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Wechselstrom-Gleichrichter Gegenstand der Erfindung ist ein Wechselstrom-Gleichrichter,
der im Verhältnis zu seinen Ausmaßen Gleichstrom hoher Stromstärke zu entnehmen
gestattet, wie er z. B. für den Betrieb von Bogenlampen für Kinozwecke gebraucht
wird. Während für geringe Stromstärken kleine und handliche Gleichrichter bekannt
sind, erfordern Gleichrichteranlagen der genannten Art bisher im allgemeinen umfangreiche
undkostspielige Einrichtungen, die außer ihrer komplizierten Bauart oft auch weitere
betriebsmäßige Mängel besitzen, wie starke Empfindlichkeit (Zusammenfallen der Gleichspannung)
gegen vorübergehenden Spannungsabfall an der Wechselstromseite u. dgl. Selen- und
Röhrengleichrichter sind gegen Wechsel in der Belastung empfindlich. Die bisher
verwendeten Schaltschützen-Bleichrichter sind von nicht einfacher Bauart und daher
kostspielig.
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Ziel der Erfindung ist es, einen betriebssicheren, verlustarm arbeitenden
Gleichrichter von einfacher und wohlfeiler Bauart zu schaffen, der infolge seines
geringen Raumbedarfs auch unter räumlich beschränkten Verhältnissen verwendet werden
kann, insbesondere auch in Anlagen, bei denen Ohmsche Belastung im Vordergrund steht,
wie z. B. für Bogenlampenbetrieb. Auch für das Laden von, Batterien und für zahlreiche
Gleichstromverwendungszwecke in Haushalt und Gewerbe ist ein wohlfeiler betriebssicherer
Umformer des Netzwechselstromes als kleines, handliches Aggregat erwünscht, im Gegensatz
zu den bisher gebräuchlichen Geräten, die für höhere Leistungen durchweg von großer
und
zum Teil komplizierter Bauart, also auch hohen Gestehungskosten
waren. Diese und weitere aus der folgenden Beschreibung hervorgehende Aufgaben werden
in besonders wirtschaftlicher Weise gelöst durch einen den Gegenstand der Erfindung
bildenden Wechselstrom-Gleichrichter (Kommutator-Umformer), bei dem ein Kollektor
mit einer der Frequenz des gleichzurichtenden Wechselstromes entsprechenden Drehzahl
umläuft und durch Isolierstrecken voneinander getrennte Kontaktsegmente trägt, denen
der Wechselstrom durch Schleifringe zugeführt wird, während der Gleichstrom von
Bürsten abgenommen wird, deren Breite wenig geringer ist als die der.Isolierstrecken
zwischen den Kontaktsegmenten. Der auf die der Frequenz des Wechselstromes entsprechende
Drehzahl gebrachte Kollektor wird durch einen einphasigen Synchronmotor angetrieben,
der über dieselben Schleifringe, die den Kollektor versorgen, mit Wechselstrom gespeist
wird. Das Ingangsetzen des Kollektors erfolgt mittels eines normalen. einphasigen
Wechselstrommotors mit Kurzschlußanker (Anwurfmotor), der zweckmäßig mit dem Kollektor
und Synchronmotor zu einem Aggregat mit gemeinsamer Welle vereinigt ist. Bei Erreichen
der erforderlichen Drehzahl des Kollektors kann der Anwurfmotor von einem Relais,
das auf den von den Bürsten des Kollektors entnommenen Gleichstrom anspricht, vom
Wechselstromnetz abgeschaltet und das Feld des Synchronmotors durch den gewonnenen
Gleichstrom erregt werden. In diesem Falle wird zweckmäßig ein Kollektor mit vier
Kontaktsegmenten und halber Synchrondrehzahl verwendet. Auf diese Weise ergibt sich
eine besonders gedrängte Ausführungsform des Gesamtaggregates, das6omitauch einen
Synchronmotor mit selbständigem Anlauf enthält. Ist der Anwurfmotor fast auf die
zur Erreichung des Synchronismus erforderliche Tourenzahl gekommen, so wird durch
einen Handschalter die Spannung der Hilfsbatterie für kurze Zeit auf den Anker des
Synchronmotors gegeben, der nunmehr in Tritt fällt. Durch den jetzt an den Bürsten
des Kollektors auftretenden Gleichstrom wird ein Relais betätigt, das die Batterie
abschaltet und an ihrer Stelle den eigenerzeugten Gleichstrom dem Synchronmotor
zuführt. In diesem Falle kann ein Kollektor mit nur zwei Kontaktsegmenten und voller
Synchrondrehzahl verwendet werden.
