CH202071A - Umformer zur Umformung von Einphasenstrom in Gleichstrom, insbesondere für elektrische Triebfahrzeuge. - Google Patents
Umformer zur Umformung von Einphasenstrom in Gleichstrom, insbesondere für elektrische Triebfahrzeuge.Info
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Description
Umformer zur Umformung von Einphasenstrom in Gleichstrom, insbesondere für elektrische Triebfahrzeuge. Elektrische Vollbahnen arbeiten bekannt lich vielfach mit 162/3periodigem Einphasen- strom"der ein besondenes Energieverteilungs- system erforderlich macht.
Es besieht .deshalb seit langem die Forderung nach einem Bahn system, das mit 5,Operiodigem Wechselstrom arbeitet, und das aus den Netzen der allge meinen Landesversorgung gespeist wird. Es ist eine sehr (grosse Anzahl von Lokomotiv- systemen vorgeschlagen und ausgeführt wor den, die :
den im Fahrdraht zur Verfügung stehenden 50periodigen Einphasenstrom in Drehstrom oder Gleichstrom umformen. Diese Umformung ,geschieht bei Verwendung von Drehs@trommotoren mit rotierenden Phasen- umformern, wobei sich. eine verhältnismässig schlechte Regelfähigkeit ergibt.
Bei der Ver wendung von Gleiehstrommo@toren kann man rotierende Umformer oder ruhende Stromrich- ter verwenden. Retierende Umformer, @bei- spielsweieea :
c@targencrat@rcn, schie@d.cn bisher wegen des grossen Gewichtes aus, während ,der Stromrichter in der letzten Zeit wieder an Bedeutung gewinnt.
Stromrichter Loko motiven erfordern. aber einen grossen Auf wand an GläMungseinrichtungen und Regel- apparaturen, wenn keine Gittersteuerung ver wendet wird, während ,sie bei Verwendung der Gittersteuerung ebenfalls .grosse zusätz liche Glättungseinrichtungen und Mittel zur Leistungsfaaktorverbesss@erung benötigen,
wobei immer mit einer starken Verzerrung der,dem Fahrdraht entnommenen ,Ströme zu rech nen ist.
Die Erfindung betrifft einen neuen Um former zur Umwandlung von Einphasen- in Gleichstrom, ,der insbesondere für elektrische Triebfahrzeuge geeignet ist und hier den Vorteil bietet, dass keine zusätzliGhen Schalt- apparate benötigt werden,
und eine vollkom men feinstufige Drehzahlregelung ermöglicht wird, wobei, aber keine etönenden NetzrüQk- Wirkungen auftreten und keine zu grossen Gewichte bedingt werden.
Der erfindungs gemässe Umformer besteht in einer Ver einigung eines Phasenumformers mit einer synchron betätigten Umschalteinrichtung, die den Gleichstromkreis in innerhalb der Halb- ,vel.le der Mehrphasenspaalnun.g beliebig ver schiebbaren Zeitpunkten unter Zwischen schaltung von Strombegrenzungseinrichtun- gen,
die bei Stromriehtungsumkehr oder beim Absinken des Stromes unter einen kritischen Wert sprunghaft ihren Widerstand erhöhen, insbesondere von Ventilen oder hochgesättig- ten Drosseln in zyklischer Reihenfolge und mit zeitlicher Überlappung auf die einzelnen Phasen umschaltet.
Die Erfindung möge an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es handelt sich hier um die Verwendung auf einem Triebfahr zeug. das aus einer Einphasenstrom von 50 IIZ führenden Fahrleitung 1 gespeist wird, dessen Fahrmotoren 3 aber mit Gleich strom hetz: eben -erden.
Die Fahrdraht,spa.n- nung, die beispielsweise 16 kV betragen möge, wird der einphasigen Ständerwick- lung 5 eins Synchron-Phase iimformers 4 zu geführt, der ausserdem noch eine seeh@sphasige Arbeitswicklung 6 im Ständer besitzt.
Der Induktor des Phasenumformers besitzt aus geprägte Pole mit einer Erregerwicklung 8, die über Schleifrings 9 aus einer kleinen Er- regermasehine 10, die auf der gleichen Welle sitzt.
gespeist wird. Ausserdem ist auf dein Induktor eine kräftige Dämpferwieklung 7 vorgesehen. Die sechsphasige Arbeitswick- lung ist in Stern geschaltet und mit den Bürsten 19 eines synchron rotierenden Ver teilers verbunden,
dessen andere Bürsten gruppen 20 abwechselnd über zwei Trocken gleichrichter 17 beztv. 18 mit dem Pluspol des Gleichstromkreises 2 verbunden sind. Der Minuspol des Gleichstromhre.ises wird von dem Sternpunkt der seelisphasigen Arbeits wicklung des Pha.senumforiners gebildet:.
