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Umlaufender, durch synchronisierten Asynchronmotor angetriebener Quecksilberstrahlgleichrichter
Die Erfindung betrifft einen umlaufenden Quecksilberstrahlgleichrichter für Wechselströme,
welcher durch einen Synchronmotor angetrieben wird, der derart eingerichtet ist,
daß er einen synchronisierten Asynchronmotor bildet; der Gleichrichter weist einen
Kollektor auf, der aus einer Reihe von Kontaktstäben besteht.
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Erfindungsgemäß ist bei einem derartigen Gleichrichter eine derartige
Anordnung von Spritzdüsen und Kollektor vorgesehen, daß außer den kurzen zur Gleichrichtung
dienenden Quecksilberstrahlen noch gesondert fließende Strahlen von größerer Länge
entstehen, die zum Zwecke der Funkenlöschung mit gitterartig angeordneten Kontaktstäben
zusammenwirken, Auf der Zeichnung sind als Beispiele mehrere Ausführungsformen der
Erfindung dargestellt. Abb. x ist ein senkrechter Schnitt durch den Gleichrichter.
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Abb. 2 ist in vergrößertem Maßstabe ein halber wagerechter Schnitt
durch einen Kollektor gemäß der Linie 2-2 der Abb. _.
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Abb. 3 ist eine teilweise Abwicklung des Umfanges eines Kollektors.
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Abb. q. ist ein senkrechter Schnitt durch einen Kollektor gemäß der
Linie 4-4 der Abb. 3. Abb. 5 ist ein Schema, welches den Kontaktrost veranschaulicht.
Abb. 6 ist ein teilweiser senkrechter Schnitt durch eine andere Ausführung des Gleichrichters.
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Die Abb. 7 und 8 sind in vergrößertem Maßstabe eine Abwicklung und
ein Grundriß des Kollektors der Maschine gemäß Abb. 6.
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Abb. 9 ist ein teilweiser senkrechter Schnitt durch den Gleichrichter
mit umlaufendem Kollektor.
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Abb. ro ist eine schematische Ansicht einer Einzelanordnung.
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Die Abb. z= und 12 sind schematische Darstellungen, welche Vorrichtungen
zeigen, durch die die Kommutation verbessert werden soll. Abb. 13 zeigt Spannungskurven.
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Das Gestell des Gleichrichters umfaßt einen Sockel z, auf welchem
die ringförmige Scheibe 2 ruht, die zwei zylindrische Gehäuse 3 und q. trägt, die
durch eine zweite ringförmige Scheibe 5 voneinander getrennt sind. Eine dritte ähnliche
Scheibe 6 befindet sich auf dem oberen Rand des Gehäuses q..
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Auf dieser Scheibe sitzt ein Synchronmotor, dessen Stator und Rotor
bzw. mit 7 und 8 bezeichnet sind. In Wirklichkeit benutzt man in an sich bekannter
Weise einen synchronisierten Asynchronmotor, damit die Anfahrschwierigkeiten vermieden
werden, welche allen Synchronmotoren anhaften.
Der Stator 7 ist
mehrphasig. Will man einen Einphasengleichrichter betreiben, so wickelt man diesen
Stator mit einer Zweiphasenspule, und man speist ihn mit Hilfe einer Selbstinduktionsspule
und eines besonderen Transformators.
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Die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors 8 kann. beliebig sein; jedoch
haben die Versuche gezeigt, daß es zweckmäßig ist, eine der beiden Synchrongeschwindigkeiten
von =500 oder von 3000 Uml./Min. für eine Frequenz von 5o Perioden zu wählen.
Die dargestellte Vorrichtung ist für die Umlaufgeschwindigkeit von z5oo Uml. /Min.
bei einer Frequenz von 50 Perioden eingerichtet.
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Die Motorwelle ist mit einer zweiteiligen Bürstenwelle 16 mit Hilfe
einer Muffe verbunden, die beispielsweise mit einer Kugel 17 und einer Zwischenlage
18 versehen ist; sie ruht am unteren Ende auf einer Kugel zg.