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Der auf Gleichstrom ansprechenden Spule des erwähnten Umschaltrelais
wird zweckmäßig eine aus Drosselspule und Kondensatoren bestehende Stromkreisanordnung
vorgeschaltet, die nur Gleichstrom zur Spule durchläßt und so ein vorzeitiges Ansprechen
des Relais verhindert. Diese Anordnung hat den weiteren Vorteil eines vollkommen
funkenfreien Laufes, was z. B. auch für Radioentstörung der Anlage wichtig ist.
Den Gleichstromklemmen des Kollektors kann weiter ein Zeitrelais nachgeschaltet
sein, das das vorzeitige Einschalten der Belastung am Gleichstromausgang verhindert.
Durch entsprechende Kollektoraufteilung und Verwendung eines Ausgangstransformatörs
kann das Gerät auch als Frequenzwandler verwendet werden. Einige Ausführungsbeispiele
-der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen beschrieben. In diesen stellen dar
Fig. i einen Wechselstrom-Gleichrichter nach der Erfindung mit selbständig anlaufendem
Synchronmotor, Fig.2 eine schematische Darstellung der Anordnung des Kollektors
halber Synchrondrehzahl und des Spannungsverlaufes der bei einer Umdrehung gleichgerichteten
zwei Perioden, Fig. 3 eine andere Ausführungsform des Wechselstrom-Gleichrichters
mit Erregung des Synchronmotors durch eine Hilfsbatterie und Fig.4 eine schematische
Darstellung der Anordnung für den mit voller Synchrondrehzahl laufenden Kollektor
dieser zweiten Ausführungsform.
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Das Gehäuse i in Fig. i umschließt das Kommutator-Aggregat zur Umformung
des Wechselstromes aus dem Netz 2 in Gleichstrom. Erforderlichenfalls wird dabei
noch ein Transformator 3 vorgeschaltet. Die durch das Aggregat gelieferte Gleichspannung
wird an den Klemmen 4a und 4b entnommen, an die die zu ladenden Batterien 5, Kinobogenlampen
6 oder andere beliebige Gleichstromverbraucher 7 angeschlossen werden können.
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Auf einer gemeinsamen Welle 22 sitzen der Rotor 28 des Anwurfmotors,
der Rotor 39 des Synchronmotors und der Kollektor (Fig.2). Den Schleifringen 8 und
9 des Kollektors wird der Wechselstrom entweder unmittelbar vom Netz 2 oder über
den Transformator 3 zugeführt. Die Schleifringe stehen in leitender Verbindung mit
den Kollektorsegmenten io, 11, 12 und 13, zwischen denen Isoliersegmente 14, 15,
16 und 17 angeordnet sind, die um ein geringes breiter sind als die Bürstenkohlen
18, i9, 20, 21. Wird nun die Welle 22 synchron auf die der halben Wechselfrequenz
entsprechende Drehzahl gebracht, so kommen"während einer Umdrehung zwei volle Perioden
mit den Amplituden 23, 24, 25, 26 zur Entfaltung. Die positiven Amplituden 23 und
25 werden bei synchroner Drehung des Kollektors in Richtung des Pfeiles 27 den positiven
Bürstenkohlen 18 und 20 und die negativen Amplituden 24 und 26 den negativen Bürstenkohlen
i9 und 21 zugeführt. An den Klemmen 4a und 4b erscheint also stets die gleiche Polarität.
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Der Anwurfmotor mit dem Läufer 28 und dem Ständer 29 stellt einen
normalen einphasigen Wechselstrommotor mit Kurzschlußanker bekannter Bauart dar.
Bei entsprechender Bemessung würde seine Drehzahl, wenn Wechselstrom von 5o Perioden
pro Sekunde an seine Klemmen gelegt wird, auf eine Drehzahl von etwa 2900 Umdrehungen
oder etwas darüber ansteigen. Das Aggregat hat dabei nur die Lager- und Bürstenreibung
zu überwinden. Solange die halbe synchrone Drehzahl noch nicht erreicht ist, tritt
an den Kommutatorbürsten 18, i9, 20,21 noch kein Gleichstrom, sondern ein zerhackter
Wechselstrom mit mehr oder weniger sinusförmigem Charakter auf. Der Synchronmotor
wird vorläufig noch nicht erregt. Er wird vielmehr erst eingeschaltet, wenn die
halbe synchrone Drehzahl beim
Anlaufen des Aggregates erreicht wird
und reiner Gleichstrom in den Bürsten erscheint.
