DE417584C - Vorrichtung zur Transformierung elektrischer Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Umformung von Gleichstrom einer Spannung in einen solchen anderer Spannung durch Verwendung mehrphasiger statischer Transformatoren. Der Vorgang der I'm Wandlung besteht aus drei Stufen; nämlich i. Kommutierung behufs Umwandlung des Gleichstromes in Wechselstrom, 2. Umformung des Wechselstromes in Wechselstrom einer gewünschten Spannung und 3. Kommutierung des entstandenen Wechselstromes zur Erzeugung von Gleichstrom. Die hierfür verwendeten Vorrichtungen müssen daher zwei Sätze von Kommutiereinrichtungen besitzen, an welche zwei Transformatorwicklungen oder gleichwertige Mittel angeschlossen sind. Diese Wicklungen sind je in eine entsprechende Zahl von Phasen unterteilt, die zusammen je zu einer geschlossenen Ringwicklung verbunden sind, von welcher Abzweigungen zu den Segmenten des zugehörigen Kommutators führen. Die Transformiereinrichtung besteht aus mehreren Kernen, deren Zahl von der Anzahl der Phasen der beiden Ringwicklungen und der Art der Verteilung dieser Wicklungen auf den Kernen abhängt. Eine solche Transformiereinrichtung ist z. B. in der Patentschrift 32S161 fAbb. 6) dargestellt.

Da bei Zuleitung von kommutiertem Gleichstrom zu einer der Ringwicklungen nun in jedem der Kerne, über welche diese Wicklung verteilt ist, ein wechselnder magnetischer Fluß hervorgerufen wird, wurde als wünsehenswert gefunden, diesen wechselnden Fluß unabhängig von den beiden vorerwähnten geschlossenen Ringwicklungen erzeugen zu können, und den Gegenstand der Erfindung bildet eine hierfür dienliche Einrichtung. Diese besteht aus einer dritten, von den zwei vorerwähnten beiden Wicklungen elektrisch unabhängigen Wicklung, die an eine besondere Wechselstromquelle angeschlossen ist oder an eine solche angeschlossen werden kann. Diese Stromquelle kann beispielsweise ein Hilfsmotorgeneratorsatz sein, dessen Wechselstromerzeuger durch diese dritte ! Wicklung den ganzen oder größten Teil des , tnagnetisierenden Stromes für die Transformatorkerne liefert. Durch Zufuhr dieses magnetisierenden Stromes von einer unabhängigen Quelle aus kann in den beiden Hauptwicklungen des Transformatorsystems vor der Anschaltung des Gleichstromes an die Kommutiereinrichtung eine gegenelektromotorische Kraft hervorgebracht werden. Dies ist insbesondere bei Anlagen hoher Spannung oder großer Stromstärke zweckmäßig. Eine weitere Wirkung dieser Hilfsmagnetisierung besteht in einer bis zu einem gewissen Maße vor sich gehenden Regelung der Spannungsverteilung rings um die beiden Hauptringwicklungen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, rlaß die beiden Hauptwicklungen ganz oder in hohem Maße vom magnetisierenden Strom frei bleiben, der die Stromwelle verzerren und dadurch die Kommutierung stören würde. Eine Folge dieser Beeinflussung der Stromwelle wäre die Notwendigkeit, jedesmal eine Verstellung der Bürsten vornehmen zu müssen, wenn eine wesentliche Änderung in der Belastung eintritt, um wieder richtige Kommutierung zu erhalten.

In den Abbildungen ist Abb. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsart, und Abb. 2 und 3 sind Phasendiagramme.

Bei dieser Ausführung sind zwei dreisäulige Dreiphasentransformatoren A und B mit einer Kommutierungsvorrichtung verwendet, die aus zwei Kommutatoren C und E und vier Schleifringen F, G, H und J besteht. Die Kommutatoren und Schleifringe sind stationär und mit Bürsten, und zwar mit zwei Bürsten für jeden Kommutator und einer Bürste für jeden Schleifring, versehen, die mit C¹, C-, E\ E² bzw. mit F\ G\ H¹ und J¹ bezeichnet sind. Die Bürsten sitzen alle auf einer Welle K, die durch einen Synchronmotor K¹ mit einer Erregermaschine K- an getrieben wird.

