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Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer mit regulierbarer Frequenz
Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer mit regulierbarer Frequenz, der eine der Phasenzahl gleiche Anzahl von aus einer Gleichstromquelle gespeisten Thyratrons und einem Impulsgeber umfasst, der den Gittern der Thyratrons gegeneinander versetzte, periodische Impulse von regulierbarer Frequenz zuführt, und der ferner Koppelkondensatoren, welche die Anoden aufeinanderfolgender Thyratrons miteinander verbinden, und induktive Übertrager aufweist, deren Primärwicklungen in denAnodenstromkreisen der Thyratrons liegen, während der Verbraucher an deren Sekundärwicklungen anzuschliessen ist.
Umformer dieser Art, die vorzugsweise zur stufenlosen Regelung der Drehzahl von Induktionsmotoren vorgeschlagen worden sind, haben trotz ihrer vorzüglichen Steuerbarkeit und dem Fehlen von starkem Verschleiss unterworfenen Kommutatoren in der Praxis keine grosse Verbreitung gefunden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die bisherigen Umformer einen schlechten Wirkungsgrad haben, meistens etwa inder Grössenordnung von 30 bis 35 calo.
Eingehende Untersuchungen haben nun zur Erkenntnis geführt, dass dieser schlechte Wirkungsgrad darauf zurückzuführen ist, dass die induktiven Übertrager bisher jeweils von einem Drehstromtransformator mit gemeinsamem Eisenkern für alle drei Phasen gebildet wurden.
Ein wesentlich besserer Wirkungsgrad wird erzielt, wenn dagegen erfindungsgemäss jeder induktive Übertrager einen von den andern Kernen getrennten, ferromagnetischen-Kern besitzt.
Es ist selbstverständlich an sich wohl bekannt, grosse Drehstrorntransformatoren, insbesondere für Umspannungszentralen od. dgl., aus drei Einphasentransformatoren zusammenzusetzen. Im vorliegenden Zu- sammenhange wurde diese Massnahme, die eine überraschende Steigerung des Wirkungsgrades bis auf zirka 70 bis 80 % bewirkt, nicht angewendet. Eine exakte, theoretische Erklärung dieser experimentell erhärteten Tatsache ist sehr schwierig, wie die mathematische Behandlung aller nichtlinearer Beziehungen enthaltender Probleme.
Wesentlich dürfte jedoch der Umstand sein, dass, wenn in einem Einzelkern eine sehr hohe Induktion erreicht wird, derselbe sich also im Sättigungsgebiet befindet, dies auf die Induktion in den beiden andern Einzelkernen keinen Einfluss hat, die Induktion in letzteren also noch relativ klein sein kann. Bei gemeinsamem Kern treibt dagegen ein in einem Schenkel desselben vorhandener, grosser magnetischer Fluss auch die andern Schenkel in das Sättigungsgebiet, so dass sich sekundärseitig Oberwellen ergeben, die ohne die ferromagnetische Kopplung der Übertrager fehlen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen. bei der Dimensionierung des erfindungsgemässen Umfor- mers dafür zu sorgen, dass die Induktivität der Sekundärwicklungen der induktiven Übertrager 0, 2-0, 6 mal so gross ist wie diejenige der Primärwicklungen.
In der einzigen Figur der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ein Umformer dargestellt, mit dem aus einem als Gleichstromquelle dienenden Kondensator 1 ein Drehstrommotor 2 gespeist wird. Der Kondensator 1 wird dabei seinerseits über drei Gleichrichter 3 von den an ein Drehstromnetz angeschlossenen Klemmen R, S, T aus geladen.
DerUmformer weist drei induktive Übertrager 4 auf, die je einen lamellierten Eisenkern 5, eine Primärwicklung 6 und eine Sekundärwicklung 7 aufweisen. Jede der drei Sekundärwicklungen 7 speist eine der drei Statorwicklungen 8 des Drehstrommotor 2, dessen nicht dargestellter Rotor z. B. mit einer Kurzschlusswicklung oder mit einem Permanent- oder Elektromagneten versehen sein kann. Der Motor 2 kann somit ein Asynchron- oder ein Synchronmotor sein ; derselbe wird deshalb nicht direkt aus dem Drehstromnetz R, S, T gespeist, sondern von der Gleichstromquelle 1, weil seine Geschwindigkeit durch Veränderung der Frequenz des ihm mittels des Umformers zugeführten Drehstromes geändert werden soll.
