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Anordnung zur Wechselstrom-Gleichstrom-Umformung.
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Die Läuferwicklungen der Umformer E1 und E2 sind in der durch die Ziffern l-6 bezeichneten Weise an die Läuferwicklung a des synchronen Phasenumformers P angeschlossen. Dieser formt vorteilhaft in einer einzigen Läuferwicklung den Dreiphasenstrom der Netzes N in Sechsphasenstrom, bei der praktischen Ausführung besser im Zwölfphasenstrom, um, der in den Einankerumformern mit sehr geringen Verlusten in Gleichstrom umgesetzt wird. Zugleich kann der Phasenumformer P auch die mechanische Antriebsleistung für die Einankerumformer und für die Hilfserregermaschine Habgeben.
Er gibt übrigens an die Einankerumformer nicht nur die in Gleichstrom umzusetzende Wechselstromenergie ab, sondern auch die Erregung für das Hauptfeld. Ausserdem kann die Maschine P durch entsprechende Einstellung ihres eigenen Erregerfeldes als Phasenverbesserer wirken.
Die Feldwicklung f der Synchronmaschine P wird durch die von der Welle des Maschinensatzes angetriebene Hilfserregermaschine H mit Gleichstrom gespeist. In dem Ausführungsbeispiel ist diese Hilfserregermaschine ähnlich den Einankerumformern E und jE als läufergespeister Einankerumformer ausgebildet, der ebenfalls sowohl die in Gleichstrom umzusetzende Wechselstromenergie als auch die Läufererregung von der Maschine P empfängt, indem seine Läuferwicklung in der den Zahlen 1, 3 und 5 entsprechenden Weise an die Läuferwicklung der Maschine P angeschlossen ist.
Der Ständer s ist auch bei dieser Maschine unbewickelt und dient bloss als magnetisches Sahlussstück. Er besitzt gegenüber den kommutierenden Zonen des Läufers 1 Ausnehmungen, sofern bei dieser kleinen Maschine ohne Wendepole das Auslangen gefunden werden kann. Zur Regelung des Stroms der Feldwicklung f dient ein Regelwiderstand r.
Der Motor M ist hier als fremderregte Maschine ausgebildet, deren Erregerwicklung p gleichfalls von der Maschine H über einen Regelwiderstand n gespeist wird. Diese Anordnung erlaubt Stromrückgewinnung während der Bremsperioden des Motors M. In diesem Falle findet also auch eine Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom statt.
Bei Fehlen einer äusseren Störung läuft der Umfol'mersatz'synchml1. Bei Stössen und Überlastungen schlüpft er ; die Erregermaschine H gibt an den Phasenumformer P und an den Gleichstrommotor M eine langsam pulsierende Wechselstromerregung ab. Wegen des Fehlens der Ständererregung an den Einankerumformern E1 und jEs können diese ohne elektrische- Störungen schlüpfen. Wenn sich ihre Spannung umplot, wird gleichzeitig, infolge des elektrischen Zusammenhanges über die Maschine H, auch der Gleichstrommotor M umgepolt.
Die ganze Anlage bleibt also auch bei vorübergehendem asyn- chronen Lauf betriebsfähig und strebt nach Aufhören der Überlastung wegen vorhandener synchronisierender Momente selbsttätig wieder dem Synchronismus des Umformersatzes zu.
Die beschriebene Anordnung erlaubt mannigfache Abänderungen, ohne dass auf ihre wesentlichen Vorteile verzichtet werden muss. Z. B. kann die Hilfserregermaschine H mit der Synchronmaschine P vereinigt werden. Es kann aber auch der Erregergleichstrom für die Feldwicklungen f und p den Einankerumformern EI oder jE entnommen werden ; hiebei ist allerdings dafür Sorge zu tragen, dass dieser Erregerstrom nicht durch den Regelvorgang an den Einankerumformern verändert wird. Diesem Umstand lässt sich aber durch Anordnung von Hilfsbürsten an den Kollektoren der Einankerumformer Rechnung tragen.
Die Synchronmaschine P muss nicht sämtliche der oben erwähnten Wirkungen zugleich aus- üben. Bei kleinen Anlagen kann z. B. auf die Phasenumformung durch die Maschine P verzichtet werden.
Die Einankerumformer und Ez könnten entweder über einen ruhenden Transformator Sechsphasenstrom erhalten oder unter Zulassung geringeren Wirkungsgrades bloss dreiphasig-ausgeführt sein. Dann würde die Synchronmaschine P zur Wechselstromseite der Umformer einfach parallel liegen und nur deren mechanischen Antrieb und die Erregerleistung decken, gegebenenfalls auch wattlose Ströme zur Phasenverbesserung aufnehmen oder abgeben. Auch der mechanische Antrieb der Einankerumformer muss nicht durch die Maschine P erfolgen, er könnte auch durch die Hilfserregermaschine H bestritten werden, wenn diese ein zur Drehmomentbildung geeignetes Ständerfeld erhält. Ferner ist ein gesonderter Antrieb der Einankerumformer durch einen eigenen Gleichstrom-oder Synchronmotor denkbar.
Es ist weiter möglich, an Stelle der Einankerumformer mit Läufererregung solche mit Ständererregung zu benutzen und der Synchronmaschine bloss den mechanischen Antrieb und die Phasenverbesserung zu überlassen. Auch hier ist-das wesentliche Merkmal einer elektrischen Leistungsabgabe von'der Synchronmaschine P an den oder die Einankerumformer erfüllt und mit Vorteilen verbunden, da die
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und weniger überlastbar sind.
Der Motor M muss kein fremderregter Motor sein, er kann auch Serienerregung besitzen. Eine solehe Schaltung ist z. B. für den Antrieb elektrischer Fahrzeuge verwendbar, die aus einer Ein-oder Mehrphasenfahrleitung gespeist werden.
Die Einankerumformer Ei und Es sind im Ausführungsbeispiel gleichstromseitig parallel geschaltet
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wicklung des Phasenumformers P. Werden sie gleichstromseitig in Reihe geschaltet, so erhält der Phasenumformer zwei getrennte Läuferwicklungen, an die je einer der Einankerumformer angeschlossen ist.
Es ist natürlich auch möglich, statt zweier Umformer zwei Gruppen von Umformern aufzustellen, die
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einer gemeinsamen Synchronmaschine P zugeordnet sind. Verzichtet man auf die Kompensation der bei der Regelung der Gleichspannung entstehenden wattlosen Ströme innerhalb der Einankerumformer, so kann auch ein einziger Einankerumformer verwendet werden, dessen wattlose Ströme durch die Synchronmaschine voll zu decken sind.
Die Anordnung nach dem Ausführungsbeispiel weist die nachstehenden Vorteile auf : 1. Der Leistungsfaktor auf der Wechselstromseite kann bei allen Betriebszuständen fast konstant gehalten und beliebig auf verschiedene induktive und kapazitive Werte eingestellt werden. 2. Die Gleichspannung an dem Einankerumformer ist stetig vom Höchstwert durch Null bis zum entgegengesetzten gleichen Höchstwert regelbar. 3. Der Maschinensatz fällt auch unter Stossbelastung in mehrfachem Betrage der Normalbelastung nicht ausser Tritt, da er vorübergehend auch asynchron laufen kann. 4. Auch bei vorübergehendem Ausbleiben der Netzspannung oder Unterbrechen des Erregerstromes der Synchronmaschine P ergibt sieh nur ein vorübergehender Drehzahlabfall und asynchroner Lauf, während bei Wiederkehr der Netzspannung bzw. des Erregerstromes der Synchronismus wieder erreicht wird.
Diese Ergebnisse lassen die Umformeranordnung nicht nur für ein-oder mehrphasig gespeiste Triebfahrzeuge vorteilhaft erscheinen, sondern selbst für ortsfeste Mehrphasenanlagen, trotzdem für diese erprobte einfache Anordnungen schon vorhanden sind. Die wesentlichen Vorteile der neuen Anordnung hinsichtlich der Gewichtsersparnis, Betriebssicherheit und bequemen Handhabung ergeben auch bei ihrer Verwendung in ortsfesten Anlagen an Stelle der bisher bekannten Umformer einen technischen und wirtschaftlichen Fortschritt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Umformung von ein-oder mehrphasigem Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt, gekennzeichnet durch die elektrische oder elektrische und mechanische Verbindung eines Einankerumformers mit regelbarem inneren Übersetzungsverhältnis zwischen Wechsel-und Gleich- spannung und einer gleichstromerregten Synchronmaschine.
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Arrangement for alternating current to direct current conversion.
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The rotor windings of the converters E1 and E2 are connected to the rotor winding a of the synchronous phase converter P in the manner indicated by the numbers l-6. This converts the three-phase current of the network N into a six-phase current in a single rotor winding, in the practical version better in the twelve-phase current, which is converted into direct current in the single-armature converters with very low losses. At the same time, the phase converter P can also provide the mechanical drive power for the single-armature converter and for the auxiliary exciter.
Incidentally, it not only transfers the alternating current energy to be converted into direct current to the single armature converter, but also the excitation for the main field. In addition, the machine P can act as a phase improver by setting its own excitation field accordingly.
The field winding f of the synchronous machine P is fed with direct current by the auxiliary exciter H driven by the shaft of the machine set. In the exemplary embodiment, this auxiliary exciter is designed as a rotor-fed single-armature converter, similar to the single-armature converters E and jE, which likewise receives both the alternating current energy to be converted into direct current and the rotor excitation from the machine P by connecting its rotor winding in the manner corresponding to the numbers 1, 3 and 5 the rotor winding of the machine P is connected.
The stand s is also unwound in this machine and only serves as a magnetic steel piece. It has recesses opposite the commutating zones of the rotor 1, provided that this small machine without reversing poles is sufficient. A variable resistor r is used to regulate the current in the field winding f.
The motor M is designed here as a separately excited machine, the field winding p of which is also fed by the machine H via a variable resistor n. This arrangement allows current to be regenerated during the braking periods of the motor M. In this case, direct current is also converted into alternating current.
In the absence of an external fault, the follower replacement synchml1 runs. In the event of bumps and overloads, it slips; the excitation machine H outputs a slowly pulsating alternating current excitation to the phase converter P and to the direct current motor M. Due to the lack of stator excitation on the single armature converters E1 and jEs, these can slip without electrical interference. If their voltage is re-plotted, the DC motor M is also reversed in polarity at the same time as a result of the electrical connection via the machine H.
The entire system therefore remains operational even in the event of a temporary asynchronous run and, after the overload has ceased because of the existing synchronizing moments, it automatically strives towards the synchronism of the converter replacement.
The arrangement described allows manifold modifications without having to forego its essential advantages. For example, the auxiliary exciter H can be combined with the synchronous machine P. However, the direct excitation current for the field windings f and p can also be taken from the single-armature converters EI or jE; In doing so, however, care must be taken that this excitation current is not changed by the control process on the single-armature converters. This fact can be taken into account by arranging auxiliary brushes on the collectors of the single-armature converters.
The synchronous machine P does not have to exert all of the above-mentioned effects at the same time. For small systems z. B. on the phase conversion by the machine P can be omitted.
The single-armature converters and Ez could either receive six-phase current via a stationary transformer or, with approval of lower efficiency, only be three-phase. Then the synchronous machine P would simply be parallel to the alternating current side of the converters and only cover their mechanical drive and the excitation power, and possibly also absorb or output wattless currents for phase improvement. The mechanical drive of the single armature converter does not have to be done by the machine P either; it could also be done by the auxiliary exciter H if it receives a stator field suitable for generating torque. Furthermore, a separate drive of the single armature converter by a separate direct current or synchronous motor is conceivable.
It is also possible to use single-armature converters with rotor excitation instead of single-armature converters with stator excitation and to leave the synchronous machine only with the mechanical drive and phase improvement. Here, too, the essential feature of an electrical power output from the synchronous machine P to the single-armature converter or converters is fulfilled and associated with advantages, since the
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and are less overloadable.
The motor M does not have to be an externally excited motor; it can also have series excitation. Such a circuit is z. B. can be used to drive electric vehicles that are fed from a single- or multi-phase contact line.
The single-armature converters Ei and Es are connected in parallel on the DC side in the exemplary embodiment
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winding of the phase converter P. If they are connected in series on the DC side, the phase converter has two separate rotor windings to which one of the single armature converters is connected.
It is of course also possible to set up two groups of converters instead of two converters
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a common synchronous machine P are assigned. If the compensation of the wattless currents occurring during the regulation of the direct voltage within the single-armature converter is dispensed with, then a single single-armature converter can also be used, the wattless currents of which must be fully covered by the synchronous machine.
The arrangement according to the embodiment has the following advantages: 1. The power factor on the alternating current side can be kept almost constant in all operating states and can be set to various inductive and capacitive values as desired. 2. The DC voltage at the single armature converter is continuously adjustable from the maximum value through zero to the opposite maximum value. 3. The machine set does not fall out of step even under shock loads in multiple amounts of the normal load, since it can also run asynchronously temporarily. 4. Even with a temporary absence of the mains voltage or interruption of the excitation current of the synchronous machine P, only a temporary drop in speed and asynchronous operation results, while synchronism is achieved again when the mains voltage or the excitation current returns.
These results make the converter arrangement appear to be advantageous not only for single- or multi-phase powered traction vehicles, but even for stationary multi-phase systems, despite the fact that tried and tested simple arrangements are already available for these. The essential advantages of the new arrangement in terms of weight savings, operational reliability and convenient handling result in a technical and economic advance even when it is used in stationary systems instead of the previously known converters.
PATENT CLAIMS:
1. Arrangement for converting single- or multi-phase alternating current into direct current or vice versa, characterized by the electrical or electrical and mechanical connection of a single armature converter with adjustable internal transmission ratio between alternating and direct voltage and a synchronous machine with direct current excitation.