DE110261C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

, Wiederholt wurden Vorschläge gemacht, um ruhende Armaturspulen und Collectoren zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom zu benutzen, indem man in der Armatur ein Drehfeld hervorbringt und am Collector Bürsten rotiren läfst. Solche Anordnungen bieten bezüglich Construction und Wirksamkeit mancherlei Vortheile, insbesondere dadurch, dafs in der ruhenden Armatur der magnetische Kraftflufs in geschlossenen Bahnen verlaufen kann, und dafs man nur geringe Massen in Bewegung zu setzen braucht. Dafs diese Art von Umformern dennoch bisher fast ohne praktische Anwendung geblieben ist, hat seinen hauptsächlichen Grund darin, dafs die Stromabnahme, welche nach den bisherigen Vorschlägen aus rohrenden Bürsten mittelst Schleifcontacte erfolgen mufs, grofse Schwierigkeiten verursacht.

Die vorliegende Erfindung hat eine solche Anordnung des Umformers mit ruhender Armatur zum Gegenstande, bei welcher der gewonnene Gleichstrom aus Punkten der Armaturwickelung oder der die Armatur erregenden Transformatorwickelung, in jedem Falle also aus stillstehenden Punkten abgenommen wird. Dadurch wird die Bedeutung'der Bürstenfunction verringert, die Construction und Anordnung der Bürsten vereinfacht und die Verwendung von Schleifringen vermieden.

Der Grundgedanke, auf dem diese Erfindung beruht, soll an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert werden: .

Wenn in einer nach Art der Gleichstrom-Dynamoanker bewickelten Armatur ein rotirendes Magnetfeld hervorgebracht wird, etwa indem man die Wickelung durch Mehrphasenstrom erregt, dann dreht sich mit dem Drehfelde auch jedes Potential um den Nullpunkt, des Systems. Der Nullpunkt ist entweder ideell oder er wird in Wirklichkeit , durch entsprechende Verkettung (Sternschaltung) der die Wickelung erregenden Stromquellen oder auch der mit der Wickelung verbundenen Selbstinductionswiderstände gebildet.

Die Achse des Drehfeldes ist XX, der Nullpunkt O. Der um O beschriebene Kreis ist der Potentialkreis. Es stellt die senkrechte Entfernung irgend eines Punktes von der Achse XX das jeweilige Potential des Punktes dar. Derjenige Punkt des Kreises hat das höchste Potential, welcher in dem zu XX senkrechten Radius liegt. Wenn sich also ein an dieser Stelle befindlicher Contact, ζ. Β. eine Bürste am Collector, synchron mit der Achse dreht, dann ist das Bürstenpotential, auf den Nullpunkt bezogen, eine constante Gröfse, die dem maximalen Potentialwerthe gleichkommt.

In den Fig. 1 und 2 sind je zwei von einander gesonderte Wickelungssysteme dargestellt. Obwohl es am zweckmäfsigsten ist, die beiden Wickelungen auf gemeinsamer Armatur concentrisch anzuordnen, so dafs in beiden ein gemeinschaftliches Magnetfeld rotirt, so sind der gröfseren Deutlichkeit wegen in der Darstellung dennoch zwei räumlich getrennte Armaturen mit besonderen Drehfeldern angenommen. In beiden Figuren ist XX die zweipolig gedachte Feldachse und B^[ und B² sind die rohrenden

Bürsten, welche sich stets in dem auf die Achse XX senkrechten Radius befinden und sich synchron mit der Achse drehen. O¹ und O² sind die Nullpunkte der beiden Systeme. Das Potential irgend eines Punktes in der Wickelung ist mit e, das maximale Potential mit r bezeichnet; letzteres ist dem Halbmesser des Potentialkreises gleich. Die Richtungen oder Zeichen der Potentialwerthe sind mit geraden, die Drehrichtungen mit gekrümmten Pfeilen angedeutet.

Wenn man nach Fig. ι die beiden rotirenden Bürsten B¹ und B² mit einander leitend verbindet, so werden die Nullpunkte O¹ und O² gegenseitig in Potentialbeziehung gebracht. Es erscheint nämlich zwischen O¹ und O² die Summe der Potentialwerthe von B¹ und B², so zwar, dafs die Potentialdifferenz zwischen den Nullpunkten £= 2r ist. Setzt man in O¹ und O² Polklemmen, so herrscht zwischen diesen eine constante Potentialdifferenz und man kann aus ihnen Gleichstrom abnehmen.

