DE145384C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

- JV* 145384 KLASSE 21 ^.

Um elektrische Ströme funkenlos zu kommutieren, müssen die von den Bürsten kurzgeschlossenen Spulen in einem derartigen magnetischen Felde sich befinden, daß eine E. M. K. induziert wird, welche die Kommutation des Stromes entweder unterstützt oder derselben wenigstens nicht entgegenwirkt. Das Feld muß immer sehr schwach - sein, damit zwischen benachbarten Lamellen

ίο in der Kommutierungszone nicht zu große Spannungen entstehen. Diese Bedingung hat zur Folge, daß die Kommutatoren bis jetzt iast nur bei Gleichstrommaschinen Anwendung gefunden haben. Wechselströme von höherer Spannung zu kommutieren ist bis jetzt noch nicht gelungen, woran viele Probleme der modernen Elektrotechnik gescheitert sind.

Im folgenden soll eine Anordnung zur Kommutierung von Gleich- und Wechselströmen beschrieben werden, die dazu dienen kann, Ströme größerer Spannung von einem Kommutator abzunehmen.

Diese Kommutierungsanordnung besteht

..·· darin, daß zwischen der Wicklung, aus weleher der Strom zu entnehmen ist, und dem Kommutator, sowie zwischen den einzelnen Kommutatorlamellen elektrische Leiter mit veränderlicher Reaktanz eingeschaltet sind. Die Reaktanz der Verbindungsdrähte soll in dem Augenblick, in welchem die Lamelle sich unter der Bürste befindet, klein sein und sonst so groß wie möglich.

Fig. ι der beiliegenden Zeichnungen zeigt das Schaltungsschema einer zweipoligen Ankerwicklung S, die durch die Drähte C und V mit dem Kommutator K verbunden ist. In

dieser Ankerwicklung S kann ein Wechselstrom von beliebiger Periodenzahl in irgend einer Weise induziert werden. Sind die Windungen der Ankerwicklung gleichmäßig mit den Lamellen des Kommutators K verbunden, so wird das Potential der einzelnen Lamellen als Funktion des Kommutatorumfanges nach einer Sinuskurve verlaufen,, und diese Potentialkurve wird mit derselben Geschwindigkeit wie das Drehfeld des in der Ankerwicklung induzierten Stromes auf dem Umfange des Kommutators fortschreiten. Läßt man drei Bürsten B₁ .B₂ und B₃ sich relativ zum Kommutator bewegen, so ist leicht einzusehen, daß denselben ein Dreiphasenstrom entnommen werden kann. Dieser Strom erhält eine Periodenzahl gleich der Differenz oder Summe der Periodenzahlen des in der Ankerwicklung induzierten Wechselstromes und der Tourenzahl der Bürsten pro Sekunde relativ zum Kommutator. Es folgt hieraus, daß Spulen der Ankerwicklung, in denen große E. M. Ke. induziert werden, durch die Bürsten kurzgeschlossen werden. Es bedarf deswegen einer besonderen Kommutierungsanordnung, um einen Strom von dem Kommutator funkenfrei abnehmen zu können. Dies geschieht in der Weise, daß die in Fig. 1 radial gezeichneten Verbindungsdrähte V variable Reaktanzen erhalten; ferner werden zwi- , sehen die Lamellen des Kommutators auch Drähte C mit variabler Reaktanz geschaltet. In dem Augenblick, in welchem die Lamelle sich unter der Bürste befindet, sollen die Reaktanzen der Drähte V und C klein sein, damit erstens keine große Spannungsdifferenz

zwischen zwei von derselben Bürste berührten Lamellen entstehen kann, und damit zweitens kein großer Spannungsabfall in den Zuleitungen zum Kommutator auftreten kann. In allen anderen Stellungen der Lamelle soll die Reaktanz der Drähte C möglichst groß sein, da sonst ein zu großer Stromverlust durch diese Verbindungen entsteht. Um eine funkenfreie Kommutierung zu erhalten, ist es ίο nötig, daß die Selbstinduktion der Verbindungsdrähte V in der Nähe der Kommutierungszone den darin fließenden Strömen ungefähr umgekehrt proportional ist, damit (LJ)
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des kurzgeschlossenen Stromkreises

möglichst klein wird. Hieraus folgt, daß die Verbindungsdrähte V vor und nach der Kommutierungszone eine kleine Reaktanz haben müssen, ganz wie die Drähte C.

Durch die Bürsten B₁, B₂ und B₃ (Fig. i), die um I2O° voneinander entfernt sind, kann ein Dreiphasenstrom der Ankerwicklung S zugeführt oder entnommen werden je nach dem Zweck, dem der Anker dient.

Fig. 2 gibt ein Beispiel für die praktische Anordnung der Verbindungsdrähte V zwischen Ankerwicklung und Kommutator und der Verbindungsdrähte C zwischen den einzelnen Kommutatorlamellen. S ist wieder die auf den lamellierten Ankerkern K gewickelte Ankerwicklung. Der auf diese induzierend wirkende Hauptkraftfluß schließt sich durch das Joch /, das entweder mit dem Kern K fest verbunden oder von demselben getrennt sein kann. Auf einen zweiten mit K fest verbundenen Eisenkern K₁ sind die Verbindungsdrähte V und C gewickelt. Die gewünschte Änderung der Reaktanz der Wicklungen V und C ist durch die Anbringung der mit den Bürsten fest verbundenen Polstücke P₁ und P₂ erreicht. Die Pollücke befindet sich gegenüber den Windungen V und C, welche zu den jeweils von der Bürste B berührten Kommutatorlamellen gehören. Vor und hinter jeder Kommutierungszone, wo sich die von den Windungen erzeugten Kraftflüsse durch die Polstücke schließen können, haben die Windungen eine große Reaktanz, während in der Kommutierungszone selbst, wo sich der Kraftfluß nicht durch Eisen schließen kann, die Reaktanz klein ist. Zur weiteren Verkleinerung der Reaktanz in der Kommutierungszone kann auch, wie in Fig. 2 angenommen, über der Pollücke ein aus kurz geschlossenen Stäben bestehender Amortiseur A angebracht werden. In Fig. 2 ist ferner gezeigt, wie man durch Abzweigung von den Lamellenverbindungen C die Zahl der Lamellen vergrößern kann, ohne die Zahl der Zuleitungen V zu der Ankerwicklung zu vergrößern.

Die gewünschte Änderung der Reaktanz der Windungen könnte auch dadurch erreicht werden, daß man die von denselben erzeugten Kraftflüsse . sich in einem stark gesättigten Eisen schließen ließe; denn in diesem Falle ist bekanntlich annähernd die Reaktanz mit dem Strome umgekehrt proportional.

Diese Kommutierungsvorrichtung kann ausgedehnte Anwendung finden, wie z. B. bei Einrichtungen zur Umformung von Mehrphasenstrom auf andere Periodenzahl, zur Umformung in Gleichstrom, zur sogenannten Kompoundierung von Wechselstromgeneratoren und zur Aufhebung der Phasenver-Schiebung bei asynchronen Motoren. Diese Anwendungen sollen im folgenden kurz beschrieben werden.

Denken wir uns in Fig. 1 der Ankerwicklung S elektrische Energie in Form eines Mehrphasen- oder Einphasenstromes, durch elektromagnetische Induktion oder durch direkte Einführung des Stromes, zugeführt, so kann man von den Bürsten B₁, B₂, B₃ einen Dreiphasenstrom beliebiger Periodenzahl abnehmen, der zur Speisung des Dreiphasennetzes L₁, L₂, L₃ dient. Ändert man die Geschwindigkeit der Bürsten, so ändert sich die Periodenzahl des abgenommenen Stromes. Man hat somit in dieser Einrichtung ein Mittel zur Umformung eines Stromes gegebener Perioden- und Phasenzahl in einen solchen von anderer Perioden- und Phasenzahl.

In Fig. 3 ist das zweipolige Schaltungsschema eines nach diesem System gebauten Dreiphasengleichstromumformers dargestellt. Die Primärwicklung P sowie die Sekundärwicklung S¹ mit dem Kommutator rotieren in diesem Falle synchron mit dem Primärstrom. Die dem Umformer entnommene Gleichstromspannung kann durch einen Mittelleiter geteilt werden. Dieser Mittelleiter ist mit einem Bürstenpaar verbunden, das um etwa '/₄ Periode der Potentialkurve des Kommutators gegenüber den Bürsten der äußeren Leiter verschoben ist. Die Gleichstromspannung kann durch Verschiebung der Bürsten der äußeren Leiter geregelt werden, oder indem die Primärwicklung des Umformers nach Art der Wicklung eines Autotransformators regulierbar gemacht wird. In Fig. 3 sind mit G/ Glühlampen und mit M ein Gleichstrommotor bezeichnet.

Wird der Primärwicklung P des Umformers in Fig. 3 kein Dreiphasenstrom, sondern nur ein Einphasenstrom zugeführt, so wird man bei synchroner Geschwindigkeit des Kommutators einen pulsierenden Gleichstrom aus zwei um eine Polteilung voneinander entfernten Bürsten entnehmen können.

