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Einphasiger Einankerumformer.
Die einphasigen Wechselstrom-Gleichstrom-Einankerumformer der bisherigen Bauart weisen ill der Ankerwicklung sehr grosse Stromwärmeverluste auf. Diese grossen Stromwärmeverluste haben derart grosse Umformerabmessungen zur Folge, dass von einer praktischen Verwendung dieser Maschinen bis heute Abstand genommen wurde. Gegenstand vorliegender Erfindung sind einphasige Einanker- umformer, in deren Ankerwicklung erheblich geringere Stromwärmeverluste auftreten als in den bisher bekannten einphasigen Einankerumformern. Die Abmessungen der neuen Umformer können demzufolge so klein gewählt werden, dass ihre Verwendung in Kraftbetriebsanlagen wirtschaftlich wird.
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Fig. l-t stellen das Wicklungsschema von Umformern dar, bei denen die Richtung des Hauptfeldes unveränderlich ist. Die Fig. 5 und 7 veranschaulichen das Wicklungsschema von Umformern, deren Hauptfeldachse zwecks Spannungsregelung verdreht wird. In den Fig. 1, 2 und 5 sind auch die Wicklungen der von den neuen Umformern gespeisten Motoren sehematisch gezeichnet. Die Fig. 6 ist eine Erläuterungsfigur für die Anordnung nach Fig. 7.
In allen Figuren bedeutet 1 die Wicklung des Kollektorankers des Umformers, die aus zeichnerischen Gründen als Ringwicklung gedacht ist und die über aie Schleifringe 2 mit einphasigem Wechselstrom
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4 bedeutet die Reihenschlusswicklung auf den Hauptwendepol des Umformers, 5 ist eine am Ständer des Umformers angebrachte Dämpferwicklung, deren Achse die Kollektorhauptbürstenachse schneidet ; 6 ist eine am Ständer des Umformers angebrachte Dämpferwicklung in Richtung der Hauptbürstenachse, 7 bedeutet eine zweite Wicklung auf den Hauptwendepolen des Umformers, die die Wirkung dieser Wendepole vervollkommnet ;
10 stellt einen induktiven Widerstand dar ; 13 sind die Kollektorhauptbürsten des Umformers, 14 sind die Kollektorbürsten am Umformer, deren Achse die Achse der Kollektorhauptbürsten 18 schneidet. 19 stellt die Wicklung auf den Hilfswendepolen des Umformers dar, die zur Verbesserung ;
der Kommutation unter den Bürsten 14 dienen. 8 ist ein Transformator, der Kommutierungszwecken dient. 20 ist ein Transformator zur Verkettung von Ständer-und Läuferstromkreisen des Umformers. 21 und 22 sind die Hauptfelderregerwieklungen eines Umformers, dessen Hauptfeldachse zwecks Span-
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Ankerwicklung eines vom Umformer gespeisten Motors und 18 ist eine D mpfemicklung auf den Hauptpolen dieses Motors, deren Stromkreis durch den Schalter 23 unterbrochen werden kann.
Bekanntlich lassen sich die vom einphasigen Schleifringstrom erzeugten Wechsel-A.-W. im Anker eines einphasigen Einankerumformers in zwei gleich grosse Komponenten zerlegen, deren Wert konstant und gleich ist dem halben Höchstwerte der Wechsel-A.-W. des Schleifringstromes. Diese beiden A.-W.- Komponenten drehen sich relativ zum Anker mit der Netzfrequenz, u. zw. die erste Komponente entgegen dem Drehsinn und die zweite Komponente im Drehsinn des Ankers. Die erste entgegen dem Ankerdrehsinn rotierende Komponente steht relativ zu den Maschinenpolen still. Sie wirkt in jeder Beziehung genau so, wie die Drehstromanker-A.-W. eines gleichbelasteten Drehstrom-Gleichstrom-Einanker-
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pensierender Ankerstrom entgegen.
Der Strom dieser doppelperiodigen Komponente entwickelt also grosse zusätzliche ohmisehe Verluste, die den Hauptanteil an den grossen resultierenden Stromwärme- verlusten im Anker der bisher bekannten einphasigen Umformer bilden. Bei den bekannten einphasigen Umformern wird nur die rein magnetische Wirkung der doppelperiodigen Anker-A.-W.-Komponente
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Die von der doppelperiodigen A.-W.-Komponente in der Ankerwicklung verursachten zusätzlichen Stromwärmeverluste bleiben hiedurch unberührt.
Bei dem vorliegenden einphasigen Einankerumformer wird nun erfindungsgemäss dieAnkerwicklung selbst zur Abdämpfung der doppelperiodigen Anker-A.-W.-Komponente herangezogen. Der Zweek dieser Massnahme ist, sowohl die Ströme der doppelperiodigen Anker-A.-W.-Komponente als auch ihre Dämpfungsströme dieselbe Wicklung durchfliessen zu lassen. Durch diese Massnahme werden die Stromwärmeverluste der doppelperiodigen Anker-A.-W.-Komponente mit Hilfe des in derselben Wicklung und
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Weise und in ähnlichem Masse wie die Stromw rmeverluste des Drehstromes durch den Gleichstrom in Drehstrom-Gleichstrom-Einankerumformern vermindert werden.
Damit nun die Abdämpfung der doppel-
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schliessen. Ausführungsbeispiel solcher über Kollektorbürsten geschlossener dämpfender Ankerstromkreise enthalten die in den Fig. 1-5 und 7 gezeichneten Wicklungsschemen.
Bei der Anordnung nach Fig. 1 werden erfindungsgemäss mit Hilfe der Kollektorbürsten 13 und 14 zwei Dämpfungsstromkreise gebildet, denen die Ankerwicklung 1 angehört. Der erste dieser beiden Dämpfungsstromkreise ist der Hauptstromkreis der ganzen Kraftbetriebsanlage selbst. Er wird gebildet aus der Ankerwicklung 1 und den Kollektorbürsten 13 des Umformers und aus der Kompensationswicklung 16 und der Ankerwicklung 17 des vom Umformer gespeisten Motors. Der zweite dieser beiden Dämpfungsstromkreise wird gebildet aus der Ankerwicklung 1 und aus den untereinander elektrisch verbundenen Bürsten 14 des Umformers. Die Achse der Kollektorhauptbürsten. M und der Kollektorhilfsbürsten 14 sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gegeneinander um 90 elektrische Grade geneigt.
Diese beiden Ankerstromkreise bilden somit zusammen ein gewöhnliches Zweiphasenstromsystem.
Das von der Erregerwicklung 3 erzeugte Hauptfeld des Umformers nach Fig. 1 ruft an den Hauptbürsten 13 dieses Umformers eine Gleichspannung hervor. Dieser Gleichspannung hält die in der Motorankerwieklung 17 induzierte Gleichspannung das Gleichgewicht. Zwischen den Bürsten 14 des Um- formers kann durch das Umformerhauptfeld keine Spannung hervorgerufen werden, weil die Achse dieses Bürstenpaa es mit der Hauptfeldachse zusammenfällt. Die stillstehende A.-W.-Komponente des Schleifringstromes und die A.-W. des die Hauptbürsten 13 durchfliessenden Gleichstromes heben sich im Umformeranker magnetisch auf, so dass von diesen beiden Anker-A.-W. keine induzierende Wirkung ausgeht.
Ausser diesen einander das Gleichgewicht haltenden elektromagnetischen Wirkungen in der Um-
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Komponente des Schleifringstromes vorhanden. Diese Komponente würde ohne Abdämpfung ein Drehfeld erzeugen, das in der Ankerwicklung in Richtung der Ankerdrehung mit der Netzfrequenz rotiert.
Ohne Dämpfungseinrichtungen würde also zufolge dieser Komponente in der Ankerwicklung 1 eine Drehspannung induziert werden, die beträchtliche Wechselspannungen an den beiden Bürstenpaaren-M und 14 zur Folge hätte. Dies heisst aber, dass die Ankerwicklung 1 selbst geeignet ist, als mehrphasige Dämpferwicklung für den einphasigen Einankerumformer zu dienen, wobei die Kollektorbürsten die Klemmen bilden. Die doppelperiodige Anker-A.-W.-Komponente kann also im Zweiphasenstromsystem der Bürstenpaare 3 und 14 Wechselströme induzieren, durch die die doppelperiodige Anker-A.-W.-Komponente selbst bis auf ein kleines restliches Drehfeld abgedämpft werden kann.
DieseAbdämpfung ist um so vollkommener, je kleiner das restliche Drehfeld ist, das zur Erzeugung der Verlustspannungen in den Dämpfungsstromkreisen dient, d. h. je kleiner insbesondere die induktiven Widerstände der Dämpfungsstromkreise sind. Der Dämpfungsstromkreis über die Bürsten 14 hat ohne besondere Vorkehrungen bereits eine sehr kleine Reaktanz und bildet daher einen zur Abdämpfung vorzüglich geeigneten Stromkreis. Es zeigt sich, dass es sogar manchmal vorteilhaft ist, die kleine Reaktanz dieses Dämpfungsstromkreises durch einen zusätzlichen induktiven Widerstand 10 (s. Fig. 4) zu vergrössern. Demgegenüber besitzt der Hauptstromkreis nur dann eine kleine Reaktanz, wenn die vom Umformer gespeisten Motoren erfindungsgemäss mit Kompensationswicklungen 16 versehen sind.
Sind die vom Umformer gespeisten Motoren Nebenschlussmotoren, wie bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 5, so ist die Reaktanz dieser Motoren durch die Kompensationswicklung 16 allein genügend erniedrigbar. Besitzen die gespeisten Motoren Reihenschlusserregung, wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, so muss man, soll die Abdämpfung mit Hilfe des Hauptstromkreises der Anlage gut möglich sein, auch die Reaktanz der Erregerwicklung 15 durch Dämpfungseinrichtungen verringern. Dies kann schon durch die dämpfende Wirkung eines massiven Pol-und Joeheisens allein geschehen, was aber, abgesehen von der nicht ganz vollkommenen Wirkung dieser Dämpfungsart, zu unzulässiger Erwärmung dieser Maschinenteile führen kann.