Nach Fig. 2 rotirt gleichfalls die Feldachse XX und mit derselben synchron drehen sich die zu den beiden Wickelungssystemen gehörigen Bürsten B¹ und B². Auch hier werden die Bürsten kurzgeschlossen. Legt man an je einen bestimmten Punkt der zwei Systeme eine Polklemme (q¹ und q²), so wird die Potentialdifferenz zwischen den zwei Polklemmen sich aus den wechselnden Potentialwerthen e¹ und e² der Punkte. ^¹ und q² und aus den constanten Potentialwerthen der Bürsten B¹ und B² zusammensetzen.

Diese Summe E ist mit Berücksichtigung der Richtungen = 2 r -\- (e^l — e²). Jedes e variirt zwischen -\-r und ■—r; daher kann E niemals negatives Zeichen haben. E ist also eine Spannung von stets gleicher Richtung, jedoch fluctuirend zwischen zwei Werthen, deren Differenz gröfser oder kleiner ist, je nach der gegenseitigen Lage der Punkte q¹ und q². Sind die Punkte ^¹ und q² gleichliegend wie in Fig. 2, dann heben sich e¹ und e² stets auf und es ist E = 2 r ein constanter Werth. Liegen hingegen, als zweiter Grenzfall, die Polklemmen an entgegengesetzten Potentialpunkten, wie q¹ und q^B in Fig. 2, dann sind e¹ und e² stets von entgegengesetztem Zeichen und e¹—e² wechselt zwischen —|— 2. ?- und — 2 r. Die Potentialdifferenz E ist demnach veränderlich zwischen den Grenzwerthen + 4 r und Null. Im Allgemeinen wird die Klemmenspannung zwischen zwei beliebigen Punkten der beiden Kreise sich von 2 r -(- e bis 2 r — e fluctuirend darstellen, wobei e niemals gröfser werden kann als 2 r.

Die Fig. 3, 4, 5, 6, 7 und 8 stellen einzelne charakteristische Beispiele der Anordnung und Schaltung von Umformern nach vorliegender Erfindung dar, und zwar die Fig. 3 bis 6 Anordnungen mit Abnahme des Gleichstroms aus den Nullpunkten der Transformatorspulen, während die Fig. 7 und 8 Anordnungen zeigen, bei welchen die Abnahme des Gleichstromes aus festen Punkten der Armaturwickelung erfolgt.

In diesen schematischen Abbildungen bedeutet: U die Armatur des Umformers, die Kreise w^l und w² die zwei Wickelungen, welche gleichartig an der ruhenden Armatur, sei es als Ring- oder Trommelwickelung, angebracht sind; die mit unterbrochenen Linien gezeichneten Kreise k¹ und k² die zwei zugehörigen Collectoren; B^[ und B² die rotirenden Bürsten; ferner T¹ und T² die zwei Gruppen von Transformatorspulen, welche die beiden Armaturkreise erregen; a^l a² b¹ b² c^l c² d^l d² die Anschlufspunkte zur Verbindung der Armaturwickelungen mit denTransformatorspulen bezw. den Speiseleitungen L¹ und L² (Fig. 7); o¹ und o² die Polklemmen in den Nullpunkten bezw. ^¹ und q² die Polklemmen in den Armaturwickelungen, zwischen welchen die Gleichspannung gewonnen wird, und im Besonderen bei dem Einphasen-Umformer (Fig. 3) R den Kurzschlufsanker. Die Pfeile zeigen die Richtung der Momentspannungen bezw. den Stromlauf.

In allen diesen Beispielen ist die Umformerarmatur U als Hohlcylinder dargestellt, in dessen Eisenkörper die zwei Wickelungen w^l und w² so eingebettet sind, dafs sie rings von Eisen umgeben sind. Nur beim Einphasen-Umformer (Fig. 3) sind die beiden Wickelungen an der Innenfläche des Hohlcylinders angebracht und durch einen Luftspalt vom rotirenden Anker R getrennt, welcher mit einer Käfigwickelung versehen ist.

In Fig. 3 ist die Entstehung des Drehfeldes in der Weise gedacht, dafs die Einphasen-Wickelungen w^xunan>² von zweiTransforrnator-Secundärspulen T¹ und T² wechselnd erregt werden, wodurch zwei im entgegengesetzten Sinne rotirende Feldcomponenten auftreten, von denen jedoch durch die synchrone Drehung des Kurzschlufsankers R die eine Feldcomponente vernichtet wird, und zwar diejenige, welche sich dem Anker entgegendreht.

In Fig. 4 wird das Drehfeld durch zweiphasige Transformatorspulen T¹ und T² erregt, welche an die Wickelungen w^l und w² unter rechtem Winkel anschliefsen. Ebenso wird das Drehfeld in Fig. 5 durch Erregung aus dreiphasigen Transformatorspulen und in Fig. 6 durch Erregung aus vierphasigen Transformatorspulen erzeugt. Die Transformator-Spulen sind in allen diesen Fällen, ebenso wie die Armaturwickelungen, immer in zwei gesonderten Gruppen vorhanden. In den Fig. 3 und 4 sind die Nullpunkte, an denen die Polklemmen angebracht werden, durch Halbirung,

in den Fig. 5 und 6 durch sternförmige Verkettung der Transformatorspulen zum Vorschein gebracht, und in allen vier Fällen wird der Gleichstrom aus den Nullpunkten O¹ und O² abgenommen.

In entsprechender Weise kann man auch beliebige höhere Phasenzahlen anwenden, was hier um so leichter durchführbar ist, als die vermehrten Anschlufspunkte bei -diesen Anordnungen, wo nicht Schleifcontacte, sondern feste Klemmen zur Verbindung dienen, keine Schwierigkeit verursachen und die Anschlufsleitungen ' nur von geringer Länge zu sein brauchen.

Fig. 7 zeigt die dreiphasige Erregung der Armatur aus zwei gesonderten Gruppen von Speiseleitungen L¹ und Z,², Fig. 8 eben solche Erregung aus zwei gesonderten Gruppen von Transformatorspulen, welche in Dreieckschaltung verkettet sind. Hier sind die Polklemmen q^l und q¹ in bestimmte Punkte der beiden Wickelungen der Armatur verlegt.

Wenn die Polklemmen an gleichliegenden Punkten der zwei Armaturwickelungen — a¹ und a² in Fig. 7 und 8 —7- sich befinden, dann wird vollkommen constanter Gleichstrom gewonnen, sind hingegen die Polklemmen nicht gleichliegend, dann erhält man einen fluctuirenden Gleichstrom. Beide Stromarten werden im Folgenden kurzweg als »Gleichstrom« bezeichnet. Auch in den Fällen Fig. 7 und 8 kann die Phasenzahl beliebig sein.

Bei den Anordnungen nach Fig. 7 und 8 kann man gegebenenfalls die Armatur auch noch mit einer dritten Wickelung von entsprechend grofser Windungszahl versehen, welche dann direct an die Hochspannungsleitungen angeschlossen wird. Auf solche Weise ist der Umformer und Spannungstransformator mit gemeinsamer Armatur in einem Apparate vereinigt.,

In allen vorhergehenden Darstellungen mit ein- oder mehrphasiger Erregung ist der Einfachheit wegen immer ein zweipoliges Drehfeld zu Grunde gelegt worden. Bei entsprechender Vermehrung der Anschlufspunkte kann man das Drehfeld auch mehrfach, d. h. mit einer beliebigen gröfseren Polzahl hervorbringen.

In Fig. 9 ist das Wickelungsschema eines Umformers mit zwei in Trommelwickelung hergestellten Kreisen w^l und w'² und zwei Collectoren K^[ und K'¹ vierpolig dargestellt, indem die Anschlüsse a^l a¹ b¹ &² c¹ c¹ für drei Phasen in jedem Kreise doppelt vorhanden sind. In diesem Falle sind an den beiden Collectoren zwei Paar Bürsten angebracht, welche mit einander kurzgeschlossen werden und daher insgesammt ein gemeinsames Potentialniveau haben.

Man kann die Borstenanordnung noch weiter vereinfachen, indem man die Collectortheile des einen Kreises in einem, die des anderen Kreises im entgegengesetzten Sinne je um eine halbe Poldistanz verschiebt, so dafs die Theile von entgegengesetztem Potentiale der zwei Collectoren in eine radiale Lage kommen. Anstatt je zweier Bürsten kann man dann blos je eine benutzen, welche die einander gegenüberliegenden Collectortheile in kürzester Verbindung überdrückt. Derartige Doppelbürsten sind in solcher Anzahl nothwendig, als Polpaare im Systeme vorhanden sind, z. B. in der Anordnung . nach Fig. 9 nur zwei Doppelbürsten. Man kann sogar hier auch mit einer einzigen Doppelbürste auskommen, wenn die beiden Spulensysteme der Armatur in Parallelwickelung ausgeführt werden.

Die zwei Wickelungssysteme werden am einfachsten auf einer gemeinsamen, aus untertheiltem weichen Eisen aufgebauten Armatur concentrisch und dicht neben einander angebracht, etwa in gemeinsamen Löchern, welche den Armaturkörper senkrecht zu den Schichten des Eisens durchdringen, so wie es in Fig. 9 angedeutet ist. Der lediglich im Eisen verlaufende magnetische Kraftflufs der Drehfelder umkreist die Drähte der beiden Wickelungen gemeinschaftlich bezw. wird durch die beiden gemeinschaftlich erregt, demnach haben die benachbarten Drähte gleiche Pptentialwerthe. Wenn man, wie erwähnt, die zwei Collectoren gegenseitig verdreht, dann werden zwar Theile der beiden Collectoren, welche grofse Potentialdifferenz haben, einander gegenübergestellt, doch ist die Isolirung der beiden Collectoren von einander nicht schwierig, und überdies werden die Potentialdifferenzen eben an jenen Stellen, wo sich die rotirenden Bürsten jeweils befinden, ausgeglichen, so dafs die gegenseitige Isolation der Bürsten unnöthig ist. Die Collectoren können cylindrisch hergestellt und hinter einander angeordnet, oder als Plancollectoren ausgebildet und concentrisch in einander gesetzt werden. In sämmtlichen Figuren wurde beispielsweise die letztere Anordnung gezeigt.

In der Armatur eines nach dieser Erfindung angeordneten Umformers werden keine Streufelder und keine Querfelder auftreten, welche die Wirkung der Induction bezw. der Commutation beeinträchtigen könnten. Ein solcher Apparat wird daher einen hohen Wirkungsgrad haben können.

Die Bürsten, welche nach vorliegender Er-. findung in einer einfachen und soliden Construction hergestellt werden können, müssen synchron mit dem Dreh- oder Wechselfelde rotiren. Die Bürstendrehung, welche solcher Art nur sehr geringen Kraftaufwand erfordert, wird in bekannter Weise durch einen Synchronmotor bewerkstelligt, der mittelbar oder unmittelbar von derselben Stromquelle gespeist wird wie die Umformer-Armatur.

Bei dem Einphasen-Umformer kann der Kurzschlufsanker gleichzeitig auch den Läufer des die Bürsten bewegenden Synchronmotors bilden.

Den Synchronmotor, welcher die Bürsten in Drehung erhält, kann man zweckmä'fsiger Weise gleichzeitig auch zu einer künstlichen Ventilation benutzen, um die Eisentheile und Wickelungen der Umformer-Armatur, event, auch diejenigen des Speise-Transformators zu kühlen und durch die künstliche Wärmeabfuhr die Leistungsfähigkeit des Umformers zu erhöhen.

Claims (1)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer, dadurch gekennzeichnet, dafs zwei gesonderte, nach Art der Dynamo-Ankerwickelungen ausgeführte und mit je einem Stromwender versehene Wickelungssysteme, welche an ruhenden Armatur angeordnet sind,

   einer

   an zwei gesonderte Gruppen von Wechselstromquellen so angeschlossen werden, dafs in der Armatur für beide Wickelungen gemeinsame Drehfelder entstehen, wobei durch kurzgeschlossene, synchron mit den Feldern in Rotation versetzte Bürsten solche Theile der zwei Stromwender mit einander verbunden werden, welche jeweils in dem einen Systeme die gröfsten positiven, im anderen die gröfsten negativen Potentialwerthe haben, während der Gleichstrom von Polklemmen abgenommen wird, die an je_ einen festen Punkt der zwei Wickelungen gelegt werden.

   Umformer nach Anspruch ι zur Umwandlung von mehrphasigem Wechselstrom in Gleichstrom, dadurch gekennzeichnet, dafs die zwei Wickelungssysteme an zwei gesonderte mehrphasige Gruppen von in Sternschaltung verketteten Transformator-Secundärspulen bezw. Speiseleitungen so angeschlossen sind, dafs in der ruhenden Armatur Drehfelder hervorgerufen werden, deren für beide Wickelungen gemeinschaftlicher magnetischer Kraftflufs lediglich in Eisen verläuft, wobei die Polklemmen für den Gleichstrom an die Nullpunkte der zwei Spulengruppen bezw. an je einen festen Punkt der zwei Wickelungen gelegt werden.

   3. Umformer nach Anspruch 1 zur Umwandlung von einphasigem Wechselstrom in Gleichstrom, dadurch gekennzeichnet, dafs die zwei Wickelungssysteme an zwei gesonderte einphasige Gruppen von Transformator - Secundärspulen bezw. Speiseleitungen so angeschlossen sind, dafs in der ruhenden Armatur wechselnde Felder hervorgerufen werden, deren für beide Wickelungen gemeinsamer Kraftflufs aus der ruhenden Armatur in einen drehbaren Anker eintritt, welcher mit Kurzschlufswickelung versehen und, ebenso wie die Bürsten synchron mit den Feldern in Rotation versetzt, aus den ursprünglich oscillirenden Feldern eindeutige Drehfelder hervorbringt, wobei die Polklemmen für den Gleichstrom an die Mittelpunkte der zwei Transformator-Secundärspulen (d. i. an die Nullpunkte der zwei Stromkreise) bezw. an je einen festen Punkt der zwei Wickelungen gelegt werden.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.