abstimmung der Selbsterregung mittels des Widerstandes R im schwach
belasteten Nebenschlußzweig der Maschine eingestellt wird. Dieser Nebenschlußzweig,
der die Windungen SPI, SP2, SP3, SP4 und den Widerstand R umfaßt, kann so bemessen
sein, daß derselbe einen maximalen Scheinwiderstand aufweist, d. h. daß die Nebenschlußfelder
nur stark genug sein müssen, um die Fabrikationsunterschiede, die Installationsberichtigungen
u. dgl. Schwankungen auszugleichen.
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Zur Gewährleistung einer sauberen Kommutierung sind Maschinen gemäß
der Erfindung wie gewöhnliche Generatoren mit Wendepolwicklungen versehen, die auf
den Hilfspolen Q I, Q 2, Q 3, Q 4 des in Fig. I dargestellten Ständers liegen. Im
Gegensatz zu den normalen Mehrpolgeneratoren benötigen die Maschinen gemäß vorliegender
Erfindung eine besondere Konstruktion und besondere Schaltung der Wendepolwicklungen,
da die Ströme im Anker und zwischen den Belastungsklemmen kein festes Verteilungsverhältnis
während der verschiedenen Betriebszustände innehalten; d. h. die Ankerströme und
diejenigen zwischen den Ausgangsklemmen werden praktisch ausgeglichen, wenn der
Stromdurchfluß der Regelwicklungen Null ist. Andererseits kann ein Ausgleich von
beispielsweise 25 bis 50% des Normalstromes in der Bürstenverbindung Cn zwischen
den Bürsten BI und B 2 fließen, wenn der Ausgangsstrom der Maschine Null ist, während
in den Regelwicklungen eine Steuererregung stattfindet, und ein etwas anderer Strombetrag
wird dann in dem Stromkreis Cp zwischen den Bürsten B2 und B4 fließen. Wenn zum
Zwecke der Darlegung die Ströme in den Stromkreisen Cm und Cp als gleich groß angenommen
werden, also bei Leerlauf, ist die im Läufer sich ergebende Stromverteilung die
in Fig.5 dargestellte. Der gesamte Anker erzeugt dann eine magnetomotorische Kraft
in der Achse Q i-Q 3, die in den neutralen Zonen zwischen den Polen P I und P 4
und den Polen P 2 und P 3 liegt, jedoch keine in den beiden anderen neutralen Zonen.
Das Problem ist infolgedessen das, Stromwendeeinrichtungen vorzusehen, die in der
Lage sind, die richtigen magnetischen Polaritäten zu gewährleisten und die Polstärken
der Hilfspole so zu korrigieren, daß die eben erwähnten Bedingungen sowohl innegehalten
werden als auch die Kommutierungsbedingungen erhalten werden, wenn nur der Belastungsstrom
fließt.
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Ein Beispiel von Wendepolwicklungen, die in der Lage sind, eine befriedigende
Kommutierung unter den verschiedenen Betriebsbedingungen zu ergeben, ist in Fig.
6 dargestellt. Die durchlaufenden Pfeile, die in Fig. 6 eingefügt wurden, geben
die Richtungen der Stromflüsse der inneren Ausgleichströme an, die durch den Läufer
und die Wendepolwicklungen fließen, wenn die Regelwicklungen mittels einer Steuerspannung
(asymmetrische Kraftflußverteilung) erregt werden, während kein Belastungsstrom
von den Sekundärklemmen der Maschine entnommen wird. Die gestrichelten Pfeile, die
in Fig. 6 gezeigt sind, geben die Richtungen des Stromflusses an, wenn in den Regelwicklungen
keine Ströme fließen (symmetrische Kraftflußverteilung), während ein Belastungsstrom
in die Bürsten BI und B 2 hineinfließt und aus den Bürsten B 2 und B 4 herausfließt.
