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Einphasiger Einankerumformer mit Reihenschlußwendefeldern, denen doppelperiodige
Wechselfelder überlagert sind. Die bisher bekannt gewordenen Einrichtungen zur Verbesserung
der Kommutation einphasiger Einankerumformer beseitigen die Kommutätionsstörungen
nur unvollkommen oder erfordern teure zusätzliche Maschinen.
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Die Erfindung betrifft dagegen Einrichtungen, die an der Maschine
selbst angebracht sind und durch welche Kommutationsstörungen vollkommen beseitigt
werden. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die
Abb. z bis 5 zeigen Darstellungen der Maschinenwicklungen, Abb. 6 eine Darstellung
des Polgehäuses der Maschine. z ist der Kollektoranker, der über die Schleifringe
2 mit einphasigem Wechselstrom gespeist wird; 3 ist die Hauptfelderregerwicklung,
q. die ReihenschluBwendepolwicklung üblicher Ausführung, 5 eine am Ständer
des
Umformers angebrachte Dämpferwicklung, deren Achse mit der Achse der Gleichstromerregerwicklung
3 zusammenfällt. 6 ist eine zweite am Ständer des Umformers angebrachte Dämpferwicklung,
deren Achse mit der Kollektorbürstenachse zusammenfällt; 7 ist eine zweite Wendepolwicklung,
die mit der Dämpferwicklung 6 in Reihe geschaltet ist. 8 stellt einen Transformator
dar, der die Wende-.0 7 mit den Dämpferwicklungen 5 oder 6 verkettet. 9 ist ein
Ohmscher `'N iderstand im Stromkreis der Dämpferwicklung 5 ; io stellt einen induktiven
Widerstand dar, der vom Strom der Lämpferwicklung 6 durchflossen wird. ii bedeutet
den Hauptpolluftraum und 1a den Wendepolluftraum.
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Bekanntlich wirken beim einphasigen Einankerumformer die vom einphasigen
Wechselstrom der Schleifringe erzeugten Anker A W so, als ob im Anker zweierlei
Arten von AW gleichzeitig vorhanden wären. Die erste Art dieser beiden Anker AW
steht in bezug auf die Pole still und wirkt genau so wie die Drehstromanker AW beim
dreiphasigen Einankerumformer. Sie verursacht nach dem heutigen Stande des Elektromaschinenbaues
keinerlei Schwierigkeiten. Die zweite Art dreht sich gegenüber den Maschinenpolen
in derselben Richtung, aber mit doppelter Geschwindigkeit wie der Anker. Diese doppelperiodigen
Anker A W geben vor allem Anlaß zu Kommutationsstörungen.
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Die schädliche Wirkung der doppelperiodigen vollkommen.
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Anker AW auf die Kommutierung läBt sich zwar mildern, indem man diese
AW durch Maschinenwicklungen abdämpft. Bei einer solchen Abdämpfung erübrigen aber
immer doppel periodige Felder von solcher Größe, daB auch trotz Vorhandenseins richtiger
ReihenschluB-wendefelder noch Funkenbildung auftritt.
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Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß die zur Kollektorbürstenachse
elektrisch senkrechten Komponenten dieser übrigbleibenden doppelperiodigen Felder
- es sei für diese die allgemeine Bezeichnung doppelperiodige Streufelder gewählt
- unter den Kollektorbürsten transformatorische Funkenspannungen verursachen. Um
diese schädliche V@ irkung auf die Kommutation zu beseitigen, werden nach der Erfindung
den üblichen ReihenschluBwendefeldern W echselwendefelder überlagert, welche die
durch die doppelperiodigen Streufelder verursachten, unter den Kollektorbürsten
auftretenden transformatorischen Funkenspannungen aufheben.
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Die L ämpfung der doppelperiodigen Anker AW erfolgt bei den Anordnungen
nach Abb. z bis q. in Richtung der Hauptpolachse, vorwiegend durch die F ämpferwicklung
5 und in Richtung der Kollektorbürstenachse durch die F ämpferwicklung 6. Unter
der Annahme, daB die vereinigten Reaktanzen der Dämpferwicklang $ und der Erregerwicklung
3 gleich sind der Reaktanz der Dämpferwicklung 6, bilden die doppelperiodigen Streufelder
des Umformers zusammen ein Kreisdrehfeld.
