DE78825C - Verfahren zur Umwandlung von Wechselströmen beliebiger Spannung in Gleichströme von ebenfalls beliebiger Spannung und umgekehrt - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT

I. Zweck der Erfindung. Die bisher bekannten Verfahren zur Umwandlung eines Wechselstromes in einen Gleichstrom beruhen meist auf der Anwendung von Vorrichtungen, in welchen ein äufseres Drehfeld auf einen inneren Anker wirkt , der demjenigen der Gleichstrommaschinen ähnlich ist. Die Erscheinungen, welche in den so benutzten Vorrichtungen auftreten , stimmen mit den Erscheinungen überein, die in den Gleichstrommaschinen stattfinden.

Das den Gegenstand dieser Erfindung bildende Verfahren beruht auf der Anwendung von Vorrichtungen, in welchen die von den primären und die von den secundären Strömen durchlaufenen Stromkreise um dieselben Magnetkerne gewickelt sind und in derselben Weise zur Erzeugung der wirkenden magnetischen Kraftlinien beitragen.

Die Erscheinungen, welche in diesen Vorrichtungen auftreten, stimmen mit den Erscheinungen überein, die in den gewöhnlichen Wechselstromwandlern stattfinden.

Dieses Verfahren gewährt den Vortheil, die Benutzung von magnetischen Kraftlinien zuzulassen , die im Innern von Eisenmassen vollständig geschlossen sind, d. h. längs magnetischer Stromkreise, die so durchlassend wie möglich sind; dies erlaubt, eine ausgezeichnete Ausnutzung der verwendeten Arbeitstheile und eine gute Leistung zu erzielen, ferner die von der notwendigen Umschaltung herrührenden Energieverluste gänzlich zu unterdrücken und aufserdem die Stellung der Bürsten von der Leistung der Vorrichtung unabhängig zu machen. Endlich kann man bei diesem neuen Verfahren Umschaltungsvorrichtungen von der gröfsten Einfachheit benutzen.

Ohne die Bedingung des Synchronismus in Verbindung mit Wechselstrommaschinen der früher von den Erfindern beschriebenen Art angewendet, wie dies in dem französischen Patent vom 23. Dezember 1891 beschrieben ist, oder bei synchronem Gang (s. Patent Nr. 76814 vom 11. August 1892) in Verbindung mit beliebigen Wechselstrommaschinen liefert das neue Verfahren eine in doppelter, in theoretischer und praktischer Beziehung vollständige Lösung der Aufgabe, die darin besteht, einen Wechselstrom in einen Gleichstrom oder einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln.

II. - Grundgedanke der Lösung. Ein Magnetkern, der in sich selbst geschlossen ist, sei mit einem elektrischen Stromkreis umgeben , der aus JV Windungen bestehe und von einem Wechselstrom durchlaufen werde, dessen Stärke im Augenblick t der Welle T

durch A sin 2 π-ψ versinnlicht sei, wobei A

den gröfsten Werth dieser Stärke darstelle.

Das Product aus der Windungszahl und der Stromstärke, das die Erfinder die Anzahl der Ampere - Windungen dieses Stromkreises

nennen, ist gleich N A sin 2 π

Die Aenderungen der Zahl der Ampere-Windungen können als Function der Zeit

durch die in Fig. ι dargestellte Curve versinnlicht werden, deren Abscissen die Zeiten und deren Ordinaten die Anzahl der Ampere-Windungen sind.

Es ist zu bemerken, dafs in den magnetischen und den elektrischen Wirkungen, die durch diesen oder in diesem Stromkreis erzeugt werden, nichts geändert wird, wenn man diesen Stromkreis anstatt von ,einem

Wechselstrom, dessen Stärke A sin 2 π -= ist,

von einem Strom gleichbleibender Stärke durchlaufen läfst und die Anzahl JV-der Windungen ändert, oder wenn man gleichzeitig die Stromsiärke und die Anzahl der Windungen ändert, in beiden Fällen aber derart, dafs das Product aus der Stromstärke und der Anzahl der Windungen immer durch den Ausdruck

NA sin 2 π -ψ dargestellt wird.

In : einem beliebigen Augenblick t der Welle T ist dann in allen Fällen die Anzahl der Ampere-Windungen dieselbe. Nun weifs man aber, dafs in einem beliebigen elektromagnetischen System die magnetischen und die elektrischen Erscheinungen immer - nur von der Anzahl der Ampere-Windungen des oder der verschiedenen elektrischen Stromkreise dieses Systems abhängen.

Bei einem gewöhnlichen Wechselstromwandler , dessen beide Stromkreise um denselben Magnetkern gewickelt sind, wird in den gegenseitigen Inductionen und den Energieübermittelungen von einem Stromkreis auf den anderen nichts geändert, wenn einerseits die Anzahl der Windungen in dem einen der beiden Stromkreise dieselbe bleibt und die Stärke des alle diese Windungen durchlaufenden Stromes sich nach dem vorhin erläuterten Sinusgesetz ändert, andererseits in dem anderen Stromkreis die Stromstärke gleichbleibend oder wenigstens immer in demselben Sinne erhalten und die Anzähl der Windungen dergestalt geändert wird, dafs sich die Zahl der Ampere-Windungen dieses letzteren Stromkreises immer als Function der Zeit gemäfs einem Sinusoidengesetz ändert.

