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.
Arrangement for alternating current to direct current conversion. Of the known AC / DC converters, mainly synchronous or asynchronous Mo torgen generators and single armature converters are used in practice. The motor generator has the disadvantage of large Ge weight, since its two machines are rated for full power; Motor generators with synchronous motors also have the disadvantage that they have to be synchronized and fall out of step when overloaded; those with asynchronous motors load the AC network with inductive currents. The one armature converter has the advantage of very low weight and good power factor, but the disadvantages of the synchronous motor; In addition, with the usual designs, the DC voltage can only be regulated within narrow limits at a given mains voltage.
There have probably already been proposed single-armature converters with adjustable DC voltage, but these machines again have disadvantages for loading the AC network, such as poor power factor at the limits of the control range, etc. The invention consists in an arrangement for converting single or multi-phase alternating current into Direct current or slowly pulsating alternating current or vice versa, in which a single armature converter with a controllable internal gear ratio between alternating and direct voltage is electrically connected to a synchronous machine with direct current excitation.
Through this connection of the converter and an electrically synchronous machine working together with him he keeps a machine set of relatively moderately low weight and good electrical properties on both the AC side and on the DC side.
In the following an embodiment example of the invention is described with reference to the drawing voltage.
The machine set shown consists of a pair of single-armature converters e1 and e2, a synchronous machine p, which in this exemplary embodiment is preferably used as a phase converter, and a auxiliary machine h, which serves as an exciter machine. The machine set feeds an externally excited direct current motor na and receives the energy from the three-phase network n. The single-armature converters e1 and e2 are excited by their rotors 11 and 12; their stator s1 and s2 do not have any excitation windings, but only form the magnetic circuit for the rotor force flow. However, they have reversing poles w, possibly also compensation windings not shown here.
The voltage regulation of the single-armature converters is carried out by changing the angle between their main field axis and the collector brush axis by rotating the collector brushes b and at the same time the stator s1 and s2 with the reversing poles w through the actuating device d.
The rotation takes place in opposite directions in the two machines e1 and e2; If currents without watts arise during the regulation, then, due to the symmetry of the process in both machines, an inductive component is produced in one of them and an equally large capacitive component in the other. These cancel each other out without appearing on the outside. The torque required to keep the converter running synchronously is generated by a mechanical drive.
The rotor windings of the converters e1 and e2 are connected in the manner indicated by the numbers 1 to 6 to the rotor winding a of the synchronous phase converter p. This advantageously converts the three-phase current of the network n into six-phase current in a single rotor winding, in the practical version better into twelve-phase current, which is converted into direct current in the single-armature converters with very low losses. At the same time, the phase converter p can also provide the mechanical drive power for the single armature converter and for the auxiliary exciter h. Incidentally, this not only gives the single-armature converter the AC power to be converted into direct current, but also the excitation for the main field. In addition, the machine p can act as a phase improver by setting its own excitation field accordingly.
The field winding f of the synchronous machine p is powered by the auxiliary exciter machine driven by the shaft of the machine h with direct current. In the exemplary embodiment, this auxiliary exciter machine is designed as a rotor-fed single-armature converter, similar to the single-armature converters e1 and e2, which also receives both the alternating current energy to be converted into direct current and the rotor excitation from the machine p by having its rotor winding in the numbers 1, 3 and 5 accordingly to the rotor winding of the machine p is completed. The stand s is also originally wound on this machine and only serves as a magnetic end piece. It has 1 recesses opposite the commutating zones of the rotor, provided that this small machine can do without a turning pole.
A rule resistor r is used to regulate the current of the field winding f.
The motor m is designed here as a separately excited machine, the field winding t of which is also fed by the machine lt via a variable resistor v. This arrangement allows current to be regenerated during the braking period of the motor. In this case, direct current is also converted into alternating current.
If there is no external fault, the converter replacement runs synchronously. In the event of bumps and overloads, it slips; the exciter machine! t sends a slowly pulsating alternating current excitation to the phase converter p and to the direct current motor m. Due to the lack of stator excitation on the single-armature converters ei and e.2, these can easily slip. If the polarity of the DC voltage is reversed, the DC motor is also polarized due to the electrical connection.
The entire system remains operational even if the converter is temporarily running asynchronously and, after the overload has ceased, it automatically strives to synchronize again because of the existing synchronizing moments.
The arrangement described allows nigfold modifications without having to forego its essential advantages. For example, the auxiliary excitation machine lt can be combined with the synchronous machine p, in that it holds an auxiliary collector, if necessary also a separate auxiliary winding connected to this collector. However, the direct excitation current for the field windings <I> f </I> and <I> t </I> can also be taken from the single-armature converters e1 or e2, but care must be taken that this excitation current is not caused by the control process is changed on the single-armature converters. However, this disadvantage can be taken into account by arranging auxiliary brushes on the collectors of the single-armature converters.
The synchronous machine p does not have to exert all of the above-mentioned effects at the same time. In the case of small systems, for example, phase conversion by machine p can be dispensed with. The single-armature converters e1 and e2 can either receive six-phase electricity via a dormant transformer or only three-phase leads under approval of low ren efficiency, whereby the taps 2, 4 and 6 with the corresponding connecting lines are omitted. Then the synchronous machine p would simply be parallel to the alternating current side of the converter and only cover its mechanical drive and the wattless excitation power, possibly also absorb or output wattless currents for phase improvement.
The mechanical drive of the single armature converter does not have to be done by the machine p either; it could also be disputed by the auxiliary exciter h if it receives a stator field suitable for torque generation. A separate drive of the armature converter by its own direct current or synchronous motor is also conceivable. In the first case, alternating current will generally be pulsating slowly. The motor in does not have to be an externally excited motor, it can also have series excitation. Such a circuit can be used, for example, for driving electric vehicles; which are fed from a single-phase contact line.
In the exemplary embodiment, the single-armature converters e1 and e2 are connected in parallel on the DC side and are also connected in parallel on the AC side to the corresponding taps of the rotor winding of the phase converter p. If they are connected in series on the DC side, the phase converter can, for example, have two separate rotor windings to which one of the single armature converters is connected. It is of course also possible, instead of two converters, to set up two groups of converters that are assigned to a common synchronous machine p.
If you do not compensate for the wattless currents within the one-armature converter when regulating the direct voltage, a single single-armature converter can also be used, the wattless currents of which are to be fully covered by the synchronous machine.
The arrangement according to the embodiment has the following advantages: 1. The power factor on the alternating current side can be kept almost constant in all operating states and can be set to various inductive and capacitive values as required. 2. The DC voltage at the single armature converter is continuously adjustable from the maximum value through zero to the opposite maximum value. 3. The machine set does not fall out of step even under shock loads in multiple amounts of the normal load, since it can also run asynchronously temporarily. 4th
Even with a temporary absence of the mains voltage or interruption of the excitation current of the synchronous machine, there is only a temporary drop in speed and asynchronous operation, while synchronism is achieved again when the mains voltage or the excitation current returns. These results make the unformer arrangement appear to be advantageous not only for a phase-fed traction vehicle, but also for stationary multi-phase systems, despite the fact that tried and tested simple arrangements are already available for these.
The main advantages of the new arrangement in terms of weight savings, operational reliability and ease of use result in technical and economic progress even when they are used in fixed systems instead of the previously known converter.