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Vorrichtung zum Umformen von Gleichstrom in Wechselstrom
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umformen von Gleichstrom in Wechselstrom mit Kollektor undAnzapftransformator und besteht darin, dass wenigstens einigen Verbindungen zwischen einigen Lamellen des Kollektors und den entsprechenden Anzapfungen des Transformators Gleichrichter eingeschaltet sind, die einen Stromfluss nur in Richtung Anzapfungen gestatten. Diese Gleichrichter, welche nur sinnvoll sind, wenn die am Kollektor schleifende Bürste nur an einen Pol der Gleichstromquelle angeschlossen ist, haben den Zweck, Kurzschlüsse in den Wicklungsteilen des Transformators zu vermeiden, wodurch kreisende Ströme in diesen Wicklungsteilen, übermässiges Bürstenfeuer und Ablagerungen auf den Kollektorlamellen verhindert werden.
Diese Erscheinungen treten im wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit der Feldänderung vorwiegend dort auf und können dort unliebsame Störungen verursachen, wo die Windungszahl des durch die Bürste beim Übergang von einer zur nächsten Lamelle kurzgeschlossenen Wicklungsteiles gross ist. In diesem Falle ist die Spannungsdifferenz gross und können erhebliche Kurzschlussströme auftreten, die eben starkes Bürstenfeuer, Ablagerungen auf den Lamellen, starke Kreisströme usw. hervorrufen können. Durch die erfindungsgemässe Anordnung der Gleichrichter, die den Stromfluss nur in einer Richtung gestatten und in der ändern Richtung unterbinden, werden diese Erscheinungen vermieden.
Erst auf diese Weise ist es gelungen, eine in der Praxis brauchbare Einrichtung dieser Art, insbesondere auch zur Erzeugung von Wechselströmen mit besonderer Kurvenform (beispielsweise annähernd Rechteckform), zu schaffen, die im Betrieb nicht störanfällig ist und ohne besondere Wartung anstandslos arbeitet.
Zur besseren Klarstellung des Erfindungsgedankens wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung näher beschrieben, die zur Umformung von Gleichstrom aus einer gewöhnlichen Batterie in Einphasenwechselstrom mit Sinus-Kurvenform geeignet ist.
In der Zeichnung ist in Fig. l ein Schaltschema einer erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt, und Fig. 2 zeigt schematisch die Nachbildung einer vollen Periode des einphasigen sinusförmigen Wechselstromes in 24 Sektoren.
Wie aus Fig. l hervorgeht, weist die Schaltanordnung eine Gleichstromquelle 1 (Akkumulatorenbat- terie), einen Hauptschalter 2, die Einphasenwicklung 3, einen Kollektor 4 und eine Bürste 5 an einem Arm 6 auf, der im Sinn des Pfeiles von einem kleinen Motor, der aus der Batterie 1 gespeist sein kann und in der Zeichnung nicht dargestellt ist, angetrieben wird.
Die Batterie 1 ist einerseits an die Mittelanzapfung 7 der Wicklung 3 und anderseits an einen Schleifkontakt 8 angeschlossen, der den Strom der Bürste 5 zuführt.
Im gezeigten Beispielsfäll'ist der Kollektor 4 in 24 Lamellen unterteilt, die mit I, n.... XXIV bezeichnet sind und die eine Nachbildung einer vollen Periode des sinusförmigen Einphasenwechselstromes, wie Fig. 2 zeigt, in 24 Sektoren gestatten.
Die Lamellen I und XIII sind nicht mit der Wicklung 3 verbunden, und im Augenblick, in dem die Bürste 5 über diese Lamellen streicht, wird in der Wicklung keine Spannung induziert. Diese Lamellen entsprechen daher den Nulldurchgänge der nachzubildenden Sinuskurve (s. Punkte 1" und xnI').
Die Lamellen VII und XIX des Kollektors sind mit den Anzapfungen 10 bzw. 9 der Wicklung 3 verbunden. die zur Mittelanzapfung 7 symmetrisch liegen. Diese Anzapfungen 9 und 10 sind somit gleich weit von der Mittelanzapfung 7 entfernt und befinden sich derselben am nächsten, so dass die beim
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Überstreichen der Lamellen VII und XIX durch die Bürste 5 in der Wicklung induzierte Spannung am grössten ist. Wie leicht ersichtlich, entsprechen die Lamellen VII und XIX daher den Scheitelpunkte (positiv und negativ) der nachzubilde. nden Sinuskurve (s. Ordiaaten VII und XIX').
An die weiteren, ebenfalls gleich weit von der Mittelanzapfung 7 entfernten Anzapfungen 11 und 12 sind je zwei Lamellen, u. zw. die Lamellen XVIII und XX bzw. VI und Vm angeschlossen, welche den Momentanwerte der Sinuskurve in den Ordinaten XVm*, XX', VI'undVIlT entsprechen, die in der Tat gleich grosse Absolutwerte besitzen.
Analog sind an die Anzapfungen 13-14, 15-16, 17-18 und 19-20 jeweils zwei Lamellen des Kollektors 4 angeschlossen.
In die Verbindungen der Anzapfungen 15 bzw. 20 zu den entsprechenden Lamellen sind erfindunggemäss Trockengleichrichter 21 derart eingeschaltet, dass sie einen Stromfluss nur zu den entsprechenden Anzapfungen und nicht umgekehrt zulassen.
Die Wicklung 3 geht über die Anzapfung 20 noch bis zu einer Endanzapfung 22 weiter, so dass man
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(z. B. 110V oder 220V) abnehmen kann.
Im dargestellten Beispielsfall wirkt die Wicklung 3 daher als Sparschaltwicblung, doch ist es selbstverständlich auch möglich, eine Sekundärwicklung vorzusehen, die auf den gleichen Kern des Transfor- mators gewickelt ist, um die Wechselspannung abzunehmen und eine völlige elektrische Trennung der Sekundärseite von der Primärseite zu haben.
In der Zeichnung sind die an sich bekannten Mittel zur Glättung der stufenförmigen Kurve (s. strichlierte Linie), die man auf diese Weise nachbildet, nicht dargestellt, welche Mittel dazu dienen, sich an die ideale Sinuskurve (s. ganz ausgezogene Linie in Fig.. 2) anzunähern.
Zur eingehendere Erläuterung der Art und Weise, wie die Sinuskurve ausgehend von der durch die Batterie 1 gelieferten Gleichspannung nachgebildet wird, sei noch das folgende Beispiel beschrieben.
Nachdem es sich darum handelt, ausgehend von einer Gleichspannung von bestimmtem Wert eine sinusförmige Wechselspannung nachzubilden, wird bei der Berechnung der Anzapfungen der Transformatorwicklung folgendermassen vorgegangen :
Zunächst werden die der Mittelanzapfung 7 nächstgelegenen Anzapfungen 9 - 10 festgelegt, wobei davon ausgegangen wird, dass beim Anlegen der Gleichspannung an diese Anzapfungen 9 und 10 eine induzierte Spannung erhalten wird, die den Scheitelwerten der nachzubildenden sinusförmigen Wechselspannung entsprechen soll.
Von diesem Scheitelwert an nehmen sämtliche übrigen Momentanwerte der Wechselspannung entsprechend der Sinusform ab, wobei bei einer Verdrehung vom Scheitelwert in der vektoriellen Darstellung um einen bestimmten Winkel der neue Momentanwert durch das Produkt aus dem Scheitelwert und dem Kosinus des vektoriellen Verdrehungswinkels gegeben ist.
Unter Zugrundelegung dieses gewünschten Gesetzes für die Veränderung des Momentanwerte der Induzierten Spannung und unter Anwendung der elementaren Grundformen der Transformatoren, kann man durch einfache Rechenoperationen das Windungsverhiiltnis zwischen den einzelnen Anzapfungen bestimmen. Bezeichnet man mit w 1 die Windungszahl des Wicklungsabschnittes zwischen der Mittelanzapfung 7 und der Anzapfung 9 (bzw. 10) und mit in die Windungszahl des Wicklungsabschnittes zwischen der Mittelanzapfung 7 und einer beliebigen auf die Anzapfung 9 (bzw. 10) folgenden Anzapfung, dann besteht das einfache Verhältnis
EMI2.2
wobei a den vektoriellen Verdrehungswinkel an der betrachteten Anzapfung vom Scheitelwert bedeutet.
Zurückkommend auf das Beispiel nach den Fig. und 2 mit einem aus 24 Lamellen bestehenden
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Nachdem einmal die Lage der Anzapfungen des Transformators festgelegt ist, versteht es sich, dass dieKurvenform derAusgangswechselspannung nicht mehr verändert werden kann, während es rnoglich ist, ihre Frequenz durch Veränderung der Drehzahl der Bürste einzustellen. Dmch Verwendung von 2, 4 usw. parallel geschalteten Bürsten lässt sich die Drehzahl auf die Hälfte, ein Viertel usw. herabsetzen, wobei gleichzeitig die Lamellenzahl zu verdoppeln, zu vervierfachen usw. ist.
Schliesslich sei auf eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung hingewiesen, die darin besteht, die Einrichtung zum Umformen einer Gleichspannung von bestimmtem Wert in eine andere Gleichspannung mit anderem Wert, beispielsweise mit grösserem Wert, zu verwenden. Hiezu braucht man an der Transformatorwicklung nur eine zweite Reihe von Anzapfungen ausgangsseitig anordnen, die analog wie die eingangsseitigen Zwischenanzapfungen auszubilden sind, und diese Anzapfungen mit den Lamellen eines zweiten Kollektors verbinden, auf dem eine zweite Bürste mit gleicher Drehzahl wie die Bürste des ersten Kollektors schleifen gelassen wird, wobei die Ausgangsgleichspannung zwischen der Mittelanzapfung des Transformators und der zweiten Bürste abgenommen werden kann.
Die erwähnte Schaltanordnüng besitzt noch zahlreiche weitere Verwendungsmöglichkeiten, die offensichtlich nicht an das- beschriebene und in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel gebunden sind. So kann. die Einrichtung beispielsweise auch in umgekehrtem Sinne verwendet werden, d. h. indem man sie mit einemEinphasenwechselstrom speist und diesen in eineGle1chspannung verwandelt, die durch Phasenverschiebung der am Kollektor rotierenden Bürste, welche in diesem Fall mit der Frequenz der Speisewechselspannung umlaufen muss, veränderliche Werte besitzen kann. In diesem Fall funktioniert die Einrichtung praktisch wie. eine Dynamomaschine, nur dass sie völlig statisch ausgebildet ist und die Stromwenderbürste das einzige sich drehende Organ ist.