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finankerumformer mit Spannungsregelung durch Verdrehen der Kom,mutierungszone
gegenüber der magnetisch. neutralen Zone Gegenstand des Hauptpatents ist ein Einankerumformer
mit Spannungsregelung durch Verdrehen der Kommutierungszone gegenüber der magnetisch
neutralen Zone, bei dem die an sich bekannte Reihenschaltung von Strombegrenzungseinrichtungen,
insbesondere Schalt-. drosseln oder Ventilen, mit der jeweils an das ablaufende
Kommutatorsegment angeschlossenen. Wicklungsanzapfung derart angewendet ist, daß
eine Richtungsänderung des Stromes in dieser Anzapfung, die durch den Verlauf der
von dem Erregerfeld in der kommutierenden Spule induzierten Spannung bedingt ist,
verzögert oder verhindert wird.
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In dem Hauptpatent ist bereits darauf hingewiesen, daß sich der dort
angegebene Einankerumformer auch zum Rückarbeiten vom Gleichstromnetz in das Drehstromnetz
eignet, daß es hierzu aber zweckmäßig sei, die Bürsten bei der Spannungsregelung
in entgegengesetztem Sinne zu verschieben. Das heißt also, aus Kommutierungsrücksichten
entspricht bei gleicher eingeregelter Spannung der Speisung des Gleichstromnetzes
eine andere Bürstenstellung als dem Rückarbeiten aus dem Gleichstromnetz in das
Drehstromnetz. Wenn somit, was bei vielen Antrieben, beispielsweise bei Walzwerkantrieben
oder Fördermaschinen, häufig der Fall ist, die. Energie plötzlich ihre Richtung
wechselt, so müßte man gleichzeitig die Bürsten um einen bestimmten Winkel verdrehen.
! Hierdurch würden jedoch verhältnismäßig große betriebliche Schwierigkeiten entstehen,
insbesondere würde der Energierichtungswechsel nicht schnell genug vor sich gehen
können; es würde viehmehr eine verhältnismäßig lange Übergangszeit erforderlich
sein, um die Bürsten in die neue Lage zu bringen. Außerdem wäre ein ziemlich verwickelter
Verstellmechanismus
für die Bürsten erforderlich.
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Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten wird gemäß der Erfindung der
Einankerumformer nach dem` Hauptpatent in der Art weiter ausgestaltet, daßfür jede
Energierichtung im Gleichstromkreis ein besonderer Bürstensatz vorgesehen wird und
daß beide Bürstensätze bei der Spannungsregelung in entgegengesetztem Sinne verschoben
werden. Beim Energierichtungswechsel ist es somit erforderlich, den Gleichstromkreis
von dem einen Bürstensatz abzuschalten und auf den für die andere Energierichtung
bestimmten Bürstensatz umzuschalten. Hier gibt es jedoch zwei grundsätzlich verschiedene
Möglichkeiten, je nachdem ob einander entsprechende, aber verschiedenen Energierichtungen
zugeordnete Bürsten in der gleichen oder in verschiedener Richtung Strom führen.
Bleibt die Stromrichtung die gleiche, so muß zum Zwecke. des Energierichtungswechsels
die Spannung umgekehrt werden, d. h. also die einander entsprechenden Bürsten greifen
Spannungen verschiedenen Vorzeichens ab. Im zweiten Fall haben dagegen die von einander
entsprechenden Bürsten abgegriffenen Spannungen das gleiche Vorzeichen, d. h. beide
Bürsten arbeiten entweder auf den positiven oder den negativen Halbwellen der induzierten
Wicklungsspannungen.
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Die Erfindung möge an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.i bedeutet 2 die auf dem Ständer des Einankerumformers
angeordnete Gleichstromerregerwicklung. Außerdem trägt der Ständer zur Vermeidung
von Pendelungen odex zur Ermöglichung asynchronen Anfahrens eine Dämpferwicklung
3. Auf dem Läufer ist die mit Anzapfungen versehene verteilte Gleichstromwicklung
i untergebracht, die über Schleif- j ringe an drei Anzapfungen aus dem Drehstromnetz
U 1=' W gespeist wird. Die Anzapfungen der Gleichstromwicklung i -im vorliegenden
Fall sind der besseren Lbersichtlichkeit halber nur sechs dargestellt, während man
im allgemeinen mit Rücksicht auf eine möglichst geringe Spannungsbeanspruchung der
Ventile die Zahl der Anzapfungen wesentlich größer wählenkannsind nun abwechselnd
an den einen oder den anderen der Kommutatoren q. und 5 angeschlossen. Jeder Kommutator
besitzt mithin halb so viel Kontaktsegmente, wie Wicklungsanzapfungen vorhanden
sind. Es sei hier gleich darauf hingewisen, daß der Kommutator keineswegs in der
Art ausgeführt zu sein braucht, wie das bei :4laschinenumformern üblich ist, d.