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Nach den für Wechselstromkollektormaschinen gültigen Gesetzen läBt
sich bekanntlich an einer mit halber Synchrongeschwindigkeit laufenden Drehstromkollektormaschine
die unter den Kollektorbürsten auftretende transformatorische Funkenspannung dadurch
aufheben, daB man dem Reihenschlußwendefeld ein Wechselwendefeld hinzufügt, dessen
Stärke angenähert gleich ist dem doppelten Höchstwerte des sinusartig verteilten
Kreisdrehfeldes und das in Phase ist mit diesem Kreisdrehfeld.
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Es wurde nun gefunden, daB beim einphasigen Einankerumformer das kreisförmige
Drehfeld der doppelperiodigen Streulinien ebenso wirkt wie das Feld einer Drehstromkollektormaschine,
deren Anker mit halber Synchrongeschwindigkeit läuft. Fügt man also dieser Erkenntnis
entsprechend dem ReihenschluB-wendefeld des einphasigen Einankerumformers ein Wechselfeld
hinzu, dessen Höchstwert ungefähr gleich ist dem doppelten Höchstwerte des kreisförmigen
Streudrehfeldes und dessen Phase mit diesem Streudrehfeld übereinstimmt, so ist
die vom Streudrehfeld erzeugte transformatorische Funkenspannung unter den Kollektorbürsten
aufgehoben. Die Kommutation des einphasigen Einankerumformers ist dann, richtiges
Reihenschlußwendefeld vorausgesetzt, M Der Fall, daB sich die doppelperiodigen Streufelder
zu einem Kreisdrehfeld zusammensetzen, trifft jedoch nicht immer zu. ohl aber läßt
a sich in jedem Falle Stärke und Phase des erforderlichen zusätzlichen Wechselwendefeldes
bestimmen. Wenn z. B. das Streufeld in Richtung der Kollektorbürstenachse halb oder
dopgelt so groß wie das Streufeld in Richtung der Hauptfeldachse ist, so maß, falls
zwischen den beiden genannten Streufeldern eine Phasenverschiebung von einer Viertelperiode
vorhanden ist, das überlagerte Wechselwendefeld gleich sein dem vierfachen oder
dem einfachen Höchstwert des Streufeldes in Richtung der Kollektorbürstenachse.
Die Phase des überlagerten Wechselwendefeldes maß hierbei mit der Phase des konachsialen
Streufeldes übereinstimmen.
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Zur Erzeugung solcher, den theoretischen Bedingungen entsprechender
W'echselwendefelder können alle in den Abb. i bis 6 gezeichneten beispielsweisen
Anordnungen dienen.
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Bei Anordnung nach Abb. = erzeugt eine besondere Wendepolwicklung
7 das erforderliche Wechselwendefeld, das sich dem von der Wende-Polwicklung q.
erzeugten Reihenschlußwendefeld überlagert. Die Wendepolwicklung 7 ist hier mit
der )Jämpferwicklung 6 in Reihe geschaltet, und die beiden Wicklungen 6 und 7
haben
entgegengesetzte Richtung. Durch die Reihenschaltung wird erreicht, daß die Phase
des Wechselwendefeldes mit der Phase des Streufeldes in Richtung der Kollektorbürsten
angenähert übereinstimmt, daß sich also das von der Wendepblwicklung 7 erzeugte
Feld und das Streufeld unter den Wendepolen nahezu algebraisch addieren. Die Richtung
des Dämpfungsstromes in 6 und 7 wird nämlich durch den Wickelsinn von 6 bestimmt,
da diese Wicklung gegenüber 7 weitaus kräftiger ist. Die AW der Wicklung 6 sind
dem doppelperiodigen Anker A W fast genau entgegengesetzt gerichtet. Infolge der
Umkehrung des Wickelsinnes von 7 gegenüber 6 wirken die AW von der Wendefeldwicklung
7 in Richtung der doppelperiodigen Anker AIJ', also im Sinne des doppelperiodigen
Ankerstreufeldes. Die Anordnung nach Abb. r eignet sich somit in allen Fällen, in
denen das Streufeld in Richtung der Hauptfeldachse größer ist als das halbe Streufeld
in Richtung der Kollektorbürstenachse. Für den Fall, daß das Streufeld in Richtung
der Hauptfeldachse kleiner ist als das halbe Streufeld in Richtung der Kollektorbürstenachse,
müssen die Wickelsinne von 6 und 7 übereinstimmen.