Der Verteiler selbst besitzt a.m Umfang 12 leitende, voneinander isolierte K ontakt: stücke, die beispielsweise ähnlich wie die Lamellen eines normalen Kollektors mit Schwalbenschwänzen in die Nabe eingesetzt sein können.
Von diesen zwölf Kontakt- stücken nehmen jedoch an der Stromführung nur zwei Gruppen zu je zwei Kontaktstücken 1'3 und 14 bezw. 15 und 16 teil,
wobei ent- sprechende Kontaktstüoke der verschiedenen Gruppen miteinander leitend verbunden sind. Die übrigen nicht an der Stromführung be- teiligten Kontaktstücke sind dazu da., für die Bürsten eine um den ,ganzen Umfang herum- reichende metallische Lauffläche zu bilden,
wobei jedoch durch die dazwischenliegenden Isolierstücke ein Kurzschluss der Bärsten ver mieden wird. Auf einer rein metallischen Lauffläche lässt sich ein wesentlich besserer Bürstenlauf erzielen als auf einer Lauffläche, die zum Teil aus Metall und zum 'feil aus Isoliermaterial besteht, d. h.
aus Stoffen, die ganz versehi@edene Abnutzungsgeoschwindig- keiten aufweisen. Jede Phase wird also wäh- rend eines Umlaufes des Verteilers, der in dem dargestellten Beispiel mit dem Phasen- umformer auf gleicher Welle sitzt, zweimal Tiber die Trockengleichrichter an die Plus- samm@eIschiene angeschlossen werden,
wenn der Umformer wie im vorliegenden Fall vier polig ausgeführt ist. Die Trockengleichrich- ter 17 und 18 haben die Aufgabe, die Kom- inutierung des Stromes von einer Phase auf < lie andere zu übernehmen. An Stelle des dar- gestellten Verteilers kann auch ein andrer synchron angetriebener Umschalter benutzt werden.
So kann zum Beispiel eine Sch@alter- kons.truktion Verwendung finden, bei der die einzelnen Schaltkontakte durch eine N ocken- welle angetrieben werden, die mit dem Phasenspalter gekuppelt sein kann.
Wie die Kommutierung des Stromes im einzelnen vor sich geht, ist in Fig. 2 näher dargestellt. Fig. 2a zeigt den Verlauf der Phasenspannungen zcx bis %. Fig. 2t3 zeig die Einschaltz-eiten t, bis t, der :
einzelnen Phasen unter der Voraussetzung, dass die Zusahal- tung der Folgephase jeweils im Zeitpunkt der Spannungsgleichheit erfolgt. 'Man er kennt, @dass die einzelnen Phasen sich in ihren Einschaltzeiten um einen Betrag ii: überlap- per.
Während der Ü,berlappungszeit bildet sich nun. :ein innerer Stromkreis, in dem. :
die beiden Ventile mit verschiedener Durchlass- richitung hintereinander liegen, und in dem als treibende Spannung -die Differenz auf einander folgender Phasenspannungen @c@irk- sam ist.
Ein Kurzschlussstrom kann zwischen diesen beiden: Phasen nicht auftreten, :da die ser Strom für :den in :der abzuschaltenden Phase liegenden Trockengleichrichter ein Rückstrom wäre, der wegen der Ventilwir kung nicht fliessen kann.. Dieser Trocken- gleichrichter kann also funkenlos von :der betreffenden Phase getrennt werden.
Nach dem idiese Trennung erfolgt ist, wird er durch: den Verteiler auf die übernächste Phase umgeschaltet und :
das Spiel wiederholt sich von neuem. Für die Kom#mutierung be- nötigt man im vorliegenden Fall also nur zwei Trockengleichrichter. Da die Trocken gleichrichter in ihrer Sperrichtung immer nur während der Kommutierungszeit bean- sprucht sind,
können sie wesentlich kleiner bemessen werden als Trockengleichrichter in einer normalen Gleichrichterschaltung.
Ausserdem kann nun. aber mit dem erfin dungsgemässen Umformer die Spannung in einfachster Weise durch Bürstenverschiebung an dem Verteiler .geregelt werden. Es treten :dann die gleichen Verhältnisse auf wie bei .der Spannungsregelung durch Bürstenver- scliiebun@g bei :einer Gleichstrommaschine.
