DE590282C - Wechselstromerzeuger zur Speisung eines Hilfstransformators, dessen Sekundaerseite zur Unterdrueckung der Welligkeit der von einem Gleichrichter gelieferten Spannung in Reihe mit dem Verbraucherkreis geschaltet ist - Google Patents

Description

Bekanntlich besitzt die von einem Wechselstromgleichrichter gelieferte Spannung sich wiederholende Schwankungen um ihren Mittelwert.

Man kann sich diese Spannung aus einer vollkommen gleichbleibenden Gleichspannung in der Größe dieses Mittelwertes und einer Wechselspannung von der Größe der Differenz zwischen der Gesamtspannung des Gleichrichters und des Mittelwertes der Spannung zusammengesetzt denken. Die Wechselspannungskomponente des Gleichrichters bestimmt die sich wiederholenden Schwankungen des Stromes und hat eine Einschränkung der Brauchbarkeit des Gleichrichters zur Folge. So rufen z. B. diese Schwankungen zusätzliche störende Ströme in Fernsprechnetzen hervor, welche dem Gleichstromnetz benachbart liegen. Sie erwärmen die magnetische Masse der Gleichstrommaschinen und können die Kommutierung dieser Maschinen beeinträchtigen.

Man ist natürlich bemüht, durch verschiedene Mittel die Wechselspannungskompo'-nente des Gleichrichters zu unterdrücken. Man schaltet z. B. zu diesem Zweck eine Selbstinduktionsspule von großem Scheinwiderstand und kleinem Wirkwiderstand in den von dem Gleichrichter zu speisenden Stromkreis. Diese Spule wird von dem Gesamtstrom durchflossen und erzeugt unter dem Einfluß der Stromschwankungen eine gegenelektromotorische Kraft der Selbstinduktion, welche der Wechselspannungskomponente des Gleichrichters entgegenwirkt. Dieses Verfahren gestattet nicht, die Wechselspannungskomponente vollständig zu unterdrücken, weil die Spule die gegenelektromotorische Kraft nur entwickelt, wenn der hindurchfließende Strom Schwankungen be- ^₀ sitzt. Wollte man eine vollkommene Unterdrückung der Wechselspannungskomponente erzielen, so müßte man eine Spule von-unendlichen Abmessungen anwenden.

Ein anderes Verfahren besteht darin, eine Akkumulatorenbatterie in den Nebenschluß zu dem von dem Gleichrichter gespeisten Stromkreis zu legen. Die elektromotorische Kraft der Batterie stellt für die Gleichspannungskomponente des Gleichrichters eine Absperrung dar, während die Wechselspannungskomponente einen Wechselstrom in der Batterie hervorruft. Die Aufgabe der Batterie kommt also darauf hinaus, den Gleichrichter für seine Wechselspannungskomponente kurzzuschließen. Um jedoch die Unterdrückung

der Wechselspannungskomponente ausreichend zu machen, muß der innere Widerstand der Pufferbatterie vernachlässigbar klein sein im Verhältnis zum Widerstand des von dem Gleichrichter zu speisenden Stromkreises, und die Batterie muß daher sehr große Abmessungen aufweisen, wodurch das Verfahren unpraktisch wird.

Ein anderes Verfahren ist von dem eben ίο beschriebenen abgeleitet: Die Akkumulatorenbatterie wird durch eine Gleichstrommaschine mit einem schwachen inneren Scheinwiderstand ersetzt. Dieses Verfahren ist jedoch noch unpraktischer als das vorher beschriebene, weil es schwierig ist, eine Maschine zu bauen, deren Scheinwiderstand vernachlässigbar klein ist im Verhältnis zu dem Widerstand des von dem Gleichrichter zu speisenden Stromkreises.