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Die Welle 16 dringt in den Gleichrichter durch eine Hilfsvorrichtung,
welche für die erforderliche Dichtung für den Fall sorgt, daß ein inertes Gas in
den Gleichrichter eingeführt wird. Diese Hilfsvorrichtung umfaßt eine Glocke 2o,
die auf die Welle geschraubt ist, und eine Büchse 2i, die in einen Napf 22 eingeschraubt
ist, welcher auf der Scheibe 6 festsitzt und Quecksilber enthält.
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Unterhalb dieser Vorrichtung und im Innern des Gleichrichters trägt
die Welle 16 zwei Satz Elektroden, welche sie mitnimmt und von denen jede aus acht
Spritzdüsen 23 besteht, die in Gruppen von vier übereinanderliegen und an den Rohren
24 festsitzen, die sich an den Enden von Armen 25 befinden, welche fest mit Muffen
26 und 27 verbunden sind, welch letztere auf der Welle 16 sitzen.
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Die obere Muffe 26 ist unmittelbar auf die Welle geschraubt, während
die untere Muffe 27 gegen einen Schulteransatz der Welle mit Hilfe einer Mutter
28 gedrückt wird. Auf jeder Muffe sind die Spritzdüsengruppen um z8o ° gegeneinander
versetzt, und die obere Muffe ist um go ° gegen die untere Muffe versetzt, derart,
daß die Bürsten oder Spritzdüsen der beiden Sätze selbst gegeneinander um go ° versetzt
sind.
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Im Innern der Muffen 26 und 27 befinden sich Büchsen 2g und 30, die
jeweils in Näpfe 31 und 32 eingeschraubt sind und dazu dienen, Quecksilber aufzunehmen,
welches in jedem Napf als Kotakt für je einen Pol des Gleichstromes dient.
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Da die Näpfe 31 und 32, die Scheiben 2, 5 und 6 und die Gehäuse
3 und 4 aus Metall bestehen und infolgedessen elektrisch miteinander verbunden sind,
wird die erforderliche Isolierung mit Hilfe einer Isolierscheibe 33 bewirkt, welche
zwischen die Scheibe 5 und das Gehäuse 3 geklemmt wird, und ferner mit Hilfe einer
zweiten Scheibe 34, welche sich zwischen den beiden Hälften 35 einer Muffe befindet,
die die beiden Teile der Welle 16 untereinander verbindet. Die Schraubenbolzen dieser
Muffe sind von dieser elektrisch isoliert.
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Die Muffen 26 und 27 besitzen zwei Kanäle 36, deren Enden nach der
Drehrichtung der Welle 16 derart geneigt sind, daß das Quecksilber der Näpfe
31 und 32 unter der Einwirkung dieser Drehung in den Kanälen 36 emporsteigt,
um die Spritzdüsen 23 zu speisen, wobei es durch weitere Kanäle der Arme 25 und
sodann durch die Rohre 24 fließt.
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Der Gleichrichter besitzt ferner zwei feststehende Kollektoren, welche
durch Kränze gebildet sind, die sich gegenüber den Spritzdüsen befinden und weiter
unten beschrieben werden. Diese Kollektoren werden in der gewünschten Höhe durch
zwölf Gewindespindeln 37 gehalten, welche sich in den Ecken eines Zwölfecks befinden
und die Scheiben 2 und 5 unter Zwischenschaltung von Isolierbüchsen durchdringen.
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Diese Spindeln 37 dienen dazu, den Wechselstrom zu den Kollektoren
zu leiten, und zu diesem Zwecke gehen sie durch die Lamellen dieser Kollektoren.
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Die Lamellen 39 des Kollektors, die elektrisch mit den Spindeln
37, wie dies Abb. 4 zeigt, verbunden sind, sind in zwei Reihen angeordnet; jeder
derselben entspricht auf jedem Spritzdüsenrohrträger eine Spritzdüse.
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Die beiden anderen Spritzdüsen jedes Rohres 24 bestreichen jedes eine
kreisförmige Zone, in die sich die Organe 47 (Abb. 2 und 3) befinden, welche zur
Kommutation bestimmt sind.
