-
Umformer zur Umwandlung von Einphasen- in Gleichstrom, # insbesondere
für elektrische Triebfahrzeuge Die heute meist übliche Speisung elektrischer Vollbahnen
mit Einphasenstrom von ,62/3 HZ macht ein besonderes Energieverteilungssystem erforderlich.
Es besteht deshalb seit langem der Wunsch nach einem Bahnsystem, das mit 5o Hz arbeitet
und demgemäß aus den Netzen der allgemeinen Landesversorgun.g gespeist werden kann.
Von diesem Gedanken ausgehend ist bereits eine große Anzahl von Triebfahrzeugumformern
vorgeschlagen und zum Teil auch ausgeführt worden, die den im Fahrdraht zur Verfügung
stehenden Einphase#nstromrichter " von 5o Hz in Drehstrom oder in Gleichstrom
umformen. Da der Gleichstrommotor für Triebfahrzeuge zweifellos die betrieblich
günstigsten Verhältnisse aufweist, so kommt die Umformung des Einphasenstromes.
in Gleichstrom in erster Linie in Betracht. Hierzu kann man sich zunächst rotierender
Umformer, z. B. in Form von Motorgeneratoren, bedienen. Solche Umformer scheiden
jedoch wegen ihres verhältnismäßig großen Gewichtes aus, wohingegen die Benutzung
des Ventilgleichrichters für den genannten Zweck in letzter Zeit immer mehr an Bedeutung
gewonnen hat. Im einfachsten Fall kann der Gleichrichter als Einphasengleichrichter
zur unmittelbaren Speisung aus dem Fahrdraht über einen Abspanntransformator ausgebildet
werden. Hier ergibt sich jedoch eine unerwünscht große Welligkeit des gleichgerichteten
Stromes, welche schwere und teure Glättungsmittel erforderlich macht. Man hat diesen
Nachteil durch eine Anordnung zu umgehen versucht, bei der ein umlaufender Phasenspalter
vorgesehen ist, der den Einphasenstrom zunächst in Mehrphasenstrom umformt, worauf
dieser dann in einem mehrphasigen Ventilgleichrichter gleichgerichtet
wird.
Auch hier bleiben noch größere Nachteile bestehen, die vor allem darin begründet:
liegen, daß das Stromrichtergefäß sehr viel Platz beansprucht und daß außerdem ein
beträchtlicher Spannungsabfall in Kauf genommen werden muß. Dieser Spannungsabfall
ist besonders dann außerordentlich störend, wenn beim Übergang vom Fahrbetrieb auf
Nutzbremsbetrieb der Stromrichter von Gleichrichter- auf Wechselrichterbetrieb umgeschaltet
werden soll. Der Spannungsabfall in den Entladungsstrecken hat dann nämlich einen
Sprung in der Spannungsstromkennlinie zur Folge, der sich in Spannungs- und Stromstößen.
beim Übergang zum Nutzbremsen bzw. umgekehrt vom Nutzbremsen züm Fahren auswirkt.
-
Alle diese Schwierigkeiten werden durch den erfindungsgenläßen Umformer
zur Umwandlung von Einphasen- in Gleichstrom überbrückt. Die Erfindung bezieht sich
auf. einen Umformer, der aus einem Phasenspalter, der den Einphasenstroni zunächst
in Mehrphasenstrom umformt, undeinem Mehrphasexigleichrichter besteht. Der Gleichrichter
wird jedoch erfindungsgemäß als synchron umlaufender Verteiler'. ausgebildet, der
den Gleich-. stromkreis in innerhalb Ader Halbwelle der Mehrphasenspannung beliebig
verschiebbaren Zeitpunkten unter Zwischenschaltung von Strornbegrenzungseinrichtungen
in cyclischer Reihenfolge und mit zeitlicher Überlappung auf die einzelnen Phasen
umschaltet. Unter Strombegrenzungseinrichtungen sind hierbei solche Schaltungsteile
zu verstehen, die bei Stromrichterumkehr Odem beim Absinken des Stromes unter einen
kritischen Wert sprunghaft ihren Widerstand erhöhen. Die erste Art von Strombegrenzungseinrichtungen
stellt im wesentlichen nichts anderes dar als Ventile, wobei in erster Linie Trockengleichrichter
Verwendung finden können. Strombegrenzungseinrichtungen, die beim Absinken des Stromes
unter einen bestimmten Wert sprunghaft ihren Widerstand erhöhen, können vorzugsweise
in Form der sog. Schaltdrosseln ausgeführt werden. Schaltdrosseln sind Drosselspulen,
die eine scharf geknickte magnetische Kennlinie haben und deren Sättigungspunkt
bereits bei einem-Stromwert liegt, der so niedrig ist, daß er noch funkenlos unterbrochen
werden kann, Oberhalb dieses Stromes haben die Schaltdrosseln keine nennenswerte
Indtiktivität, während bei Unterschreitung des Sättigungsstromes ihre Induktivität
sprunghaft auf einen sehr großen Betrag ansteigt. Als Kommutierungshilfsmittel bei
einem als Gleichrichter arbeitenden, umlaufenden Verteiler bewirken diese Schaltdrosseln,
daß die Änderungsgeschwindigkeit des Stromes in dem abzulösenden Kontakt in der
Nähe des Nulldurthganges so gering wird, daß ein längerer Zeitraum zur funkenlosen
Unterbrechung zur Verfügung steht.
-
Der Verteiler kann in beliebiger Weise ausgebildet werden. Zweckmäßig
erhält -er die Form eines gewöhnlichen Kommutators. Durch den unmittelbaren mechanischen
Kontaktschluß werden nennenswerte Spannungsabfälle vermieden, so daß der erwähnte
Knick in der Kennlinie beim Übergang von der einen Betriebsart auf die andere in
Fortfall kommt und außerdem eine erhebliche Leistungsersparnis erzielt wird. Irgendwelche
Kontaktschwierigkeiten sind wegen der Strombegrenzungseinrichtungen nicht zu befürchten.
Vor allem aber kann die Spannungsregelurig von Null bis auf den Höchstwert durch
einfaches Verdrehen einer Bürstenbrücke geschehen, wobei der Platzbedarf für Verteiler
und Regeleinrichtungen äußerst gering bleibt.
-
Der Gedanke, einen mechanischen Verteiler mit einem Phasenspalter
zusammenarbeiten zu lassen, ist an sich nicht mehr neu. Bei der bekannten Einrichtung
hat jedoch der Verteiler lediglich die Aufgabe, den von dem Phasen,spalter erzeugten
Mehrphasenstrom durch ständiges Verschieben der Wicklungsabgriffe in dem einen oder
anderen Sinn in seiner Frequenz zu regeln, ulu auf diese Weise die gespeisten Drehstrommotoren
in ihrer Drehzahl steuern zu können. Ein funkenloses Arbeiten des Verteilers, wie
es für Datierbetrieb unbedingt erforderlich ist, dürfte bei der bekannten Einrichtung
wegen des Nichtvchrhandenseins von Strombegrenzungseinrichtungen praktisch nicht
erreichbar sein.
-
Die Erfindung möge an Hand des in Fig. i der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es handelt ,sich hier um die Verwendung
auf einem Triebfahrzeug, das aus einer Einphasenstrom von So Hz führenden Fahrleitung
i gespeist wird, dessen Fahrmotore#n 3 aber mit Gleichstrom betrieben werden.
Die Fahrdrahtspannung, die beispielsweise 16kV betragen möge, wird der einphasigen
Ständerwicklung 5 eines Synchronphasenuniformers 4 zugeführt, der außerdem
noch eine sechsphasige Arbeitswicklung 6 im Ständer aufweist. Der Läufer
des Phasenumforiners hat ausgeprägte Pole mit einer Erregerwicklung 8, die
über Schleifringe 9 aus, einer kleinen Ei rregermaschine io, die auf
der gleichen Welle sitzt, gespeist wird. Außerdem ist -auf dem Induktor eine
kräftige Dämpferwicklung 7 vorgesehen. Die sechsphasige Arbeitswicklung ist
in Stern geschaltet und mit den Bürsten ig eines synchron umlaufenden Verteilers
verbunden, dessen andere, Büxstengruppen 2o abwechselnd über zwei Trockengleichrichter
17
bzw. 18 mit dem Pluspol des Gleichstromkreises 2 verbunden sind.
Der Minuspol des Gleichstromkreises wird von dem Sternpunkt der sechsphasigerf-
Arbeitswicklung des Phasenurnformers gebildet.
-
Der Verteiler selbst hat am Umfang zwölf leitende Kontaktstücke, die
beispielsweise ähnlich wie die Lamellen eines normalen Kollektors mit Schwalbenschwänzen
in die Nabe eingesetzt sein können. Von diesen zwölf Kontaktstücken nehmen jedoch
an der Stromführung nur zwei Gruppen zu je
zwei Kontaktstücken 13 und
14 bzw. 15 und 16 teil, wobei entsprechende Kontaktstücke der verschiedenen Gruppen
miteinander leitend verbunden sind. jede Phase wird also während eines Umlaufs des
Verteilers, der in dem dargestellten Beispiel mit dem Phasenumformer auf gleicher
Welle sitzt, zweimal über die Trockengleichrichter an die Plussaminelschiene angeschlossen
werden, wenn der Umformer, wie im vorliegenden Fall, vierpolig ausgeführt ist. Die
Trockengleichrichter 17
und 18 haben die Aufgabe, die Kommutierung
des Stromes von einer Phase auf die andere zu übernehmen. An Stelle des dargestellten
Verteilers kann auch ein anderer synchron Uinschalter benutzt werden. So kann z:
B. eine Schalterkonstruktion Verwendung finden, bei der die einzelnen Schaltkontakte
durch 'eine Nockenwelle angetrieben werden, die mit dem Phasenspalter gekuppelt
sein kann.
-
Wie die Kommutierung des Stromes im einzelnen vor sich geht, ist in
Fig. 2 näher dargestellt. Fig.:2a zeigt den Verlauf der Pliasenspannungen it, bis
et, Fig. 2b zeigt die Einschaltzeiten ti bis t6 der einzelnen Phasen unter
der Voraussetzung, daß die Zuschaltung der Folgephase jeweils im Zeitpunkt der Spannungsgleichheit
erfolgt. Man erkennt aus Fi g* 2 c, daß die einzelnen Phasen sich in ihren
'Einschaltzeiten um einen Betrag ä überlappen. Während der überlappungszeit bildet
sich nun ein innerer Stromkreis, in dem die beiden Ventile mit verschiedener Durchlaßrichtung
hintereinanderliegen, und in dem als- treibende Spannung die Differenz aufeinanderfolgender
Phasenspannungen wirksam ist. Ein Kurzschlußstroin kanil zwischen diesen beiden
Phasen nicht auftreten, da dieser Strom für den in der abzuschaltenden Phase liegenden
Trockengleichrichter ein Rückstroin wäre, der wegen der Veritilwirkung nicht fließen
kann. Dieser Trockengleichrichter kann also funkenlos von der betreffenden Phase
getrennt werden. N ach -
dem diese Trennung erfolgt ist, wird er durch
den Verteiler auf die nächste Phase umgeschaltet, und das Spiel wiederholt sich
von neuem. Für die Komimitierung benötigt man im vorliegenden Fall also nur zwei
Trockengleichrichter. Da die Trockengleichrichter in ihrer Sperrichtung immer nur
während der Kommutierungszeit beansprucht sind, können sie wesentlich kleiner bemessen
werden als Trockengleichrichter in einer normalen Gleichrichterschaltung.
-
Außerdem kann nun aber mit dem erfindungsgemäßen Umformer die Spannung
in einfachster Weise durch Bürstenverschiebung an dem 'Verteiler geregelt werden.
Es treten dann die gleichen Verhältnisse auf wie' bei der Spannungsregelung durch
Bürstenverschiebung bei einer Gleichstrommaschine. Bei der Gleichstrommaschine kann
man jedoch von dieser Art der Spannungsregelting nur in sehr beschränktem Maße Gebrauch
machen, da man mit den Bürsten nicht aus der komimitierenden Zone herauskommen darf.
Bei dem erfindungsgemäßen Umformer erstreckt sich jedoch der Spannungsregelbereich
durch Bürstenverschiebting von Null bis zur vollen Spannung, da die Kornmutierungseinrichtung,
nämlich die Trockengleichrichter, an die Bürsten angeschlossen sind und bei der
Verschiebung mitgenommen werden. Fig. :2d
und 2e zeigen die Verhältnisse,
die sich bei einer Bürstenverschiebung ergeben, bei der die Zuschaltung der Folgephase
jeweils erst um den zeitlichen Winkel nach dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit
erfolgt. Die Einschaltzeiten t,' bis t,' der einzelnen Phasen überlappen sich wieder
um das* Zeitstück ih Der Übergang der Kurve der gleichgerichteten Spannung von der
Spannungskurve einer Phase auf die der Folgephase erfolgt ebenfalls um den Winkel
später als bei der Aussteuerung nach Fig. 2 a, so daß sich eine sägeblättartige
Kurve ergibt, deren Mittelwert entsprechend geringer ist. Es ergebeii sich hier
also ähnliche Verhältnisse, wie sie von der Gittersteuerung von Entladungsstrecken
her bekannt sind. Die Stromführung geht, wie Fig. 2 c und :2 f das *zeigt,
unter der *Voraussetzung eines völlig geglätteten Gleichstromes so von einer Phase
auf die andere über, daß während der Überlappungszeit Ü die Summe der einander ablösenden
Phasenströme il bis i6 stets gleich dem Gleich -strom ist.
-
Wesentlich ist, daß der abgegebene Gleichstrom bei Verwendung von
sechs Arbeitsphasen im Phasenumformer eine sechsphasige Welligkeit zeigt. Es ist
dies ein großer Vorteil gegenüber den Verhältnissen bei den üblichen Gleichrichterlokomotiven,
Blei den'en. wegen der Zweiweggleichrichtung immer nur eine zweiphasige Welligkeit
auftritt, die große und schwere Glättungseinrichtungen erforderlich macht. Eine
#veitere Herabsetzung der Welligkeit kann erreicht werden, wenn man
die
Arbeitswicklung so ausbildet, daß die induzierte Spannung nicht sinnsförinig, sondern
trapezförmig wird, beispielsweise durch Einfügung einer fünften Oberwelle. Man erhält
dadurch auch Vorteile für die Kommtitierung insofern, als der Spannungsanstieg steiler
wird.
-
Die Gegenamperewindungen für die abwechselnd belasteten -sechs Phasen
des umlaufenden Phasenuinformers bringt die Dämpferwicklung auf, die ihrerseits
wieder die Einphasenwicklung und damit das Einphasennetz belastet.
-
Bei der Herabregelung der Spannung durch Bürstenverschiebung tritt
eine Verschlechterung des Leistungsfaktors auf der Primärseite des Phasenumformers
ein, und z-war wird -der Leistungsfaktor proportional dem, Verhältnis der geregelten
Gleichspannung zur höchsten Gleichspannung. Es ist nun leicht möglich, durch Verstärtzen
der Erregung des Synchronphasenumformers diese. Phasenverschiebung weitgehend zu
kompensieren. Zu diesem Zweck kann -die Bürstenverstellvorrichtung mit dem Erregerwiderstand
gekoppelt sein, beispielsweise derart, daß ständig ein gleichbleibender Leistungsfaktor
aufrechterhalten bleibt. Der Primärstrom wird eine geringe Verzerrung zeigen, die
der einer Sechsphasengleichrichtung entspricht.
-
An Stelle der Trockengleichrichter als Kommutierungsmittel kann man
auch andere Ventile, wie beispielsweise Quecksilberdampfgleichrichter, verwenden,
die dann nur zwei Anodensysteme zu haben brauchen und verhältnismäßig günstig bemessen
werden können. Letztere können auch steuer-bar ausgestaltet werden, besonders wenn
es sich um höhere Spannungen handelt. Man kann dann nämlich den Einschaltfunken
des Verteilers verwenden. An Stelle von Ventilen kann .man auch Drosselspulen verwenden,
die bei plötzlichen Stromänderungen im Kommutierungsaugenblick die Spannung auf
Null
abdrosseln, um einen funkenfreien Ablauf der Kontakte am vorteilhaftesten
zu gewährleisten. Diese Drosseln können so ausgeführt sein, daß ihre Induktivität,
die bei normalen Strömen durch Sättigung praktisch verschwunden ist, erst bei Unterschreitung
eines niedrig liegenden kritischen Stromes sprunghaft wieder ansteigt. Es kann auch
eine -Kombination von Ventilen und Drosseln be-
nutzt werden, um insbesondere
bei stark herabgeregelter Spannung die Kommutierung zu verbessern.
-
Da beim Phasenumformer die beiden Arbeitsphasen, die mit der Netzphase
koaxial sind, eine geringere Streuung aufweisen als die übrigen Phasen, kann man
in diesen beiden Phasen zusätzliche Drosselspulen anbringen oder durch entsprechende
Einstellung der Bürsten die erhöhte Spannung der beiden Phasen teilweise kompensieren.
Zum Zwecke des Anlassens ist es nur erforderli-ch, den primärseitigen Schalter einzulegen
und zwei mit der Prirnärwicklung nicht koaxiale Phasen über eine Drosselspule oder
einen Kondensator zu verbinden, wobei die gleichstromseitigen Schalter geöffnet
sein müssen. Nachdem der Umformer auf seine asynchrone Drehzahl hochgelaufen ist,
wird die Gleithstromerregung zugeschaltet und die Anlaßphase wieder geöffnet.
-
Man kann auch an der Primärwicklung des Phasenumformers Anzapfungen vorsehen
und so eine,Grobregelung der Spannungen durcli Anzapfungen mit einer Regelung durch
Bürstenverschiebung kombinieren. Man schafft damit günstigere Bedingungen für die
Kommutierungseinrichtung, die ja hauptsächlich bei der Herabregelung der Spannung
beansprucht wird, Selbstverständlich kann man auch bei den Triebmotoren Reihenparallelschaltung
- anwenden. Man kann dadurch vor allem den Blindstromverbranch herabsetzen.
-
Um eine bessere Ausnutzung des Phasenumformers und eine geringere
Strbmbelastung des Verteilers zu erhalten, kann man die sechsphasige Arbeitswicklung
des Phasenuinformers in zwei um i8o' verschobene Dreiphasenwicklungen auftrennen
und die beiden Sternpunkte über eine Saugdrosselspule, wie sie bei Stromrichteranlagen.
üblich ist, verbinden. Die Belastungsdauer einer Phase wird dann verdoppelt, während
die Strombeanspruchung auf die Hälfte zurückgeht, so daß man eine bessere Ausnutzung
und damit kleinere Abmessungen für den Phasenumformer erhält. In diesem Falle benötigt
man jedoch statt der zwei Trockengleichrichter deren drei, da ja dann während der
Kommutierung zu gleicher Zeit drei Phasen Strom führen. Dementsprechend müssen die
Kontaktsegmentgruppen, die auf dem Verteiler miteinander verbunden und so zur Stromführung
herangezogen sind, aus je drei benachbarten Kontaktsegmenten bestehen.
-
Zur besseren Ausnützung der primären Arbeitswicklung kann man auch
eine geschlossene Gleichstromwicklung verwenden, die eine der verlangten Phasenzahl
entsprechende Zahl von Anzapfungen erhält, die an die Bürsten angeschlossen werden.
Man benötigt dann aber zwei Verteiler, da ein Sternpunkt nicht vorhanden ist.
-
Der erfindungsgemäße Umformer erlaubt ohne weiteres auch ein Rückarbeiten,
was auch wiederum bei Triebfahrzeugen wegen der Nutzbremsung außerordentlich wichtig
ist. Arbeitet der Umformer mit Ventilen, so
braucht man bei einem
Energierichtungswechsel nur die Anschlüsse zwischen dem Umformer und den Gleichstromsarnmelschienen
zu vertauschen und die Bürstenbrücke in die für das Rückarbeiten erforderliche Lage
zu verdrehen. Anstatt die Anschlüsse zu vertauschen, kann man für das Rückarbeiten
auch einen. besonderen Verteiler mit besonderen Ventilen vorsehen. Dieser kann dann,
da das Rückarbeiten nur gelegentlich auftritt, wesentlich kleiner beinessen werden.
Bei Verwendung von Drosselspulen als Kommutierungseinrichtung ist ein Umschalten
der Polarität beim Rückarbeiten nicht erforderlich. Der Verteiler kann, wie es auch
das Ausführungsbeispiel zeigt, auf die gleiche Welle mit dem Phasenumformer gesetzt
werden; es ist jedoch auch möglich, für seinen Antrieb einen besonderen kleinen
Synchronmotor zu verwenden.