Auf Grund des zuletzt Gesagten ist es gelungen , eine Vorrichtung zu verwirklichen, welche Wechselströme von beliebiger Spannung in Gleichströme von ebenfalls beliebiger Spannung umwandelt, und umgekehrt.

III. Erste Ausführungsart. In Fig. 2 ist ein Umwandler dargestellt, dessen magnetischer Stromkreis von einem Ring gebildet ist, der aus zusammengeprefsten Blechen oder aus Eisendraht besteht; um diesen Ring sind zwei Stromkreise, ein primärer und ein secundärer,-gewickelt. Der primäre Stromkreis besteht aus 12 gleichen Spulen, die alle in derselben Richtung gewickelt und in gleichen Abständen von einander auf dem Ring angeordnet sind. Diese Spulen sind mit schwachen Linien schraffirt. Ihre Eintritts- und ihre Austrittspunkte sind mit den grofsen Buchstaben E₁ S₁, E₂ S.₂ . . . bezeichnet. Alle diese Spulen sind hinter einander geschaltet und bilden einen einzigen Stromkreis, so dafs jeder in diesen Stromkeis gesendete Strom Kraftlinien erzeugt, die sich im Innern des Eisenkernes in sich selbst schliefsen,. ohne^dafs eine einzige Kraftlinie das Bestreben hätte, nach aufsen auszutreten.

Der secundäre Stromkreis besteht aus zwölf zwischen den Spulen des primären Stromkreises angeordneten Spulen, von denen sechs mit starken Linien und die anderen sechs mit" abwechselnd starken und schwachen Linien schraffirt sind. Ihre Eintritts- und ihre Austrittspunkte sind mit den kleinen Buchstabene_x S₁ , e₂ s.₂ . . . bezeichnet. Der Eintrittsdraht jeder dieser Spulen steht mit dem Austrittsdraht der vorhergehenden Spule und mit einem der auf einander folgenden Stege eines mit zwölf Stegen versehenen Stromwenders in Verbindung. Der Stromwender ist in Fig. 2 in der Mitte des Ringes dargestellt.

Um diesen Wender drehen sich mit gleicher Geschwindigkeit zwei Bürsten α und b, die immer zwei diametral gegenüberliegende Stege berühren. Die eine dieser Bürsten steht mit dem einen, die andere mit dem anderen von zwei glatten Ringen L₁ und L₂ in Verbindung, auf denen zwei feste Reiber/j und/₂ schleifen.

Wenn alle Spulen des ^secundären Stromkreises gleich grofs und in demselben Sinne gewickelt wären, so würde der betrachtete Ring einen Grammering mit zwölf Abtheilungen bilden, und es würde ein Gleichstrom, der durch Vermittelung der Reiber f_} und f₂, der Ringe L₁ und L₂, der Bürsten und des Stromwenders in diesen Ring gesendet würde,· Kraftlinien erzeugen, die aus dem Ring an zwei Punkten austreten, welche in der Verlängerung der Berührungslinie der Bürsten a b diametral gegenüberliegen, wie dies in Fig. 3 angegeben ist.

Keine einzige Kraftlinie könnte sich dann im Innern des Ringes in sich selbst schliefsen.

Es sei jetzt angenommen, dafs die sechs Spulen , die mit abwechselnd starken und schwachen Linien schraffirt sind, in einer Richtung gewickelt seien und die sechs Spulen, die mit starken Linien schraffirt sind, in der anderen Richtung.

Nehmen die Bürsten α und b die in Fig. 2 angegebene Stellung ein, so werden, wenn man durch die Reiber f_x f₂ einen Gleichstrom in den Ring sendet, Hie magnetischen Kräfte, die durch die rechtsliegenden und die linksliegenden Spulen längs dem Magnetkern ent-

wickelt werden, anstatt einander entgegengesetzt zu sein, wie vorhin, ihre Wirkungen vereinigen.

Es sei zunächst angenommen, dafs alle diese Spulen des sec-undären Stromkreises die gleiche Windungszahl N haben und dafs / die Stärke des durch.die Reiber/^f₂ eingeleiteten Gleichstromes bezeichne.

Die Zahl der Ampere-Windungen, die um den Magnetkern entwickelt ,sind und das Bestreben haben, darin Kraftlinien zu entwickeln, die sich im Innern dieses Ringes in sich schliefsen, wird dann gleich 6 (N J).

Wenn jetzt die Bürsten α und b die Stege 2 und 8 des Stromwenders berühren, so .wird jeder der beiden über die Bürsten abgezweigten Stromkreise fünf in einer Richtung gewickelte Spulen und eine in entgegengesetzter Richtung gewickelte Spule haben. Es geht dann alles so vor sich, als wenn nur vier in der ersten Richtung gewickelte Spulen da wären und die Anzahl der Ampere-Windungen, die um den Magnetkern entwickelt sind und das Bestreben haben, darin Kraftlinien zu entwickeln, die sich im Innern dieses Ringes schliefsen, wird auf 4 (N J) beschränkt sein.

Ebenso wird diese Zahl auf 2 (NJ) vermindert,wenn die Bürsten die Stege 3 und 9 berühren. Diese Zahl wird Null, wenn die Bürsten die Stege 4 und ι ο berühren.

Sobald die Bürsten die Stege 5 und 11 berühren, wird die Zahl der Ampere-Windungen wieder gleich 2 (NJ), aber die Richtung, der magnetisirenden Kraft hat dann gewechselt. Diese Erscheinung werde dadurch versinnlicht, dafs diese Zahl der Ampere-Windungen das Zeichen — erhalte.

