DE105232C - - Google Patents

Description

PATENTAMT.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und bezweckt eine solche Einrichtung des Umformers, dafs er seine Arbeit unabhängig von der Wellenform der eingeleiteten Ströme, sowie der Zahl und dem Charakter der mit ihm parallel verbundenen Maschinen in befriedigender Weise verrichte.

Das Kennzeichnende des verbesserten Umformers besteht darin, dafs nur das umlaufende Glied (Anker) mit Spulen bewickelt ist, welche einerseits durch Schleifringe mit der den Wechsel- bezw. Mehrphasenstrom zuführenden Leitung, andererseits durch einen Stromwender und Bürsten mit der mit Gleichstrom zu versorgenden Leitung verbunden sind. Dabei dient ein und dieselbe Bewickelung zur Aufnahme des Wechselstromes und zur Abgabe des Gleichstromes. Das andere Glied, welches im Allgemeinen unbewegt ist, in einigen Fällen jedoch auch in Drehung versetzt werden kann, ist entweder ohne Wickelung, oder es sind seine Polstücke mit hinter einander geschalteten Spulen versehen.

In der Zeichnung veranschaulicht

Fig. ι einen der Erfindung gemäfs eingerichteten umlaufenden Transformator in einer Endansicht (wobei das Lager weggedacht ist und Anker, Leitung und Stromwender schematisch dargestellt sind) und

Fig. 2 in einer Seitenansicht.

Fig. 3 giebt ein Diagramm der Phasenbeziehung und Schwingungsweite der durch die Ankerströme erzeugten Magnetfelder.

ι ist ein vielpoliger Feldmagnet gewöhnlicher Bauart, dessen Polstücke 2 indefs kürzer, aber breiter als üblich gestaltet sind. In Fig. 1 sind die Polstücke mit Magnetisirungsspulen 2^a versehen dargestellt, die jedoch auch gänzlich in Fortfall kommen können; im Allgemeinen finden dieselben nur da Anwendung, wo Gröfse und Bauart des Apparates nicht derart sind, dafs der Rahmen selbst die für inducirte Ströme nöthigen Stromkreise gewährt. Sie können, wie dargestellt, in Hintereinanderschaltung mit einander verbunden sein, und ist es dann räthlich, einen mit regelbarem Widerstand 2^c versehenen Schalter 2^b zum Oeffneri und Schliefsen ihres Stromkreises anzuordnen. In einigen Fällen kann auch jede Magnetisirungsspule in sich selbst geschlossen werden. Die Polstücke 2 werden zweckmäfsig in üblicher Weise aus dünnen Platten zusammengesetzt und durch Gufs mit dem Körper des Feldmagneten 1 verbunden. Die Ankerwickelung wird in der üblichen Weise in die Eisenmasse des Ankers gebettet; sie ist die gawöhnliche geschlossene Gleichstromankerwickelung. Am einen Ende ist sie an die Stege des cylindrischen Stromwenders 4 gelegt, auf dem Bürsten 5 schleifen, am anderen Ende an Schleifringe 6, denen Bürsten 7 die Wechselströme zuleiten. Im dargestellten Beispiel sind vier Ringe 6 mit vier Bürsten 7 angenommen, d. h. die Maschine ist für die Umwandlung von Zweiphasenstrom eingerichtet.

Werden in die Ankerwickelung der soeben beschriebenen Maschine Mehrphasenströme an den geeigneten Punkten eingeleitet, so wirkt die Ankerwickelung als Magnetisirungsspulen, und es entstehen Magnetfelder oder Pole, welche sich um die Achse drehen. Wird der