Bei der Gleichstrommaschine kann man je doch von dieser Art !der ,Spannungsregelung nur in sehr beschränktem Masse Gebrauch machen, da man mit den Bürsten nicht aus der kommutierenden Zone herauskommen darf.
Beidem erfindungsgemässen Umformer erstreckt sich. jedoch der Spannungsregel- bereichdurch Bürstenverschiebung von Null zur vollen Spannung, da die Kommutie- ru.ngseinrichtung, nämlich die Trockengleich richter, an -die Bürsten angeschlossen sind und beider Verschiebung mitgenommen wer den.
Die Fig. 2d und 2e zeigen die Verhält nisse, die sich bei einer Bürstenverschiebung ergeben, bei :der :die Zusohaltung der Folge phase jeweils erst um den zeitlichen. Win- kel ,ss nach -dem Zeitpunkt der Spannungs gleichheit .erfolgt. Die Einschaltzeiten ti bis t,
' der einzelnen Phasen überlappen sich wieder um das Zeitstück ii. Der Übergang ,der Kurve der .gleichgerichteten Spannung von der Spannungskurve :
einer Phase auf die ,der Folgephasie erfolgt ebenfalls um -den Winkel ss .später als bei der Aussteuerung nach Fig. 2:a, o ,dassl sich eine sä.geblattartige Kurve ergibt, deren Mittelwert entsprechend geringer ist.
Es ergeben sich hier also ähn liche Verhältnisse, wie sie von der Gitter- steuerung von Entladungsstrecken her be kannt sind.
Die Stromführung geht, wie Fig. 2e und 211 @d@as, zeigt, unter der Voraus,- setzungeines völlig ,geglätteten Gleich stromes so von einer Phase auf die andere Phase über, :dass- während :
der Überlappungs- zeit i8 die ,Summe der einander ablösenden Phasenströme stets gleich dem Gleich strom ist.
Wesentlich ist, dass -der abgegebene Gleichstrom bei Verwendung von sechs Ar- beitspbmen im Phasenumformer eine secb,.s- phaasi,ge Welligkeit zeigt. Es, ist dies ein grosser Vorteil gegenüber den Verhältnissen bei :
den üblichen Gleichrichter-Lokomotiven, bei denen wagen der Zweiweggl.eichrichtung immer nur eine zweiphasige Welligkeit auf tritt, die ,grosse und schwere GlIttungsein- riohtungen erforderlich macht. Eine weitere Herabsetzung :
der Welligkeit kann dadurch erreicht werden, wann. man die Arbeitswick- lung so ausbildet, ,dass, :die induzierte Span nung nicht sinusförmig, :
sondern trapezför- mig wird, beispielsweise durch Einfügung. einer fünften Oberwelle. Man erhält dadurch auch Vorteile für :die Kommutierung, insofern, als der :Spannungsanstieg steiler wird.
Die @egenamperev@indungen für :die ab wechselnd belaoteten sechs Phaisen :des rotie renden Phasenumformers bringt ,die D:ämpfer- wicklung auf, die ihrerseits wieder :die Ein- pllasenwicklu,ng und damit :das Einpbasen- netz belastet.
Bei der Herabregelung der ,Spannung durch Bürstenverschiebung tritt eine Ver- schlechterung .des Leistungsfaktors auf der Primärseite des Phasenumformers ein, und zwar wird der Ireistungsfaktor proportional dem Verhältnis :
der geregelten Gleichspan- nung zur höchsten Gleiclispa.nnurig. Es ist nun leicht möglich, durch VerstUr-- ken der Erregung des Sy nehronphasen- umformers diese Phasenverschiebung weit gehend zu kompensieren.
Zu diesem Zweck kann die Bürstenverstellvorrichtung mit dein Erregerwiderstand gekoppelt sein, beispiels- we:ise derart, dass ständig ein konstanter Lei stungsfaktor aufrechterhalten bleibt. Der Primärstrom wird eine geringe Verzerrung zeigen, die der einer Sechspha.sengleiehrieh- tüng entspricht.
An Stelle der Trockengleichrichter als Kommutierungsmittel kann man auch andere Ventile, wie beispielsweise Quecksilberdampf- gleichriehter, verwenden, die dann nur zwei Anodensysteme zu besitzen brauchen und -verhältnismässig günstig bemessen werden können. Letztere können auch steuerbar aus gestaltet werden, besonders wenn es sich um höhere Spannungen handelt.
Man kann dann nämlich den Einschaltfunken des Verteilers verwenden. An Stelle von Ventilen kann man auch Drosselspulen verwenden, die bei plötz- liehen Stromänderungen im Kommutierungs- augenbliclL die Spannung auf Null abdros- seln, um einen funkenfreien Ablauf der Kon takte am vorteilhaftesten zu gewährleisten. Diese Drosseln können so ausgeführt sein,
.dass ihre In:duktivität, die bei normalen Strö men ,durch Sättigung praktisch verschwunden ist, erst bei Unterschreitung eines niedrig liegenden kritischen Stromes sprunghaft wie der ansteigt. Es kann auch eine Kombination von Ventilen und Drosseln benutzt werden. um insbesondere bei stark he:rabgeregelter Spannung- die Kommutierung zu verbessern.
Da beim Phasenumformner die beiden Ar- beitsphasen, :die mit d-er 'Netzphase koaxial sind, eine geringere Streuung besitzen als die übrigen Phasen, kann man in diesen beiden Phasen zusätzliche Drosselspulen anbringen oder durch entsprechende Einstellung der Bürsten die erhöhte Spannung der beiden Pha,#,
eri teilweise kompensieren. Zurre Zwecke des Anlassens ist es nur erforderlich, den primärseitigen Schalter einzulegen und zwei mit der Primärwicklung nicht koaxiale Pha sen über eine Drosselspule oder einen Kon densator zu verbinden, wobei die gleichstrom seitigen Schalter geöffnet sein müssen. Nach- dein der Umformer auf seine höchste asyn chrone Drehzahl hochgelaufen ist.
wird die llleichstromerreging zugeschaltet und die Anlassphase wieder geöffnet.
;Ulan kann auch an der Primärwicklung des Phasenumformers Arrzapfungen vorsehen und so eine Grobregelung der Spannungen durch Anzapfungen mit einer Regelung durch Bürstenverschiebung kombinieren. Man schafft damit günstigere Bedingungen für die Kom- mutierungseinrichtung, die ja hauptsächlich bei der Hera;bregelung der Spannung bean sprucht wird.
Selbstverständlich kann man auch bei den Triebmotoren Reihenparallel- Schaltung anwenden. Man kann dadurch vor allem den Blindstromverbrauch herabsetzen.
Umeine bessere, Ausnutzung des Phasen- umformers und eine geringere Strombelastung des Verteilers zu erhalten, kann man die sechsphasige Arheitswiokluri,g des Phasen umformers in zwei um 1,80 verschobene Dreiphasenwioklurigen auftrennen und die beiden Sternpunkte über eine Saugdrossel spule, wie sie bei Stromrichteranlagen üblich ist, verbinden.
Die Belastungsdauer einer Pliaise wird dann verdoppelt, während die Strombeanspruchung auf die Hälfte zurück- geht:, so @da,ss man eine bessere Ausnutzung und damit kleinere Modelle für den Phasen umformer erhält.
In diesem Falle benötigt man jedoch statt der zwei Trockengleichrich ter deren drei, .da ja dann während der Kom- mutierung zu gleicher Zeit drei Phasen Strom führen. Dementsprechend müssen die Kon- -a gmentgruppen, die auf dem Verteiler 1 ktse, miteinander verbunden und so zur Strom führung herangezogen sind, aus je :
drei be- ria.chbarten Kontaktsegmenten bestehen.
Zur besseren Ausnützung der primären Arbeitswicklung kann man auch eine ge schlossene Gleichstromwicklung verwenden, die eine der verlangten Phasenzahl entspre chende Zahl von Anzapfungen erhält, die an die Bürsten angeschlossen werden. Man be nötigt dann aber zwei Verteiler, :da ein Stern punkt nicht vorhanden ist.
Der erfindungsgemässe Umformer erlaubt ohne weiteres auch ein Rückarbeiten, was auch wiederum bei Triebfahrzeugen wegen der Nutzbremsung ausserordentlich wichtig ist.
Arbeitet,der Umformer mit Ventilen, so braucht man bei einem Energierichtungs- wechsel nur die Anschlüssie zwischen dem Umformer und den Gleichstromsammelschie- nen zu vertauschen und ,die Bürstenbrücke in die für .das Rückarbeiten erforderliche, Lage zu verdrehen:
. Anstatt idie Anschlüsse zu ver tauschen, kann -man für !das Rückarbeiten auch einen besonderen Verteiler mit b@eson- deren Ventilen versehen. Dieser kann dann, da, das Rückarbeiten nur .gelegentlich auf tritt, wesentlich kleiner bemessen werden.