Es ist klar, daß für die richtige Wirkungsweise die Bürsten nicht nur mit der richtigen Geschwindigkeit umlaufen, sondern auch genau synchronisiert sein müssen, so daß jede Bürste in jedem Augenblicke an einem Punkte

ihres Kommutators ist, der elektrisch dem Punkte entspricht, auf welchen die Bürsten bei einer gewöhnlichen Gleichstrommaschine einzustellen sind. Mit anderen Worten, die Schwingungsknoten der Verteilung der elektromotorischen Kraft rings um den Kommutator lau fen um denselben herum, und jede Bürste muß jederzeit mit einem dieser Knoten zusammenfallen oder zumindest in dessen unmittelbarer Nähe sein.

Um dieser Bedingung jederzeit zu entsprechen, kann eine Einrichtung getroffen werden, um die Welle während ihres Laufes im Winkel vor- oder zurückzuverstellen. Hierzu kann z. B. eine Vorrichtung zur Veränderung der Feldstärke des die Welle antreibenden Synchronmotors oder eine Vorrichtung zur Winkelverstellung des Stators dieses Motors um die Wellenachse benutzt werden. In der Abbildung sind die Bürstenträger C''' und E" in Parallellage dargestellt. Es kann jedoch in manchen Fällen notwendig sein, sie derart anzuordnen, daß einer gegenüber dem anderen um einen gewissen Winkel verstellt ist. Hierzu kann eine beliebige Einrichtung, beispielsweise eine verstellbare Kupplung, benutzt werden, wie eine solche schematisch bei Ä'·" angedeutet ist. Eine andere Ausführung zu dem gleichen Zweck besteht darin, die Seginente eines Kommutators mit den Wicklungen seines geschlossenen Stromkreises derart zu verbinden, daß sie den Segmenten des anderen Kommutators voreilen, die mit den entsprechenden Wicklungen des ihm zugehörigen geschlossenen Kreises verbunden sind. Die Bürste F¹ ist mit der Bürste C¹ durch t'inen auf der Welle Ji angeordneten Leiter und die Bürste C" mit G¹, H¹ mit E¹ und E'¹ mit J¹ vermittels ähnlicher Leiter verbunden, d. h. mit Leitern, die auf der Welle K sitzen und daher mit ihr umlaufen. Die Schleifringe F und G sind je mit einem Paar von Hauptleitungen I und die Schleifringe H und / je mit einem Paar eines anderen Hauptleitungspaares II verbunden, welche Leitungen / und II Gleichstromleitungen sind, von denen J z. B. für hohe Spannung und II für mehr gebräuchliche, niedrigere Spannungen bestimmt ist. Soll die Vorrichtung zur Um-Wandlung von Gleichstrom niedriger Spannung in solchen hoher Spannung dienen, dann wird der Gleichstrom bei II eingeleitet und von I abgenommen. Jeder Schenkel der Transformatoren A und B trägt drei Sätze Wickhingen X, L und Z₁ und jeder Satz mit Ausnahme der Sätze L auf den Schenkeln des Transformators A, welche nicht unterteilt sind, ist in zwei gleiche Wicklungen unterteilt. Der Satz der Wicklungen X ist zu einer geschlossenen Wicklung verbunden, und Abzweigungen zwischen ihren Wicklungen sind j an die Segmente des Kommutators C angeschlossen. Der Satz der Wicklungen Z ist in gleicher Weise geschaltet, und seine Abzweigungen führen zu den Segmenten des Kornmutators E. In Abb. 1 sind, um die Klarheit nicht zu beeinträchtigen, nur einige Verbindungen dargestellt. Der Satz der Wick- ' hingen L ist an eine Wechselstromquelle angeschlossen und bildet die vorerwähnte Wicklung, welche gemäß der Erfindung den magnetischen Fluß des Systems erzeugt und auf , diese Weise mehr oder weniger die Wick- ^: hingen X und Z der Notwendigkeit überhebt, diesen Fluß zu erzeugen.