Es ist daher vorteilhaft, die Hauptpole der vom Umformer gespeisten Reihenschlussmotoren erfindungsgemäss mit einer Dämpferwieklung M zu versehen. Fig. 2 stellt bei geschlossenem Schalter 2. 3 eine solche Anordnung dar. Im Falle der Verwendung von Kompoundmotoren
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gemäss mit einer Dämpferwicklung M versehen.
Oft ist es vorteilhaft, die Abdämpfung der doppelperiodigen Anker-A.-W.-Komponente nicht der Ankerwicklung allein zu überlassen. Es können dann, wie z. B. bei Anordnung nach den Fig. 2,3 und 4 erfindungsgemäss auch am Ständer des neuen Umformers Dämpferwicklungen 6 vorgesehen werden, die im Vereine mit der Ankerwicklung die Abdämpfung besorgen. Im Bedarfsfalle kann man die Dämpfungswirkung auf die vorhandenen Ständerwicklungen und die Läuferwicklung in einem ganz bestimmten Verhältnis aufteilen oder die Dämpfungswirkung nur einer Wicklung zuweisen und die anderen'windung an der Dämpfung verhindern. Zu diesem Zwecke können erfindungsgemäss Transformatoren 20 vorgesehen werden, die die entsprechenden Ständer- und Läaferstromkreise miteinander verketten.
Bei Anordnung nach Fig. 3 kann z. B. ein beliebiges Verhältnis zwischen den Grössen der Dämpfungsströme im Hauptstromkreise und in der Dämpferwicklung 6 mit Hilfe des Transformators 20 eingestellt werden. Bei AU0
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Plus-und Minuszeichen angedeutet. Die zwei Dämpfungsstromkreise der beiden Umformer, denen die
Bürsten 14 angehören, sind nun bei Anordnung nach Fig. 7 erfindungsgemäss derart in Reihe geschaltet, dass die zwischen den Bürsten 14 auftretenden Gleichspannungen im vereinigten Dämpfungsstromkreis einander entgegenwirken.
Bei dieser Reihenschaltung der beiden Dämpfungsstromkreise bleibt ihre dämpfende Wirkung voll erhalten, weil hiebei die Richtungen der Dämpfungsstrome in den beiden Dämpfungsstromkrehen übereinstimmen.
Gleiche Umformer und gleiche absolute Werte der Feldverdrehungswinkel in den beiden Umformern vorausgesetzt, sind die an den Bürsten 14 auftretenden Gleichspannungen einander entgegengesetzt gleich und heben sich gegenseitig auf. Ein Kurzschlussgleichstrom im Stromkreis der Bürsten 14 ist dann vermieden, ohne dass die Dämpfungswirkung des Stromkreises der Bürsten 14 beeinträchtigt wird.
Bei sämtlichen durch die Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung wurde auch auf gute Kommutierung Bedacht genommen. Die in den Figuren gezeichneten Wendepolwicklungen (4, 7 und 19) dienen einerseits zur Beseitigung der Stromwendespannungen und anderseits zur Unterdrückung der transformatorischen Funkenspannungen unter den Kollektorbürsten. Diese Kommutierungseinrichtungen wurden nur deshalb eingezeichnet, um technisch nach jeder Richtung hin vollkommene Anordnungen zur Darstellung zu bringen. Sie sind nicht Gegenstand vorliegender Erfindung und bleiben daher hier unbesprochen.
Nicht unerwähnt soll bleiben, dass der neue einphasige Umformer (die erforderliche Schleifringzahl vorausgesetzt) ohne irgendwelche Änderung auch mit Drehstrom betrieben werden kann. Bei Drehstrombetrieb bei welchem die doppelperiodige Anker-A.-W.-Komponente verschwindet, treten dann in den bei Einphasenstrombetrieb dämpfenden Wicklungen keine Dämpfungsströme auf. Die Betriebsfähigkeit des Umformers wird hiedurch in keiner Weise berührt.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für elektrische Bahnen von Bedeutung. Sie ist geeignet, ein neues elektrisches Bahnsystem zu schaffen, das folgende Vorteile in sich vereinigt :
1. Das System ist für alle Periodenzahlen verwendbar und passt sich insbesondere auch an hohe Periodenzahlen sehr gut an. 2. Das System ist ein vorzügliches Einphasensystem. 3. Seine Regulierfähigkeit ist dieselbe wie die der Leonardanordnung. 4. Die Frage der Nutzbremsung ist auf die natürlichste Weise gelöst. 5. Die Kommutation ist an allen Maschinen bei Anfahrt und bei Fahrt der Lokomotive eine theoretisch vollkommene. 6. Der Leistungsfaktor ist bei allen Belastungen und Fahrgeschwindigkeiten gleich 1. 7. Der Wirkungsgrad ist ein vorzüglicher. 8. Das Gewicht der Ausrüstung ist gering. 9.
Auf der Fernstreeke, die keine Weichen besitzt, kann mit Drehstrom gefahren werden.
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zu achten.
PATENT-ANSPRÜCHE :
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