h. er braucht nicht aus einer Kontaktwalze und darauf schlei= fenden Bürsten zu
bestehen, sondern kann auch beispielsweise durch eine Mehrzahl von Schaltkontakten
gebildet werden, die durch eine Nockenwelle angetrieben werden. Überhaupt ist es
nicht erforderlich, daß die Gleichstromarbeitswicklung des Einankerumformers umläuft,
sie kann vielmehr auch auf dem Ständer angeordnet sein, so daß sich auch für den
Kommutator in dieser Hinsicht andere Aufbaugrundsätze ergeben. Alles das, was hier
über die Bürstenverschiebung gesagt wird, gilt also auch sinngemäß für die entsprechenden
Konstruktionsteile von nach anderen Gesichtspunkten aufgebauten Verteilern.
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Auf jedem der Kommutatoren 4. und 5 schleifen nun bei der dargestellten
zweipoligen Anordnung zwei Bürstenpaare 6, 6' und 8, 8' bzw. 7, 7' und 9, 9'. Dabei
gehören die Bürsten 6, 6' und 7, 7' zu dem Bürstensatz für die eine Energierichtung,
die übrigen Bürsten zu dem für die andere Energierichtungbestimmten Bürstensatz.
Bei der Anordnung nach Fig. i wird mit Stromumkehr im Einankerumformer gearbeitet,
d. h. einander entsprechende Bürsten, z. B. die Bürsten 6 und 8, arbeiten zwar ständig
auf Spannungshalbwellen gleichen Vorzeichens, werden jedoch, wenn sie eingeschaltet
sind, in verschiedenem Sinne von Strom durchflossen. Aus diesem Grunde ist jeder
einzelnen Bürste ein besonderes Ventil vorgeschaltet, und `zwar den Bürsten des
einen Satzes die Ventile io, den Bürsten des anderen Satzes die Ventile ii. Einander
entsprechenden Bürsten sind dabei Ventile verschiedener Durchlaßrichtung vorgeschaltet.
Beim Energierichtungswechsel wird der Gleichstromkreis 12 durch einen Umschalter
14., der, wie später noch beschrieben werden soll, auch selbsttätig arbeiten kann,
von dem einen Bürstensatz und der entsprechenden Ventilgruppe auf den anderen tsurstensatz
umgeschaltet.
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Die sich dabei ergebenden Strom- und Spannungsverhältnisse sollen
im folgenden näher erklärt werden. Betrachtet man einmal den Kommutierungsvorgang
bei dem erfindungsgemäßen Einankerumformer, d. h. den Zeitraum, während dessen die
Stromführung von einer Wicklungsanzapfung auf die nächstfolgende übergeht, so zeigt
es sich, daß während der Überlappungsdauer beider Wicklungsanzapfungen, während
deren also beide Wicklungsanzapfungen gleichzeitig mit ein und demselben Gleichstromleiter
in Verbindung stehen, ein Kurzschlußkreis zustande kommt, in dem hintereinander
das zwischen den betreffenden Anzapfungen liegende Wicklungselement und zwei Ventile
verschiedener Durchlaßrichtung bzw. zwei Schaltdrosseln liegen. Es muß min dafür
gesorgt werden, daß die in dem Kurzschlußkreis wirksame Spannung, das ist also die
Potentialdifferenz zwischen den aufeinanderfolgenden Wicklungsanzapfungen, so gerichtet
ist, daß sie dem Strom, der zunächst noch über die abzulosende Wicklungsanzapfung
fließt, entgegenwirkt und ihn somit abbaut. Die Größe der
hierzu
erforderlichen Zeit ist dabei bedingt durch die mittlere Höhe der wirksamen Spannung,
die Größe des kommutierenden Stromes und die Induktivitäten in dem Kurzschlußkreis.
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Es möge nun im folgenden eine Wicklungsanzapfung betrachtet werden,
aus der Strom unter dem Einfluß der in der Wicklung induzierten Spannung herausfließt,
d. h. also eine Wicklungsanzapfung, die generatorisch Leistung abgibt, oder, anders
ausgedrückt, eine Wicklungsanzapfung, für die Spannung und Strom gleichgerichtet
sind. Man erkennt, daß in diesem Falle die Spannung in dem Kurzschlußkreis von der
ablösenden Anzapfung nach der abzulösenden Anzapfung hin gerichtet sein muß, d.
h. daß das Potential der ablösenden Anzapfungwährend der Überlappungszeit im Mittel
höher positiv sein muß als das Potential der abkommutiernden Anzapfung. Das Umgekehrte
gilt, wenn Strom und Spannung einander entgegengesetzt gerichtet sind, d. h. wenn
jetzt bei Beibehaltung der ursprünglichen Spannungsrichtung Strom in die Anzapfung
hineinfließt. In diesem Fall muß die Spannung im Kurzschlußkreis im umgekehrten
Sinne wirksam sein, d. h. die Folgeanzapfung muß im Mittel niedrigeres Potential
als die abzulösende Anzapfung haben. Diese Verhältnisse sind für eine Wicklung mit
sechs Anzapfungen unter der Voraussetzung sinusförmigen Verlaufs der in der Wirkung
induzierten Spannungen in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Fig. 2 bezieht sich dabei
auf den Zustand, bei dem Strom und Spannung gleich, Fig. 3 dagegen auf einen Betriebsfall,
bei dem Strom und Spannung entgegengesetzt gerichtet sind. Das sind also auch die
Verhältnisse, wie sie bei der Schaltung nach Fig. i vorliegen, bei der sich ja auch
der Strom umkehrt, während die Spannungsrichtung in den Bürsten erhalten bleibt.
In den Diagrammen Fig. 2 und 3 sind mit i bis 6 die Kurven der einzelnen Phasenspannungen
der Gleichstromwicklung bezeichnet, während Jg den jeweiligen Gleichstrom darstellt.
In Fig. 2, in der Strom und Spannung gleichgerichtet sind, wird nun von dem Punkt
der Spannungsgleichheit P aus, der gleichzeitig, wenn er als Kommutierungspunkt
gewählt wird, den Punkt der größten Spannung darstellt, der Schaltzeitpunkt zum
Herabregeln der Spannung im Sinne der Nacheilung verschoben. Die Folgephase hat
dann im Kommutierungsaugenblick - der Kommutierungsvorgang-ist hier der Einfachheit
halber zeitlos angenommen-stets höheres positives Potential als die abzulösende
Phase. Soll dagegen der Strom in entgegengesetzter Richtung fließen, so -muß der
Schaltzeitpunkt von dem Punkt P aus in entgegengesetztem Sinne verschoben werden,
und man erkennt, daß dann der Übergang immer von höherem Potential auf ein niedrigeres
Potential erfolgt. Rechnet man die Schaltzeitpunkte nicht von dem Punkte dergrößten
SpannungP ab, sondern von dem Punkte der Spannung Null, d. h. von einer Lage der
Schaltzeitpunkte, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, so ergibt sich für gleiche
Strom- und Spannungsrichtung bei einer bestimmten eingeregelten Spannung eine Verschiebung
q9,,, während sich für den gleichen Spannungswert bei verschiedener Strom- und Spannungsrichtung
eine Verschiebung von i8o °(p,, im Sinne der Schaltverfrühung ergibt.
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In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei
dem im Gegensatz zu Fig. i einander entsprechende Bürsten, z. B. die Bürsten 6 und
8, stets die gleiche Stromrichtung besitzen. Aus dfesem Grunde -müssen beim Energierichtungswechsel
die Anschlüsse des Gleichstromkreises 12 an den Einankerumformer, dessen aktive
Teile mit 16 bezeichnet sind, vertauscht werden. Diese Anordnung hat den Vorteil,
daß man nur halb so viel Ventile benötigt wie bei der mit Stromumkehr arbeitenden
Anordnung. Je zwei einander entsprechenden Bürsten ist nur ein Ventil 17 zugeordnet,
das mit Hilfe des Umschalters i9 bei Energierichtungswechsel von der einen auf die
andere Bürste umgeschaltet wird. Die Vertauschung der Gleichstromanschlüsse wird
durch die Umschaltkontakte 23 bewirkt, die mit dem Umschalter i9 gekuppelt sind.
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Die Verhältnisse, die sich hierbei ergeben, sind in den Fig.4bis 6
näher dargestellt. Fig. 4zeigt in gleicher Weise wie Fig. 2 den Fall, daß Spannung
und Strom gleichgerichtet sind. Fig. 5 gilt für die Spannung Null, während man die
Lage der Schaltzeitpunkte'nach Fig. 4 dadurch erhält, daß man von dem Zustand nach
Fig. 5, bei dem die Schaltzeitpunktverschiebung (p gleich Null sein möge, die Schaltzeitpunkte
um den Winkel (p" im Sinne der Voreilung verlegt. Soll nun bei Aufrechterhaltung
des Stromes die Spannung umgekehrt werden, so muß man, wenn man wieder dieselbe
Spannungsgröße erhalten will, die Schaltzeitpunkte um den gleichen Winkel 99"
= ipv im Sinne der Nacheilung verlegen. Man erkennt, daß man dann bei der
Kommutierung wiederum von einem niedrigeren Potential auf ein höheres Potential
übergeht, so daß also die im Kurzschlußkreis wirksame Spannung von der ablösenden
Anzapfung nach der abzulösenden Anzapfung gerichtet ist. @ In jedem Fall muß also
eine Gegeneinanderbewegung der zu verschiedenen Energierichtungen gehörigen Bürsten
bei der Spannungsregelung erfolgen.
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In Fig. 7 ist noch angegeben, in welcher Weise die selbsttätige Umschaltung
der Bürsten bzw. des Gleichstromkreises erfolgen kann, und zwar wird hier als Umschaltkriterium
das Vorzeichen der Differenz zwischen den an den beiden Bürstensätzen abgegriffenen
Gleichspannungen benutzt. Der Bürstensatz 6, 6', 7, 7' ist dabei an die Betätigungsspule
2o, der Bürstensatz 8, 8', 9= 9' an die Betätigungsspule 21 des Umschalters
i9
angeschlossen. Man könnte auch hier in gleicher Weise wie für die Hauptstrombelastung
als Kommutierungsmittel Ventile oder Schaltdrosseln zwischen die Bürsten schalten.
Da es sich hier jedoch nur um sehr geringe Stromentnahmen handelt, so wird es genügen,
wenn man die Bürsten über hochohmige Widerstände 22 sinngemäß verbindet. Zweckmäßig
wird man die eine der beiden Spannungen, beispielsweise die Spannung für Rückarbeiten,
etwas höher einregeln als die Spannung für die Energieabgabe ins Gleichstromnetz.
In diesem Fall würde dann die Zugkraft der Spule, die an der Spannung des Bürstensatzes
für Rückarbeiten liegt, überwiegen. Der Umschalter wird somit in die Stellung »Energieabgabe
ins Gleichtsromnetz« gebracht. Wird nun die Gegenspannung des Gleichstromnetzes
größer als die vom Einankerumformer abgegebene Spannung, so wird der Strom zunächst
verschwinden. Wächst die Gegenspannung noch weiter und wird sie schließlich größer
als die Spannung in dem Bürstensatz für Energierücklieferung, so überwiegt die Zugkraft
der anderen Spule, der Umschalter wird umgelegt, und die Rückarbeit kann beginnen.
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In Fig. 8 ist eine Schaltung dargestellt, bei der als Kommutierungsmittel
nicht Ventile, sondern Schaltdrosseln 2q. vorgesehen sind. Unter Schaltdrosseln
sollen hierbei Drosseln verstanden werden, die eine sehr scharf geknickte magnetische
Kennlinie besitzen und die außerdem bereits bei einem Strom, der ohne Lichtbogenbildung
unterbrochen werden kann, also beispielsweise bei einem Strom unter i Ampere, ihre
Sättigung erreichen und damit ihre Induktivität sprunghaft um ein Beträchtliches
vermindern. Da die Wirkungsweise dieser Schaltdrosseln nicht an die Stromrichtung
gebunden ist, so benötigt man auch bei Stromumkehr in dem Einankerumformer nur eine
Schaltdrossel für je zwei einander entsprechende Bürsten der beiden Bürstensätze,
die dann je nach der Energierichtung mittels des Umschalters 1q. auf die eine oder
die andere Bürste umgeschaltet wird.