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Zu diesem Zweck ist ein Relais 30, 11 vorgesehen, dessen Spule
3o an den Bürstenkohlen liegt und so bemessen ist, daß das Relais nur bei Gleichstromdurchgang
anspricht. Dem Relais ist zu diesem Zweck die Kombination einer Drosselspule 32
mit Kondensatoren 33, 34 vorgeschaltet. Die Induktion der Drossel bewirkt, daß der
Relaisspule 30 im wesentlichen nur Gleichstrom zufließen kann, während Wechselstrom
vor der Relaisspule über die Kondensatoren 33, 34 abgeleitet wird. Durch diese Drossel-Kondensator-Kombination
wird das vorzeitige Ansprechen des Relais verhindert bzw. seine Ansprechgenauigkeit
stabilisiert. Außerdem hat die Anwendung dieser Kombination in der Schaltung gemäß
der Erfindung einen funkenfreien Kommutatorlauf zur Folge, was die durchgeführten
Versuche bestätigt haben.
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Wenn während des Anlaufes nun der vierlamellige Kollektor bei i5oo
Umdrehungen in Tritt gefallen ist, so tritt an den Bürstenkohlen Gleichspannung
ein, durch die das Relais 30, 31 geschaltet wird. Dabei werden die
Kontakte 35°, 356 geöffnet, und die Ständerwicklung 29 des Anlaufmotors wird vom
Netz getrennt. Andererseits werden die Kontakte 36° und 366 geschlossen, und die
Pole 37 und 38 des einphasigen Synchronmotors werden mit Gleichstrom erregt. Der
Läufer 39 des ebenfalls über die Schleifringe 8, 9 gespeisten Synchronmotors wird
Träger des Wechselfeldes. Wie Versuche ergeben haben, tritt in der Nähe der angestrebten
halben synchronen Drehzahl infolge Remanenz der Gleichstrompole eine leichte Bremsung
und '\"erminderung der Anfahrbeschleunigung ein, wobei das Intrittfallen des Synchronantriebes
außerordentlich begünstigt wird' Ein an sich bekanntes Zeitrelais 40 verhindert
das vorzeitige Zuschalten der Belastung des Gleichstromnetzes. Ein Anzeigeinstrument
4i zeigt sowohl die Polarität als auch die Spannung des erzeugten Gleichstromes
an.
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Um Fehlbedienungen durch falsche Polung auf der Verbrauchsseite zu
verhindern, kann ein Polwender 42 bekannter Bauart verwendet werden, der dafür sorgt,
daß an den Klemmen 4° und 46 immer ein und dieselbe Polarität herrscht, so daß es
bei seiner Anwendung gleichgültig ist, ob das Intrittfallen eine halbe Periode früher
oder später erfolgt. Gegebenenfalls kann der Polwender 42 auch ausgelassen werden,
wenn die Remanenz der Antriebserregun- bereits eine Regelmäßigkeit der Polaritätslage
der Gleichstrom-Verbrauchsklemmen zur Folge hat. Als Anwurfmotor 28, 29 kann bei
entsprechender Schaltung und Bemessung z. B. auch ein Wechselstrom-Kommutatormotor
verwendet werden.
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Die geschilderte Ausführungsform zeichnet sich auch durch besonders
gedrängte Bauweise aus, so daß z. B. für ein Gleichrichteraggregat mit einer Gleichstromabgabe
von 6 Ampere bei 250 Volt nur ein Gehäuse der in der Zeichnung dargestellten
Größenabmessung erforderlich ist. Schwankungen der Belastung auf der Gleichstromabnahmeseite
sind ohne jeden Einfluß auf das Arbeiten des Aggregates. Die eigene Aufnahme des
Synchronmotors ist äußerst gering, und der Gleichrichter arbeitet bei richtiger
Bemessung und Einstellung der Bürsten mit einem völlig zu vernachlässigenden Spannungsverlust.
Den Reibungsverlusten an der Welle, an den Bürsten und den Schleifringen des Kollektors,
die bei jedem Gleichstrommotor vorlianden sind, kommt keine Bedeutung zu. Auch ist
die Gleichstromabgabe von einer Überbelastung unabhängig. Die Gestehungskosten sind
niedrig.
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Während die Ausführungsform nach Fig. i und 2 einen vierlamelligen
Kollektor mit halber Synchrondrehzahl zeigt, bei der der Anwurfmotor mit dem Kurzschlußanker
28 nicht die volle Synchrondrehzahl erreicht, so daß es also nicht möglich ist,
den für die Erregung des Synchronantriebes erforderlichen Gleichstrom den Bürsten
des Kommutators zu entnehmen, ist in den Fig., 3 und 4 eine andere Ausführungsform
gezeigt, bei der diese Erregung zunächst vorübergehend einer Hilfsbatterie 43 entnommen
wird. Fig. 4 zeigt hierzu, wie bei voller Synchrondrehzahl mit einem zweilamelligen
Kollektor und Anwendung von nur zwei Bürsten 44, 45 die Gleichrichtung erfolgt.