Die Anzahl der Ampere-Windungen, die auf diese Art um den Kern gewickelt werden und . die darin Kraftlinien zu entwickeln trachten, die sich im Innern des Kernes in sich selbst schliefsen, ändern sich also mit der Stellung der Bürsten, wie dies die folgende Tabelle andeutet:

Stege, welche die Bürsten
berühren

.4.
.5.
.6.

.9.
10. 11 . 12.

.9.
10.

12.

•3· .4. .5. .6.

Anzahl der um den

Kern entwickelten

Ampere -Windungen

.6 (NJ) .4 (NJ) .2 (NJ) :o (NJ)-.2 (NJ) )

.6 (NJ)

•4 (NJ) .2 (NJ) .0 (NJ) .2 (NJ) •4

Man kann dieses Gesetz der Aenderung durch die in Fig. 4 dargestellte Curve versinnlichen. ...-·■■'

In dieser Figur sind zwölf auf einander folgende Längen, deren jede die Breite eines Steges des Stromwenders darstellt, als Abscissen eingetragen und als Ordinaten Längen, die die Anzahl der Windungen darstellen, die um den Kern durch den Stromkreis gebildet (effectues) sind , der über die Bürsten geschlossen ist, wenn die Bürste α den durch eine dieser auf einander folgenden Längen dargestellten Steg berührt.

Wenn sich die Bürsten beständig um den Stromwender verschieben, so wächst die Abscisse, die in jedem Augenblick die Stellung der Bürste α versinnlicht, proportional der Zeit. Die in Fig. 4 gezeigte Curve kann also in jedem Augenblick die Anzahl der Ampere-Windungen darstellen, die um den Kern durch einen Gleichstrom von der Stärke / entwickelt sind. Da diese Stärke constant ist, so versinnlicht diese Curve auch in jedem Augenblick die algebraische Summe der Anzahl der auf den Kern wirkenden Windungen des zwischen den Reibern_/_lt/₂ eingeschlossenen Stromkreises, wobei die in einer Richtung gewickelten Spulen mit dem Zeichen -f- und die in der anderen Richtung gewickelten Spulen Tnit dem Zeichen — gerechnet sind.

Da die entwickelte magnetisirende Kraft nur von dieser algebraischen Summe abhängt, so geht alles so vor sich, als wenn sich die Windungszahl des betrachteten Stromkreises gemäfs dem durch die Curve Fig. 4 dargestellten Gesetz änderte.

Man bemerkt, dafs die Spitzen aller der Ordinaten, die als Abscissen die Mittelpunkte der verschiedenen, von den auf einander folgenden Stegen des Stromwenders dargestellten Längen haben, in einer gebrochenen Linie u ν χ gelegen sind.

Andererseits ist die Zahl 12 nur als Beispiel gewählt." Man begreift sofort, dafs, je gröfser diese Zahl ist, d. h. je mehr man die Zahl der Spulen des Ringes und die Zahl der Stege des Stromwenders vergröfsert -— wobei man immer so verfährt, dafs man die Spulen, die neben der einen Seite eines Durchmessers des Ringes liegen, in einer Richtung und die neben der anderen Seite dieses Durchmessers liegenden in umgekehrter Richtung wickelt —, desto mehr sich die Curve, die die Aenderungen der Windungszahlen darstellt, der gebrochenen Linie uv χ nähert.

Die Aufgabe, die darin besteht, sich die Zahl der auf dem Ring befindlichen Windungen des zwischen den Reibern/, und/₂ enthaltenen Stromkreises gemäfs einem Sinusoiderigesetz ändern zu lassen, wäre gelöst, wenn die Curve

Fig. 4 nicht mehr einer gebrochenen Linie, wie der Linie u ν χ, gleichen würde, sondern einen Sinusoidenbogen bildete, wie z. B. denjenigen, der in Fig. 5 dargestellt ist.

Alsdann müssen die Spitzen der vorhin betrachteten Ordinaten, statt in einer gebrochenen Linie zu liegen, Punkte des Sinusoidenbogens bilden.

Die Curve, die das Gesetz der Aenderung der Windungszahl darstellt, wird alsdann die in Fig. 5 gezeigte Form annehmen.

Man gelangt sofort zu diesem Ergebnifs, wenn man die Windungszahlen der verschiedenen um den Ring gewickelten Spulen ändert, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Bezeichnet man mit ]/ eine constante Windungszahl und mit α eine willkürliche Constante, so sind die Windungszahlen, die man jeder der zwölf den secundären Stromkreis bildenden Spulen zutheilen mufs, die in die nachstehende Tabelle eingetragenen:

Windungszahl der Spule

ι Y sin a

2 J/ sin (a + ι )

1/ · / 1 2 7Γ-.

3 y sin\a -\- 2 )

4 ' Y sin {a+ 3 ·-y^-)

5 Y sin {a+ 4-~)

6 Y sin (a + 5 · ——)

7 Y sin (a + 6 ■ ——)

8 γ sin {a+ 7·—)

9... Y sin (a+ 8—)■

10 Y sin (a -f- q )

11 Y si η (α + ι ο )

12 Λ .. Y sin (a + 11 )

·' 12

Allgemein mufs man, wenn 2 η secundäre Spulen vorhanden sind, diesen die folgenden Windungszahlen geben:

Nummer
der Spule

Windungszahl der Spule

sin a

2 . . γ sin (a + ι )

2 η

Windungszahl der Spule
3. . -Y sin (a -f- 2 )

2 Tl

P Y sin (a + (p — 1)-^)

zn......... . .]/ sin (a -f- (2 η — ι) )·

Aus dem vorstehend angedeuteten Bildungsgesetz erkennt man, dafs die Windungszählen zweier auf dem Ring diametral gegenüberstehender Spulen durch die Sinus von Bogen gegeben werden, die um π verschieden sind. Diese Sinus sind gleich, haben aber entgegengesetzte Zeichen, was bedeutet, dafs zwei diametral gegenübergelegene Spulen die gleichen Windungszahlen haben , aber , in entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind.