Die Wicklungen L sind an die drei Hauptleitungen a, b, c einer Dreiphasenwechselstromquelle derart angeschaltet, daß in den j sechs Säulen 1 bis 6 der zwei dreiphasigen Transformatoren A und B magnetische Kraft- ! flüsse entstehen, die in den durch die Vektoren ι bis 6 im Diagramm Abb. 2 angej gebenen Phasenwinkeln aufeinanderfolgen.

Wie ersichtlich, ist die Wicklung L auf dem Schenkel 1 mit der Hauptleitung c verbunden und liegt in Reihe mit der halben Wicklung L auf dem Schenkel 2; die Wicklung L auf dem Schenkel 3 ist mit der Hauptleitung α verbunden und ist in Reihe mit der anderen Hälfte der Wicklung L geschaltet, die in umgekehrtem Sinn an den ■ Schenkel 2 angeschlossen ist. Die ganze Wicklung L auf dem Schenkel 2 ist daher bestrebt, in diesem einen Kraftfluß zu erzeugen, der durch den Vektor 2 in Abb. 2 angezeigt ist und die Resultierende der Vektoren 1 und 3 ist. In gleicher Weise stellt der Vektor 4, welcher die Resultierende der Vektoren 3 und 5 ist, die Phase des magnetischen Flusses dar, der durch die gesamte Wicklung L des Schenkels 4 in diesem erzeugt wird, und der Vektor 6, welcher die Resultierende der Vektoren 5 und 1 ist, gibt die Phase des Flusses in dem Schenkel 6 an, der durch die gesamte Wicklung L dieses Schenkels hervorgerufen wird.

Die zwölf Wicklungen X sind, wie bereits erwähnt, miteinander zu einem in sich geschlossenen Kreis und derart verbunden, daß die Summe der Spannungen, die in jedem Augenblick rund um diesen Kreis wirksam sind, gleich Null ist. Wie ersichtlich, ist die linke Wicklung X auf dem Schenkel 1 inReihe mit der linken Wicklung X auf dem Schenkel 2 geschaltet, und die zugehörigen Spannungen sind durch die Vektoren 1 und 2 in Abb. 3 veranschaulicht, die in der Phase mit den entsprechenden Vektoren 1 und 2 in Abb. 2 übereinstimmen. Die nächste in Reihe liegende Wicklung ist die rechte Wicklung auf dem Schenkel 4, die in Reihe in entgegengesetztem Sinne liegt und deren Spannung durch den Vektor -4 in Abb. 3 angedeutet

ist; die nächste Wicklung ist die linke Wicklung am Schenkel 5, die durch den Vektor 5 dargestellt ist, die folgende ist die linke Wicklung am Schenkel 6, welche der Vektor 6 veranschaulicht, und so weiter für jede folgende Wicklung, wie aus Abb. 1 leicht erkennbar, bis alle zwölf Wicklungen zu einem geschlossenen Kreis geschaltet sind; die zugehörigen Spannungen aller aufeinanderfolgenden Wicklungen sind durch die zwölf Vektoren nach Abb. 3 dargestellt und in der Reihenfolge mit 1, 2, -3, -4, 5, 6, -r, -2, 3, 4, -S und -6 bezeichnet.

Die zwölf Kommutatorsegmente des Komimitators C sind aufeinanderfolgend mit den zwölf aufeinanderfolgenden Verbindungsleitungen der Wicklungen X verbunden, wie dies aus Abb. 1 hervorgeht. An Hand der vorstehenden Erläuterungen wird auch klar, daß die Wirkung der Verbindung der Erregerwicklungen L mit den drei Hauptleitungen a, b, c darin besteht, in gewissen einander diametral gegenüberliegenden Segmenten des Kommutators C in bestimmten Zeitpunkten eine Maximalspannung zu erzeugen, die um den feststehenden Kommutator umläuft, so daß in einem anderen Zeitpunkt die Lage der Maximalspannung sich auf ein anderes Paar von einander diametral gegenüberliegenden Segmenten verschoben hat. Die Rotation der Bürsten C¹ hält mit dem Umlaufen der Spannung an den Segmenten gleichen Schritt.