Hier wird der Wechselstrom mit den Amplituden 5o, 51 einer Periode über die Schleif
ringe 8,9 den Kommutatorsegmenten 46 und 47 zugeleitet, zwischen denen die nur wenig
breiter als die Bürsten bemessenen Isoliersegmente 48, 49 liegen. Im Interesse gleichmäßiger
Abnutzung können diese Isoliersegmente aus demselben Werkstoff wie die stromführenden
Segmente hergestellt werden, wobei durch Zwischensetzung schmaler, nichtleitender
Stücke für die Isolierung gesorgt wird. Dasselbe gilt auch für die Ausgestaltung
und Anordnung der Isoliersegmente bei der zuerst geschilderten Ausführungsform.
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Bei der Anordnung nach den Fig. 3 und 4@ entspricht eine Umdrehung
des Aggregates einer Periode, und der Amplitudenwechsel erfolgt in der Weise, daß
die positive Halbperiode 51 stets an der Bürste 44 und die negative Halbperiode
5o an der Bürste 45 erscheint. Da nur die Bürsten- und Lagerreibung zu überwinden
sind, so kann der Anwurfmotor 28, 29 so ausgelegt werden, daß seine Drehzahl bis
in die unmittelbare Nähe des vollen Synchronlaufes steigt. Ist dieser Zustand erreicht,
so wird ein Schaltknopf 52 betätigt und damit das Wechselstromrelais 53 geschaltet,
dessen Selbsthaltekontakt 54°, 546 auch nach Freigabe des Druckknopfes 52 die Relaisspule
an Spannung hält. Das Relais 53 schließt gleichzeitig mit den Kontakten 55°, 556
den Stromkreis, in welchem die Hilfsbatterie 43 liegt, und gibt deren Spannung auf
die Schleifringe 56, 57 und somit auf die Wicklung des Läufers 58, der, um eine
andere Möglichkeit als die in Fig. i dargestellte zu zeigen, in diesem Falle als
Träger des polarisierter. Feldes des Synchronantriebes dient, während das Wechselfeld
diesmal im Ständer 59 aufrechterhalten wird. Infolge der Gleichstromfremderregung
des Läufers fällt dieser in synchronen Lauf, auch wenn die volle Drehzahl noch nicht
genau erreicht werden konnte. Die Gleichspannung
tritt an den Abnahmeklemmen
Goa und hob der Verbrauchsseite auf.
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An diesen Klemmen liegt ein Relais 61, dessen Spule wieder mit der
aus Fig. i bekannten Drossel-Kondensator-Kombination zusammengeschaltet ist und
bei Erscheinen der Gleichspannung die Kontakte 62a, 62b öffnet und die Kontakte
63a, 63b schließt. Dadurch wird die Hilfserregung durch die Batterie abgeschaltet,
und es tritt nunmehr die Selbsterregung des Synchronmotors von der Klemmspannung
Goa, hob ein. Das Relais 61 öffnet auch die Hilfskontakte 64a, 6e und trennt damit
den Anwurfmotor 28, 29 vom Wechselstromnetz. Zugleich erfolgt die Abschaltung der
Spule des Halterelais 53, das in die Ruhelage zurückfällt. Auch bei dieser Ausführungsform
können erforderlichenfalls das Zeitrelais 40, das Anzeigegerät 41 und der Polwender
42 aus Fig. i sinngemäß angewendet werden.
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Wechselstrom-Gleichrichter der geschilderten Art lassen sich bei entsprechender
Bemessung ohne weiteres für Gleichstromerzeugung hoher Leistungen, z. B. ioo Ampere
bei 200 Volt bauen, für die man bisher mit bedeutend umfangreicheren und kostspieligeren
Geräten gearbeitet hat. Die Einzelheiten der Ausbildung richten sich dabei nach
den Bedürfnissen des Einzelfalles. So läßt sich der Kominutator-Umformer nach der
Erfindung zwei-und mehrpolig ausbilden, wobei die Kommutator-Unterteilung entsprechend
einzurichten ist. Auch kann eine sinngemäß abgeänderte, nicht besonders dargestellte
Schaltung ohne weiteres auch für Drehstromantrieb und Drehstromgleichrichtung ausgeführt
werden. Bei entsprechender Aufteilung der Kommutator-Segmente und Anschluß eines
nicht dargestellten Ausgangstransformators an den Klemmen 4a, 4b bzw. Goa, hob kann
das Aggregat mit Vorteil auch als Frequenzwandler verwendet werden.