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Ein-oder mehrphasiger Einankerumformer.
Die hohe Wirtschaftlichkeit von Einwicklungs-Einankerumformern wird bekanntlich dadurch erzielt, dass man die beiden Stromarten, nichtkommutierter Strom" (z. B. Schleifringstrom) und kommutierter Strom" (z. B. Kollektorstrom) dieselbe Umformerwicklung (z. B. Ankerwicklung) in entgegengesetztem Sinne durchfliessen lässt. Diese Umformerwicklung wird dann nur von Differenzströmen beansprucht, die kleinere Verluste verursachen als jede der beiden erstgenannten Stromarten für sich allein hervorrufen würde.
Bei der heutigen Bauart von Einankerumformern (z. B. Drehstrom-Gleichstrom-Einankerumformer) besitzen die Differenzströme noch erhebliche Grösse. Die bisherigen Vorkehrungen zur Erniedrigung der Differenzströme wurden auf Seite der nichtkommutierten Ströme getroffen. Man vermehrte z. B. die Phasenzahl der Wechselstromseite von 3 auf 6 und manchmal auch auf 12. Bei der Phasenzahl 12 ist die verbessernde Wirkung der Phasenvermehrung erschöpft, denn der Gewinn durch Vermehrung über 12 hinaus besitzt zufolge seiner Kleinheit keine Bedeutung.
Vorliegende Erfindung beschreitet einen neuen Weg zur Verminderung der Differenzstrome.
Im Gegensatze zu den bisherigen Verbesserungen, die sich auf die Seite der nichtkommutierten Ströme (Schleifringseite) der Umformer bezogen, wendet sich die Erfindung der Seite der kommutierten Ströme zu. Die bis heute vorhandene Verteilung der kommutierten Ströme gleicher Amperwindungsachse wird beseitigt und eine neue Verteilung dieser Ströme über die Ankerwicklung ersetzt. Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Verminderung der Differenzströme in Einankerumformerwicklnngen besteht darin, dass durch Schaffung breiter Stromzuführungszonen für kommutierte Ströme gleicher Amperwindungsachse allein oder in Verbindung mit an sich bekannten Mitteln zur Beeinflussung der Stromverteilung in den Stromzuführungszonen (z. B. aufgedrückt Spannungen, Widerstände, Wendefelder) die Verteilung der kommutierten Ströme (z. B.
Kollektorströme) angepasst wird an die der Verteilung der nichtkommutierten Ströme (z. B. Schleifringströme) entgegengesetzt gleiche Stromverteilung.
Die durch die Einrichtungen der Erfindung erzielte Ähnlichkeit der beiden gegeneinander- fliessenden Stromarten in bezug auf ihre Verteilung über die Ankerwicklung bewirkt, dass in allen Teilen dieser Wicklung die Differenzströme sehr klein und damit die Umformerwicklungs- verluste ausserordentlich vermindert werden.
Die Erfindung wird an Hand von Wechselstrom-Gleichstrom-Einankerumformern erläutert.
Die Erfindung ist aber anwendbar auf alle Einankerumformer mit Wicklungen, in denen kommutierte und nichtkommutierte Ströme gleichzeitig fliessen.
Fig. 1 (t stellt die jetzige Bauart von Weehselstrom Gleichstrom-Einankerumformern sehema- tisch dar. 1 bedeutet den Kollektor, dem die beiden schmalen Bürsten 2 den Kollektorstrom zu-und abführen. Die Polbedeckung 3 ist wie üblich zu 0-667 angenommen. In Fig. 1 b sind die Stromverhältnisse innerhalb einer Polteilung dieses Umformers dargestellt, wenn er zur Um- formung von Drehstrom in Gleichstrom dient.
Die Ordinaten der Kurve 4 bedeuten die Grösse des Schleifringstromes bei sehr grosser Phasenzahl der Wechselstromquelle und die Ordinaten des Linienzuges 6 die Grösse des Kollektorstromes an den verschiedenen Stellen der Anker- wicklung. Wie aus Fig. 1 b zu ersehen ist. ist bei der jetzigen Umformerbauart die Verteilung
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jetziger Bauart erübrigen daher erhebliche Differenzströme, die erhebliche Stromwärmeverluste erzeugen. Die Verteilung dieser Differenzströme über die Ankerwicklung ist gegeben durch die Ordinatendifferenz der Linien 4 und 6. Sie wurde in Fig. 1 b durch Schraffieren hervorgehoben.
Linie 5 der Fig. 2 b stellt ein Beispiel der erfindungsgemässen Verteilung des Kollektorstromes über die Ankerwicklung des Umformers dar. Die Annäherung an die Verteilung des Schleifringstromes (Linie 4) erfolgt hier in der Weise, dass der Kollektorstrom. (Linie 5) aus jenen Teilen der Ankerwicklung entfernt wird, in denen der Schleifringstrom (Linie 4) klein ist.
Fig. 2 a zeigt eine Umformeranordnung, mit welcher die Kollektorstromverteilung gemäss
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zwischen je zwei zusammengehörigen Kollektorbürsten, 2 bleibt bei diesen Vorkehrungen frei von Kollektorstrom.
Die im Anker eines solchen Umformers erübrigenden Differenzströme sind in Fig. 2b durch die schraffierten Flächen dargestellt. Der Vergleich der Fig. 2 b mit der Fig. 1 b zeigt. dass die Höchstwerte der Differenzströme, die ja für die Wicklungsverluste ausschlaggebend sind, beim neuen Umformer rund halb so gross sind wie beim alten Umformer.
Eine weitere Verringerung der Differenzströme wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass man den Kollektorstrom nicht an wenigen Punkten wie in den Anordnungen nach Fig. 1 oder 2 a, sondern an vielen Punkten eventuell kontinuierlich längs einer breiten Zone, dem Kollektor zuführt. In Fig. 3 a ist eine solche Anordnung dargestellt. Die Anordnung nach Fig. 3 a wird aus der Anordnung nach Fig. 2 a gewonnen, indem man den ganzen Zwischenraum am Kollektor zwischen je zwei zusammengehörigen Bürsten 2 mit vielen Bürsten besetzt.
Der Kollektorstrom kann in einer solchen erfindungsgemäss stark verbreiterten Kommutierungszone 6 gemäss Fig. 3 a je nach den Stromwendeverhältnissen einen verschiedenen Verlauf nehmen. In Fig. 3 b ist durch das Kurvenstück 5'ein solcher allgemein möglicher Verlauf angedeutet. Man kann bekanntlich die Verteilung der Ströme innerhalb der Stromzuführungszone einer Wicklung durch verschiedene Mittel beeinflussen. Solclie Mittel sind z. B. die bekannten Widerstandverbindungen zwischen Ankerwicklung und Kollektorlamellen oder zusätzliche. z. B. in Widerständen 7 (s. Fig. 6) oder durch Spannungserzeuger 8 (s. Fig. 7), erzeugte Spannungen oder geeignet bemessene Wendefelder od. dgl.
Erzwingt man nun in der Strom- zuführungszone 6 des neuen Einankerumformers (s. die Fig. 3a, 4. a, 5,6 und 7) durch solche an sich bekannte Mittel einen derartigen Verlauf des Kollektorstromes, dass er genau entgegengesetzt ist dem durch Kurve 4 (Fig. 3b) gekennzeichneten Verlauf des Schleifringstromes, so bleibt die Ankerwicklung innerhalb der Kommutierungszone überhaupt stromlos. Es stellt sich dann die in Fig. 3c gezeichnete Verteilung des durch Schraffierung gekennzeichneten resultierenden Ankerstromes ein.
Soll die soeben besprochen günstige Verteilung der Ankerströme in der Wendezone nicht gestört werden, so muss vor allem das Hauptfeld von der Wendezone ferngehalten werden.
Die Breite der Hauptpole muss demnach mit der Vergrösserung der Stromwendezone abnehmen.
2 Bei einer Vergrösserung der Kommutierungszone, z. B. auf etwa-einer Polteilung, darf die Hauptpolbreite nur mehr etwa-einer Polteilung erreichen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 4. r/ gezeichnet. Die zugehörigen Stromverteilungskurven der Ankerströme stellt Fig. 4b dar. In dieser Figur bedeutet 5 abermals die Verteilungskurve des Kollektorstromes und 4 die Verteilungskurve des Schleifringstromes. Die durch Schraffierung hervorgehobenen Differenzströme sind, wie dies die Fig. lob anschaulich zeigt, bei dieser Ausführungsform des neuen Umformers auf ausserordentlich kleine Werte herabgedrückt. Die Anordnung nach Fig. 4a stellt aber trotzdem keineswegs den Grenzfall der mit der vorliegenden Erfindung erreichbaren Verkleinerung der
Ankerströme dar.