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Bei Anordnung nach Abb. 2 ist die Wendepolwicklung 7 nicht unmittelbar,
sondern erfindungsgemäß über den Transformator 8 mit der. Lämpferwicklung 6 in Reihe
geschaltet. Alles über die Anordnung nach Abb. Z Gesagte gilt sinngemäß auch für
die Anordnung nach Abb. 2. Fehler in der Phase der so erzeugten Wechselwendefelder
können durch irgendwelche bekannte Mittel zur Einstellung einer bestimmten Feldphase
berichtigt werden. Beispiele solcher Phas'enregelungseinrichtungen sind in.den Abb.
3 und q. dargestellt. Bei Anordnung nach Abb. 3 wird der Wendepolwicklung 7 außer
dem Dämpfungsstrom der Wicklung 6 noch ein zweiter Wechselstrom zugeführt, der zufolge
der verkettenden Wirkung des Transformators 8 in seiner Phase mit dem f: ämpfungsstrome
der Wicklung 5 übereinstimmt. Die Wendepolwicklung 7 der Anordnung nach Abb. 3 ist
also erfindungsgemäß über den Transformator 8 auch mit der Dämpferwicklung 5 in
Reihe geschaltet. Da die Phasen der L ämpfungsströme in den Wicklungen 5 und 6 gegeneinander
um eine Viertelperiode verschoben sind, so ist es möglich, dem resultierenden Strom
in Wicklung 7 und damit dem Wechselwendefeld jede beliebige Phase zu geben.
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Bei Anordnung nach Abb. q. wird nicht die Phase des Wechselwendefeldes,
sondern die Phase des Streufeldes in Richtung der Hauptfeldachse geregelt. Dem vorwiegend
induktiven Widerstand der Wicklung 5 wird erfindungsgemäß ein Ohmscher Widerstand
g hinzugefügt. Bei Änderung des Verhältnisses zwischen Ohmschem und induktivem Widerstand
einer Impedanz ändert sich bekanntlich die Phase der resultierenden Verbrauchsspannung
dieser Impedanz. Mit Änderung der Phase dieser Verbrauchsspannung ändert sich also
auch die Phase jenes Feldes, das diese Verbrauchsspannung transformatorisch erzeugt.
Im vorliegenden Falle bilden die Streulinien in Richtung der Hauptfeldachse das
transformatorische Feld zur Erzeugung der Verbrauchsspannung im Stromkreis 5 und
g. Durch Einfügung des Ohmschen Widerstandes g in den Stromkreis der Wicklung 5
kann also die Phase des Streufeldes in Richtung der Hauptfeldachse beliebig geregelt
und damit in bezug auf die Phase des Wechselwendefeldes beliebig eingestellt werden.
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In den Abb. 5 und 6 sind Ausführungen gezeichnet, welche die erforderliche
Größe des Wechsehvendefeldes auch ohne zusätzliche Wendepolwicklungen erzeugen.
Bei der Anordnung nach Abb. 5 ist in den Stromkreis der Dämpfungswicklung 6 erfindungsgemäß
ein zusätzlicher induktiver Widerstand ro eingeschaltet. Durch diesen zusätzlichen
induktiven Widerstand kann man die Reaktanz der Eämpfungswicklung 6 z. B. doppelt
so groß machen wie die vereinigte Reaktanz der Wicklungen 3 und 5. Dann ist aber
auch das Streufeld in Richtung der Kollektorbürstenachse doppelt so groß wie das
Streufeld in Richtung der Hauptfeldachse. Wie schon oben erwähnt wurde, hat in diesem
Sonderfalle das Streufeld in Richtung der Kollektorbürstenachse gerade die Größe
des erforderlichen Wechselwendefeldes. Gleichen Luftspalt unter den Haupt- und Wendepolen
vorausgesetzt, ist also in diesem Sonderfalle gute Kommutierung schon von selbst
vorhanden, so daß die Anbringung einer zusätzlichen Wendepolwicklung entfällt.
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Für die Anordnung nach Abb. 6 sei ein kreisförmiges doppelperiodisches
Streufeld angenommen und der Wendepolluftraum =2 halb so groß gemacht als der Hauptpolluftraum
xz. Dann wird die Streufelddichte unter den Wendepolen doppelt so groß sein wie
unter den Hauptpolen, d. h. unter den gemachten Annahmen wird bei Anordnung nach
Abb. 6 vollkommene Kommutation auftreten, ohne daß die Wendepole außer der gewöhnlichen
Reihenschlußwicklung q. noch eine zusätzliche Wendepolwicklung erhalten.