Der Hilfspol QI (s. Fig.I ) ist mit vier Wendepolwicklungen IQI, 2Q I, 3QI, 4QI
ausgestattet; der Hilfspol Q 2 besitzt vier Wendepolwicklungen IQ 2, 2Q2, 3Q2, 4Q2;
der Hilfspol Q 3 besitzt vier Wicklungen IQ 3, 2Q3, 3Q3, 43, und die vier Wendepolwicklungen
IQ4, 2Q4, 3Q4, 4Q4 liegen auf dem Hilfspol Q4. Die Wendepolwicklungen, deren Bezeichnungen
den Vorkoeffizienten I enthalten, sind zwischen der Bürste B I und einem Punkt B
I' im Stromkreis Cn zwischen den Bürsten BI B3 in Reihe geschaltet, wie dies deutlicher
aus der vollständigen Schaltskizze, die in Fig.7 gezeigt ist, hervorgeht. Die Wendepolwindungen
mit dem Vorkoeffizienten 3 liegen ebenfalls zwischen den Bürsten B 3 und dem Punkt
B3' im Stromkreis Cm -in Serie. Die Wendepolwicklungen mit den Vorkoeffizienten
2 und 4 liegen in Serie zwischen B2, B2' und B4, B4' im Stromkreis
Cp zwischen den Bürsten B2, B4.
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Wie in Fig. 6 schematisch dargestellt, haben zwei der Wendepolwicklungen
auf jedem Hilfspol mehr Amperewindungen als die beiden anderen. Die beiden in der
Nähe des Ankers auf jedem Hilfspol gezeichneten Wicklungen haben beispielsweise
150 %/, der Windungen, die zum Ausgleich der normalen Ankerrückwirkung, die mit
ausgeglichenem Belastungsstrom (bei einer Steuererregung von Null) benötigt würden,
plus der Windungen, die zur Erzeugung des Kommutierungskraftflusses erforderlich
sind. Die beiden anderen Spulen auf jedem Zwischenpol haben dann 50°/% der Windungen,
die zum Ausgleich der normalen Ankerrückwirkung, die sich bei ausgeglichenen Strömen
ergibt, nötig sind. In unbelastetem Zustand, bei welchem die Regelfelder die Verdrehwirkung
auf die Kraftflußverteilung ausüben und einen Ausgleichstromfluß durch die Wendepolwindungen
erzeugen, wie dies in voll ausgezeichneten Pfeilen angegeben ist, wird die Erregungsresultierende
aller Q2,- und Q4-Wicklungen gleich Null. Infolgedessen wird in den neutralen Zonen
zwischen den Polen P I und P 2 und in der auf der entgegengesetzten Seite liegenden
Zone zwischen den Polen P 3 und P 4 keine Wirkung erzeugt. Die Erregung der Windungen
QI und Q3 ist jedoch gleichsinnig, so daß dem Ankerquerfeld mit der Achse Q i-Q
3, wie in Fig. 5 dargestellt, entgegengewirkt wird. In dem entgegengesetzten Extremfall,
der in Fig. 6 durch gestrichelte Pfeile angedeutet ist, d. h. in dem Fall, daß das
Regelfeld gleich Null ist und ein endlicher Belastungsstrom vorhanden ist, wird
die normale Feldstärke an den Hilfspolen und die normale Polarität an denselben
Stellen erzielt, weil die beiden äußeren Spulen auf jedem Hilfspol in bezug auf
die beiden inneren Spulen entgegengesetzt wirken und infolgedessen die jeweils richtige
Durchflutung erzeugen, die benötigt wird, um die Ankerrückwirkung auszugleichen.
Bei Zwischenbedingungen vereinigen sich die beiden in Fig. 6 dargestellten Wirkungen,
so daß jeweils die erwünschten Stromwendekraftfelder erzeugt werden.
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Fig. 7 ist, wie bereits oben erwähnt, das Schaltbild einer vollständigen
vierpoligen Maschine, welche mit Regelwicklungen S i und S 3, Hauptfeldwicklungen
C i, C2, C3; C4, Di, D2, D3 und D4 und Kompensationswicklungen
CC 2, CD 2 und CC 4, CD 4 ausgestattet
ist,
die in dem Stromkreis Cn liegen und auf den Polen P 2 und P4 angeordnet sind, während
Kompensationswicklungen CC i, CD i, CC 3 und CD 3
im Stromkreis Cp
liegen und auf den Polen P i und P 3 angeordnet sind, die ferner mit abgestimmten,
in Reihe geschalteten Wicklungen SS i, SS 2, SS 3, SS 4 in Zusammenwirkung mit Nebenschlußwicklungen
SP i, SP 2, SP 3 und SP 4 und vier Gruppen von Wendepolwicklungen, die auf den Hilfspolen
liegen, versehen ist, wobei alle genannten Wicklungen entsprechend den weiter oben
gegebenen Erläuterungen angeordnet und geschaltet sind.
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Es wurde im vorhergehenden vorausgesetzt, daß die den Kraftfluß verzerrenden
Regelkraftfelder, die durch die Regelspulen S i und S 2 erzeugt werden, gleich Null
werden, wenn die Spannung oder andere mittels des Generators gesteuerte Zustände
einen bestimmten Wert haben, und daß die Regelspulen durch eine Spannung erregt
werden, die genau die erforderliche Größe und Richtung hat, wenn der gesteuerte
Zustand von dem gewünschten Wert abweicht.
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Diese Regelwirkung kann durch die Anordnung eines elektrischen Steuerstromkreises
erzielt werden, welcher die Spulen SI und S3 mittels einer Differenzspannung erregt,
deren Richtung und Größe von dem Gleichgewicht einer veränderlichen Spannung (Steuerspannung)
in bezug auf eine gewählte konstante Spannung (Sollspannung) abhängt. Zahlreiche
elektrische Schaltungen bekannter Art stehen für die Ableitung eines solchen Differenzspannungswertes
zur Verfügung. Eine dieser Möglichkeiten ist schematisch in dem Schaltbild der Fig.
8 dargestellt. In diesem Schaltbild sind alle Hauptfeldwicklungen des Generators
symbolisch durch die mit C und D bezeichneten Spulen dargestellt, und alle Hilfswicklungen
sind durch die mit CC und CD bezeichneten Spulen dargestellt. Die beiden Steuerwicklungen
SI und S3 sind in einen einstellbaren Steuerstromkreis geschaltet, welcher zwei
Gleichspannungsquellen enthält. Eine Spannungsquelle ist schematisch als Erregermaschine
EX mit konstanter Klemmenspannung dargestellt. Diese Spannung wird einem
Widerstand R i zugeführt und durch einen Regelwiderstand R2 eingestellt. Die Einstellung
des Regelwiderstandes R 2 gestattet die Abnahme eines gewünschten Spannungsabfalles
(Sollspannung) durch den Widerstand R i. Die zweite Spannungsquelle wird durch einen
Generator VS dargestellt, der die Form eines Tachodynamos oder irgendeiner anderen
Spannungsquelle (Regelspannung) haben kann, die sich in Übereinstimmung mit Veränderungen
des zu regelnden Zustandes ändert. Wenn die Steuerspannung einen gleichen Wert annimmt
wie die eingestellte Richtspannung, so ist zwischen den Klemmen Ap und An der Steuerwicklung
S i und S 3 kein Spannungsabfall vorhanden. Wenn die Steuerspannung der Stromquelle
VS ansteigt oder abfällt, werden die Steuerspulen SI und S3 im einen oder anderen
Sinn proportional zur Differenz von Steuerspannung und Richtspannung erregt.
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Es ist jedoch zu beachten, daß es auch möglich ist, den Differentialregeleffekt
durch magnetische Mittel innerhalb des erfindungsgemäßen Generators zu erzielen.
Zu diesem Zweck kann der Generator mit zwei Sätzen von Steuerspulen, beispielsweise,
wie in Fig. 9 dargestellt, von den Spulen SC i, SC 3 zwischen den Klemmen Ap und
An und den Spulen SD i und SD3 zwischen den Klemmen AI und A 2, ausgestattet sein.
Die Spulen SC i und SD i liegen auf dem Pol P i der Maschine und wirken in bezug
aufeinander als Differentialspulen. Die Spulen SC3 und SD 3 liegen auf dem Pol P3
und haben ebenso in bezug aufeinander eine Differentialwirkung. Die Richtspannung
wird beispielsweise über Klemmen A i und A 2 zugeführt, während die variable Steuerspannung
über Klemmen Ap und An zugeführt wird. Der resultierende magnetische Regeleffekt
in den Polen PI und P3 ist dann in Abhängigkeit von dem Differenzwert zwischen der
Richt- und Steuerspannung. Die erfindungsgemäßen Generatoren, wie sie im vorstehenden
beschrieben wurden, sind hauptsächlich für Steuer- oder Regelzwecke gedacht. Es
wird jedoch bemerkt, daß die Erfindung in gleicher Weise auf Generatoren Anwendung
finden kann, die eine gegebene Klemmenspannung unter normalen Betriebsbedingungen
erzeugen sollen. Zur Erzielung dieser Wirkung stehen verschiedene Mittel zur Verfügung.
Beispielsweise kann der Steuergenerator mit in Reihe geschalteten Feldwicklungen
ausgerüstet sein, die ähnlich wie die Wicklungen SS i, SS 2, SS 3 und SS 4 in Fig.
4, jedoch nicht auf die Luftspaltcharakteristik der Maschine abgestimmt, geschaltet
sind, so daß genügend Erregung vorhanden ist, die von dem Belastungsstrom herrührt,
um die Maschine zur Erzeugung der erwünschten Ausgangsspannung zu bringen. Ein anderer
Weg zur Erzielung einer konstanten Ausgangsspannung ist der, einer der beiden Hauptfeldwicklungsgruppen
eine größere Anzahl von Amperewindungen als der anderen Gruppe zu geben. Beispielsweise
hat der Belastungsstrom, wenn die Hauptfeldspulen C i bis C q. nach Fig. q. mehr
Amperewindungen als die Wicklungen D i bis D q. haben, eine Erregerwirkung
auf alle vier Pole der Maschine nach Maßgabe der Überschußwindungen auf den Wicklungen
Ci bis C q. Als Ergebnis wird im Anker eine Spannung erzeugt, die proportional dieser
belastungsabhängigen Erregung ist, wenn das Steuerfeld unwirksam ist. Ein drittes
Mittel zur Schaffung einer gegebenen Ausgangsspannung bei einer Regelerregung von
Null ist die Überlagerung einer konstanten Spannung genau gewählter Größe auf die
Regelspulen. Beispielsweise dient in der in Fig. 9 dargestellten Schaltung die Klemme
Ap bzw. An dazu, den Regelspulen SC i und SC3 eine veränderliche Steuerspannung
zu überlagern, während die Klemmen A i und A 2 der Spulen SD i und
SD 3 an eine konstante Spannung gelegt werden. Jede dieser drei Möglichkeiten
kann einzeln oder in Kombination mit einer oder den beiden anderen Möglichkeiten
Anwendung finden. Bei Maschinen dieser Bauart haben die Regelfelder die Wirkung,
die Nennspannung zu regeln bzw. zu ändern.
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Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung in bezug auf die vorbeschriebenen
Ausführungsformen, daß die Generatoren im Aufbau sehr ähnlich den genormten Maschinen
sind. Der Ankerkern, der Kommutator, die
Bürstenträger, die Bürsten,
die Pole und das Magnetgestell sind von normaler Konstruktion, und es sind in bezug
auf die Dimension der Luftspalte keine besonderen Anforderungen zu stellen. Trotzdem
können durch die Verwendung von lamellierten Ständern oder einer Konstruktion bzw.
einer Materialauswahl niedrigeren remanenten Magnetismus weitere Verbesserungen
erzielt werden.
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Während das Vorstehende sich auf Vierpolmaschinen bezieht, ist die
Erfindung auch auf Mehrpolgeneratoren mit einer größeren Anzahl von Feldpolen und
einer entsprechend größeren Anzahl von Bürsten anwendbar. Solche Maschinen bieten
infolge ihrer größeren Anzahl von Möglichkeiten hinsichtlich der Anordnung der Regelwicklungen,
der Hauptfeldwicklungen und der Ausgleichstromkreisverbindungen eine größere Zahl
von Wegen, auf welchen die Steuerspulen und Bürsten miteinander geschaltet werden
können, was davon abhängt, wieviel Pole mit Steuerspulen oder Hauptstromspulen ausgerüstet
sind. Die Ausgleichverbindungen zwischen gleichpoligen Bürsten in solchen Maschinen
können das Auftreten von Zweigströmen zulassen, so daß der Weg der innen zirkulierenden
Ströme der Maschine nicht notwendigerweise immer so einfach ist, wie diejenigen
sind, die in den vorstehenden Bauarten von Vierpolmaschinen angegeben wurden.
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In Anbetracht der oben beispielsweise angegebenen Möglichkeiten der
Anwendung verschiedener Konstruktionen, Schaltungen, Felderregungs- und Hilfs-oder
Kompensationseinrichtungen leuchtet es ein, daß die Erfindung andere Abwandlungen
und Veränderungen, auf den angegebenen Prinzipien basierend, zuläßt, die ebenfalls
innerhalb des Erfindungsbereichs liegen.