CH123797A - Anordnung zur Wechselstrom-Gleichstromumformung. - Google Patents

Description

  Anordnung zur Wechselstrom-Gleichstromumformung.    Von den bekannten Wechselstrom-Gleich  stromumformern verwendet man in der Praxis  vorwiegend synchrone oder asynchrone Mo  torgeneratoren und Einankerumformer. Der  Motorgenerator hat den Nachteil grossen Ge  wichts, da seine beiden Maschinen für die  volle Leistung zu bemessen sind ; Motorgene  ratoren mit Synchronmotor haben auch den  Nachteil, dass sie synchronisiert werden müssen  und bei Überlastung ausser Tritt fallen, jene  mit Asynchronmotor belasten das Wechsel  stromnetz mit induktiven Strömen. Der Ein  ankerumformer hat den Vorteil sehr geringen  Gewichts und guten Leistungsfaktors, dagegen  die Nachteile des Synchronmotors; ausserdem  ist bei den üblichen Ausführungen die Gleich  spannung bei gegebener Netzspannung nur  in engen Grenzen regelbar.

   Es sind wohl  bereits Einankerumformer mit regelbarer  Gleichspannung vorgeschlagen worden, doch  haben diese Maschinen wieder für die Be  lastung des Wechselstromnetzes Nachteile,  wie schlechten Leistungsfaktor an den Gren  zen des Regelbereiches usw.    Die Erfindung besteht in einer Anordnung  zur Umformung von ein- oder mehrphasigem  Wechselstrom in Gleichstrom oder langsam  pulsierenden Wechselstrom oder umgekehrt, bei  der ein Einankerumformer mit regelbarem  inneren Übersetzungsverhältnis zwischen  Wechsel- und Gleichspannung mit einer gleich  stromerregten Synchronmaschine elektrisch  verbunden ist.

   Durch diese Verbindung des  Umformers und einer elektrisch mit ihm zu  sammen arbeitenden Synchronmaschine er  hält man einen Maschinensatz von verhältnis  mässig geringem Gewicht und sowohl auf der  Wechselstromseite, wie auf der Gleichstrom  seite guten elektrischen Eigenschaften.  



  Im Nachstehenden wird ein Ausführungs  beispiel der Erfindung anhand der Zeich  nung beschrieben.  



  Der dargestellte Maschinensatz besteht  aus einem Paar Einankerumformern e1 und e2,  einer in diesem Ausführungsbeispiel vorzugs  weise als Phasenumformer dienenden Syn  chronmaschine p und einer als Erregerma  schine dienenden -     Hilfsmasebine        h.    Der Ma-      schinensatz speist einen fremderregten Gleich  strommotor na und empfängt die Energie aus  dem Drehstromnetz n. Die Einankerumformer  e1 und e2 werden von ihren Läufern 11 und  12 aus erregt; ihre Ständer s1 und s2 tragen  keine Erregerwicklungen, sondern bilden nur  den magnetischen Schluss für den Läufer  kraftfluss. Sie besitzen jedoch Wendepole w,  gegebenenfalls auch hier nicht dargestellte  Kompensationswicklungen.

   Die Spannungs  regelung der Einankerumformer erfolgt durch  gegenseitige Winkeländerung zwischen ihrer  Hauptfeldachse und der Kollektorbürstenachse,  indem die Kollektorbürsten b und zugleich  die Ständer s1 und s2 mit den Wendepolen  w durch die Betätigungsvorrichtung d ver  dreht werden.  



  Die Verdrehung geschieht in den beiden  Maschinen e1 und e2 gegenläufig; entstehen  bei der Regelung wattlose Ströme, so wird,  infolge der Symmetrie des Vorganges in  beiden Maschinen, in der einen davon eine in  duktive, in der andern eine gleich grosse     kapa-          zitive    Komponente hervorgebracht. Diese heben  sich gegenseitig auf, ohne nach aussen in Er  scheinung zu treten. Das zum Aufrechterhalten  des synchronen Laufs der Umformer erforder  liche Drehmoment wird durch mechanischen  Antrieb hervorgebracht.  



  Die Läuferwicklungen der Umformer e1  und e2 sind in der durch die Ziffern 1 bis 6  bezeichneten Weise an die Läuferwicklung a  des synchronen Phasenumformers p ange  schlossen. Dieser formt vorteilhaft in einer  einzigen Läuferwicklung den Dreiphasenstrom  des Netzes n in Sechsphasenstrom, bei der  praktischen Ausführung besser in Zwölf  phasenstrom um, der in den Einanker Umformern  mit sehr geringen Verlusten in Gleichstrom  umgesetzt wird. Zugleich kann der Phasen  umformer p auch die mechanische Antriebs  leistung für die Einankerumformer und für die  Hilfserregermaschine h abgeben. Ergibt übri  gens an die Einankerumformer nicht nur die in  Gleichstrom umzusetzende Wechselstromener  gieab, sondern auch die Erregung für das Haupt  feld. Ausserdem kann die Maschine p durch    entsprechende Einstellung ihres eigenen Er  regerfeldes als Phasenverbesserer wirken.  



  Die Feldwicklung f der Synchronmaschine  p wird durch die von der Welle des Ma  schinensatzes angetriebene Hilfserregerma  schine h mit Gleichstrom gespeist. In dem  Ausführungsbeispiel ist diese Hilfserreger  maschine ähnlich den Einankerumformern e1  und e2 als läufergespeister Einankerumformer  ausgebildet, der ebenfalls sowohl die in  Gleichstrom umzusetzende Wechselstromener  gie, als auch die Läufererregung von der  Maschine p empfängt, indem seine Läufer  wicklung in der den Zahlen 1, 3 und 5 ent  sprechenden Weise an die Läuferwicklung  der Maschine p abgeschlossen ist. Der Ständer  s ist auch bei dieser Maschine urbewickelt  und dient bloss als magnetisches Schlussstück.  Er besitzt gegenüber den kommutierenden  Zonen des Läufers 1 Ausnehmungen, sofern  man bei dieser kleinen Maschine ohne Wende  pole auskommen kann.

   Zur Regelung des  Stromes der Feldwicklung f dient ein Regel  widerstand r.  



  Der Motor m ist hier als fremderregte  Maschine ausgebildet, deren Erregerwicklung  t gleichfalls von der Maschine lt über einen  Regelwiderstand v gespeist wird. Diese An  ordnung erlaubt Stromrückgewinnung während  der Bremsperiode des Motors in. In diesem  Falle findet also auch eine Umformung von  Gleichstrom in Wechselstrom statt.  



  Bei Fehlen einer äussern Störung läuft  der Umformersatz synchron. Bei Stössen und  Überlastungen schlüpft er; die Erreger  maschine !t gibt an den Phasenumformer p  und an den Gleichstrommotor m eine langsam  pulsierende Wechselstromerregung ab. Wegen  des     Fehlens    der     Ständererregung    an den     Ein-          ankerumformern    ei und     e.2    können diese ohne  weiteres schlüpfen. Wenn sich ihre Gleich  spannung umpolt, wird gleichzeitig infolge  des elektrischen Zusammenhanges auch der       Gleichstrommotor    urigepolt.

   Die ganze Anlage  bleibt also auch bei vorübergehendem asyn  chroner) Lauf der     Umformer    betriebsfähig  und strebt nach Aufhören der Überlastung  wegen vorhandener     synchronisierender    Mo-      mente selbsttätig wieder dem Synchronis  mus zu.  



  Die beschriebene Anordnung erlaubt man  nigfache Abänderungen, ohne dass auf ihre  wesentlichen Vorteile verzichtet werden muss.  Zum Beispiel kann die Hilfserregermaschine  lt mit der Synchronmaschine p vereinigt wer  den, indem diese einen Hilfskollektor, ge  gebenenfalls auch eine gesonderte, an diesen  Kollektor angeschlossene Hilfswicklung er  hält. Es kann aber auch der Erregergleich  strom für die Feldwicklungen<I>f</I> und<I>t</I> den  Einankerumformern e1 oder e2 entnommen  werden, hierbei ist allerdings dafür Sorge zu  tragen, dass dieser Erregerstrom nicht durch  den Regelvorgang an den Einankerumformern  verändert wird. Diesem Übelstand lässt sich  aber durch Anordnung von Hilfsbürsten an  den Kollektoren der Einankerumformer Rech  nung tragen.  



  Die Synchronmaschine p muss nicht sämt  liche der oben erwähnten Wirkungen zugleich  ausüben. Bei kleinen Anlagen kann zum Bei  spiel auf die Phasenumformung durch die  Maschine p verzichtet werden. Die Einanker  umformer e1 und e2 können entweder über  einen ruhenden Transformator Sechsphasen  strom erhalten oder unter Zulassung geringe  ren Wirkungsgrades bloss dreiphasig ausge  führt sein, wobei die Anzapfungen 2, 4 und  6 mit den entsprechenden Verbindungsleitun  gen wegfallen. Dann würde die Synchron  maschine p zur Wechselstromseite der Um  former einfach parallel liegen und nur deren  mechanischen Antrieb und die wattlose Er  regerleistung decken, gegebenenfalls auch  wattlose Ströme zur Phasenverbesserung auf  nehmen oder abgeben.

   Auch der mechanische  Antrieb der Einankerumformer muss nicht  durch die Maschine p erfolgen, er könnte  auch durch die Hilfserregermaschine h be  stritten werden, wenn diese ein zur Dreh  momentbildung geeignetes Ständerfeld erhält.  Ferner ist ein gesonderter Antrieb der Ein  ankerumformer durch einen eigenen Gleich  strom- oder Synchronmotor denkbar. Im erste  ren Fall wird im allgemeinen langsam pul  sierender Wechselstrom entstehen.    Der Motor in muss kein fremderregter  Motor sein, er kann auch Serienerregung be  besitzen. Eine solche Schaltung ist zum Bei  spiel für den Antrieb elektrischer Fahrzeuge  verwendbar; die aus einer Einphasen-Fahr  leitung gespeist werden.  



  Die Einankerumformer e1 und e2 sind  im Ausführungsbeispiel gleichstromseitig pa  rallel geschaltet und liegen auch     wechsel-          stromseitig    in Parallelschaltung an den ent  sprechenden Anzapfungen der Läuferwicklung  des Phasenumformers p. Werden sie     gleich-          stromseitig    in Reihe geschaltet, so kann man  beispielsweise den Phasenumformer mit zwei  getrennten Läuferwicklungen ausführen, an  die je einer der Einankerumformer angeschlos  sen ist. Es ist natürlich auch möglich, statt  zweier Umformer zwei Gruppen von Umfor  mern aufzustellen, die einer gemeinsamen  Synchronmaschine p zugeordnet sind.

   Ver  zichtet man auf die Kompensation der bei  der Regelung der Gleichspannung entstehen  den wattlosen Ströme innerhalb der Ein  ankerumformer, so kann auch ein einziger  Einankerumformer verwendet werden, dessen  wattlose Ströme durch die Synchronmaschine  voll zu decken sind.  



  Die Anordnung nach dem Ausführungs  beispiel weist die nachstehenden Vorteile auf  1. Der Leistungsfaktor auf der     Wechselstrom-          seite    kann bei allen     Betriebszuständen    fast  konstant gehalten und beliebig auf verschie  dene induktive und     kapazitive    Werte einge  stellt 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 Unter  brechen des Erregerstromes der     Synchron-          maschinep    ergibt sich nur ein vorübergehender  Drehzahlabfall und asynchroner Lauf, während  bei Wiederkehr der Netzspannung beziehungs  weise des Erregerstromes der Synchronismus  wieder erreicht wird. Diese Ergebnisse lassen      die Unformeranordnung nicht nur für ein  phasig gespeiste Triebfahrzeuge vorteilhaft  erscheinen, sondern selbst für ortsfeste Mr     ehr-          phasenanlagen,    trotzdem für diese erprobte  einfache Anordnungen schon vorhanden sind.

    Die wesentlichen Vorteile der neuen An  ordnung hinsichtlich der Gewichtsersparnis,  Betriebssicherheit und bequemen Handhabung  ergeben auch bei ihrer Verwendung in orts  festen Anlagen an Stelle der bisher bekannten  Umformer einen technischen und wirtschaft  lichen Fortschritt.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Anordnung zur Umformung von ein- oder mehrphasigem Wechselstrom in Gleichstrom oder langsam pulsierenden Wechselstrom oder umgekehrt, gekennzeichnet durch die elek trische Verbindung eines Einankerumformers mit regelbarem innerem Übersetzungsverhält nis zwischen Wechsel- und Gleichspannung und einer gleichstromerregten Synchron maschine. UNTERANSPRÜCHE: Anordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet; dass die Synchronmaschine als Phasenumformer ausgebildet ist. Anordnung nach Patentanspruch und Un teranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine an den Einanker umformer mit grösserer Phasenzahl ange schlossen ist als an das Netz. Anordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Einankerumfor mer durch Änderung der Winkellage zwischen Feldachse und Kollektorbürsten achse regelbar ist.

   Anordnung nach Patentanspruch und Un teranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der verdrehbare Ständer des Ein ankerumformers keine Erregerwicklung trägt. Anordnung nach Patentanspruch und Un teransprüchen 3 und 4, dadurch gekenn zeichnet, dass zur Regelung der Gleich spannung die Kollektorbürsten des Um- formers und mit ihnen der Wendepole tragende Ständerverdrehbar sind, während die Feldachse des Einankerumformers durch Läufererregung in einer räumlich feststehenden Lage bestimmt ist. Anordnung nach Patentanspruch und Un teranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Einankerumformer oder Grup pen von solchen vorhanden sind, in de nen die Winkeländerung zwischen Feld- und Bürstenachse gegenläufig erfolgt, so dass sich ihre wattlosen Ströme gegen seitig aufheben.

   Anordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine eine Wechselstromerregung an den Ein ankerumformer abgibt. Anordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine den Einankerumformer mechanisch an treibt. Anordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine derart erregt ist, dass sie Blindleistung an das Wechselstromnetz abgibt. Anordnung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselstrom netz (n) und der Einankerumformer (e1) e2) an dieselbe Wicklung (a) der Synchron maschine p angeschlossen sind. Anordnung nach Patentanspruch, gekenn zeichnet durch eine als Einankerumformer ausgebildete Erregermaschine (h) zur Spei sung der Feldwicklung (f) der Synchron maschine.

   Anordnung nach Patentanspruch und Un teranspruch 1.1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker der Erregermaschine (h.) mit dein Anker der Synchronmaschine (p) elektrisch verbunden ist. Anordnung nach Patentanspruch und Un teransprüchen 11 und 12, dadurch ge kennzeichnet, dass die Erregermaschine (1r) durch die Sy nchronmaschinep eine Anker erregung erhält. Anordnung nach Patentanspruch und Un teranspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer der Erregermaschine (h) leine Erregerwicklung trägt.

   Anordnung nach Patentanspruch und Un teransprüchen 8 und 11 bis 14 zur Spei sung von Gleichstrommotoren, dadurch gekennzeichnet, dass als Erregermaschine (h) der Synchronmaschine eine- die Fremd erregung der Gleichstrommotoren (m) be wirkende, mit der Synchronmaschine ge- kuppelte Maschine dient, die bei vorüber gebendem asynchronen Lauf des Um formers das gleichzeitige Umpolen der Einankerumformer (e1, e2) und der Mo toren (m) sichert. Anordnung nach Patentanspruch und Un teransprüchen 3 und 6, dadurch gekenn- zeichnet, das beide Umformer (e1, e2) gleichstromseitig parallel geschaltet und wechselstromseitig aus der gleichen Wick lung der Synchronmaschine (p) gespeist werden.

   Anordnung nach Patentanspruch und Un teransprüchen 3 und 6, dadurch gekenn zeichnet, dass beide Umformer (e1, e2) gleichstromseitig in Reihe geschaltet und wechselstromseitig aus elektrisch getrenn ten Wicklungen der Synchronmaschine (p) gespeist werden.