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Es sei bemerkt; daß die bei Besprechung der gezeichneten Ausführungsbeispiele
gewählten Zahlenverhältnisse nicht mathematisch genau, sondern angenähert gelten
und nur aus Gründen der einfacheren Darstellung gewählt wurden. Auch wird durch
die dargestellten Anordnungen die Zahl der möglichen Ausführungsarten von Umformern
gemäß der Erfindung nicht erschöpft. Es ist z. B. möglich, zwei oder mehrere der
besprochenen Mittel gleichzeitig anzuwenden. Im Rahmen der Erfindung können überhaupt
alle bekannten Mittel zur Über-
Lagerung zweier Felder Anwendung
finden, durch welche beim einphasigen Einankerumformer den Reihenschlußwendefeldern
Wechselwendefelder von solcher Größe und Phase überlagert werden, daß hierdurch
die unter den Kollektorbürsten auftretende transformatorische Funkenspannung aufgehoben
wird.
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Die Speisung des einphasigen Umformers über bloß zwei Ankerschleifringe
kann starke Oberfelder zur Folge haben, die sich auch unter den Wendepolen ausbilden
und die Kommutation beeinträchtigen könnten. DiesemÜbelstandkann dadurch gesteuert
werden, daß man in an sich bekannter Weise der Ankerwicklung in mehr als zwei Punkten
einphasigen Wechselstrom zuführt. Die einphasigen Umformer nach der Erfindung können
daher auch mehr als zwei Schleifringe erhalten. Die diesen Schleifringen zugeführten
Wechselströme sind in ihrer Größe derart abzustufen, daß sich das Wechselstrom--4
W-Polygon des Ankers einer Sinuslinie gut anschmiegt.
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Abb. 7 zeigt ein Beispiel einer solchen Speisung. Darin bedeutet i
die Ankerwicklung des Umformers, die hier als Trommelwicklung vorausgesetzt ist.
13, 14, 15 und 16 sind die Anschlußpunkte dieser Wicklung für vier Schleifringe.
18 und =g sind die Sekundärwicklungen, 2o und 21 die in Reihe geschalteten Primärwicklungen
zweier Transformatoren. Durch die Umsetzungsverhältnisse der beiden Transformatoren
ist bei dieser Anordnung das Verhältnis der beiden Sekundärströme in 18 und =g eindeutig
festgelegt. Die Umsetzungsverhältnisse der beiden Transformatoren und die Lage der
Anschlußpunkte der Wicklungen für die Schleifringe lassen sich nun leicht so wählen,
daß die Eckpunkte 22 bis 32 des Wechselstromankeramperewindungspolygons (Abb. 8)
einer Sinus-Linie angehören. Jedem der Anschlußpunkte 13
bis 16 entsprechen
bei der hier vorausgesetzten Wicklungsart je zwei um eine Polteilung aus= einanderliegende
Eckpunkte des Amperewin dungspolygons. Die beiden Transformatoren 18, 2o und zg,
21 können selbstverständlich einen gemeinsamen Eisenkörper, gegebenenfalls mit sogenanntem
Zwischenjoch, besitzen.
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Zum Schluß sei darauf verwiesen, daß der neue einphasige Umformer,
die erforderliche Schleifringzahl vorausgesetzt, ohne irgendwelche J Änderung auch
mit Lrehstrom betrieben werden kann. Bei Drehstrombetrieb verschwinden die doppelperiodigen
Anker A TV , und die i ämpfungsstrcme in den L ämpferwicklungen und
das doppelperiodige Ankerstreufeld kommen in Fortfall. L amit entfällt aber sowohl
die Kotwendigkeit des dem Reihenschlußwendefeld überlagerten Wechselwendefeldes
als. auch selbsttätig die Erzeugung dieses Wechselwendefeldes. Das Wechselwendefeld
wird nämlich deswegen nicht mehr erzeugt, weil die Einrichtungen zur Erzeugung dieses
Wechselwendefeldes nur auf die doppelperiodigen Anker AW ansprechen, die bei Mehrphasenstrom
verschwinden.
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Die beschriebene Erfindung kann gleich gut für alle mit Wendepolen
versehenen einphasigen Einankerumformer verwendet werden, unabhängig davon, ob die
Spannung an den Kollektorbürsten konstant ist oder auf irgendeine bekannte Art geregelt
wird.