Der eben beschriebene Periodenumformer kann auch als kompoundierte oder nicht korn-

poundierte Erregermaschine für Wechselstromgeneratoren dienen. In der Fig. 4 ist die Schaltung eines derartig kompoundierten Wechselstromgenerators dargestellt. D 'ist die Armaturwicklung eines Drehstromgenerators, F die Feldwicklung desselben, die von dem Periodenumformer gespeist wird. Diese Feldwicklung ist in der Figur als Dreiphasenwicklung gezeichnet, kann aber auch als Gleichstromwicklung ausgeführt werden, in welchem Fall der Generator körperliche Pole erhalten karin. Auf die Primärwicklung des Periodenumformers läßt man eine mit der Belastung sich ändernde Spannung einwirken, die man erhält, indem man die Klemmenspannung des Drehstromgenerators mittels des Kompoundtransformators C T um einen von dem Strome desselben abhängigen Betrag erhöht. P ist die Primärwicklung und S die \ Sekundärwicklung des Periodenumformers. Weil die Bürsten an dem Kommutator umlaufend und an derselben Welle wie die Feldwicklung F angebracht gedacht sind, so fallen in diesem Falle die Schleifringe weg.

Anstatt wie in Fig. 4 einen besonderen Kompoundtransformator zur Erhöhung der Erregerspannung zu verwenden, kann man auch den Kompoundtransformator mit dem Periodenumformer kombinieren, indem man auf dem letzteren eine zweite von dem Belastungsstrom durchflossene Primärwicklung anbringt.

Die sogenannten Kommutatormotoren für Ein- oder Mehrphasenwechselstrom (Hauptschluß-, Nebenschluß- und Repulsionsmotoren) haben den Nachteil, daß stets ein starkes Feuern an den Kommutatoren derselben auftritt. Um dies zu vermeiden, kann auch hier bei diesen Maschinen die beschriebene Kommutierungsvorrichtung in Anwendung gebracht werden. Fig. 5 zeigt das Schaltungsschema eines solchen Einphasen-Hauptschlußmotors, Fig. 5 a dasjenige eines Nebenschluß- und Fig. 6 dasjenige eines Repulsionsmotors. Bei allen diesen kann man sich die FeIdwicklung F mit den Bürsten ruhend denken, während die Armaturwicklungen A mit den Verbindungsdrähten V und C rotieren.

Es ist von A. Heyland vorgeschlagen worden, um die Phasenverschiebung in den asynchronen Motoren zu beseitigen, die Sekundärwicklung derselben mit den Lamellen eines Kommutators und benachbarte Lamellen dieses Kommutators durch induktionsfreie Leiter von kleinem Ohm'sehen Widerstand miteinander zu verbinden. Dadurch wird aber die Sekundärwicklung in sich kurzgeschlossen, und solche Motoren können, wenn sie für größere Leistungen gebaut sind, nicht unter Belastung angehen. Um nun sowohl die Phasenverschiebung der Asynchronmaschinen zu beseitigen, als auch das Anlaufen derselben unter Belastung (eine der wertvollsten Eigenschaften der Asynchronmotoren) zu erreichen, kann man die oben beschriebene Kommutierungsvorrichtung auch hier anwenden, wie die Fig. 7 zeigt. P bedeutet die primäre Dreiphasenwicklung, S die Sekundärwicklung der Asynchronmaschine und V und C die Verbindungsdrähte mit veränderlicher Reaktanz zwischen der Sekundärwicklung und dem Kornmutator K. Beim Anlassen besitzen die Verbindungsdrähte C eine so große Reaktanz, daß das Drehmoment durch diese fast gar nicht beeinträchtigt wird.

Claims (3)

1. Pate nt-Ansprüche:

   ι . Kommutator für Wechselströme, dadurch gekennzeichnet, daß nicht nur zwischen der Wicklung, welcher der Strom zugeführt oder entnommen werden soll, und dem Kommutator, sondern auch zwischen den einzelnen Kommutatorlamellen Verbindungsdrähte veränderlicher Reaktanz eingeschaltet sind, zum Zweck, bei Wechselstromkommutatormotoren sowie bei Maschinen zur Umformung der Periodenzahl oder der Stromart die Funkenbildung zu vermeiden.
2. 2. Ausführungsform der Kommutierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Reaktanz der Verbindungsdrähte durch Änderung des magnetischen Widerstandes des mit den Verbindungsdrähten verketteten magnetischen Kreises erzielt wird.
3. 3. Ausführungsform der Kommutierungsvorrichtung zur Umformung elektrischer Ströme nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wechselstromgeneratoren, welche mit einem kommutierten Teile des Hauptstromes erregt werden, der zwischen den Klemmen des Mehrphasengenerators und des Erregerumformers eingeschaltete Kompoundtransformator mit dem Erregerumformer zusammen gebaut wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.