Nach dieser Darlegung erkennt man, dafs die algebraische Summe der Windungszahl des zwischen den Bürsten enthaltenen Stromkreises in jedem Augenblick, abgesehen von einem constanten Factor, gleich ist der algebraischen Summe der Sinus von η Bogen in arithmetischer Progression, wobei das Verhältnifs (la raison) dieser Progression gleich

2 π .
ist.

Bezeichnet man den ersten Bogen der Reihe mit χ und ferner mit K eine Constante, so kann man nach einem bekannten Lehrsatz diese Summe durch den Ausdruck K ■ sin χ darstellen. Da die Gröfse χ proportional der Zeit wächst , wenn sich die Bürsten mit gleichförmiger Geschwindigkeit längs des Stromwenders verschieben, so ändert sich die algebraische Summe der Windungszahlen des zwischen den Bürsten enthaltenen Stromkreises als Function der Zeit gemäfs einem Gesetz, das sich um so mehr der Sinusoidenfunction nähert, je gröfser die Anzahl 2 η der Spulen ist.

IV. Zweite Ausführungsart. Anstatt die Windungszahlen der Spulen des secundären Stromkreises nach einem Sinusoiden-Gesetz sich ändern zu lassen, kann man diese Zahlen auch constant lassen, indem man aber immer die η Spulen, die neben einer Seite eines Durchmessers des Ringes gelegen sind, in einer Richtung wickelt und die η anderen Spulen in der entgegengesetzten Richtung.

Alsdann wird sich die Windungszahl jedes Mal, wenn die Bürsten von einem Steg zum nächsten übergehen, um eine constante Gröfse ändern. Giebt man aber den verschiedenen Stegen des Stromwenders ungleiche Breiten, so kann man nach Belieben über die Zeitpunkte bestimmen, an welchen diese Aenderungen stattfinden , wenn die Bürsten sich stetig drehen.

Es sei beispielsweise die Fig. 6 betrachtet. Sie stellt einen Sinusoidenbogen dar, der von einer treppenförmigen Curve eingefafst ist, deren Stufe eine constante Höhe und eine veränderliche Breite haben , wogegen diese Stufen in Fig. 5 eine veränderliche Höhe und eine constante Breite hatten.

Man begreift sofort, dafs sich eine derartige Curve ebenso gut dem Sinusoidenbogen nähern wird, als die in Fig. 5 dargestellte Curve, wenn die Anzahl der Abtheilungen des secundären Stromkreises entsprechend grofs genommen wird.

Es ist überdies klar, dafs diese Curve das Gesetz darstellt, nach dem sich die Zahl der auf den Kern des Umformers wirkenden Windungen des über die Bürsten geschlossenen Stromkreises als Function der Zeit ändert, wenn man den auf einander folgenden Stegen des Stromaufnehmers Breiten giebt, die . proportional sind den Breiten der auf einander folgenden Stufen der treppenförmigen Curve der Fig. 6.

V. Anwendung auf Umwandler von Einphasenwechselströmen. Wenn man

die Bürsten mit der Geschwindigkeit -=· sich

drehen läfst, so entsteht, greife man nun zu der ersten oder zu der zweiten Ausführungsart , ein secundärer Stromkreis, dessen veränderliche Windungszahl durch den Ausdruck

|/ sin 2 π -ψ dargestellt werden kann.

Es sei angenommen , dafs der primäre Stromkreis in dem Kern des Umwandlers veränderliche Kraftlinien erzeuge, die in jeder Windung eine elektromotorische Kraft von

der Gröfse Hosin 2 π -ψ induciren.

Der gesammten elektromotorischen Kraft in dem über die Bürsten geschlossenen Stromkreis kommt dann der Ausdruck ]/ H 0 sin² t

2 7Γ -= ZU.

Die elektromotorische Kraft hat immer dieselbe Richtung, bleibt aber nicht constant. Dies wäre nicht von Wichtigkeit, wenn man blos Beleuchtungsvorrichtüngen oder Motoren speisen wollte, die einen grofsen Selbstinductionscoefficienten haben , dagegen wäre es unter diesen Umständen nicht möglich, eine Sammelbatterie zu laden, da der Strom jedesmal seine Richtung wechselt, wenn diese elektromotorische Kraft unter eine gewisse Grenze sinkt.

In diesem Falle empfiehlt es sich, in den Weg des gleichgerichteten Stromes eine kräftige Selbstinductionsspule einzuschalten, welche die Schwankungen . des Stromes ausgleicht (acheverait la rectification du courant), indem sie selbst die nöthigen elektromotorischen Hülfskräfte liefert.

Diese Spule versieht in Wirklichkeit den Dienst eines Schwungrades und man kann ein Organ dieser Art nicht umgehen, da der von einem Wechselstrom gelieferten Energie als Function der Zeit der Ausdruck von der

Form W 0 sin² 2 π.-~ zukommt, wogegen die

Energie, die der Sammelbatterie geliefert werden mufs, in jedem Augenblick dieselbe bleiben mufs, wenn diese Batterie unter normalen Bedingungen arbeiten soll. Man erreicht das gleiche Ergebnifs, wenn man zwischen die Klemmen des primären Stromkreises einen Condensator von passender Capacität im Neben-r schlufs einschalten würde.

VI. Anwendung auf den Fall der Benutzung von Mehrphasenströmen. Die vorteilhaften Eigenschaften, die diese Ströme besitzen,, wenn es sich darum handelt, eine Kraftübertragung zu bewirken, sind bekannt. Es ist ferner bekannt, dafs zur Erzielung der vortheilhaftesten Ausnutzung dieser Ströme jede der benutzten Linien in jedem Augenblick dieselbe Energiemenge verbrauchen mufs.

Schaltet man die vorher für die Einphasenströme beschriebene Vorrichtung in ein Vertheilungsnetz für Mehrphasenströme, so'wird nur einem einzigen dieser Ströme Energie entnommen. Die Wirkungsweise der Vorrichtung wird dann nicht beeinträchtigt, aber die Arbeitsbedingungen der Maschinen oder anderen Stromverbraucher, die durch alle übermittelten Ströme gleichzeitig gespeist werden sollen, werden nicht mehr erfüllt.

Diese Schwierigkeit wird dadurch gehoben, dafs man ebenso viele getrennte Einphasenstromapparate , als man Mehrphasenströme nutzbar zu machen hat, zusammenstellt, jeden dieser Apparate durch einen dieser Stromkreise speist und so verfährt, dafs sich alle Apparate in Bezug auf die sie speisenden Ströme in derselben Weise verhalten.

Da der secundäre Stromkreis jedes Apparates eine Quelle elektromotorischer Kraft von stets derselben Richtung bildet, so würde es in der Praxis unbequem sein, wenn man gezwungen wäre, diese verschiedenen Quellen elektromotorischer Kraft unabhängig von einander nutzbar zu machen, es ist daher sehr vortheilhaft, sie zu einer einzigen Quelle zu vereinigen. Dies thun die Erfinder, indem sie die secundären Stromkreise dieser Apparate in derselben Weise in Reihe schalten, wie man die Anker mehrerer Gleichstrommaschinen in Reihe schalten würde. Gleichzeitig bietet diese Schaltung noch einen besonderen Vortheil.

Es ist vorhin gezeigt worden, dafs einer der Apparate, dessen primärer Stromkreis mit einem Wechselstrom von der Stärke /= A sin

2 7Γ -=■ gespeist wird, in jedem über seine

Bürsten geschlossenen Stromkreis eine elektromotorische Kraft von stets derselben Richtung entwickelt, der der Ausdruck H= Ho sin²

2 π -ψ zukommt.

Ein zweiter gleicher Apparat, dessen primärer Stromkreis mit einem Wechselstrom gespeist würde, der in Bezug auf den ersten um Y₄ Welle verschoben wäre und dessen Stärke

der Ausdruck P = A cos- ι π -ψ zukäme,

würde in jedem über seine Bürsten geschlossenen Stromkreise eine elektromotorische

Kraft H' = H ο cos² 2 π -ψ entwickeln.

Wenn die secundären Stromkreise dieser beiden Apparate in Reihe geschaltet sind, so wird die gesammte elektromotorische Kraft, die in dem sie verbindenden Stromkreise entwickelt ist, in jedem Augenblick gleich Ho

(sin² 2 π -ψ + cos'² 2 π -ψ)-= Ho, d. h. sie

wird also hier constant sein.

Man kann daher die gelieferten Ströme unmittelbar zur Ladung von Sammelbatterien benutzen, ohne irgend ein Hülfsorgan , wie z. B. einen Condensator oder eine Selbstinductionsspule, anwenden zu müssen, was ein grofser Vortheil ist.

Ebenso wäre es, wenn man drei gleiche Apparate anwendete, deren primäre Stromkreise jeder für sich mit einem der durch eine Dreiphasenstromlinie übermittelten Ströme gespeist würden. Da die secundären Stromkreise dieser Apparate' alle in Reihe geschaltet sind, so entwickeln sie elektromotorische Kräfte,

denen die Ausdrücke Ho sin¹ 2 π —ψ, Ho sin¹

2 π (-= + —), H 0 sin'² 2 π (-ψ ^ ) zukommen.

Die Summe dieser drei elektromotorischen Kräfte ist auch constant und gleich ³/₂ Ho.

Aus dem Vorhergehenden ergiebt sich, dafs die Mehrphasenströme sich sehr gut zu der Umformungsart eignen, die die Erfinder verwirklichen wollen. Das kommt daher, dafs die Energie, die eine Mehrphasenströme fortleitende Linie abgiebt, constant ist ebenso wie diejenige einer einzigen Linie, die einen Gleichstrom von constanter Spannung abgiebt. . Es ist daher natürlich, dafs die Apparate, die die Umwandlung von Mehrphasenwechselströmen in Gleichströme oder umgekehrt bewerkstelligen sollen , Energie selbst nicht aufzuspeichern haben, da sie in jedem Augenblick ebenso viel Energie verbrauchen müssen, als sie empfangen. ■

Nichtsdestoweniger haben die Erfinder bemerkt, dafs es eine grofse Unbequemlichkeit ist, ebenso viele Stromwender und Bürsten, als zusammengestellte Apparate und folglich nutzbar zu machende Mehrphasenströme da sind, in gutem Stande erhalten und beaufsichtigen zu müssen.

Die Erfinder haben ein Mittel zur Beseitigung dieses Uebelstandes gefunden, das derart ist, dafs man in allen Fällen nur einen einzigen Stromwender und ein einziges Paar Bürsten zu benutzen braucht.

i. Fall, wo zwei um ¹Z₄ Welle verschobene Wechselströme benutzt werden.

Zwei gleiche Umwandler, die mit dem in Fig. 2 gezeigten übereinstimmen, werden unter einander gelegt und der zweite in Bezug auf den ersten um 90⁰ verschoben.

In Fig. 7, welche diese' Anordnung darstellt, ist angenommen, dafs der Durchmesser des zweiten Umformers vergröfsert sei, um diese beiden Apparate durch eine einzige Ansicht veranschaulichen zu können.

Jeder Radius , der durch eine secundäre Spule des inneren Ringes gezogen ist, geht verlängert durch eine secundäre Spule des äufseren Ringes. Die beiden auf je einem Radius gelegenen Spulen werden hinter einander geschaltet, indem der Austrittsdraht der auf dem inneren Ring gelegenen Spule mit dem Eintrittsdraht der auf dem äufseren Ring gelegenen Spule verbunden wird. Auf diese Weise werden zwölf Stromkreise gebildet, deren Eintrittspunkte e_re₂e₃... und deren Austrittspunkte s\ s'^s'^. . . sind.

Man verbindet den Eintrittspunkt jedes dieser Stromkreise mit dem Austrittspunkt des vorhergehenden Stromkreises und- mit einem der auf einander folgenden Stege eines einzigen Stromwenders (s. Fig. 7).

Wenn sich die Anzahl der Windungen, die den inneren Kern umgeben und zu einem der beiden zwischen den Bürsten α und b abgezweigten Stromkreise gehören, ändert als Function der Zeit, gemäfs, dem Gesetz j/ sin 2 π -ψι

so ändert sich die Anzahl der Windungen des gleichen , den äufseren Kern umgebenden

Stromkreises gemäfs dem Gesetz γ cos 2 -π -ψ·>

da ja die beiden Ringe in Bezug auf einander um 90° verschoben sind.

Wenn also durch die Wirkung der primären Ströme in jeder den inneren Kern umgebenden Windung eine elektromotorische

Kraft Ho sin 2 π —ψ und in jeder den äufseren Kern umgebenden Windung eine elektromotorische Kraft H 0 cos 2 π —= entwickelt wird,

so kommt der gesammten elektromotorischen Kraft, die in jedem der zwischen den Bürsten a und b abgezweigten Stromkreise entwickelt ist, der Ausdruck

Y Ho (sin² 2 π —= -f- cos² 2 π -ψ) —Υ H ο zu.

Sie wird mithin constant sein.

2. Fall, wo Dreiphasenströme benutzt werden.

Es werden drei gleiche Umformer, die mit dem in Fig. 2 gezeigten übereinstimmen, über einander gelegt und auf einander folgend um 120° verschoben. In Fig. 8 ist ebenso wie in Fig. 7 angenommen, dafs die Ringe verschiedene Durchmesser haben, um sie in einem Grundrifs darstellen zu können.

Die auf demselben Radius gelegenen secundären Spulen werden hinter einander geschaltet, indem der Austrittspunkt der auf dem inneren Kern gelegenen Spule mit dem Eintrittspunkt der auf dem mittleren Kern gelegenen Spule und der Austrittspunkt dieser letzteren Spule mit dem Eintrittspunkt der auf dem äufseren Kern gelegenen Spule verbunden wird.

Auf diese Weise werden zwölf Stromkreise gebildet, deren Eintrittspunkte e_v e₂ e₃. . . und deren Austrittspunkte s'\ s"₂s"₃. . . sind.

Diese Stromkreise werden ebenso wie im vorigen Falle unter sich und mit den zwölf Stegen, des Stromwenders verbunden.

Wenn man K Mehrphasenströme zu benutzen hätte, so würde man K gleiche Umformer, die mit dem in Fig. 2 gezeigten übereinstimmen, anwenden und diese auf einander

2 π
folgend um einen Winkel gleich —=^- ver-

schieben.

VII. Ausführungsform. Als Beispiel ist der verwickeltste Fall, den man in der Praxis antreffen dürfte, derjenige der Dreiphasenströme gewählt. Es ist angenommen, dafs die Stege des Stromwenders gleich grofs seien und dafs sich die Windungszahlen der secundären Stromkreise gemä'fs einem Sinusoidengesetz ändern.

Der Apparat mufs drei getrennte Umformer haben , deren primäre Stromkreise je mit einem der Dreiphasenströme gespeist werden.

Diese Umformer werden in demselben Gestell untergebracht. Jeder von ihnen ist in folgender Weise angeordnet:

Der magnetische Stromkreis ist durch Aufeinanderstapelung von Blechen gebildet, die nach den in Fig. 9 gezeigten Profilen ausgeschnitten sind.

Die nach dem Profil abcd ausgeschnittenen Bleche bilden in ihrer Vereinigung den eigentlichen Kern der Spule des Umformers. Nachdem diese Spule um ihren Kern montirt ist, senkt man sie in die Mitte des Rahmens herab, der durch die Vereinigung der anderen Bleche gebildet ist.