Die Enden der positiven und negativen Kommutierungszonen können vielmehr noch weiter einander genähert werden, wodurch die ausserhalb der Kommutierungszone liegen- den Teile der beiden Stromkurven 4 und 5 immer näher aneinanderrücken und demzufolge die resultierenden Ankerströme immer mehr verkleinert werden. Die spezifische Umformer- leistungsfähigkeit vergrössert sich hiebei trotz der erforderlichen Verkleinerung der Polbedeckung immer mehr.
Nun sei noch gezeigt, dass die neue Kollektorstromverteilung auch bei einphasigen Um- formern mit Erfolg verwendet werden kann. Als Ausführungsbeispiel sei ein Umformer gewählt, der den einphasigen Wechselstrom in gewellten Gleichstrom umwandelt.
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Die Wechsel-AW der einphasigen Maschinen lassen sich bekanntlich in zwei gegeneinander rotierende Dreh-AW zerlegen, deren Amplitude gleich ist der halben Amplitude der Wechsel-AW und deren relative Drehzahl zur Ankerwicklung gleich ist der Ankerdrehzahl selbst.
Die eine dieser beiden Dreh-AW-Komponenten steht somit relativ zu den Polen unseres Einankerumformers still. Sie verhält sich nach jeder Richtung hin so wie die Drehstrom-AW eines gewöhnlichen mehrphasigen Einankerumformers. Alle bisherigen Ausführungen über den neuen Umformer gelten daher uneingeschränkt für diese erste Dreh-AW-Komponente. Die zweite Dreh-AW-Komponente dreht sich relativ zu den Polen des Umformers mit doppelter Netzfrequenz, u. zw. in der Drehrichtung des Ankers. Diese doppelperiodige Dreh-AW-Komponente kann man selbst wieder in zwei einphasige AW-Komponenten zerlegen, die zeitlich und örtlich gegeneinander um 90 Grade phasenverschoben sind.
Die erste dieser beiden, sie ist mit AW2 in Fig. 5 bezeichnet, schwingt in Richtung der Hauptpolachse, und die zweite mit A W1 bezeichnete Komponente schwingt in Richtung der Kollektorbürstenachse. Die Ströme der einphasigen doppelperiodigen A W-Komponente A W1 treten nun bei der neuen Umformeranordnung grösstenteils erst gar nicht in die Ankerwicklung ein, sondern fliessen innerhalb der Bürstenzone aus den Schleifringen direkt in die Kollektorbürsten 2 und weiter über die Verbindungsleitungen 7 zwischen den Teilbürsten eines Poles. Der Umformeranker ist also in Richtung der Hauptpole nicht allein von Gleichstrom und Drehstrom, sondern auch von der bei einphasigen Umformern auftretenden Einphasenstromkomponente fast vollständig befreit.
Die zweite einphasige doppelperiodige AW-Komponente [ in Richtung der Kollektor- bürstenachse kann in jenen Fällen, in welchen dem Kollektor Wellenstrom entnommen wird, durch den über den Gleichstrom darübergelagerten (doppelperiodigen) Wechselstrom sehr vollkommen abgedämpft werden. Es erübrigen dann auch in der Bürstenachse nur ganz kleine resultierende Ankerströme.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Verminderung der Differenzströme in Einankerumformer-Wicklungen, dadurch gekennzeichnet, dass durch Schaffung breiter Stromzuführungszonen für kommutierte Ströme gleicher Amperwindungsachse allein oder in Verbindung mit an sich bekannten Mitteln zur Beeinflussung der Stromverteilung in den Stromzufiihrungszonen (z. B. aufgedruckte Spannungen, Widerstände, Wendefelder) die Verteilung der kommutierten Ströme angepasst wird an die der Verteilung der nichtkommutierten Ströme entgegengesetzt gleiche Stromverteilung.