Anker entgegengesetzt zur Richtung gedreht, in welcher sich das Magnetfeld dreht, und zwar mit derselben Geschwindigkeit, so bleiben die Magnetfelder im Räume stehen, wie in einer gewöhnlichen Maschine mit Gleichstromerregung. Sind die auf dem Stromwender schleifenden Bürsten in Mittelstellung zwischen den Polstücken angeordnet, so geben sie Gleichstrom ab. Um den magnetisirenden Strom klein zu halten, mufs ein guter magnetischer Schlufs aufserhalb des Ankerkörpers vorgesehen sein, welcher Bedingung die auf der Zeichnung dargestellte Form des die untertheilten Polstücke tragenden Gufsstückes wohl entspricht. Besitzen die Ankerspulen dieselbe Breite wie die Polstücke, so ist das durch eine Phase erzeugte Magnetfeld zugespitzt, während das aus beiden Phasen resultirende Feld oben abgeflachte Form aufweist. Die räumliche Ausdehnung beider Felder ist gleich, dagegen besitzen sie verschiedene Höhe. Somit ist die totale Induction pro Pol constant, während die Höchstinduction sich ändert. Macht man die Spulen etwas schmaler als die Polstücke, so gestaltet sich das von einer Phase erzeugte Feld oben flach, wie das aus beiden Phasen resultirende Feld. Durch das so gebotene Mittel kann das Magnetfeld fast in jedem Falle constant gestaltet werden bei constant bleibender Höchstinduction. Der Höchstwerth des Magnetfeldes entspricht dem Punkte, in welchem' der Wechselstrom der Wickelung zugeführt wird. Der Gleichstrom erzeugt ebenfalls ein Magnetfeld, welches ein Maximum in den Berührungspunkten des Stromwenders mit seinen Bürsten hat. Letztere müssen den Strom in den Spulen an der Kante des Feldes wenden, welches die elektromotorische Kraft des Gleichstromes erzeugt, Und mufs folglich das vom magnetisirenden Wechselstrom erzeugte Feld um 90 ° verschoben sein zu dem durch den Gleichstrom geschaffenen Felde, damit die Stromwendung gehörig erfolgt. Diese Bedingungen sind in der vorliegenden Maschine erfüllt; denn der magnetisirende Wechselstrom bleibt ungefähr um 90⁰ hinter der elektromotorischen Kraft des Wechselstromes zurück, weil die scheinbare magnetisirende Energie viel gröfser ist als die wahre, wenn die Maschine ohne Belastung läuft. Wenn letzteres eintritt, ist der durch einen äquivalenten Gleichstrom dargestellte Wechselstrom in Phase mit der elektromotorischen Kraft und daher um 90⁰ zum magnetisirenden Strom verschoben. Dieser nützliche Wechselstrom erzeugt nun ebenfalls ein Magnetfeld, so dafs drei Magnetfelder geschaffen werden; davon sind zwei gegen einander um i8o° und das dritte zu diesen um 90⁰ verschoben. Die beiden ersteren sind die Felder, welche von dem nützlichen Wechselstrom und dem Gleichstrom herrühren. Diese beiden Ströme sind einander entgegengesetzt, und da sie angenähert gleichen Werth besitzen, heben sie einander auf. Das durch den nützlichen Wechselstrom erzeugte Feld ist in Fig. 3 durch die Linie α dargestellt, das vom Gleichstrom herrührende durch die Linie b und das vom magnetisirenden Wechselstrom geschaffene durch die Linie c. Da nun der Gleichstrom und der nützliche Wechselstrom an magnetisirender Kraft einander nahe gleich und entgegengesetzt sind, so besteht in der Maschine nur das durch den magnetisirenden Strom erzeugte Feld. Letzteres kann viel geringer, sein, als jedes der beiden anderen Felder es. zu schaffen vermöchte, d. h. in einer gehörig eingerichteten Maschine der vorliegenden Art kann der magnetisirende Strom viel keiner als der nützliche Strom gemacht werden, und der resultirende Strom kann sehr wenig gröfser sein als der nützliche Strom.

Die Verluste aus dem Widerstand der Wickelung sind viel geringer als in einem den Gleichstrom liefernden Gleichstromerzeuger. Zeitweilig 1 ritt der nützliche Wechselstrom unmittelbar in die Gleichstrombürsten, und selbst unter den schlechtesten Umständen wird die Wickelung vortheilhaft ausgenutzt. Der durch den nützlichen Wechselstrom verursachte Kupferverlust ist für zwei Phasen etwa 38 pCt., für drei Phasen ungefähr 60 pCt. von denjenigen in einer Gleichstrommaschine. Hinzugefügt werden mufs noch der durch den magnetisirenden Strom verursachte Verlust, der gewöhnlich gering ist.

Es hat sich ergeben, dafs, wenn das unbewegliche Glied ι die Form eines gegossenen Joches mit angegossenen untertheilten Polen wie auf der Zeichnung hat, der Anker ohne Eingreifen einer besonderen Treibvorrichtung mit der gehörigen Geschwindigkeit umläuft, ähnlich, wie wenn man den Ring 1 zur Verminderung des um die gewendeten Spulen befindlichen örtlichen Feldes mit Einschnitten versieht.

Wie bereits erwähnt, ist es für Maschinen, deren unbewegliches Glied untertheilt oder von zu geringem Querschnitt ist, nützlich und wünschenswerth, die Polstücke mit in sich selber kurz geschlossenen Spulen zu besetzen.

