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Rotierender Umformer zur Entnahme von einphasigem Wechselstrom aus
.einem mehrphasennetz. Zur Erklärung des. Erfindungsgedankens soll zunächst auf
die Schwierigkeiten näher eingegangen werden, die bei der Entnahme von einphasigem
Wechselstrom aus einer Mehrphasenrnaschine eintreten.
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Bewegt sich ein Drehfeld Fm in bezug auf eine einachsige Wicklung
(Anker) mit --- Perioden pro Sekunde, so wird zunächst in der Wicklung ein Strom
erzeugt von derselben Periodenzahl @. Dieser Strom erzeugt seinerseits ein Wechselfeld,
das man. in bekannter Weise in zwei gleich große Drehfelder zerlegen kann, die rriit
derselben Periodenzahl -% aber in entgegengesetzter Richtung laufen. Eines von diesen
Drehfeldern hat dieselbe Drehrichtung wie Fm, es kann also von Fm überdeckt und
aufgehoben werden. Das andere Drehfeld aber, welches in entgegengesetzter Richtung
läuft, kann nicht zur Überdeckung mit Fm kommen und kann daher von ihm nie aufgehoben
werden. Diese nicht aufgehobene Ankerfeldkomponente verursacht außer zusätzlichen
Eisenverlusten noch eine große Drosselurig bzw. einen großen einseitigen induktiven
Spannungsabfall in der Maschine. Anderseits ruft diese -Ankerfeldkomponente eine
periodische Schwankung in Fan hervor, welche; wenn die Periodenzahl nicht sehr groß
ist; sich in Schwankungen der Netzspannung bemerkbar macht..
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Nach der Erfindung wird nun in der Maschine selbst ein zusätzliches
Feld erzeugt, daS_vom Weehselstromanker aus gesehen reit derselben Periodenzahl
#-- sich im Raume dreht, aber in entgegengesetztem Sinne zu Fm. Dieses zusätzliche
Drehfeld wird zum Aufheben der sonst schädlichen Ankerfeld komponente benutzt.
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Betrachten wir nun. näher die Bedingungen, die das zusätzliche Feld
erfüllen muß; um die genannte Feldkomponente aufzuheben.
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Erstens muß: es, wie gesagt, vom Anker aus gesehen, mit derselben
Periodenzahl wie Fan, aber in entgegengesetztem Sinne laufen.
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Zweitens müssen das zusätzliche und das Mehrphasenfeld Fm möglichst
die gleiche Wirkung auf _ den Anker ausüben, d. h. möglichst dieselbe E. M. K. nach
Form und gegebenenfalls auch nach Größe in ihm erzeugen: Eine dritte Bedingung ist
schließlich die; daß das zusätzliche und das Mehrphasenfeld auf einander möglichst
keine Wirkung ausüben, d. h. daß sie sich nicht gegenseitig beeinflussen, -damit
ihr Einfluß voll und ganz zur Wirkung kommt.
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Als zusätzliches Feld wird am zweckmäßigsten ein Gleichstromfeld genommen,
und da es nur auf die relative Geschwindigkeit des Feldes in bezug auf den Anker
ankommt, so wird man nicht das Gleichstromfeld drehen,. sondern es als ein gewöhnliches
ruhendes Gleichstromfeld verwenden und den Anker mit der entsprechenden Geschwindigkeit
gegen dasselbe drehen. - ' Der hier erläuterte Erfindungsgedanke führt zu einem
rotierenden .Umformer, der bei-
. spielsweise in Fig. 7 schematisch
dargestellt ist. -Derselbe dient zur Entnahme von einphasigem Wechselstrom aus einem
Mehrphasennetz bzw. als Doppelgenerator zur Erzeugung von Ein-und Mehrphasenstrom,
wobei die Periodenzahlen von Ein- und Mehr-Phasenstrom verschieden sind. Der Ständer
des Umformers trägt sowohl eine Mehrphasenwie eine Gleichstromwicklung, der einphasige
Wechselstrom wird dagegen dem Läufer entnommen. Ständer und Läufer können jedoch
auch vertauscht sein. Wesentlich ist nur, 'daß die Übertragung der Energie vom Ständer
auf den Läufer oder umgekehrt von zwei Feldsvsternen bewirkt und überwacht wird,
die von der sekundären Nutzwicklung aus gesehen nach verschiedenen Richtungen, aber
mit der gleichen Frequenz umlaufen.
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In Fig.7 bezeichnet A das Mehrphasennetz, B eine Gleichstromquelle,
C" das Ein-Phasennetz, W," die Mehrphasenwicklung des Ständers, Wg dessen Gleichstromwicklung,
W die Wechselstromwicklung des Läufers, die über Schleifringe s an das Einphasennetz
C angeschlossen ist. - m bezeichnet einen Motor, der zum Antrieb der Maschine dient,
wenn sie als Doppelgenerator arbeitet, und "zum Anlauf der Maschine, wenn sie als
Umformer arbeitet. r bezeichnet einen Regelwiderstand für "die Gleichstromwicklung
Wg.
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Ein Ausführungsbeispiel, das die einzelnen Wicklungen des Umformers
zeigt und allen genannten Bedingungen - entspricht, ist in Fig. z dargestellt.
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Fm sei ein -achtpoliges Mehrphasenfeld, das von einem 5operiodigen
Mehrphasenstrom durch die Wicklung W," erzeugt wird. Das Feld wird also im Raume
mit 750 U: p. M. (beispielsweise im Sinne des Uhrzeigers) umlaufen. Wir denken
uns nun das Mehrphasenfeld durch ein ideelles Gleichstromfeld ersetzt, das mit derselben
Geschwindigkeit im Raume umläuft und durch die achtpolige Wicklung n, s erzeugt
wird. Der-Läufer bzw. der Anker reit der Wechselstromwicklung W soll mit 5oo U.
p. M. in derselben Richtung laufen. Vom Anker aus gesehen läuft also Fin mit
250 U. 'p. M. mit der Periodenzahl
250 8
= =6,66 im Sinne des Uhrzeigers. Neben Fzn befindet sich das zusätzliche
vierpolige, im Raume ruhende Gleichstromfelde Fg. Da der- Anker im Sinne des Uhrzeigers
mit 5oo U. p. M. rotierte, so bewegt sich das Feld Fg, vom Anker aus gesehen, mit
500 Touren pro Minute gegen den Uhrzeiger, und da es ein vierpoliges Feld ist, so
ist seine Periodenzahl in bezog auf den Anker -
590 4 z6;66. " Sowohl das zusätzliche Feld Fg sowie das "
Drehfeld Fm erzeugen also im Anker eine E. M. K. von der gleichen Periodenzahl
pro Sekunde, -und die erste edingung ist erfüllt. Zur Feststellung, ob die zweite
Bedingung erfüllt ist, bewegen wir die Spulen W gegen G Fg mit irgendeiner Geschwindigkeit,
z. B. links nach rechts; und untersuchen die in ihnen durch Fg erzeugten -Felder
als Funktion ihrer gegenseitigen Lage, bzw. als Funktion des von W, wenn Fg als
'ruhend angenommen wird: Befindet sich die :äußerste linke Seite der Wicklung W
in der Stellung z, stehen sowohl der s- wie der n-Pol der Wicklung vollkommen unter-
dem EinfluB des- Südpoles von Fg; die algebraische -Summe der durch ihre Flächen
geheudenKraftlinien ist daher=Null. Bewegt sich nun die Wic lung nach rechts und
gelangt ihre äußerste linke Seite in die Stellung a,- so steht der n-Pol der Wicklung
voll unter einem N-Pol von Fg; und der s-Pol voll unter einem S-Pol. -Die algebraische
"der . ist Maximum. In Stellung 3 ist die algebraische Kraftlinienzahl wiederum
= Null, in Stellung q. ist sie eis negatives Maximum usw. Es ist ersichtlich, daß
bei der gegebenen Spulenanordnung die Änderung der Kraftlinenzahl nur eine gleichmäßige
sein Der Feldverlauf wird also durch die gebrochene Linie F (Fig. 2) dargestellt.
-Dementsprechend hat die durch Fg in induzierte E. M. K. den Verlauf der Linie e
(Fg.2).
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In ähnlicher Weise findet man (Fig. 3) den Feld- und E. M. K.-Verlauf
von Wx, die in derselben durch das Mehrphasenfeld Fm erzeugt wird.
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Män sieht, daß die entsprechenden Kurven einander vollkommen ähnlich
sind. Sie. haben aber scheinbar verschiedene Periodizität. Die Kurven der Fig; 3
scheinen die- doppelte Periodenzahl zu besitzen als die der Fig: 2: Dieses ist aber
tatsächlich nicht der. Fall. Denn da die- relative Raumgeschwindigkeit
Fm nur halb so groß ist, die von Wx gegenüber Fg, so wird tatsächlich die
Dauer einer Periode von f -und e in beiden Fällen die gleiche sein.
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Es war bisher nur von einer einzigen pulengruppe Wdie Rede. Die gleichen
Ü'b rlegungen gelten aber auch -für eine weitere Spulengruppe die in bezog auf die
Felder Fg und Fm die gleiche Lage besitzt wie W . zwischen . den beiden Wicklungsgruppen
W uni. W,' muß sieh daher zunächst eine wicklungsfreie Zone befinden, über deren
Ausnutzung später noch zu sprechen ist. Die beiden gleich gelegenen Spulengruppen
W und W,' können hintereinander oder parallel Beschältet werden, da die in .ihnen
erzeugten
elektromotorischen Kräfte miteinander nach Richtung und
Größe stets übereinstimmen.
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Somit ist sowohl die erste sowie die zweite unserer Bedingungen erfüllt.
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Es ändert sich an der Sache nichts, wenn statt der genannten Feld-
und E. M. K.-Form andere Formen, z. B. Sinusförmen, treten. Nur müssen; damit die
E. M. K. e die gleiche. -Form haben, auch die entsprechenden Felder, , die durch
Fg und Fen in W, bzw. -W; erzeugt werden, möglichst von gleicher Form sein.
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.Allgemein gelten bei einem Gleichfeld für die Bedingung gleicher
Periodizität folgende Gleichungen
wenn Na = U. p. M. des Ankers (W), N,n = U. p. M. des .Mehrphasenfeldes,
Pm= Polzahl des Mehrphasenfeldes, Pg = Polzahl des Gleichstromfeldes, woraus folgt:
. N. Pg.
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N" I
N. 14 wobei
.Für die Bedingung der :gleichen E. M. K. der Form nach müssen Felder Fm -und Fg
die gleiche Form haben, außerdem- muB die Beziehung bestehen: `
wobei -bm= Spulenbreite. eines MehrphasenpoIes, b = Spulenbreite eines Gleichsirömpoles.
Damit außerdem die E: M.K. auch der Größe nach gleich sein soll, muß für Drehstrom.
die Bedingung erfüllt sein.
wobei C"1 und Cg Spulenkonstanten, AYl@@nt und fFWg Amperewindungen pro Pol der
Gleichstrom- bzw. der Mehrphasenwicklung sind. Die Bedingung schließlich, daß Fg
und Fm keinen Enfluß aufeinander ausüben sollen, ist erfüllt, wenn bg eine
gerade Vielfache von bm ist.
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Da die schädliche Feldkomponente proportional dem Ankerstrom ist,
so wird man am besten die Gleichstromerregung entsprechend dem Strom, sei es automatisch
oder von Hand, ändern: Ist die Periodenübersetzung =
eine gerade Zahl, so znuß nach G1. z - eine ungerade sein.
und das Wechselstromfeld werden sich dann im allgemeinen beeinflussen. Um dieses
zu vermeiden, kann man entweder der Gleichstromwicklung eine Drosselspule vorschalten
oder man, wählt die Spulenbresten b , bg. der beiden Wicklungen so, daß
eine gerade Zahl ist, d: h: man nimmt die eine oder die andere Spulenbrete von ihrer
Polteilung verschieden.
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Die Gleichstromwicklung und die Mehrphasenwicklung können beispielsweise
nach der Fig. z ,der Patentschrift vereinigt werden.
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Am zweckmäßigsten ist es in diesem den Gleichstrom von derselben Größe
zu nehmen wie den Wechselstrom, damit sich Ströme in gewissen Teilen der Wicklung
nahezu völlig aufheben können.
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Es ist daher vorteilhaft, mit dem Aggregat eine besondere - GIeichstromerregermaschine
zu verbinden, deren Strom nach obigem Gesichtspunkte gewählt Damit das Aggregat
von selbst läuft, muß die Wicklung W (Fig. i) geschlossen sein, denn erst durch
den Strom in dieser ist der Synchronismus bedingt.
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Man schließt sie daher am besten auf die Primärwicklung des -für die
sowieso notwendigen oder auf irgendeinen anderen Verbraucher bzw. einen Widerstand
(Fig:5).@ In Fg. 5 die Ankerwicklung, die über Schleifringe . s die Primärwicklung
des Transformators T speist. An dessen Sekundärwicklung liegt der Widerstand r.
Die Schaltung (Fig. 5) ist für den Fall gedacht; daß die beiden Teile LVA und Wi
der Wicklung W (Fig. z) hintereinander geschaltet sind; schaltet man sie wie Fig.
6 zeigt, so kann man den Punkten. P Strom entnehmen. Damit aber in diesem Falle
das Aggregat von selbst laufen kann, muB noch eine zweite Wicklung auf der Maschine
vorhanden sein, in der bei der synchrönen Tourenzahl ein Strom fließt, der zusammen
mit den Feldern das nötige Drehmoment erzeugt.
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Man bann also zwei voneinander getrennte Wicklungen W anbringen. Eine
von die eigentliche Arbeitswicklung; besteht aus zwei parallel, d. h, gegeneinander
geschalteten Teilen und dient zur Speisung des Sekundärnetzes;
die
andere Wicklung besteht aus hintereinander geschalteten Teilen, ist auf Widerstände
geschlossen und dient nur zum Unterhalten des Synchronismus. Diese kann dünn bemessen
sein. Beide Wicklungen liegen koachsial" zueinander, bzw. in denselben Nuten. "
Die zweite Wicklung muß deshalb auf Widerstände geschlossen "sein, weil bei vollkommenem
Kurzschluß, da sie koachsial mit der Nutzwicklung liegt, das Nutzfeld ausgelöscht
wäre.