Andere Verfahren benutzen das Zusammenwirken von Selbstinduktionen und Kapazitäten, um den Gleichrichter hinsichtlich seiner Wechselspannungskomponente kurzzuschließen. Diese Unterdrückungsstromkreise werden parallel zum Verbraucher kr eis geschaltet, und zwar unmittelbar oder über einen Transformator. Ihre elektrische Resonanzfrequenz stimmt mit der der Wechselspannungskomponente des Gleichrichters oder seinen Oberschwingungen überein, so daß sie für den durch die Komponente hervorgerufenen Strom einen bequemen Durchlaß bilden. Die Verfahren nach diesem Prinzip ergeben eine unvollkommene Unterdrückung, weil der Leistungsverlust in den Nebenschlußkreisen auf Kosten einer restlichen Schwingung der Spannung des Gleichrichters geliefert wird.

Andere Verfahren benutzen einen Hilfstransformator, dessen Sekundärspule in den Verbraucherstromkreis geschaltet ist, wäh- - rend die Primärwicklung in einen Stromkreis geschaltet ist, der einen Kondensator enthält und der von den Klemmen des Verbraucherstromkreises abgezweigt ist. In der Sekundär- -45 wicklung des Transformators bildet sich eine elektromotorische Kraft aus, welche der Wechselspannungskomponente des Gleichrichters entgegengesetzt ist und diese mehr oder weniger gut aufhebt. Der Kondensator 50- im Primärstromkreis verhindert den Durchgang des Gleichstromes in diesem Kreis. Dieses Verfahren ist noch unvollkommen, weil die den Verlusten entsprechende Energie durch eine restliche Schwingung der an den Verbraucherstromkreis gelegten Spannung geliefert werden muß.

Noch andere Verfahren benutzen in gleicher Weise einen Hilfstransformator, dessen Sekundärwicklung in den Verbraucherstromkreis eingeschaltet ist, dessen Primärwicklung aber durch einen Wechselstrom erregt wird, der von Dreielektrodenlampen geliefert wird. Die Elektronenemission dieser Lampen hängt von der Spannungsschwankung des Gleichrichters ab. Die elektromotorische Kraft in der Sekundärwicklung des Hilfstransformators gleicht die Wechselspannungskomponente des Gleichrichters aus. Diese Verfahren ermöglichen eine weitgehende Unterdrückung der Schwankungen, weil die Steuerung der Gitter der Dreielektrodenlampen nur eine unbedeutende Energie verlangt. Indessen ist die Benutzung von Dreielektrodenlampen nur brauchbar, wenn die Leistung, die man von ihnen verlangt, verhältnismäßig gering ist, wie z. B. in den Fällen, wo es sich um die Unterdrückung der Oberschwingungen handelt, welche telephonische Mitteilungen bei der Nachbarschaft eines Netzes stören, das von einem Sechsphasengleichrichter gespeist wird. Im anderen Fall, bei einem Gleichrichter mit zwei Anoden, ist die Benutzung von Dreielektrodenlampen nicht mehr brauchbar, weil die wattlose Leistung, die sie an den Transformator liefern müssen, zu groß ist.

Es ist ein weiteres Verfahren bekannt, gemäß dem auf der gleichen Achse mit dem Wechselstromerzeuger, welcher den Gleichrichter speist, eine Reihe einzelner Wechselstromerzeuger sitzen, deren jeder eine elektromotorische Kraft erzeugt, die gleich und entgegengesetzt einer der Oberschwingungen der von dem Gleichrichter gelieferten restlichen Wechselspannung ist. Diese Spannung hat bekanntlich die Form

wobei e_it e₂, e_s elektromotorische Kräfte von der Frequenz F₁ 2 F, 3 F sind usw. Wenn f weiterhin die Frequenz des Speisestromes für den Gleichrichter ist, so ergibt sich F = 2/ oder F = 3/ usw., je nachdem ob es sich um einen Zweiphasen-, Dreiphasen oder Mehrphasengleichrichter handelt. Wenn man alle diese Wechselstromerzeuger in Reihe mit dem Hauptstromkreis legt und die Phasenverschiebung der Läufer derartig einstellt, wie sie der Phasenverschiebung der Oberschwingungen entspricht, kann man die Wechselstromkomponente des gelieferten Stromes gleich Null machen.