Eine wie beschrieben eingerichtete Maschine ist unabhängig von der Wellenform und kann daher in Verbindung mit einem beliebigen Wechselstromerzeuger benutzt werden. Sie läuft unter allen Umständen stetig, während die umlaufenden Transformatoren üblicher Einrichtung empfindlich sind gegen Abnahme in der Leitung, Regelung der Magnetfeldstärke u. s. w. Es können ihrer mehrere mittelst eines gemeinsamen Satzes von Bürsten bethätigt werden, ohne dafs sie sich gegenseitig beeinflussen. Ihre Leistung ist wegen Ab-

Wesenheit von Feldverlusten hoch, und das erforderliche Kupfer beträgt nur ungefähr ^x/₄ des in umlaufenden Transformatoren gewöhnlicher Art nöthigen Betrages.

Bereits durch frühere Veröffentlichungen sind ähnliche, aber doch verschiedene Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer bekannt geworden. Insbesondere wurde (s. den Bericht über die Verhandlungen des Elektrotechniker-Congresses zu Frankfurt am Main, 1892, S. 143) das Verfahren benutzt, Gleichstrommaschinen gewöhnlicher Art, welche nach Bradley's Vorgange durch Zufuhr von Wechselstrom an bestimmten Punkten der Wickelung zu Synchronmotoren umgewandelt wurden, ohne Felderregung angehen zu lassen, in dem Augenblick aber, in welchem die Gleichstromseite eingeschaltet wurde, wurde auch an Stelle des Kurzschlusses die Felderregung wieder eingeführt. Im Normalbetriebe sind deshalb solche Motoren stets mit erregter Wickelung gebraucht worden.

Es ist ferner durch die Patentschrift Nr. 5 1 596 ein Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer bekannt geworden mit feststehendem Anker mit besonderer Wechselstrom - und besonderer Gleichstromwickelung, während ein rotirender Eisenanker mit einer in sich geschlossenen Bewickelung versehen sein soll, welcher Anker die rotirenden Bürsten trägt.

Für die vorliegende Erfindung ist es wesentlich, dafs nur eine einzige Wickelung, nicht aber deren zwei für Gleichstrom und Wechselstrom angeordnet sind. Diese letztere Anordnung würde schon aus dem Grunde nicht zum Ziele führen, da zwei Wickelungen mehr Raum wie eine beanspruchen und folglich der vorher erwähnte gute magnetische Schlufs aufserhalb des Ankerkörpers durch den viel gröfseren Luftraum gestört würde. Es mufs vielmehr, damit die Maschine unter allen Umständen stetig, unempfindsam gegen Abnahme in der Leitung, Regelung u. s. w. sich zeigt, dieser Luftweg möglichst gering sein..

Es ist aber auch ferner aus theoretischen Gründen die Anordnung einer doppelten Wickelung nicht zulässig. Damit nämlich, wie bei Gelegenheit von Fig. 3 auseinandergesetzt ist, das durch den Wechselstrom erzeugte nützliche Feld α dem vom Gleichstrom herrührenden Felde b gleich sei, mufs auch ein und derselbe Strom für Wechsel- und Gleichstrom wirksam werden, und nur auf diese Weise kann es erreicht werden, dafs der nützliche Wechselstrom zeitweise unmittelbar in die Gleichstrombürsten übertritt. Dies geschieht allemal dann, wenn die Bürsten diejenigen Stromwenderstege berühren, welche in Verbindung mit den zugehörigen Schleifringen des Wechselstromes stehen.

Der grofse Vortheil der vorliegenden Erfindung ist es, dafs Regelungsvorr'ichtungen in Fortfall kommen, welche sonst nothwendig sind, um einmal den Synchronlauf des Umformers, das andere Mal aber die sich gleich bleibende Spannung im Secundärnetz zu sichern. Die Einrichtung erlaubt, unmittelbar die Regelung lediglich auf die Centrale zu beschränken, den Unterstationen dagegen, welche mit den Umformern ausgerüstet sind, jegliche Regelungsvorrichtung zu nehmen.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Ein umlaufender Umwandler, um Wechselstrom in Gleichstrom zu verwandeln, gekennzeichnet durch die Verbindung eines Ankers, der nur eine einzige Wickelung (gemeinschaftlich für Wechsel- und Gleichstrom) hat, mit einem feststehenden Feldmagneten, welcher ohne Wickelung ist oder nur eine in sich geschlossene Wickelung trägt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.