Bei Verwendung von Drosselspulen als Koan- rnutiei-ungseinrichtung ist ein Umschalten; der Polarität beim Rückarbeiten nicht erforder lich.
Der Verteiler kann, wie es auch das Ausführungsbeispiel zeigt, auf die .gleiche Welle mit :dem PhosenumformeT gesetzt wer den; es ist jedoch auch möglich, für seinen Antrieb einen: besonderen kleinen Synchron motor zu verwenden.
Claims (1)
- PATENTANSPRUCH: Umformer zur Umwandlung von Ein phasen- in Gleichstrom, insbesondere für elektrische Triebfahrzeuge, gekennzeichnet :durch idie Vereinigung eines Phasenunafor- mers mit einer synchron betätigten: UmschaIt- einrichtung, :die ,den Gleichstromkreis in in nerhalb der Halbwelle der Mehrphasenspan- nung beliebig verschiebbaren Zeitpunkten unter Zwischenschaltung von @Strombegren- zungseinrichtungen, die bei Stromrichtungs- umkehr oder beim Absinken :des Stromres unter einen krhischen Wert sprunghaft ihren Widerstand erhöhen, in. zyklischer Reihen folge und mit zeitlicher Überlappung auf die einzelnen Phasen umschaltet. UNTEItÄNSPÜÜCHE 1. Umformer nach: Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet;@dass die Zahl der Strom- begrenzungseinrichtungen gleich der Zahl der im Höchstfall zu gleicher Zeit strom- führenden Phasen ist.\?. Umformer nach Patentanspruch und Un- teranspruch 1, dadurch .gekennzeichnet, dass als Strombegrenzungseinrichtungen Droseelspulen dienen, :die unterhalb eines bestimmten Stromwertes., der noch fun- kenlos unterbrochen werden kann., enrt- sättigt sind, sich jedoch bei Überschrei- tung :dieses ;Stromwertes sprunghaft sät tigen. 3.Umformer nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass als S,trombegrenzungseinrich- tungeni Ventile dienen.4. Umformer nach Patentanspruch und Unteransprüchen 1 und 3, dadurch ge- kennzeichnet, @dass als Ventile Trocken- gleichrichter verwendet sind. 5.Umformer nach Patentanspruch und Unteransprüchen 1, 3 und 4, :dadurch. ge- kennzeichnet, class am Umfang des Ver teilers um zwei Polteilungen gegenein ander versetzte Büxstengruppen mit je einer delr Phasienzahl entsprechenden Bürstenzahl vorgesehen sind,wobei die Bürsten der einen Gruppe mit den Phasenwicklungen des Phas@enspalters -die der andern. Gruppe abwechselnd mit den verschiedenen Ventilstrecken verbunden sind, und dass (der Verteiler um ebenfalls zwei Polteilungen ,gegeneinander ver setzte Kontakts:egmentgruppen mit je ebensoviel Kontaktsegmenten, aufweist, wie gleichzeitig stromführende Phasen vorhanden isind, wobei entsprechende. aber verschiedenen Gruppen angehörige Kontaktslegrnente untereinander verbun den sind. 6.Umformer nach Patentanspruch und Unteransprüchen 1, .3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Umfang mit leitenden ,Segmenten besetzt ist,von denen jedoch nur die untereinander ver- bundenen an frier Stromführung teil- nehmen. Umfarmer nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, ;dadurch gekennzeich net, dass de r rotierende Phasenspalter im Ständer eine Einphasen- und eine Mehr- phasenwicklung enthält und dass sein Täufer ausser einer Dämpferwiaklung eine mit Gleichstrom gespeist,(,Erreger- wicklung besitzt. Umformer nach Patentanspruch und Unteransprüchen 1 und i, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Arbeitswicklung des Phasenspalters als Gleichstromwick lung ausgebildet ist, die eine ;der Phasen zahl entsprechende Anzahl von An za,pfungen besitzt. 9.Umformer nach Patentanspruch; und Unteransprüohen 1 und 7, gekennzeich net durch eine solche Ausbildung der Arbeitswicklung, dass die induzierte Spannung nahezu tra.pe zförmig wird. 10.Umformer nach Patentanspruch und Unteransprüchen 1 und 7, dadurch ge- kennzeichnet, .da.ss zum Ausgleich der unterschiedlichen Streuung der verschie denen Phasen des Phasempalters Zusatz drosseln verwendet sind.
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