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Die Vorrichtung 47 dient dazu, nur im Augenblick der Kommutation die
Gleichung von Arnold zu erfüllen, d. h. Ub > er, in welcher Ub den Spannungsabfall
an den Bürsten und e,. die elektromotorische Kraft der Reaktanz bezeichnen. Zu diesem
Zweckebesteht die Vorrichtung 47, welche als Rost bezeichnet werden kann, aus einer
Reihe von Stäben 47, 47,v 47b ... (Abb.5) aus einem geeigneten Metall, wie Nickel
oder einer seiner Legierungen. Der Stab 47 ist elektrisch mit der Spindel 37 durch
einen Widerstand y1 verbunden, und alle Stäbe sind unter sich durch wachsende Widerstände
y1, y2, y, (in Abb. 3 nicht dargestellt) verbunden. Die Verbindungen zwischen den
Stäben sind in Isolierstücken 48 untergebracht, und die Widerstände y1, r2
... können am Umfang der Kollektoren vorgesehen sein.
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Nimmt man an, daß die Welle 16 entgegengesetzt zur Uhrzeigerrichtung
umläuft, so gibt in. Abb. 3 der Pfeil v die Richtung an, in welcher sich die Bürsten
mit Bezug auf die Kollektoren bewegen.
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Die Lamellen 39, die sich ihren entsprechenden Spritzdüsen
soweit wie möglich nähern, dienen allein zur Weiterleitung des Stromes,
soweit
als keine Kommutation stattfindet. In dem Augenblick, in dem die eine der, Spritzdüsen
an dem Ende der einen der Lamellen 39 ankommt, die zu einer Reihe gehören, wird
ihr Strahl durch die Kante 46 abgeschnitten, während eine andere Spritzdüse die
Lamelle 39 zu bestreichen beginnt, die zu einer anderen Reihe gehört. Gleichzeitig
wird der Strahl einer dritten Spritzdüse auf den Rost 47 schlagen, der elektrisch
mit dem Klotz verbunden ist, der von der ersten Spritzdüse verlassen worden ist
und dabei von einem Stab zum anderen springt. Sobald der Strahl mit dem letzten
Stab in Berührung tritt, besitzt er einen Widerstand R = yi + y2 -I-
7s -I- ... y,, und es ist selbstverständlich, daß R beliebig groß ausfallen
kann, falls man die Anzahl der Stäbe oder der dazwischenbefindlichen Widerstände
vergrößert.
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Wegen der Abschrägung der Kollektoren kann das Quecksilber nicht darauf
bleiben und fällt in die Näpfe 31 und- 32 zurück, um wiederholt von den Spritzdüsen
verspritzt zu werden. Die Gehäuse 3 und q. sind mit Guckfenstern aus Glas oder Glimmer
(nicht dargestellt) versehen, mit deren Hilfe die Wirkungsweise der Vorrichtung
überwacht werden kann.
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Gemäß der abweichenden Ausführungsform nach Abb. 6 bis 8 besteht der
Kollektor aus Klötzen 50, welche wie die Lamellen 39 beschaffen und zweireihig angeordnet
sind. Es wird angenommen, daß die Bürsten sich wie im vorhergehenden Beispiele in
Richtung des Pfeiles u bewegen. Jeder Klotz ist mit einer passenden Phase des Wechselstromes
verbunden, der gleichgerichtet werden soll, und zwar mit Hilfe eines Stiftes 52,
der ebenfalls für die Befestigung dienen kann. Jeder Klotz läuft in eine Kante 5o,1
(Abb. 7) aus, welche zum scharfen Abschneiden des Strahles dient, und ist ebenfalls
durch den Leiter 53 mit dem Rost 47 verbunden, dessen Stäbe beispielsweise zwischen
zwei Ringscheiben 54 aus isolierendem Material befestigt sind, welche konzentrisch
zum Kollektor angeordnet sind und von denen die eine am Gehäuse3 des Gleichrichters
befestigt ist. Die Widerstände können auf diese Scheiben gewickelt oder an jeder
anderen passenden Stelle angebracht werden. Auf der Bürstenwelle 16 sitzt ein Teil
55, in welchen Kanäle 56 eingeschnitten sind und der zwei hohle Säulen 57 trägt,
die mit diesen Kanälen in Verbindung stehen. Sobald die Maschine umläuft, steigt
das Quecksilber in den Säulen 57 empor, und zwar unter der Einwirkung der
Fliehkraft. Jede Säule trägt zwei Spritzdüsen 58 mit kurzem Strahl jeweils gegenüber
einer jeden Reihe Klötze 50 und eine Spritzdüse 59 mit langem Strahl, welche
derart angeordnet ist, daß, sobald der Strahl einer Spritzdüse 58 einen Klotz verläßt,
der Strahl von 59 auf die ersten Stäbe des Rostes 47 schlägt, der diesem Klotz entspricht.
Während dieser Zeit beginnt der Strahl der anderen Spritzdüse 58 den folgenden Klotz
zu bestreichen. Das Ganze ist im dicht abgeschlossenen Gehäuse 3 eingeschlossen
und die Abdichtung mit derWelle 16 erfolgt, wie vorher beschrieben. Diese Maschine
ist einpolig, wobei das Gehäuse einen der Pole des gleichgerichteten Stromes und
der neutrale Punkt des Umformers den anderen Pol bildet. Will man eine zweipolige
Maschine herstellen, so benutzt man beispielsweise zwei gleiche Maschinen, die voneinander
isoliert und durch den gleichen Synchronmotor betätigt werden, wodurch der neutrale
Punkt wegfallen und sogar ein Umformer mit geschlossenen Wicklungen benutzt werden
kann.
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Der Gleichrichter gemäß der Erfindung kann auch einen umlaufenden
Kollektor und feststehende Spritzdüsen erhalten. Abb. 9 stellt eine Maschine dar,
bei welcher das aus Kollektor und Rost bestehende Ganze auf einem Rade 6o sitzt,
das auf die Welle 16 festgekeilt ist. Die Klötze 50 und ihre Stifte 52 sind
mit der Wechselstromquelle (in der Abbildung einphasig gedacht) durch Ringe 61 und
62 verbunden, die konzentrisch zur Welle liegen-und von denen ein jeder in ein Quecksilberbad
taucht, welches sich in ringförmigen Näpfen 63 und 64 befindet, welche aus isolierendem
Material oder aus leitendem Material bestehen und in letzterem Falle isoliert sind
und welche selbst durch Stifte 65 und 66 mit der Wechselstromquelle verbunden sind.
Es werden selbstverständlich ebenso viele Ringe benutzt, als Zuleitungsdrähte für
den Wechselstrom vorhanden sind.
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Die die Spritzdüsen tragenden Säulen 57 werden durch die eine oder
die andere der nachfolgend beschriebenen Vorrichtungen mit Quecksilber gespeist:
a) Eine beliebige Pumpe 67 (Abb. lo), beispielsweise eine auf die Welle 16 festgekeilte
Turbine, sendet das Quecksilber in die Säulen 57 mit Hilfe von Düsen 68, die mit
Löchern versehen sind, durch welche das Quecksilber in kleine Tropfen zerteilt wird.
Die Säulen können alsdann ohne Nachteil verschiedene Polaritäten besitzen.
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b) Man benutzt ebenso viele Pumpen, als Polaritäten vorhanden sind,
z. B. zwei. Diese Pumpen sind elektrisch voneinander isoliert, wie auch vom übrigen
Teile der Maschine. Sie werden durch einen Tropfenfall gespeist und drücken unmittelbar
in die Säulen gleicher Polarität, welche die Spritzdüsen tragen.
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Zur Erleichterung der Kommutation benutzt man gleichzeitig die Vorrichtung
gemäß Abb. Ir, bei welcher der Synchronmotor S, der den Gleichrichter R antreibt,
mechanisch mit einer kleinen Wechselstrommaschine A gekuppelt ist, deren Anker mit
dem Gleichrichter R hintereinandergeschaltet
ist. Der Magnet dieser
Wechselstrommaschine (Abb. 12) besitzt die gleiche Änzahl Hauptpole N S wie der
Antriebssynchronmotor. Außer den Hauptpolen besitzt er eine doppelte Anzahl Zwischenpolen
s
von kleinen Abmessungen mit Bezug auf die ersteren, die jedoch eine stärkere
Induktion ergeben.
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Abb. 13 zeigt die Wirkung dieser Wechselstrommaschine. Die
Kurve I stellt die Spannung dar, welche durch die Quelle des gleichzurichtenden
Stromes geliefert wird (Sinusoid). Die Kurve II ist die Spannung, welche von der
Wechselstrommaschine A geliefert wird. Die Kurve III ist die Resultante (algebraische
Summe) der beiden Kurven. Man sieht, daß die Kurve III einen Teil besitzt, der sich
zwischen den Punkten a und b befindet, an dem die Spannung sehr wenig
oder wenigstens in für die Kommutation günstiger Weise verändert wird, was das zu
erzielende Ergebnis ist. Es wird natürlich vorausgesetzt, daß man eine Wechselstrommaschine
ganz beliebiger Art benutzen kann, welche eine Kurve nach der Art der Kurve II ergibt.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen,
die nuz als Beispiele angegeben worden sind, und man kann, ohne vom Wesen der Erfindung
abzuweichen, die Gestalt, die Anordnung usw. der verschiedenen Bestandteile ändern.
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Ebenso kann man eine beliebige Anzahl Phasen und eine beliebige Umlaufsgeschwindigkeit
cü benutzen.
S2= 2 7s f, wobei man mit f die Frequenz bezeichnet, = Anzahl der
Polpaare, u = Anzahl der Kollektorlamellen, m= Anzahl der Zuleitungsdrähte für den
Wechselstrom.
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Da außerdem (ß die Anzahl der Spritzdüsensätze für ein jedes Gehäuse
(oder die Anzahl der Rohre 24 oder Säulen 57) bedeutet, so ergibt sich
wobei cc die Winkelentfernung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sätzen in einem
gleichen Gehäuse und a' die Winkelentfernung zwischen einem Satz eines Gehäuses
mit Bezug auf den am nächsten liegenden Satz des anderen Gehäuses bezeichnen.
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Man kann auch mehrere Strahlen parallel zueinander anordnen und auf
diese Weise auf jeder Säule eine beliebige Anzahl Spritzdüsen vorsehen. Ebenso kann
die Maschine derart angeordnet werden, daß sie nicht nur zum Gleichrichten von,
Wechselstrom, sondern auch zum Umformen von Gleichstrom in Wechselstrom beliebiger
Frequenz und sogar zum Umformen von Wechselstrom einer gegebenen Frequenz in Wechselstrom
von abweichender Frequenz dienen kann.
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Außerdem können die Roste 47 eine beliebige Anzahl Stäbe besitzen,
welche von der Funkenfreiheit abhängt, mit welcher die Kommutation erfolgt.
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In gewissen vorteilhaften Fällen (schwache Spannung derTeile desUmformers
und schwache Leistung) kann der Rost nur aus einem Stab bestehen ohne Zwischenschaltung
eines Widerstandes, der mit dem entsprechenden Klotz zu verbinden ist, wobei dann
der lange Strahl den zur Kommutation erforderlichen Widerstand herstellt.
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Selbstverständlich kann man für den Antrieb der Maschine einen Synchronmotor
mit einer beliebigen Anzahl Phasen mit umlaufendem Anker oder Magneten verwenden.
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Bei dem Gleichrichter gemäß der Erfindung kann sowohl ein feststehender
Kollektor mit umlaufenden Bürsten als auch ein umlaufender Kollektor mit feststehenden
Bürsten in Anwendung kommen. Auch kann der Gleichrichter unmittelbar durch ein Ein-
oder durch ein Mehrphasennetz gespeist werden oder aber durch einen oder durch mehrere
statische Transformatoren gewöhnlicher oder vielfacher Zusammensetzung mit Phasenvervielfachung,
gleichgültig ob. diese geschlossene oder offene Wicklungen mit oder ohne neutralen
Punkt besitzen.