Auf diese Art können sich die durch die Spule erzeugten Kraftlinien völlig im Innern von Eisenmassen schliefsen, wobei sie den in Fig. 9 durch punktirte Linien angedeuteten Wegen folgen und nur die beiden magnetischen Punkte a J und b c zu überspringen haben.

Jede Spule hat:

1. eine primäre Wickelung,

2. zwölf secundäre Stromkreise (die Zahl 12 ist als Beispiel genommen) und für jeden dieser secundären Stromkreise eine Windungszahl, die sich gemäfs dem vorhin erläuterten Sinusoidengesetz ändert. Auf diese Art sind diese verschiedenen Stromkreise über einander gelegt und nicht neben einander gestellt, wie in den Fig. 2, 7 und 8 angenommen wurde, 'um diese übersichtlicher zu machen.

Es ist besser, diese Stromkreise über einander zu legen, denn man vermeidet auf diese Weise die Erzeugung von Folgepunkten auf der Oberfläche der inneren Kerne der Spulen, Folgepunkten, die sich bei der anderen Anordnung zu zeigen trachten würden.

Die Fig. 10 und 11 stellen im Grundrifs und im Aufrifs einen Apparat dar, der durch, die Vereinigung von drei derartigen Umwandlern ABC gebildet ist. Sie werden zwischen zwei Gufsplatten ab und cd, Fig. 11, fest zusammengehalten. Die untere Platte ist mit Füfsen versehen, die die ganze Vorrichtung tragen.

Die drei Drähte der Linie enden in den Klemmen et β γ, Fig. 10, von denen α mit dem Eintrittsdraht m, β mit dem Eintrittsdraht ρ und γ mit dem Eintrittsdraht q der drei primären Stromkreise verbunden ist. Die Austrittsdrähte xy \ dieser Stromkreise sind parallel geschaltet.

Was die zwölf secundären Stromkreise jedes Umwandlers anbetrifft, so gehen die Eintrittsdrähte der Stromkreise ungerader Ordnung durch die linke Seitenwand der sie tragenden Spule und ihre Austrittsdrähte durch die rechte Seitenwand dieser Spule über den Gufseisenplatten hindurch.

Die Eintrittsdrähte der Stromkreise gerader Ordnung gehen durch die rechte Seitenwand der sie tragenden Spule und die Austrittsdrähte durch die linke Seitenwand dieser Spule unter den Gufseisenplatten hindurch.

Diese Eintritts - und diese Austrittsdrähte sind in den Fig. 10 und 11 mit den Buchstaben e e e. . .s s s. . . bezeichnet, aufserdem ist aus diesen Figuren auch ihre Verbindungs- ,

art zu erkennen, die gemä'fs den vorhin dargelegten Regeln bewerkstelligt ist.

Sie sind mit zwölf Klemmen verbunden, die in den Figuren mit i, 2, 3, 4. . . 12 numerirt sind. Jede dieser Klemmen mufs mit dem Steg des Stromwenders in Verbindung gebracht werden, der dieselbe Nummer trägt.

VIII. Bauart eines beweglichen, mit festen Bürsten ausgerüsteten Stromwenders, der für den neuen Apparat bestimmt ist. Bisher ist der leichteren Erklärung halber angenommen, dafs der Stromwender fest und die Bürsten beweglich seien. Unter Umständen ist es aber vortheilhaft, diese Anordnung umzukehren, d. h. die Bürsten fest und den Stromwender beweglich zu machen. Um in diesem Falle die gewünschten Arbeitsbedingungen zu erhalten, genügt es, die Austrittsdrähte jeder Abtheilung mit dem entsprechenden Steg des Stromwenders mittelst eines festen Reibers zu verbinden, der auf einem beweglichen Ring schleift, der mit dem entsprechenden Steg des Stromwenders in elektrischer Verbindung steht.

Die Fig. 12, 13, 14 und 15 stellen einen Apparat dar, bei dem diese Einrichtung ausgeführt ist.

Ein synchron gehender sechspoliger Motor M, den Fig. 12 in Endansicht, Fig. 13 links im Längenschnitt und Fig. 15 links im Grundrifs zeigen, versetzt einen mit 36 Stegen ausgerüsteten Stromwender C in Umdrehung. Dieser Wender ist dreifach, d. h. hat dreimal so viel Stege, als streng genommen nöthig wären, so dafs er während der Dauer jeder vollständigen Welle der in Gleichströme umzuwandelnden Wechselströme nur eine Drittelumdrehung zu machen braucht.

Diese Stege seien auf einander folgend mit 1, 2. . . 35, 36 numerirt.

Mit dem Wender sind zwölf Ringe Ci₁ a₂ Ct₃...a₁₂ vereinigt. Der Ring U₁ steht mit den Stegen 1, 13, 25 des Wenders in Verbindung, der Ring a.₂ mit den Stegen 2, 14, 26, . der Ring a₃ mit den Stegen 3, 1 5, 27 u. s. w.

Auf diesen Ringen schleifen zwölf feste Reiber P₁ ß₂. . . ß, ₂ , von denen jeder mit je einer von zwölf Klemmen y, y₂. . . y₁₂ verbunden ist.

In diese Klemmen enden die Austrittsdrähte der zwölf Abtheilungen, in die der secundäre Stromkreis des Systems gemäfs der durch Fig. 8 veranschaulichten Methode zerlegt gedacht ist.

Es ist zu bemerken, dafs diese Theilung in zwölf Stromkreise nicht unbedingt nothwendig, sondern nur als Beispiel gewählt ist.

Man hat aber zu beachten, dafs, wenn man die einer Abtheilung entsprechende Steganzahl vervielfacht, man nach Belieben im Verhältnifs zu dieser Steganzahl die Winkelgeschwindigkeit verringern kann, die dem Stromwender für einen primären Wechselstrom von derselben Wechselzahl (de meme periode T) zu geben ist.

Um den Stromwender herum ist ein Bürstenträger D angeordnet, Fig. 13, 14 und 15, der zwei Bürstenpaare α α und b b trägt, die diametral gegenüberstehen. Diese Bürsten dienen zur Abnahme des gelieferten Gleichstromes, und zu diesem Zweck sind die Bürsten jedes Paares durch ein biegsames Kabel mit zwei äufseren Klemmen verbunden.

IX. Vorschriften für die Ausführung des Verfahrens. Die Vorrichtung, die dazu dient, die Stellung der Bürsten nach Bedarf zu verändern und deren Einrichtung aus den Fig. 13, 14 und 15 klar hervorgeht, braucht nicht beschrieben zu werden, da sie mit den gewöhnlich angewendeten Vorrichtungen übereinstimmt.

Im allgemeinen mufs man , wenn man Sammelbatterien laden will, deren Klemmenspannung nach dem Ladungsgrad ändern können.

Es empfiehlt sich daher, den Apparat mit Rücksicht auf die Erzeugung der gröfsten Spannung einzurichten.

Man mufs annehmen, dafs die Stromerzeugungsanstalt die Spannung in jedem der Leiter auf einem ganz bestimmten Werth erhält.

Es ist daher zweckmäfsig, die Spannung an den Klemmen der primären Stromkreise nach Bedarf vermindern zu können. Dies erreicht man z. B. dadurch, dafs man in jeden der Leiter eine Selbstinductionsspule einschaltet.

Man mufs ebenso viele übereinstimmende Spulen benutzen, als man primäre Ströme mit verschiedenen Phasen verwendet, und diese Spulen müssen immer gleichzeitig geregelt werden.

Anstatt den synchron gehenden Motor, der immer kleine Abmessungen hat, mit den von der Erzeugungsanstalt herkommenden Wechselströmen zu speisen , kann man um jeden Magnetkern des Umwandlers einen besonderen Hülfsstromkreis wickeln. Auf diese Art verfügt man über verschobene, niedrig gespannte Ströme, die sich sehr gut zur Speisung des Motors eignen.

X. Umkehrbarkeit. Vermöge der allgemeinen Gesetze der Induction sind alle vorhin beschriebenen Anwendungen des neuen Verfahrens umkehrbar, d. h. wenn man in die Bürsten des secundären, jetzt primären Stromkreises einen Gleichstrom sendet und diese Bürsten dreht, so erhält man gemäfs dem weiter oben angegebenen Gesetz in dem oder den früher primären, jetzt secundären Strom-

kreisen einen Wechselstrom oder mehrere verschobene Wechselströme, deren Wechselzahl lediglich von der Drehgeschwindigkeit der Bürsten abhängig ist.

Claims (4)

1. Paten t-An sp rüche:

   i. Verfahren zur Umwandlung von Wechselströmen beliebiger Spannung in gleichgerichtete oder Gleichströme von ebenfalls beliebiger Spannung oder umgekehrt, bei welchem die wechselnde Dichte der in einem feststehenden, in sich geschlossenen Magnetkern durch eine wechselstromführende Wickelung erzeugten Kraftlinien Ströme in einem sekundären Kreise inducirt, welcher aus einzelnen um denselben Magnetkern angeordneten Spulen besteht, deren Windungszahlen jedoch nach einer Sinusfunction wechseln und deren eine Hälfte der anderen entgegengesetzt gewickelt ist, so dafs von den Verbindungsstellen dieser Spulen durch einen mit der Periode des Wechselstromes synchron laufenden Stromwender, der für jede Spule mit Sinuswickelung einen oder mehrere Stege haben kann, Gleichstrom abgegeben wird.
2. 2. Das durch den Anspruch i. gekennzeichnete Verfahren dahin abgeändert, dafs die Windungszahlen der Spulen des secundären Stromkreises nicht nach einer Sinusfunction wechseln, sondern für alle diese Spulen gleich grofs sind, dagegen aber die Breiten der auf einander folgenden Stege des Stromwenders einer Sinusfunction entsprechen.
3. 3. Das durch Anspruch 1. gekennzeichnete Verfahren mit der besonderen Einrichtung, dafs bei einem einzigen inducirenden Wechselstrom der durch die Stromwendevorrichtung gleichgerichtete, Strom durch die Hinzufügung von Condensatoren oder Selbstinductionsspulen zum System stetig gemacht wird.
4. 4. Zur Ausführung des unter 1. gekennzeichneten Verfahrens bei Mehrphasenströmen ein Apparat, der aus entsprechend vielen einzelnen Umwandlern zusammengesetzt ist, deren (nach 1.) inducirte Spulen je von einem zum anderen Umwandler in der gesetzmäfsigen Weise hinter einander geschaltet und mit den Stromwenderstegen verbunden sind, während die inducirenden Wechselstromspülen jedes Einzelumwandlers für sich hinter einander geschaltet sind.

   Hierzu 3 Blatt Zeichnungen.