Wie bereits bemerkt, sind die zwölf Wicklungen des Wicklungssatzes Z untereinander zu einem geschlossenen Kreis und mit den Segmenten des Kommutators B in genau derselben Weise wie die Wicklungen X und die Segmente des Kommutators C geschaltet, jedoch sind nur einige der früheren Verbindüngen in Abb. 1 veranschaulicht. Die Stromquelle a, b, c ist auch an den Motor K¹ angeschlossen.

Wenn die Vorrichtung in Betrieb gesetzt werden soll, wird der Motor K¹ angelassen und, wenn er auf Synchronismus gebracht ist, zu einem Synchronmotor umgeschaltet und der Stromkreis a, b, c an die Wicklungen L geschaltet. Die Erregung dieser Wicklungen erzeugt eine Spannung zwischen jedem Paar von Segmenten in jedem der Kommutatoren .C und E, wie in Abb. 3 angedeutet, welche Spannung zu einer bestimmten Maximalspannung zwischen diametral gegenüberliegenden Segmenten beiträgt.

Die Gleichstromquelle kann nun an die Leitungen II angeschaltet und hochgespannter Gleichstrom von den Leitungen / abgenommen werden. Selbstverständlich kann die Maschine auch für den umgekehrten Fall verwendet werden, und dabei ist die Bedeutung der Wicklungen L eine erhöhte, da es klar ist, daß eine elektromotorische Gegenkraft bei dem Kommutator C vor Anschalten der Hochspannungsquelle an ihn wirken soll.

Die Anordnung einer Erregerwicklung L ist nicht auf Vorrichtungen zur Transformierung von Gleichstrom auf andere Spannung beschränkt, sondern innerhalb des Rahmens der Erfindung liegt auch ihre gekennzeichnete Anordnung bei Vorrichtungen zur Transformierung von Gleichstrom in Wechselstrom und umgekehrt. Die Zuleitung a, b, c zu den Wicklungen L ist natürlich bei einem Gleichstromtransformator verschieden von jener zu den Wicklungen X, Z, und eine ähnliche An-Ordnung ist auch zu treffen, wenn die Vorrichtung Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt umwandeln soll.

Der Einfachheit wegen sind in der Abbildung bloß zwei Transformatoren und nur zwölf Phasenwinkel dargestellt. In der Praxis wird deren Zahl wesentlich erhöht.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch :

   Vorrichtung zur Transformierung elektrischer Energie, bei welcher die primären und sekundären Wicklungen eines oder mehrerer Transformatoren je zu einem geschlossenen Stromkreis verbunden sind, in dem die gesamte elektromotorische Kraft in jedem Momente gleich Null i§t und die beiden geschlossenen Stromkreise je mit einem besonderen Satz von Kommutiervorrichtungen, einen für den Zutritt und den anderen für den Austritt, in wesensgleicher Weise verbunden sind wie die Wicklung eines Grammeschen Ringes mit seinem Kommutator, und bei welcher eine dritte Wicklung auf dem ioo Transformator bzw. auf den Transformatoren angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Wicklung von einer gesonderten, mit der Gleichstromquelle der primären«Wicklungen elektrisch nicht verbundenen Wechselstromquelle gespeist wird, so daß die primären und sekundären Wicklungen und ihre Kommutierungsvorrichtungen teilweise oder gänzlich vom magnetisierenden Strom entlastet werden no und vor dem Anschalten des äußeren Speisestromkreises eine gegenelektromotorische Kraft in den primären Wicklungen erzeugt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.