Das Verfahren nach der Erfindung unterscheidet sich nun von den im vorstehenden beschriebenen darin, daß die Speisung des Hilfstransformators, der nach der Erfindung die gleiche Aufgabe hat wie bisher, durch einen besonderen Wechselstromerzeuger erfolgt, welcher so gebaut ist, daß er ganz allein die ganze Summe der Oberschwingungen der restlichen Wechselspannung des Gleichrichters liefert und so alle anderen obengenannten Wechselstromerzeuger ersetzt.

Das Verfahren ist einerseits anwendbar, " unabhängig davon, wie groß die Leistung der Schwankungen ist und nach welchen Gesetzen in Abhängigkeit von der Zeit sie ■ verlaufen, anderseits unabhängig von der Art des Gleichrichters : Quecksilberdampfgleichrichter, elektrolytisches Ventil, Elektronenröhre, mechanischer Umschalter und selbst bei jedem beliebigen Zusammenwirken von Gleichrichtern ro beliebiger Art, gleichviel ob der Gleichrichter von einem Einphasenstrom oder von Mehrphasenströmen gespeist wird.

Auf der beiliegenden Zeichnung, auf die in der Beschreibung Bez.ug genommen wird, t5 zeigt

Abb. ι ein Schema für eine beispielsweise

- Schaltung der elektrischen Verbindungen der Apparate zur Verwirklichung der Erfindung, ' Abb. 2 beispielsweise den Kopf der Wicklungen des besonderen Wechselstromerzeugers für einen besonderen Fall.

Zur Erläuterung der Erfindung sei das neue Verfahren in der Anwendung auf einen Quecksilberdampfgleichrichter R mit zwei Anoden gezeigt, die von einem Einphasentransformator gespeist werden. Die Sekundärwicklung a₂ b₂ eines Hilfstransformators T ist in den Verbraucherstromkreis derart eingeschaltet, daß sie von dem Gesamtstrom des Gleichrichters R durchflossen wird. Die Primärwicklung Ci₁ 0₁ des Hilfstransformators T wird durch einen Einphasenwechselstromerzeuger A erregt, dessen besondere Bauart, die in folgendem auseinandergesetzt wird, so ausgeführt ist, daß sich in der Sekundärwicklung a₂ b₂ eine elektromotorische Kraft bildet, 'die sehr genau gleich, aber entgegengesetzt der Wechselspannungskomponente des Gleichrichters R ist. Auf diese Weise ist diese Komponente in jedem Augenblick ausgeglichen und hat infolgedessen keinerlei Wirkung mehr auf die Klemmenspannung des Verbraucherkreises.

Der Wechselstromerzeuger A wird' von einem kleinen Synchronmotor M angetrieben, der von dem gleichen Netz gespeist wird wie der Gleichrichter R und der einem doppelten Zweck genügt: Er liefert die Verlustleistung des Hilfstransformators T und des Wechselstromerzeugers A und bildet das unerläßliche Bindeglied zwischen dem Wechselstromerzeuger A und dem Gleichrichter R₁ welches die in der Sekundärwicklung a₂ b₂ des Hilfstransformators T induzierte elektromotorische Kraft sehr genau der Wechselspannungskomponente des Gleichrichters R entgegengerichtet erhält. Der Motor M hat geringe Leistung: Die Leistung braucht nur die Verluste in dem Wechselstromerzeuger A und dem Hilfstransformator T zu decken. Die mittlere Nutzleistung des Wechselstromerzeugers A ist Null, weil sie der Arbeit einer Wechselspannung entspricht, die einem Gleichstrom überlagert ist.

Der Hilfstransformator T kann mit einer Vormagnetisierung arbeiten, welche von dem in der Sekundärwicklung a₂ b₂ fließenden Strom des Gleichrichters R herrührt.

Der Wechselstromerzeuger A ist der wesentliche und kennzeichnende Teil der Erfindung. Damit seine elektromotorische Kraft in der Sekundärwicklung a₂ b₂ des Hilfstransformators T eine elektromotorische Kraft hervorruft, welche die Spannungsschwankungen des Gleichrichters vollständig ausgleicht, muß sie sich nach einem Gesetz· ändern, welches von den elektrischen Eigenschaften des Hilfstransformators T₁ von dem inneren Widerstand des Wechselstromerzeugers A und von der Spannungszeitfunktion des Gleichrichters abhängt.

Die Zusammenfassung der Einzelwechselstromerzeuger zu einem einzigen beruht auf folgender Eigenschaft:

Man betrachte einen Wechselstromläufer mit 2 p Polen, der mit einer unveränderlichen Winkelgeschwindigkeit ω umläuft und ein sinusförmiges, magnetisches Feld in dem Luftspalt eines Ständers mit 2 p' Polen hervorruft. Die Wicklungen dieses Ständers werden symmetrisch zu den Polachsen angeordnet und ihre Stäbe untereinander in Reihe geschaltet. Jeder Stab des Ständers ist unter diesen Bedingungen der Sitz einer elektromotorischen Kraft, welche eine Sinusfunktion der Zeit mit der Frequenz /' = -^- ist, und die

auf diese Weise erzeugten elektromotorischen Kräfte addieren sich untereinander, um die gesamte elektromotorische Kraft des Ständers zuliefern. Dabei können zwei Fälle eintreten: too

ι. Wenn——+ 1 eine gerade Zahl ist, ist

die resultierende elektromotorische Kraft von Null verschieden.

2. Wenn

1 keine gerade Zahl ist (d.h.

wenn sie eine ungerade oder gebrochene Zahl ist), ist die resultierende elektromotorische Kraft gleichbleibend Null, weil sich die elektromotorischen Einzelkräfte in jedem Augenblick gegenseitig aufheben.

Diese Eigenschaft wird in der Art benutzt, daß die magnetischen Teile des Wechselstromerzeugers A so bemessen werden, daß sie die Scheinleistung des Hilfstransformators T aufbringen können und die Unterteilung· der Ständerwicklung des Wechselstromerzeugers A so gewählt wird, daß sie den Strom liefert, welcher der Primärwicklung a_t b_t des Hilf stransformators T. zugeführt werden soll:

i. Der Ständer und der Läufer des Wechselstromerzeugers A besitzen jeder eine Wick-

lung mit 2 P₁ Polen, und die Wicklungen sind so bemessen und verteilt, daß sie in ihrer Gesamtwirkung die elektromotorische Kraft e_± erzeugen, welche die erste Oberschwingung der Spannung e_a mit der Frequenz F ist.

Man wählt P₁ = ^75— . wobei Ω die Winkelgeschwindigkeit bezeichnet, mit welcher der Synchronmotor M den Läufer des Wechsel-Stromerzeugers A treibt.

2. Der genannte Ständer und Läufer sind außerdem jeder mit einer Wicklung mit 2X2^ Polen versehen. Diese Wicklungen sind so bemessen und unterteilt, daß sie in ihrer Gesamtwirkung die elektromotorische Kraft e₂ mit der Frequenz 2 F erzeugen, welche die zweite Oberschwingung der Spannung^ ist.

Kraft der oben angegebenen Eigentümlichkeit ist die Lauf erwicklung mit 2 p Polen ohne Wirkung auf die Ständerwicklung mit 2 X Zp₁ Polen, und die Läuferwicklung mit 2 X 2 P₁ Polen ist ohne Wirkung auf die Ständerwicklung mit 2 P₁ Polen.

3. Schließlich trägt der Läufer noch eine Wicklung mit 3 X 2 P₁ Polen, welche so bemessen ist, daß sie in der Ständer wicklung mit 2 P₁ Polen die elektromotorische Kraft e_z von der Frequenz 3 F erzeugt, welche die dritte Oberschwingung der Spannung e_d ist. Die Läuferwicklung mit 3 X 2 £ Polen ist ohne Wirkung auf die Ständerwicklung mit 2 X 2 P₁ Polen kraft der oben beschriebenen Eigentümlichkeit.

Ganz allgemein, wenn man beabsichtigt, die Oberschwingung e^ der elektromotorischen Kraft e_a zu erzeugen, können zwei Fälle eintreten:

i. Es kann sein, daß der Läufer mit k X 2 P₁ Polen keine Wirkung auf alle Ständer hat, deren Polzahl g X 2 P₁ kleiner ist als k X 2P₁, d. h. es kann der Fall eintreten, daß

Ic X 2V, . Ic

2V, . Ic , . ,

H^- + ι —- -i niemals eine

223 .

■ψ

gerade Zahl ist. In diesem Falle versieht man den Läufer und Ständer mit Wicklungen, welche jede & X 2 ^₁ Pole besitzen und geeignet sind, um die elektromotorische Kraft e_k zu erzeugen.

2. Es kann auch der Fall eintreten, daß der Läufer mit k X 2 P₁ Polen geeignet ist, eine elektromotorische Kraft mit der Frequenz kF in einer oder mehreren Ständerwicklungen zu erzeugen, deren Polzahl kleiner ist als k X 2 P₁,

d. h. es kann vorkommen, daß ~_r -j- 1 für einen

oder mehrere Werte von g eine gerade Zahl ist. In diesem Falle genügt es, den Läufer mit einer Wicklung mit k X 2 P₁ Polen zu versehen. Diese wird' so bemessen, daß die Summe der elektromotorischen Kräfte in denjenigen Ständerwicklungeii, auf welche sie eine Wirkung hat, genau gleich der Oberschwingung von der Ordnung k der elektromotorischen Kraft e_a ist.

Die Winkel zwischen den Achsen der Wicklungen des Weehselstromerzeugers A und den Polachsen des Läufers des Synchronmotors M werden so gewählt, daß sie die gewünschte Phasenverschiebung zwischen den Oberschwingungen e_x, e₂... e_k ergeben. Wohlverstanden, die Wahl dieser Winkel muß der Verzögerung Rechnung tragen, welche der Antriebss3'-ncbronmotor M gegenüber der Speisenetzspannung des Gleichrichters R aufweist.

Da die überlagerten Ständerwicklungen des Weehselstromerzeugers alle in Reihe geschaltet sind, setzen sich die in den Wicklungen induzierten elektromotorischen Kräfte zu einer einzigen Resultierenden zusammen.

Theoretisch gestattet das angegebene Verfahren den restlichen Unterschied zwischen der elektromotorischen Kraft des Weehselstromerzeugers A und der elektromotorischen Kraft, die zur vollkommenen Unterdrückung der Netzspannungsschwankungen erforderlich ist, beliebig weitgehend zu unterdrücken.

In Wirklichkeit ist jedoch die resultierende, in dem Ständer des Weehselstromerzeugers A induzierte elektromotorische Kraft nicht vollkommen gleich der Spannung e_a. Wenn man die Überlagerung der Wicklungen bis zur Oberschwingung m-ter Ordnung durchgeführt hat, ist die resultierende elektromotorische Kraft tatsächlich auf die Summe der η ersten Oberschwingungen von e_a beschränkt. Die restliche Abweichung ist jedoch in Wirklichkeit ohne Bedeutung, weil die Amplitude der Oberschwingungen von e_a mit zunehmender Ordnungszahl rasdi abnimmt und weil die natürliche Selbstinduktion der Stromkreise die Ausbildung der Oberschwingungen hoher Frequenzen wirksam verhindert.

Gemäß dem beschriebenen Verfahren sind in der Abb. 2 schematisch die Wicklungsköpfe eines Weehselstromerzeugers dargestellt, die sich in dem besonderen Fall ergeben, wenn die drei ersten Oberschwingungen erzeugt werden sollen, welche die elektromotorische "° Kraft e_a in ihrer Zusammensetzung ergeben sollen, unter der Voraussetzung, daß 2 P₁ gleich 4 ist.

Es ist selbstverständlich zulässig, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, das neue \^erf ahren zur Unterdrückung der Spannungsschwankungen an den Klemmen eines Gleichstromkreises, der durch einen Wechselstromgleichrichter gespeist wird, anzuwenden, um andere Schaltungen mit den oben beschriebenen Eigentümlichkeiten zu verwirklichen, für welche sich praktisch die gleiche Maßnahme

ergibt wie für das an Hand der Abb. ι und 2. beschriebene Anwendungsbeispiel.

In der vorangegangenen Beschreibung ist angenommen worden, daß die in den Ständer-S wicklungen induzierten elektromotorischen Kräfte e-ί, e₂ ■ ■ - in Funktion von der Zeit nach einem einfachen Sinusgesetz sich ändern. Besondere Umstände können dem hinderlich sein, die Wicklungen so zu verteilen und anzuordnen, daß diese Bedingung hinreichend erfüllt ist. Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich dann noch in folgender Form anwenden: Die Wicklungen /e-ter Ordnung des Wechselstromerzeugers A werden so ausgeführt, daß sie eine elektromotorische Kraft mit der Frequenz kF erzeugen, deren Grundschwingung gleich der Oberschwingung e_k von e_a ist, vermindert um alle Oberschwingungen mit der Frequenz k F₁ die von den in den Wicklungen niederer Ordnung als k erzeugten elektromotorischen Kräften herrühren. Auf diese Weise berichtigt die Anordnung der Wicklungen A-ter Ordnung alle Abweichungen, die sich als eine Funktion mit der Frequenz kF darstellen und deren Ursprung auf der Anordnung der Wicklungen niederer Ordnung als k beruht. Die restliche Abweichung auf Grund der resultierenden elektromotorischen Kraft ist dann von der gleichen Frequenz wie in dem zuerst beschriebenen Fall.

Anstatt alle Oberschwingungen von e_a mit Hilfe der Überlagerung von Wicklungen zu erzeugen, kann man auch einige von ihnen teilweise oder auch vollständig durch eine zweckmäßige Unterteilung der Ständer- und Läuferwicklungen erzielen und dadurch, daß man den magnetischen Teilen des Wechselstromerzeugers A bestimmte .Abmessungen gibt.

Man kann auch den Synchronmotor M gewöhnlicher Bauart durch jeden anderen elektrischen oder beliebigen Motor ersetzen, welcher der Bedingung genügt, sich in vollem Gleichlauf mit den Schwankungen des Speisenetzes für den Wechselstromgleichrichter R zu drehen.

Wenn man sich mit einer rohen Annäherung der Unterdrückung der Gleichrichter-Spannungsschwankungen begnügen will, kann man auch den Synchronmotor M fortlassen. In diesem Falle reichen die restlichen Schwingungen des Stromes in der Sekundärwicklung O₂ &2 des Hilfstransformators T aus, den Synchronismus der Drehung von A aufrechtzuerhalten und der Anordnung die Energie zu liefern, die durch die Verluste verbraucht wird.

Schließlich kann das Verfahren nach der Erfindung selbstverständlich in Verbindung mit jedem anderen Verfahren zur Erreichung des gleichen Zweckes vereinigt werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Erzeugung der Wechselstromkomponente der Spannung zur Speisung der Primärseite eines Hilfstransformators, dessen Sekundärseite zur Unterdrückung der Welligkeit der von einem Gleichrichter gelieferten Spannung in Reihe mit dem Verbraucherkreis geschaltet ist, in einem einzigen Wechselstromerzeuger.

2. Wechselstromerzeuger für ein Verfahren nach Anspruch 1 mit mehreren in ihrer Polzahl der Ordnungszahl der zu erzeugenden Wechselstromkomponenten entsprechenden Wicklungen im Ständer und Läufer.

3. Wechselstromerzeuger nach An-Spruch 2i mit mehreren Wicklungen, deren jede einen Teil der Wechselstromkomponenten verschiedener Frequenzen erzeugt.

4. Anordnung der Wicklungen im Ständer und Läufer des Wechselstromerzeugers nach Anspruch 2 oder 3 unter solchen räumlichen Winkeln, wie sie· der elektrischen Phasenverschiebung der einzelnen Komponenten untereinander entspricht.

5. Synchronmotor zum Antrieb des Wechselstromerzeugers nach Anspruch 2 oder 3, welcher die Verlustleistung im Transformator und Wechselstromerzeuger liefert.

6. Einrichtung bekannter Art zwischen den Läufern des Synchronmotors nach Anspruch 5 und des Wechselstromerzeugers nach Anspruch 2 zur Einstellung des räumlichen Winkels zwischen den Läufern, wie er der elektromagnetischen Nacheilung des Läuferfeldes hinter dem Feld' des Speisenetzes entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen