DE591326C - Anordnung zur Umformung von ein- oder mehrphasigem Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
19. JANUAR 1934

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT Ü

KLASSE 21 d² GRUPPE

S 71519 VlIIbI2id² Tag der Bekanntmachung über die Erteilung des Patents 4. Januar 1934

Siemens-Schuckertwerke Akt.-Ges. in Berlin-Siemensstadt*)

Anordnung zur Umformung von ein- oder mehrphasigem Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt

Patentiert im Deutschen Reiche vom 15. September 1925 ab

Die Priorität der Anmeldung in Österreich vom 17 August 1925 ist in Anspruch genommen.

Die Erfindung· bezieht sich auf eine Anordnung zur Umformung· von< einn oder mehrphasigem Wechselstrom in Gleichstrom, oder umgekehrt und besteht darin, daß die umzuformende Leistung" vom Wechselstromnetz einer Synchronmaschine und von dieser einem mit ihr elektrisch und mechanisch gekuppelten regelbaren Einankerumformer ohne synchronisierendes Drehmoment zugeführt oder entnommen wird. Ein regelbarer Einankerumformer im Sinne der Erfindung" ist ein solcher mit regelbarem irmenem Übersetzungsverhältnis zwischen Wechsel- und Gleichspannung (Schleifring- und Kommutatorbürstenspannung, wenn, die Kommutatorwicklung im Läufer liegt). Ein Einankerumformer ohne synchronisierendes Drehmoment ist ein solcher, der seine Feldachse an sich nicht starr festhält und daher zum, asynchronen Lauf befähigt ist. Er kann z. B. ein läufererregter, frequenzwandlerartiger Umformer sein, oder er muß eine Ständererregung haben, die ein Schlüpfen des Feldes bei asynchronem Lauf und während des Regelvorganges zuläßt. An Stelle je einer Synchronmaschine und je eines Einanikerumformers kann auch eine entsprechende Gruppe von solchen vorhanden sein.

Die Umformeranordnung nach der Erfindunghat geringes Gewicht, denn die elektrische Leistung durchfließt alle Maschinen nur als sogenannte Durchgangsleistung mit Stromwärmeersparnis in den Arbeitswicklungen und ohne in mechanische Leistung umgeformt zu werden. Die Anordnung arbeitet mit gutem Leistungsfaktor, weil dieser durch die Synchronmaschine beherrscht werden kann. Die Kommutatorspannung des Einankerumformers ist ohne Kommutierungsstörungen stetig vom Höchstwert durch Null bis zum entgegengesetzt gleichen Höchstwert regelbar. Der Einankerumformer ist vom synchronisierenden Drehmoment entlastet und wird nur durch die Synchronmaschine im synchronen Lauf gehalten, damit er im ungestörten Betrieb reinen Gleichstrom abgibt. Bei vorübergehendem Außertrittfallen kann er ohne weiteres schlüpfen, und auch die ihn speisende Synchronmaschine kann bei Anwendung der unten beschriebenen Mittel vorübergehend den Synchronismus verlassen, ohne dauernd

^A) Von dem Patcntiutlwr isi ah der Ei finder angegeben wenden·

Dr. Alfred Grabner in Wien.

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außer Tritt zu fallen. Da beim asynchronen Lauf und während des Regelvorganges im drehmomentloscn Einankerumformer keine Ausgleichsströme auftreten, bleibt seine Kommutierung ungestört. Der Umformersatz kann daher auch Stoßbelastungen im mehrfachen Betrag der betriebsmäßigen Belastung aufnehmen. Er läuft auch bei vorübergehendem Ausbleiben der Netzspannung unter

ίο Drehzahlabfall weiter und erreicht nach Wiederkehr der Netzspannung selbsttätig wieder den Synchronismus. Die Synchronmaschine kann außer zum synchronen Antrieb des Einankerumformers und zu dessen Speisung¹ vorteilhaft auch zur Phasenzahlerhöhung' dienen. Dadurch wird nicht nur die Umformeranordnung besonders zur Einphasenstrom-Gleichs1 rom-Umformung geeignet, sondern es wird auch bei Mehrphasenstrom-Gleichstrom-Umformung das Arbeiten des Einankerumformers von der Phasenzahlerhöhung günstig beeinflußt. Selbst ohne Phasenzahlerhöhung hat die Synchronmaschine den Vorteil, daß die Oberwellen des aus dem Netz entnommenen Stromes schon in ihr wirksam abgedämpft und vom kommutierenden System ferngehalten werden. Bei Verwendung mehrerer Einankerumformer kann die Synchronmaschine außerdem in einfacher Weise zu deren magnetischer Verkettung dienen, wie das folgende Ausführungsbeispiel zeigt. Die Einankerumformer sind also auf den reinen Umformungsvorgang beschränkt, während alle übrigen nötigen Funktionen ihnen durch die sie speisende Synchronmaschine abgenommen Averden.

In Fig. ι der Zeichnung ist beispielsweise ein Einphasenstroin-Gleichstrom-Umforrner nach der Erfindung dargestellt. Der Maschinensatz besteht im Wesen aus einem Paar Einankerumformer C₁ und e„ und einer sie speisenden und antreibenden gleichstromerregten Synchronmaschine />, die die umzuformende Energie dem Netz η entnimmt. Die Einankerumformer sind gleichstromseitig in Reihe geschaltet und wechselstromseitig an zwei elektrisch getrennte, aber magnetisch miteinander verkettete Wicklungen O₁ und a₂ der Synchronmaschine ρ angeschlossen. Der Gleichstrom wird bei g abgenommen und Verbrauchern zugeführt. Die Einankerumformer C₁ und ßo werden von ihren Läufern aus erregt. Ihre Ständer J₁ und J₂ tragen keine Hauptfelderregerwicklungen, sondern bilden bloß den magnetischen Schluß für den Läuferkraftfluß. Sie haben nur Wendepole w mit den üblichen Hauptstrom wicklungen und gegebenenfalls noch Kompensationswicklungen, die hier nicht dargestellt sind. Die FeIdwicklung/ der Synchronmaschine ρ empfängt ihren Erregerstrom von einem der Einankerumformer, 7.. B. von C₂. Die Erregerspannung wird dort etwa zwischen einer Hauptbürste b und einer Hilfsbürste c abgenommen. Ein Regelwiderstand r dient zum Einstellen des Erregerstromes. Er wird aber nicht zur betriebsmäßigen Regelung der Gleichspannung benutzt.

Die betriebsmäßige Spannungsregelung er^: folgt ausschließlich durch eine räumliche Vcrdrehung der Umformerständer ohne Benutzung elektrischer Reg-elapparate. Es wird in den Umformern der Winkel zwischen ihrer Hauptfeldachse und der Kommutatorbürstenachse geändert, indem die Kommutatorbürsten b und wegen der Stromwendung zugleich die Ständer .V₁ und J₂ mit ^^en Wendepolen w durch einen gemeinsamen Antrieb (Welle d mit Umkehrgetriebe u) mittels Handrades h oder motorischen Antriebs gegeneinander verdreht werden. Durch diese gegenläufige Verdrehung der Bürstenachsen in beiden Einankerumformern werden nicht nur bei der Regelung etwa entstehende wattlose Stromkomponenten gegenseitig aufgehoben, sondern es wird bei vorübergehendem asynchronem Lauf des Umformersatzes eine unerwünschte Spannungserhöhung auf der Glcichstromseite vermieden. Bei asynchronem Lauf geht nämlich die Gleichspannung in eine Wechselspannung über, deren Höchstwert die Gleichspannung in störender Weise übersteigen kann, wenn nur ein Einankerumformer vorhanden ist. Dieser Höchstwert ist in jedem Umformer für sich stets der höchstmöglichen Gleichspannung gleich, auch dann, wenn gerade durch Bürstenverdrehung eine erniedrigte Gleichspannung eingestellt ist. Die Verbraucher würden also in diesem Betriebszustand periodische Überspannungen erhalten. In den in Fig. ι dargestellten gegenläufig geregelten Umformern tritt dagegen diese störende Erscheinung nicht auf. Denn die an ihren Kommutatorbürsten bei asynchronem Lauf erscheinenden Wechselspannungen sind gegeneinander in der Phase entsprechend dem Bürstenwinkel der Umformer verschoben. Die aus den beiden Teilspannunigen resultierende Spannung hat als Höchstwert nicht mehr die höchstmögliche Gleichspannung, sondern nur die der gewählten Bürstenverstellung entsprechende verminderte Summengleichspannung beider Kommutatoren. Diese wird also auch bei vorübergehendem Asynchronismus des U"mformersatzes niemals überschritten.

Die beschriebene Anordnung eignet sich besonders als Umformer für Lokomotiven mit Einphasen- Wechselstromspeisung. Hierbei ist die Synchronmaschine als Einphasen-Mehrphasen-Umformer auszubilden.

Bei der Ausführunigsform nach Fig. 2 speisen die beiden Einankerumformer ^₁ und e₂ in

Parallelschaltung einen fremderregten Gleichstrommotor m. Ihre Läuferwicklungen sind in der durch Ziffern ι bis 6 bezeichneten Weise an ein und dieselbe Läuferwicklung a des synchronen Phasenumformers p angeschlossen. Dieser formt den Dreiphasenstrom des Netzes in Sechsphasenstrom, bei der praktischen Ausfuhrung besser in Zwölfphasenstrom um, der in den Einankerumformern mit geringen Verlusten in Gleichstrom umgesetzt wird. Der Phasenumformer p liefert zugleich den mechanischen Antrieb für die Einankerumformer und für eine besondere Erregermaschine h. Diese Hilfsmaschine speist die Erregerwicklung f des Phasenumformers p und die Feldwicklung t des Motors m. Sie ist beispielsweise ähnlich den Einankerumformer!! e_x und e₂ als läufergespeister Frequenzwandler ausgebildet und empfängt wie jene sowohl die in Gleichstrom umzusetzende Wechselstromenergie als auch die Läufererregung von der Hauptmaschine p. Die Läuferwicklung der Hilfsmaschine h ist hierzu mit ihren Stellen 1, 3 und 5 an die gleichbezifferten Stellen der Läuferwickkmg a des Phasenumformers p angeschlossen. Ihr unbewickelter Ständer s dient gleichfalls nur als magnetischer Schluß. Er hat gegenüber den kommutierenden Zonen des Läufers Aussparungen; Wendepole sind bei dieser kleinen Alaschine meist entbehrlich. Die Erregung des Motors m kann durch einen Regelwiderstand r beeinflußt werden. Während der Bremsung des Motors ist Stromrückgewinnung möglich. Die Umformung geht hierbei in umgekehrtem Sinn, nämlich vom Gleichstrom in Wechselstrom, vor sich.

Im ungestörten Betrieb läuft der Umformersatz synchron. Im asynchronen Lauf gibt die Erregermaschine h an den Phasenumfor-111er ρ und an den Gleichstrommotor m eine langsam pulsierende Wechselstromerregung ab. Hierbei polt sich die Kommutatorspannung der Einankerumformer periodisch um.

Da gleichzeitig wegen des elektrischen Zusammenhanges durch die gemeinsame Hilfsmaschine h auch der Gleichstrommotor m umgepolt wird, bleibt die Anlage auch bei asynchronem Lauf betriebsfähig. Die Synchronmaschine p bringt den Umformersatz nach Aufhören der Überlastung selbsttätig wieder in den Synchronismus.

Die beschriebenen Anordnungen können mannigfach abgeändert werden, ohne daß ihre Vorteile verlorengehen. Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 2 kann die Erregung des Phasenumformers p und des Motors m den Einankerumformern e_v e» entnommen werden. Die Phasenzahl kann „ auch außerhalb der Synchronmaschine p etwa durch einen ruhenden Dreiphasen-Sechsphasen-Transformator erhöht werden. Man wird aber hierzu vorteilhafter doch die Maschine p heranziehen, um sie besser auszunutzen. Die Synchronmaschine/? kann auch in zwei Teile zerlegt sein, wovon der eine die Phasenumformung, der andere den mechanischen Antrieb besorgt. Der Umformersatz kann also z. B. durch die Hilfsmaschine h angetrieben Averden, wenn diese als Synchronmaschine ausgebildet ist und hierzu ein zur Drehmomentbildung geeignetes Ständerfeld erhält. Der Antrieb kann auch durch einen synchronisierten Gleichstrommotor erfolgen.

Die Umformeranordnung nach der Erimdung ist sowohl für einphasig oder mehrphasig gespeiste Triebfahrzeuge (Umformerlokomotiven) als auch für ortsfeste Anlagen bestimmt. Trotzdem für ortsfeste Mehrphasenanlagen schon erprobte einfache Anordrmngen bekannt sind, ist die Anordnung auch hier wegen ihrer Eigenschaften, wie z. B. Gewichtsersparnis, Betriebssicherheit und einfache Bedienbarkeit, mit Vorteil anwendbar.

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Umformung von ein- oder mehrphasigem Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt, gekennzeichnet durch einen Einankerumformer ohne synchronisierendes Drehmoment mit regelbarem innerem Übersetzungsverhältnis zwischen Wechsel- und Gleichspannung und eine mit dem Umformer mechanisch und elektrisch gekuppelte Synchronmaschine, die die umzuformende elektrische Leistung- dem Umformer zuführt oder entnimmt.

2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine zugleich als Synchronantrieb des Einankerumformers und als Phasenumformer zur Erhöhung- der Phasenzahl des Einankerumformers dient.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Synchronmaschine gespeiste Einankerumformer in an sich bekannter Weise durch Änderung der Winkellage zwischen Feldachse und Kommutatorbürstenachse regelbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verdrehbare Ständer des von der Synchronmaschine gespeisten Einankerumformers nur Wendepolwicklungen, Kompensationswicklungen oder ähnliche Hilfswicklungen, aber keine Erregerwicklung trägt.

5. Anordnung nach Anspruch τ bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Gleichspannung des Umformers dessen Kommutatorbürsten und mit ihnen der die

Wendepole tragende Ständer verdrehbar sind, während seine Feldachse durch Läufererregung in einer räumlich feststehenden Lage bestimmt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 3 bis 5 mit zwei gegenläufig geregelten Einankerumformern oder Gruppen von solchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung wesentlich durch räumliche Relativverstellung von Kommutator und Kommutatorbürsten, z. B. durch Ständerverdrehung, ohne Benutzung elektrischer Regelapparate erfolgt.

7. Anordnung nach Anspruch r bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufererregung des Einankerumformers (e_u e₃) durch die Synchronmaschine (/>) erfolgt.

8. Anordnung nach Anspruch r bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselstromnetz (n) und wenigstens ein Einankerumformer (V₁ oder e₂) an dieselbe Wicklung (O₁ in Fig. ι, α in Fig. 2) der Synchronmaschine (p) angeschlossen sind.

9. Anordnung nach Anspruch r bis 8, gekennzeichnet durch eine als Einankerumformer ausgebildete Erregermaschine [K) zur Speisung der Feldwicklung ([) der Synchronmaschine.

10. Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker der Erregermaschine (Zz) mit dem. Anker der Synchronmaschine (/>) elektrisch verbunden ist, so daß der Anker der Erregermaschine (h) von der Synchronmaschine (/>) erregt wird.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer der Erregermaschine (h) höchstens Wendepol- oder Kompensationswicklungen, aber keine Erregerwicklung trägt.

12. Anordnung nach Anspruch 1 "bis 11 zur Speisung von Gleichstrommotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine (/>), der Einankerumformer (C₁, C₂) und die fremderregten Gleichstrommotoren (m) eine gemeinsame Erregermaschine (/*) besitzen.

Γ3. Anordnung nach Anspruch τ bis 12 mit zwei oder mehreren gleichstromseitig parallel geschalteten Einankerurnformern oder Umformergruppen, dadurch gekennzeichnet, daß beide Umformer bzw. Umformergruppen wechselstromseitig an die gleiche Wicklung (α) der Synchronmaschine (ρ) angeschlossen sind.

14. Anordnung nach Anspruch 1 bis 13 mit zwei gegenläufig regelbaren, gleichstromseitig in Reihe geschalteten Einankerumformern oder Umformergruppen, dadurch gekennzeichnet, daß beide Umformer bzw. Umformergruppen wechselstromseitig an elektrisch getrennte Wicklungen (a_1; a₂) der Sj^nchronmaschine (p) angeschlossen sind.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen