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Einankerumformer -mit Spannungsregelung durch Verdrehen der Kommutierungszone
gegenüber der magnetisch neutralen Zone Es ist üblich., beim Einankerumformer die
Gleichspannung dadurch zu regeln, daß die zugeführte Wechselspannung geändert wird..
Eine Änderung des* Erregerstromes hat beim Einankerumformer bekanntlich keine Spannungsänderung,
sondern lediglich eine Beeinflussung der- Blindstromaufnahme auf der Drehstromseite
zur Folge. Um die Spannungsregelung in der angegebenen Weise durchzuführen, ist
es erforderlich, auf der Drehstromseite Drehtransformatoren oder Zusatzmaschinen
vorzusehen, die eine wesentliche Erhöhung der Anlagekosten. mit sich bringen. Man,
kann auch Induktivitäten auf der Wechselstromseite zur Spannungsregelung benutzen,
ist dann jedoch in der Einstellung des Blindstromes nicht mehr frei, und außerdem
ist der dadurch, erzielte Regelbereich verhältnismäßig gering.
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Es ist bekannt, daß die von den Bürsten an einem Gleichstromkommutator
abgegriffene Spannung von der Stellung der Bürsten in bezug auf das Erregerfeld
abhängt. Diese Möglichkeit zur Spannungsregelung ist jedoch praktisch nicht ohne
weiteres. verwertbar, da, ja beim Herausdrehen der Bürsten aus der magnetisch neutralen
Zone sich die durch die Bürste jeweils kurzgeschlossene kommutierende Spule in einem
magnetischen Feld dreht, so daß in ihr eine mehr oder weniger große Spannung induziert
wird, die naturgemäß zu starkem Bürstenfeuer führt. Um. trotzdem bei Einankerumformern,
bei denen, wie erwähnt, die einfache Regelmöglichkeit durch Erregerstromänderung
ausscheidet, mit Bürstenverstellung arbeiten; zu können, hat man daher Hilfsmagnetpole
vor= gesehen, die das Feld jeweils an den Stellen., an denen sich die Bürsten bzw.
die durch diese kurzgeschlossenen Wicklungselemente befinden, aufheben und so eine
funkenfreie Kommutierung ermöglichen. Dieses Mittel nlach.t jedoch konstruktiv große
Schwierigkeiten und bedingt außerdem einen beträchtlichen zusätzlichen Aufwand,
da ja die Hilfspole zusammen mit den Bürsten .gegenüber
dem Haupterregerfeld
verdreht werden müssen.
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Die Erfindung vermeidet derartige umständ-
Leerlauf, sei es bei Belastung, irgendwelches Bürstenfeuer auftreten kann. Gemäß
der Erfindung werden mit der jeweils an das ablaufende Kommutatorsegment angeschlossenen
Wicklungsanzapfung Strombegrenzungseinrichtungen in Reihe geschaltet, die eine Richtungsänderung
des Stromes in dieser Anzapfung, welche durch diejenige Spannung bedingt ist, die
von dem Erregerfeld in: der kommutierenden Spule induziert wird, verzögern oder
verhindern. Einrichtungen mit den genannten Eigenschaften sind insbesondere Ventile
oder Schaltdrosseln. Unter Schaltdrosseln sind dabei Drosselspulen zu verstehen,
die in an sich bekannter Weise bereits bei einem: Strom, der nur einen Bruchteil
des normalen Stromes beträgt, sprunghaft ihren Sättigungszustand erreichen und dabei
die vorher vorhandene beträchtliche Induktivität fast testlos verlieren. Die Verwendung
von Ventilen zur Verbesserung der Kommutierung oder, genauer gelabt, zur Unterdrückung
einer Stromrichtungsumkehr in der ablaufenden Kommutatorlamelle ist bereits bekannt.