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Man kann jedoch auch als synchronisierende Wicklung die später beschriebene,
in Fig. r und 4 gestrichelt gezeichnete Kompensationswicklung WZ benutzen. In dieser
kommt, wie wir später beweisen werden, nur die Differenz von zwei E. M. Ken. eg
und em zur 'Wirkung, die klein gehalten werden kann und gerade ausreichend, um bei
Kurzschluß den für die motorische Wirkung. nötigen Strom zu erzeugen. -Man kann
also diese Wicklung gebenenfalls kurzschließen.
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Um Sättigungserscheinungen und das Entstehen höherer Harmonischer
zu verhindern, ist es zweckmäßig, die zur Erregung dienende Gleichstromquelle mit
möglichst geringem induktiven Widerstand auszuführen. Dann können sich- in der Gleichstromwicklung
die höheren Harmonischen ausgleichen. . ' In Fig. z befindet sich zwischen je zwei
Spulen der Ankerwicklung w- ein leerer Raum von derselben Größe wie , zwei Spulen.
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Füllt man diesen Raum aus (siehe die gestrichelten Spulen w2, Fig.
z und q.), so kann man sich überzeugen, daß, wenn in den ausgezogenen Spulen die
Felder fg und. f," sich unterstützen, d. h. stets im selben Sinne verlaufen
sollen, sie sich in den gestrichelten Spulen entgegenwirken müssen. Dasselbe gilt
natürlich für die entsprechenden E. M. Ke. eg und e," bzw. eg und e.'. Sind also
eg und ein und somit auch eg und em der Größe nach gleich, und addieren sich
" eg und e,", so muß eg' - e.'# Null sein.
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Man kann also die Spulen weglassen. Sie können aber auch dazu dienen,
um in der Maschine selbst die Größen e. und e," gleich oder nahezu gleich zu halten,
und zwar dadurch, daß man sie in sich kurzschließt. Denn wird durch irgend eine
Ursache, z. B. durch Belastung eg
e,", so ist auch eg - e"t o,
es entstehen also Ausgleichströme, die die Differenz eg - e,"= ganz oder
nahezu ganz aufheben.
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Dadurch wird auch eine automatische Regelung der Felder Fg und Fm
erreicht. Man bekommt daher eine kompensierte Maschine, bei der eine Nachregelung
des Gleichstromfeldes in _. Abhängigkeit - $elastung. entweder-. ganz entbehrlich
oder in geringem Maße notwendig ist.
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In Fig. ist ein Umformer U nach der Erfindung schematisch dargestellt.
Dem Ständer werden einerseits 5operipdiger Drehstrom zugeführt, anderseits Gleichstrom
aus der Gleichstromquelle B, der durch den Widerstand r regelbar ist. Den Schleifringen
s @ wird einphasiger Wechselstrom von entnommen.- Durch den Anwurfmotor m wird der
Umforemr auf gebracht. Nach -Erreichung des Synchronismus kann der Motor wc abgeschaltet
werden. -Wie bereits erwähnt wurde, ist es nicht absolut notwendig, das und Mehrphasenfeld.
dem ruhenden Teil der Maschine zuzuführen und den Wechselstrom dem umlaufenden Teil
zu entnehmen, sondern es können auch die ersteren dem umlaufenden Teil zugeführt
und der Wechselstrom " dem ruhenden Teil entnommen werden Nur dürfte im allgemeinen
der "erste Fall vorteilhafter sein.
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Der Umformer nach dem angeführten Beispiel mit der Übersetzung -3
:: r ist von technischer 'für Bahnanlagen mit der einem Netz üblichen Periodenzahl
mit der üblichen Periodenzahl 50.
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zu Um den Umformer auf bringen, kann man ihn in üblicher Weise mit.
irgendeinem Anwurfmotor kuppeln. Letzterer läßt sich jedoch auch vermeiden, wenn
man auf dem Wechselströmteil des Umformers außer den genannten Wicklungen noch eine
weitere Hilfswicklung anbringt, die um etwa gö° elektrisch in Bezug auf die Ein-Phasenwicklung
W verstellt ist. Dann läßt sich die Maschine wie ein Asynchrönmotor ? von selbst
anlassen. Nach Erreichen des Asynchronismus kann die Hilfswicklung in bekannter
Weise abgeschaltet oder umgeschaltet werden.
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Ständerauf Nutzwicklung 2 r h