DE288247C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Bei der Umformung von Wechselstrom in gleichgerichteten Strom vermittels Metalldampfgleichrichter oder äquivalenter Einrichtungen erhält man einen Wellenstrom, welcher sich aus Sinushalbwellen gleichen Vorzeichens zusammensetzt. Ein derartiger Wellenstrom ist aber zum Betrieb von Gleichstrommaschinen und zur Speisung von Sammlerbatterien ungeeignet, weil er eine Oberwelle von der doppelten Frequenz des Netzstromes besitzt, welche in dem genannten Stromverbraucher nicht nutzbar gemacht werden kann. Aus diesem Grunde wird diese Oberwelle durch Einschalten von induktiven Widerständen von den Stromverbrauchern ferngehalten. In den vorgeschalteten Drosselspulen (Transformatoren o. dgl.) treten aber Energieverluste auf und der angestrebte * Zweck wird nur unvollkommen erreicht.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Umformung des vermittels Metalldampfgleichrichter oder ähnlicher Einrichtungen aus Wechselstrom umgewandelten, gleichgerichteten Wellenstromes in Gleichstrom konstanter Stärke mit Hilfe von Gleichstrommaschinen, welche in an sich bekannter Weise außer einem Kollektor einen oder mehrere an feste Punkte der Läuferwicklung angeschlossene Schleifringe besitzen, derart, daß der Wellenstrom einer Schleifringbürste zu- und von einer Kollektorbürste abgeführt werden soll, oder umgekehrt, wobei der Gleichstrom zweien in gegebenenfalls regelbarem Abstand auf dem Kollektor schleifenden Bürsten entnommen werden kann. Hierdurch wird eine rationelle Speisung von Gleichstromverbrauchern mit durch Gleichrichter aus Wechselstrom erzeugtem Wellenstrom erzielt.

Die Wirkungsweise einer nach dem Verfahren der Erfindung gespeisten Maschine ergibt sich aus folgender Überlegung. Die zwischen einer feststehenden Kollektorbürtse und einem festen Punkt des Läufers auftretende Spannung ist eine Wellenspannung, deren Momentanwerte der Größe nach zwischen einem Maximum und dem Werte Null variieren, und zwar entspricht der zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Nullwerte genau einer vollen Umdrehung des Ankers. Die Amplitude der Wellenspannung ist gleich derjenigen Gleichstromspannung, welche im zweipoligen Schema an zwei diametral gegenüber, und zwar in der neutralen Zone stehenden Bürsten gemessen wird. Führt man einer solchen Maschine eine Wellenspannung von der ihrer Umdrehungszahl entsprechenden Wellenzahl zu, so läuft die Maschine als Synchronmaschine mit einer Tourenzahl, welche sich ergibt aus der Gleichung:

η = 2 · 6o ·

wo u) = halbe Wellenzahl pro Sekunde (= Frequenz der Wechselstromspannung des ursprünglichen Primärnetzes), -p — Polpaarzahl der Maschine bedeutet.

Hieraus ergibt sich, daß diese Synchronmaschine doppelt so schnell läuft als eine Synchronmaschine der gleichen Polzahl, welche mit der Frequenz des Primärnetzes gespeist wird. Man könnte sogar durch Verwendung einer zweipoligen Type die Umdrehungszahl von 6000 Touren/Minute bei 50 Perioden des Primärnetzes erreichen.

Werden aus einem Zweiphasensystem zwei um 90 ° gegeneinander versetzte Wellenströme entgegengesetzten Vorzeichens erzeugt, so kann man den einen Wellenstrom einer Kollektorbürste der Maschine zuleiten und von dem Schleifring ableiten, gleichzeitig aber den anderen Wellenstrom dem gleichen Schleifring zuleiten, und von einer gegen die erste Kollektorbürste um 180 ° versetzten Kollektorbürste ableiten. In diesem Falle ist die Maschine so gut ausgenutzt wie eine in gewöhnlicher Art betriebene Synchronmaschine, sie hat aber den Vorteil, doppelt so schnell laufen, d. h. bei gleichem Gewicht die doppelte Arbeit leisten zu können wie jene.

Mit der nach dem neuen Verfahren gespeisten Maschine ist man, wie erwähnt, in der Lage, den Wellenstrom in einen konstanten Gleichstrom umzuformen. Legt man nämlich auf den Kollektor eines derartigen von Wellenstrom getriebenen Synchronmotors zwei Bürsten in bcliebigem Abstande auf, so ist die zwischen diesen Bürsten herrschende Spannung eine konstante ' Gleichstromspannung. Diese kann z. B. durch Regelung des Bürstenabstandes geregelt werden und zum Betrieb von Gleichstromverbrauchern dienen. Nicht die ganze Wellenstromleistung wird in diesem Einankerumformer umgeformt, da in gewissen Lagen des Ankers ein Teil des zugeführten Wellenstromes direkt, also ohne Umformung, in den Gleich-Stromkreis übertritt. Zum Anlassen kann man den Umformer von der Gleichstromseite her auf Touren bringen, und den Synchronismus durch Einschalten von Voltmetern oder Phasenlampen feststellen. Die Einschaltung erfolgt dann in der bei Synchronmaschinen üblichen Weise.

Der Erfindungsgegenstand sei an Hand der Fig. ι bis 6 näher erläutert.

In Fig. ι bedeutet: N ein Einphasennetz, T einen Transformator mit der Primärwicklung "FF₁ und der Sekundärwicklung FF₂.

An W₂ ist' in bekannter Weise der Gleichrichter G angeschlossen, der den Einphasen-Wechselstrom in Wellenstrom umwandelt. Dieser Wellenstrom wird der Maschine M zugeführt, und zwar ist die Kathode von G mit der auf dem Kollektor C der Maschine schleifenden Bürste b₂ verbunden, der Mittelpunkt der Sekundärwicklung W₂ dagegen mit der auf dem Schleifring S schleifenden Bürste O₁, wobei Schleifring 5 an einem Punkt der Ankerwicklung der Maschine M liegt. Zur Regelung bzw. Einstellung des Feldes der Maschine M dient der Widerstandsregulator R. Zur Abnahme des konstanten Gleichstromes ist ferner die gegebenenfalls verschiebbare Bürste b_s auf den Kollektor gelegt, und der Stromverbraucher, hier die Batterie B, wird an die Bürsten b₂ und b_s angeschlossen. Wird den Bürsten eine feste Lage gegeben, dann kann die Stromstärke an der Batterie selbst, z. B. durch den Zellenschalter Z, geregelt werden.

Zur Ausübung des beschriebenen Verfahrens kann für den Fall, daß es sich um die Umformung von Wellenstrom in konstanten Gleichstrom handelt, die Maschine auch in besonderer Weise ausgebildet sein. Da es sich in erster Linie um die Kompensierung der Oberwelle der zweifachen Frequenz handelt, so kann aus der Wellenspannung auch dadurch eine konstante Gleichstromspannung gemacht werden, daß man mit der Wellenspannung eine nach Richtung und Größe passend gewählte Spannung doppelter Frequenz in Reihe schaltet. Diese Spannung kann gemäß Fig. 2 in einer besonderen Wicklung der vom Wellenstrom synchron betriebenen Maschine erzeugt werden. In Fig. 2 ist der Einfachheit halber das Wechselstromnetz N und der Transformator T fortgelassen, desgleichen die Gleichstromfeldwlcklung der Maschnie selbst. Es bedeutet G den Gleichrichter mit den Anoden a_x und a₂ und der Kathode k. C ist der Kollektor der Maschine, welcher auch gleichzeitig die Gleichstromwicklung A_x darstellen soll. Außer dieser Wicklung A₁ ist noch eine zweite Wicklung A₂ der halben Drahtzahl vorgesehen, und beide Wicklungen sind durch die Verbindungsleitung 1-2 miteinander leitend verbunden. Die Maschine besitzt ferner die beiden Schleifringe S₁ und S₂, wobei S₁ an die Leitung 1-2, S₂ dagegen an den dem Punkt 2 diametral gegenüberliegenden Punkt 3 der Wicklung A₂ angeschlossen ist. Der Wellenstrom wird nun über die Bürste O₁ dem Schleifring S₁ und damit der Wicklung A _x zugeführt und über die Kollektorbürste δ₃ zu-'rückgeleitet. Die Batterie B dagegen liegt zwischen der Bürste b₃ und der Bürste b₂, so daß zwischen dem +-Pol der Batterie und der Kathode K die Wechselspannung der Wicklung A₂ geschaltet ist. Diese Wechselspannung kompensiert die Oberwelle-der Wellenspannung, wobei sich als Gleichstromspannung eine Spannung ergibt, deren Größe gleich der halben Amplitude der Wellenspannung ist.

Will man die besondere Wicklung A₂ vermeiden, dann ist eine Ausführung der Maschine nach Fig. 3 möglich. Hier sind außer dem Schleifring S₁ für die Zuleitung des Wellenstromes noch zwei Schleifringe S₂ und S₃ vorgesehen, welche mit den gegen den Punkt 1 um 90 ° versetzten Punkten 2 und 3 der Wicklung

verbunden sind. Die auf den Schleifringen S₂ und S₃ schleifenden Bürsten b_% und b_s sind durch die Drosselspule D verbunden, von deren Mitte die zu dem +-Pol der Batterie führende Leitung abzweigt. Die Drosselspule wirkt hier wie ein Spannungsteiler, und die Spannung zwischen der Kollektorbürste b_i und dem Mittelpunkt der Drosselspule ist daher konstant und gleich der halben Spannung, welche an zwei

ίο in der neutralen Zone der Maschine diametral gegenüberstehenden Bürsten gemessen wird.

Die die Oberwelle kompensierende Spannung

der doppelten Frequenz kann auch gemäß Fig. 4 in einer besonderen Maschine M₂ erzeugt werden, welche von M₁ angetrieben werden kann. In diesem Falle ist die Polzahl von M₂ gleich der Polzahl von M₁ zu wählen.

Wenn es darauf ankommt, eine regelbare Gleichstromspannung unter Vermeidung von Bürstenverschiebung zu erzielen, dann ist es zweckmäßig, an Stelle. des Einankerumformers

. ein Umformer aggregat zu verwenden, bei dem der Motor gemäß dem Verfahren vorliegender Erfindung betrieben wird, während der Generator eine in üblicher Weise, z. B. durch Feldregelung/ regelbare Gleichstrommaschine ist (Fig. 5).

Schließlich ist in Fig. 6 noch ein Fall dargestellt, bei welchem man durch Verwendung eines Transformators auch bei nur einer Ankerwicklung mit nur zwei Schleifringen (anstatt wie in Fig. 3 mit drei Schleifringen) auskommt. Die in der Maschine erzeugte Spannung doppelter Frequenz hat einen Amplitudenwert, dessen Größe gleich der am Kollektor meßbaren maximalen Gleichstromspannung ist. Dieser Amplitudenwert ist doppelt so groß als der Amplitudenwert der zu kompensierenden Oberwelle. Für den Batteriestromkreis wird nun die Wech-Seistromspannung auf den halben Wert herabtransformiert, so daß sie zur Kompensation der Oberwelle geeignet ist.

Es sind natürlich noch andere Anordnungen zur Ausübung des beschriebenen Verfahrens denkbar, alle haben das Kennzeichen gemein, daß der Wellenstrom über einen Schleifring zugeführt und über" den Kollektor entnommen wird oder umgekehrt. Die Regelung des Feldes der nach diesem Verfahren gespeisten Maschine hat einen gewissen Einfluß auf die Phase des Primärstromes und kann in gewissen Grenzen zur Phasenregelung benutzt werden, und zwar so weit, als es der Gleichrichterbetrieb gestattet.

Es ist nämlich leicht möglich, daß bei erheblicher Übererregung der Maschine der Gleichrichterbetrieb einfach aussetzt, bzw. daß die Maschine selbst außer Tritt fällt.

Da der Wellenstrom eine Kollektorbürste durchfließt, wird er auch kommutiert, und es sind Einrichtungen zur funkenlosen Kommutierung sehr wohl anwendbar. Bei Verwendung von Wendepolen sind diese derart zu erregen, daß die Stärke des Wendefeldes der jeweilig momentanen Stromstärke des Ankerstromes angepaßt ist. Die Wendepole werden daher zweckmäßig vom Wellenstrom erregt oder miterregt. Beim Umformerbetrieb kann eine aus konstantem Strom und Wellenstrom gemischte Erregung erforderlich sein, doch ist hierbei stets die besondere Schaltung zu berücksichtigen.

Claims (4)

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren zur Umformung des vermittels Metalldampfgleichrichter oder ahnlicher Einrichtungen aus Wechselstrom umgewandelten, gleichgerichteten Welknstromes in Gleichstrom konstanter Stärke mittels einer mit Kollektor und mit mindestens einem an einen festen Punkt des Läufers angeschlossenen Schleifring versehenen Gleichstrommaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenstrom dieser Maschine in der Weise zugeführt wird, daß er einer Schleifringbürste zufließt und von einer Kollektorbürste abfließt, oder umgekehrt, wobei der Gleichstrom konstanter Stärke zweien in gegebenenfalls regelbarem Abstand auf dem Kollektor schleifenden Bürsten entnommen werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberwelle des Wellenstromes durch eine in der Maschine selbst oder in einer von ihr angetriebenen Maschine erzeugte Wechselstromspannung der gleichen Frequenz kompensiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Wellenstrom gespeiste Maschine als Motor eine in der Spannung regelbare Gleichstrommaschine antreibt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Wellenstrom gespeiste Maschine Wendepole erhält, welche vom Wellenstrom erregt oder miterregt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.