'Man hat jedoch dieses Hilfsmittel bisher nur dazu benutzt, um die in der magnetisch
neutralen Zone vor sich gehende Kommutierung noch zu verbessern. Die Erfindung geht
demgegenüber von der Erkenntnis aus, daß die Ventile auch die Möglichkeit bieten,
diejenige Spannung, die bei Bürstenverschiebung von dem Erregerfeld in der kommutierenden
Spule induziert wird, unschädlich zu machen, so daß man damit die Spannungsregelung
durch Bürstenverschiebung auch praktisch durchführen kann. Die Erfindung hat weiterhin
den Vorteil, daß bei der Spannungsregelung stets ein guter Leistungsfaktor innegehalten
«-erden kann und daß keine Wendepole erforderlich sind. Aus dem letztgenannten Grunde
steht für die Unterbringung der Erregerwicklung ein vergrößerter Raum zur Verfügung,
was gerade bei Einankerumformern von großer Wichtigkeit. ist.
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Die Erfindung möge an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden. Auf dem Ständer des Einankerumformers befindet sich wie
gewöhnlich eine Gleichstromerregerwicklung 8 sowie zweckmäßig zur Vermeidung von
Pendelungen bzw. zur Ermöglichung asynchronen Anlassen, eine Dämpferwicklung II.
Der Läufer trägt eilte in. sich geschlossene verteilte Wicklung 9, die an den Punkten
a, e
und i über Schleifringe Io von dem Drehstromtransformator i gespeist
wird. Außer den genannten. Anzapfungspunkten ist die Ankerwicklung noch an neun
weiteren Punkten angezapft, so daß sich insgesamt zwölf Anzapfungen a bis m ergeben,
die nun mit den Kontaktstücken der beiden Kommutatoren 2 und 3 verbunden sind. Dabei
ist jede zweite Anzapfung an den linken Kommutator 2 angeschlossen, während die
dazwischenliegenden Anzapfungen mit dem rechten Kommutator 3 verbunden sind. Jeder
Kommutator enthält also halb soviel Lamellen bzw. Kontaktsegmente 12, wie an der
Ankerwicklung Anzapfungen vorhanden sind. In der Wahl der Zahl der Anzapfungen ist
man dabei keineswegs beschränkt und wird sie gegebenenfalls mit Rücksicht auf eine
möglichst geringe Welligkeit der gleichgerichteten Spannung sowie aus Gründen, die
weiter unten erörtert werden sollen, sehr viel höher wählen, als es die Zeichnung
zeigt. Zwischen den einzelnen Kontaktsegmenten sind auf jedem Kommutator Trennstücke
13 angeordnet, die nicht notwendig ganz aus Isoliermaterial zu bestehen brauchen,
sondern auch aus leitendem Material hergestellt sein können, und dann lediglich
durch isolierende Zwischenlagen von den eigentlichen Kontaktsegmenten getrennt zu
sein brauchen. Es kann also auch ein normaler Maschinenkommutator Verwendung finden,
dessen Lamellen zu entsprechenden Gruppen zusammengefaßt sind.
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Auf jedem Kommutator schleifen bei der gezeigten Anordnung mit nur
einem Polpaar je zwei Bürsten, von denen jeweils die eine mit dem positiven, die
andere mit dem, negativen Pol des Gleichstromkreises verbunden ist. Die Verbindung
der Bürsten mit dem Gleichstromkreis Id ist aber keine unmittelbare, sondern in
die Zuleitungen zu den Bürsten sind noch die Ventile q. und 5 bzw. G und 7 eingeschaltet.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Zahl der Bürstenpaare, die auf jedem Kommutator
vorhanden sind, von der Polzahl des Einankerumformers abhängt. Der Kommutierungsvorgang,
d. h. der Vorgang des Abschaltens einer Anzapfung und des Einschalten, der nächstfolgenden
Wicklungsanzapfung, spielt sich nun nicht, wie das beim gewöhnlichen Einankerumformer
der Fall ist, auf ein und demselben Kommutator ab, sondern die Stromführung wechselt
dabei von dem einen Kommutator auf die entsprechende Bürste des anderen Kommutators.
Wesentlich ist dabei, daß bei der Kommutierung nicht wie beim gewöhnlichen Einanker-Umformer
benachbarte Anzapfungenun,mittelbar durch die Bürste kurzgeschlossen werden. Die
Zeichnung zeigt die Anordnung in einer
Stellung, bei der die Stromführung
gerade von der Anzapfung f bzw. dem damit verbundenen Segment f' des rechten Kommutators
3 auf die Anzapfung g übergeht. Einen Augenblick früher führte lediglich das Segment
f' Strom, während die Plusbürste des Kommutators a auf einem Isoliersegment stand.
In der gezeichneten Stellung hat nun auch das Segment g' die Bürste erreicht, und
man erkennt, daß die Überbrückung zwischen beiden kornmutierenden Segmenten über
die Ventile 5 und 6 erfolgt. Da die endliche Bürstenbreite zur Herstellung der notwendigen
Überlappungszeit im allgemeinen nicht ausreicht, wird man zweckmäßig die Breite
der Kontaktstücke größer wählen als die dazwischenliegenden toten Segmente.
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In dem, durch die Überlappung gebildeten, in sich geschlossenen Stromkreis,
in dem die Spannung zwischen zwei benachbarten Anzapfungen als treibende .Spannung
wirksam ist, bildet sich nun ein Kurzschlußstrom aus, der, wenn die Spannung der
zugeschalteten Anzapfung wächst, die der abzuschaltenden Anzapfung dagegen steigt,
so gerichtet ist, daß er dem Gleichstrom in der abzuschaltenden Bürstenzuleitung
entgegenfließt, während er in der neu zugeschalteten Bürstenleitung als einziger
Strom vorhanden ist. Nach einiger Zeit wird der Kurzschlußstrom, dessen Anstiegsgeschwindigkeit
von den in dem inneren Stromkreis liegenden Realstanzen abhängt, so weit gestiegen
sein, daß der Strom in der abkommutierenden Bürste bis auf Null abgebaut ist und
dementsprechend der volle Gleichstrom durch die andere Bürste fließt. Ein weiteres
Ansteigen des Kurzschlußstromes wird jedoch durch die Sperrwirkung des Ventils vor
der abkommutierenden Bürste verhütet, da sich ja sonst die Stromrichtung in diesem
umkehren müßte. Nunmehr kann der Unterbrechungsvorgang an der abkommutierenden Bürste
praktisch stromlos vor sich .gehen. Man erkennt, daß dieser Verlauf des Kommutierungsvorganges
unabhängig von der Bürstenstellung gilt, vorausgesetzt, daß die Bürstenverschiebung
in der richtigen Richtung erfolgte. Von dem Verdrehungswinkel der Bürsten hängt
aber derjenige. Anteil ab, mit dem sich jede Halbwelle der in einem Wicklungsabschnitt
induzierten Spannung an der Bildung der gleichgerichteten Spannung beteiligt. Es
ist infolgedessen im Gegensatz zu den gewöhnlichen Einankerumformern ohne weiteres-
möglich, durch Verdrehen der Bürsten; die Gleichspannung bei gegebener Wechselspannung
herabzusetzen.
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Wesentlich ist dabei, daß die kommutierenden Wicklungselemente nicht
unmittelbar durch die Bürste kurzgeschlossen werden, sondern daß jedem Gleichstrompol
je Polpaar zwei Bürsten zugeordnet sind, die über Ventile derart miteinander in
Verbindung stehen, daß in der abkommutierenden Bürste kein nennenswerter Rückstrom
entstehen kann.
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Wenn durch Bürstenverschiebung die Spannung herabgeregelt wird, so
findet wegen des verspäteten Einschaltens der Anzapfungen eine Flächenverlagerung
der Stromkurve jeder Anzapfung gegenüber der Kurve der zugehörigen induzierten Spannungen
im Sinne der Nacheilung statt. Infolgedessen stellt sich auf der Wechselstromseite
ein geringerer Leistungsfaktor ein. Da aber der Einankerumformer auf der Wechselstromseite
sich wie eine Synchronmaschine verhält, kann man diese Verschlechterung des Leistungsfaktors
wieder durch eine Vergrößerung der Erregung ausgleichen. Um immer selbsttätig einen
guten Leistungsfaktor zu erhalten, ist es zweckmäßig, die zur Bürstenverschiebung
dienende Einrichtung mit dem Feldregler der Maschine zu kuppeln.