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Die Primärwicklungen 6 sind einerseits an die positive Klemme der Gleichstromquelle 1 und anderseits je an die Anode 9 eines diesen Wicklungen zugeordneten Thyratrons 10 angeschlossen. Jede der drei Anoden 9 ist über einen Kondensator 11 mit jeder der beiden andern Anoden 9 gekoppelt. Die Kathoden 12 der drei Thyratrons 10 sind gemeinsam mit der geerdeten negativen Klemme der Gleichstromquelle 1 verbunden. Die Gitter 13 des Thyratrons 10 sind je über einen Widerstand 14, dem eine Vorspannungsquelle 15 parallelgeschaltet ist, mit einem Impulsgeber 16 verbunden. Letztere ist über eine Leitung 17 geerdet und enthält eine eigene, nicht dargestellte Spannungsquelle, z. B. eine Batterie. Der Impulsgeber 16 kann z.
B. aus einem Multivibrator von regulierbarer Frequenz bestehen, er kann aber auch auf irgend eine andere bekannte Weise ausgebildet sein, wobei es lediglich darauf ankommt, dass er den Gittern 13 des Thyratrons 10 über die Widerstände 14 periodisch positive Impulse 18 zuführt, deren Frequenz z. B. mittels eines einstellbaren Kondensators oder Widerstandes stufenlos regulierbar ist, wobei diese Impulse an den drei Gittern um 120 gegeneinander versetzt auftreten.
In dem Augenblick, in dem der betreffende Impuls 18 das Gitter 13 der ersten Röhre 10, z. B. der in der Zeichnung links befindlichen Röhre erreicht, zündet diese Röhre, so dass ein Strom in der Primärwicklung 6 des ersten induktiven Übertragers fliesst. Die erste Röhre 10 erlischt in dem Augenblick, in dem die zweite Röhre 10 durch den ihrem Gitter 13 zugeführten Impuls 18 gezündet wird, u. zw., weil infolge des die Anoden 9 dieser beiden Röhren 10 koppelnden Kondensators 11 das Potential der Anode 9 der ersten Röhre 10, an dessen Gitter 13 nun die negative Vorspannung der Vorspannungsquelle 15 wirksam ist, beim Zünden der zweiten Röhre 10 plötzlich sinkt. In gleicher Weise erlischt die zweite Röhre beim Zünden der dritten Röhre, die dritte Röhre beim Zünden der ersten Röhre usw.
Die einseitig gerichteten Stromimpulse in den Primärwicklungen 6 der Übertrager 4 erzeugen in den Sekundärwicklungen 7 Wechselstromimpulse, die bei geeigneter Dimensionierung der Induktivitäten der Wicklungen 6 und 7, sowie der Koppelkondensatoren 11, einen praktisch sinusförmigen Verlauf haben.
Bei einem ausgeführten, zur Speisung eines 1 PS-Asynchronmotors dienenden Umformers hatten z. B. die Primärwicklungen 6 eine Induktivität von zirka 10 Henry (bei offener Sekundärwicklung 7), die Sekundärwicklungen 7 eine Induktivität von zirka 5 Henry (bei offener Primärwicklung 6) und die Koppelkondensatoren eine Kapazität von zirka 50 Mikrofarad. Bei nicht angeschlossenem Motor 2 weicht die Form der vom Umformer gelieferten Spannung, also der Leerlaufspannung, merklich von der Sinusform ab ; im Betrieb haben dagegen die Ausgangsspannung des Umformers und der Ausgangsstrom eine der Sinusform sehr nahe kommende Form, was bekanntlich für den Wirkungsgrad des Motors 2 günstig ist.
Der Motor 2 hatte bei dem oben erwähnten Zahlenbeispiel in einem Frequenzbereich von50 bis 3000 Hz einen sehr guten Wirkungsgrad, wobei seine der Frequenz entsprechende Geschwindigkeit kontinuierlich am Impulsgeber 16 eingestellt werden konnte.
Als besonders günstig werden grosse Induktivitäten der Primärwicklungen 6 betrachtet, z. B. im Bereich von 5 bis 20 Henry, relativ grosse Koppelkondensatoren,, z. B. 20-100 Mikrofarad, und Sekundärwicklungen 7, deren Induktivität nur etwa 0, 2-0, 6-mal so gross ist, wie diejenige der Primärwicklung 6.
Wenn die Induktivität der Primärwicklung 6 zu klein ist, werden die Primärimpulse zu kurz, um sekundärseitig einen sinusförmigen Strom zu ergeben. Grosse Koppelkondensatoren ermöglichen Primärimpulse, die sich über erheblich mehr als 1200 erstrecken, denn, wenn z. B. das eine Thyratron gelöscht ist, kann immer noch Strom in der ersten Primärwicklung den Koppelkondensator zum zweiten Thyratron und dieses zweite Thyratron fliessen.
Es ist klar, dass man anStelle von drei Thyratrons auch zwei oder mehr als drei Thyratrons verwenden kann, zur Erzeugung von Wechselströmen anderer Phasenzahl.
Obwohl der Geschwindigkeits-Umformer hauptsächlich für die Speisung von Motoren vorgesehen worden ist, ist zu erwarten, dass er auch für andere Verbraucher, z. B. für Schweissapparate mit Vorteil verwendet werden kann.
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