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Anstatt durch Verstellen der Bürsten kann die Spannungsregelung in
bekannter Weise auch durch Verändern der Synchronlage des Läufers erfolgen. Zu diesem
Zweck kann man die Erregerwicklung, was wegen des Wegfalles der Wendepole ohne Schwierigkeiten
möglich ist, als verteilte Wicklung ausführen, und zwar so, daß sie sich aus zwei
in ihrer Achse gegeneinander versetzten Wicklungsgruppen zusammensetzt. Durch Verändern
des Verhältnisses der Erregerströme beider Wicklungen zueinander kann dann die Achse
des Erregerfeldes verdreht werden. Um dabei selbsttätig 'bei jeder Spannung immer
einen guten Leistungsfaktor zu erreichen, kann man die Regelung so einrichten, daß
mit der Verdrehung des Erregerfeldes im Sinne der Spannungsherabsetzung gleichzeitig
eine Verstärkung des resultierenden Erregerfeldes einhergeht. Die verteilte Erregerwicklung
hat außerdem noch den Vorteil, daß die Dämpferwicklung entlastet wird.
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Die beiden Kommutatoren können unter Umständen durch eine in ihrer
Wirkung gleichwertige Schalteinrichtung ersetzt werden, beispielsweise durch einen
Kommutator, auf dem die über Ventile verbundenen Bürsten in der Umfangsrichtung
gegeneinander versetzt schleifen. An Stelle der in ,dem Ausführungsbeispiel dargestellten
Ventile in den Zuleitungen zu den Bürsten können auch andere Strombegrenzungseinrichtungen
Verwendung finden, wie z. B. sogenannte Schaltdrosseln, d: h. Drosselspulen, deren
Magnetkern eine sehr scharf geknickte Charakteristik zeigt und deren Sättigungspunkt
bereits bei einem Strom erreicht ist, der noch ohne Lichtbogenbildung am Kommutator
unterbrochen werden kann. Beim Herabsinken des Stromes
in der abkommutierenden
Bürste steigt dann plötzlich die Induktivität der in der Bürstenzuleitung liegenden
Schaltdrossel, und die Änderung des Stromes geht nunmehr nur noch sehr langsam vor
sich, so daß für die funkenlose Unterbrechung ein verhältnismäßig großes Zeitintervall
zur Verfügung steht. Gegebenenfalls kann auch eine Kombination aus Schaltdrosseln
und Ventilen Anwendung finden, wobei die Schaltdrosseln den Einschaltvorgang und
die Ventile den Ab-Schaltvorgang beherrschen. Die Kommutierungseinrichtungen sind
für den vollen Strom, aber für halbe Einschaltdauer und - in der Sperrichtung für
eine maximale Spannungsbeanspruchung gleich der Spannung zwischen zwei benachbarten
Anzapfungen zu bemessen. Die Spannungsbeanspruchungen für die Kommutierungseinrichtungen
werden infolgedessen immer geringer, je größer man die Anzapfungszahlen wählt. Geringe
Sperrbeanspruchung ist besonders von Vorteil, wenn als Kommutierungseinrichtungen
Trokkengleichrichter zur Anwendung gelangen.
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Der erfindungsgemäße Einankerumformer erlaubt ohne weiteres auch ein
Rückarbeiten vom Gleichstromnetz in das Drehstromnetz. Man wird dann aber zweckmäßig
die Bürsten bei der Spannungsregelung in entgegengesetzter Richtung verschieben.
Er kann auch mit einem Assnchronmotor zu einem Kaskadenumformer vereinigt werden.
Das Anlassen kann genau wie beim gewöhnlichen Einankerumformer von der Drehstromseite
her mit Hilfe der Dämpferwicklung erfolgen.
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Der erfindungsgemäße Umformer eignet sich auch sehr gut als Lokomotivumformer
für Einphasenlokomotiven, insbesondere für 50 Per./Sek. Man wird dann zweckmäßig
zur Vermeidung größerer Welligkeit auf der Gleichstromseite Glättungsmittel vorsehen.
Außerdem wird man in die Wicklungszuleitungen Ausgleichdrosseln schalten, damit
die durch die verschiedene Entfernung der Anzapfungen von den Schleifringanschlüssen
bedingten Spannungsungleichheiten beseitigt werden.