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Elektrische Umformermaschine Es sind bereits elektrische Maschinen
vorgeschlagen worden, die zwei oder mehr getrennte Arbeitswicklungen mit zugehörigen
Erregersystemen besitzen, deren Polpaarzahlen sich wie z : 2 : q. : ... :
2 n verhalten, wobei n eine ganze Zahl bedeutet. Durch diese Bemessung wird erreicht,
daß die einzelnen Wicklungen zwar für das zugehörige Feld einen möglichst großen
Wicklungsfaktor, für die fremden Felder dagegen den Wicklungsfaktor o aufweisen,
so daß sie von den fremden Feldern nicht beeinflußt werden können. Der Erfindung
liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der gleiche Gedanke mit Vorteil auch für den
Bau elektrischer Umformermaschinen Verwendung finden kann, und zwar kann er sowohl
bei Gleichstrom-Gleichstrom-Umformern als auch bei Wechselstrom-Gleichstrom- oder
Perioden- bzw. Phasenumformern angewandt werden.
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Gemäß der Erfindung erhalten somit elektrische Umformermaschinen zwei
oder mehr getrennte Arbeitswicklungen mit zugehörigem Erregersystem, wobei sich
die Polpaarzahlen der einzelnen Wicklungen wie z : 2 : q. : ... : 2 n verhalten.
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Die Erfindung soll durch die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert .werden. Sie ist aber keineswegs auf diese Beispiele beschränkt,
sondern in verschiedenen Abwandlungen vielseitig anwendbar. Insbesondere können
die Polpaarzahlen der Wicklungen unter Berücksichtigung des gegenseitigen Verhältnisses
beliebig geändert werden, wobei es auch bei den einzelnen Beispielen, mit Ausnahme
der Periodenumformer, in der Regel beliebig ist, welche der Wicklungen mit der höheren
und welche mit der niedrigen Polpaarzahl ausgeführt sind.
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In Fig. r der Zeichnung ist zunächst ein Doppelfeld-Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer
gemäß der Erfindung gezeigt. Dieser Umformer besitzt im Anker eine normale, beispielsweise
vierpolige, in Stern geschaltete Dreiphasenwellenwicklung, der der Dreh-
Strom
wie bei den bekannten Einankerumformern über drei Schleifringe x zugeführt wird.
Das zugehörige Polsystem besteht aus vier Polen 2; deren Erregung über den Regler
3 eingestellt werden kann. In den gleichen Ankernuten, die die Drehstromwieldung
enthalten, ist nun gemäß der Erfindung eine zweipolige Gleichstromwicklung eingelegt,
die an einen Kommutator q. geführt ist. Das zugehörige zweipolige Erreger-System
wird dadurch geschaffen, daß je zwei aufeinanderfolgende Pole der für den Drehstromteil
erforderlichen vier Pole durch eine besondere Erregerwicklung 5 mit gleicher Polarität
erregt und damit magnetisch parallel geschaltet werden. Durch den Regler 6 .kann
diese Erregung des zweipoligen Systems und damit die am Kommutator zwischen den
Bürsten abgegebene Gleichspannung beliebig von o bis zürn vollen Wert eingeregelt
werden. Die Maschine kann ebenso wie normale Gleichstrommaschinen mit zwischen den
Hauptpolen angeordneten Wendepolen ausgerüstet werden; ebenso kann eine Kompensationswicklung
vorgesehen werden. Diese Teile sind jedoch in der Zeichnung nicht angedeutet, um
die Übersichtlichkeit nicht zu beeinträchtigen.
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Da der Anlauf einer derartigen Umformermaschine in den meisten Fällen
von der Drehstromseite aus vorgenommen werden wird, empfiehlt es sich, sie noch
mit einem Anlaufkäfig 7 im Polsystem zu versehen.
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Gegenüber allen üblichen, aus zwei getrennten Maschinen bestehenden
Motorgeneratoren hat eine solche Umformermaschine gemäß der Erfindung den Vorteil,
daß nur zwei Lager sowie nur ein Magnetsystem und nur ein Anker erforderlich sind
und daß kein Drehmoment nach außen abgegeben wird. Man benötigt deshalb auch keine
schweren Fundamente und Kupplungen und spart an Lägerreibungs-, Ventüations- und
Eisenverlusten. Die Kupferverluste werden etwa die gleichen sein wie beim Motorgenerator.
Die Eisenabmessungen sind durch das zweipolige System bestimmt. Gegenüber- den bekannten
Einankerumformern bringt die Erfindung den Vorteil, daß die Schleifringspannung
frei und günstig gewählt werden kann, weil keine Verbindung mit der Gleichstromseite
besteht, und daß die Gleichspannung stufenlos geregelt werden kann. Weiter kann
die Überlastungsfähigkeit der Maschine durch eine vom Strom .der Gleichstromseite
abhängige selbsttätige Kompoundierung sehr groß gemacht werden. Der Leistungsfaktor
der Drehstromseite kann über den Regler 3 eingestellt werden.
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Ein solcher Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer kann mit besonderem
Vorteil auch für Umförmerlokomotiven, die mit 5o Hz Einphasenstrom in der Fahrleitung
und Gleichstromtriebmotoren arbeiten, verwendet werden. Es ist dann nur erforderlich,
die Käfigwicklung 7 im Polsystem für den vollen Inversstrom zu bemessen und die
Pole zu lamellieren. Auch für Obüsbetrieb mit Einphasenwechselstrom in der Fährleitung
läßt sich die Erfindung vorteilhaft anwenden.
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Fig. 2 'der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gleichstrom-Gleichstrom-Umformers
gemäß der Erfindung, der beispielsweise für einen Obus oder für Vollbahn- oder Abraümlokomotiven,
die mit Gleichstrom in der Fahrleitung arbeiten, mit Vorteil Verwendung finden kann.
Diese Maschine entspricht im wesentlichen der in der Fig. I gezeigten. An Stelle
der dort vorhandenen Dreiphasenwicklung ist hier im Anker eine Gleichstromwicklung
vorgesehen, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zweipolig gewählt ist
und über die zwei Bürsten =I vom Fahrdraht gespeist wird. Die zweite, in den gleichen
Ankernuten angeordnete vierpolige Ankerwicklung ist an einen zweiten Kommutator
angeschlossen, der über die zugehörigen vier Bürsten 12 die Gleichspannung für den
Triebmotor =5 bzw. die Triebmotoren liefert. Diese Triebmotorenspannung kann über
den Regler =3 im Kreise der vierpoligen Erregerwicklung 14 stufenlos geregelt werden.
Eine solche Anordnung hat den Vorteil, däß eine verlustlose Drehzahlregelung der
Triebmotoren mit kleinsten Regelapparaten möglich ist. Das Prinzip der Anordnung
ist in Fig. 3 dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber die beiden Systeme
der Umformermaschine als zwei getrennte Maschinen dargestellt sind.
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In den folgenden Beispielen werden einige Ausführungen von Umförmermaschinen
gemäß der Erfindung gezeigt, die sowohl im Ständer als auch im Läufer mit Drehfeldern
arbeiten. Fig. q. stellt einen Phasen- und Periodenumformer dar, der es gestattet,
in einer einzigen Maschine beispielsweise I62/3 Hz Einphasenstrom in 5o Hz Drehstrom
umzuformen. Eine solche Anordnung hat beispielsweise Bedeutung für i:62/,-Hz-Fahrzeuge,
um auf dem Fahrzeug ohne großen Aufwand ein 5o-Hz-Drehstrom-Hilfsnetz für die Hilfsantriebe
zu schaffen. Auch in Bahnwerkstätten, die nur an =62/3 Hz angeschlossen sind, kann
ein solcher Umformer zur Herstellung eines 5o-Hz-Drehstromnetzes mit Vorteil angewendet
werden.
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Der Ständer des Umformers erhält eine beispielsweise zweipolige Dreiphasenwicklung
2=, die mit zwei Phasen an das Einphasennetz angeschlossen wird, und der Läufer
eine zugehörige zweipolige Kurzschlußwicklung 22, die jedoch nicht als Käfigwicklung
ausgeführt werden darf. Sie kann zweipolig-zweiphasig oder zweipolig-dreiphasig
sein mit getrennt kurzgeschlossenen Einzelsträngen. Man kann auch einzelne kurzgeschlossene
Windungen ausführen, die dann den Schritt der Zweipolteilüng haben müssen, damit
sie vom vierpoligen Feld nicht beeinflußt werden. Im Ständer ist außerdem noch eine
vierpolige Dreiphasenwicklung 23 angeordnet, die mit der zweipoligen Dreiphasenwicldung
parallel geschaltet ist. Die zugehörigevierpolige Dreiphasenläuferwicklung ist an
drei Schleifringen 25 angeschlossen und dient zur Speisung eines Drehstromnetzes.
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Wie sich leicht nachweisen läßt, ist die an den Schleifringen auftretende
Frequenz V2 einer solchen Anordnung (Kaskade)
wenn mit s die Schlüpfung, mit V, die Einphasenfrequenz, mit P1 die Polpaarzahl
der Wicklung mit der Frequenz V1 und mit P2 die Polpaarzahl der Wicklung mit der
Frequenz V2 bezeichnet wird. Das Pluszeichen gilt, wenn das Feld mit der Polpaarzahl
P2 gegenläufig
und das Minuszeichen, wenn es mitläufig mit der
Läuferumdrehung ist. Für V1 = 16,66, @1 = 1 und P2 = 2 ergibt sich also
Für den Anlauf des Umfoimers ist es nur erforderlich, den dreiphasigen Läuferschalter
des Belastungsstromkreises und eine der beiden an das Einphasennetz angeschlossenen
Zuführungen der vierpoligen Ständerwicklung zu öffnen. Die beiden anderen Phasenstränge
der vierpoligen Ständerwicklung wirken dann als Anlaßdrossel für die einphasig gespeiste
zweipolige Ständerwicklung. Nach dem Hochlaufen sind der einpolige Ständerschalter
und der dreipolige Läuferschalter zu schließen, und der Umformer ist betriebsbereit.
Zur Deckung des Blindstrombedarfs wird man vorteilhafterweise parallel zu den Schleifringen
auf der 5o-Hz-Seite eine Kondensatorbatterie anschließen.
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Fig. 5 zeigt eine ähnliche Anordnung mit synchronem Charakter, bei
der die Magnetisierungsleistung kompensiert und Blindleistung in beide Netze abgegeben
werden kann. Die Maschine besitzt wieder eine zweipolige Dreiphasenständerwicklung
31 mit einer zugehörigen zweipoligen Dreiphasenläuferwicklung 32 sowie eine mit
der zweipoligen Wicklung 31 parallel geschaltete vierpolige Dreiphasenständerwicklung
33 mit zugehöriger vierpoliger Läuferwicklung 34, die über die Schleifringe 35 das
Drehstromnetz speist. Die Läuferwicklung 32 ist aber hier im Gegensatz zu dem Beispiel
nach Fig. 4 nicht kurzgeschlossen, sondern an die Schleifringe 36 geführt, über
die sie von der Erregermaschine 37 gespeist wird. Diese Erregermaschine 37 muß dabei
mit einer Kompensationswicklungausgerüstet werden. Die SekundärfrequenzV2 ist gegeben
durch die Beziehung
wobei die gleichen Bezeichnungen gelten wie bei dem Beispiel nach Fig. 4.
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Fig. 6 zeigt eine andere Ausführung eines Phasen-und Periodenumformers,
die zur Umformung von Einphasenstrom 162/g Hz in Drehstrom von 662/g Hz dient. Diese
Maschine besitzt wieder zwei parallel geschaltete Dreiphasenständerwicklungen 41
und 43 mit den zugehörigen Läuferwicklungen 42 und 44, wobei die Läuferwicklung
42 wieder kurzgeschlossen ist und die Läuferwicklung 44 zur Speisung des Drehstromnetzes
dient. Die Ständerwicklung 43 wird über eine Gleichrichteranordnung 46 mit Gleichstrom
erregt, um die erzeugte Drehstromspannung regeln zu können. Die Läuferfrequenz V2
ergibt sich hierbei nach der Beziehung
Um 662/g Hz zu erhalten, muß bei @1 = i die Polpaarzahl P2 = 4 gemacht werden.
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Fig. 7 zeigt eine Umformermaschine gemäß der Erfindung zur asynchronen
Umformung von Drehstrom So Hz in Einphasenstrom 162/g Hz. Die an das Drehstromnetz
angeschlossene Ständerwicklung 51 wird beispielsweise vierpolig (P1 = 2) ausgeführt.
Die zugehörige vierpolige Läuferwicklung 52 ist über drei Schleifringe 53 mit einer
zweiten dreiphasigen Ständerwicklung 54 in Reihe geschaltet, die zweipolig (P2 =
i) ausgeführt ist. Aus zwei Phasen dieser zweipoligen dreiphasigen Ständerwicklung
wird der Einphasenstrom von 162/g Hz entnommen. Die zur zweipoligen Ständerwicklung
gehörige zweipolige dreiphasige Läuferwicklung 55 ist über drei Schleifringe 56
an eine Kommutatorhintermaschine 57 angeschlossen, die in einer der bekannten Regelsatzanordnungen
geschaltet werden kann. Die beiden Ständer- und Läuferwicklungen liegen wieder in
den gleichen Ständer- bzw. Läufernuten.
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Für die erzeugte Einphasenfrequenz gilt die Beziehung
und für die Läuferdrehzahl
Bei V1 = So, p1 = 2 und p2 = i ergibt sich
und
Bei Synchronismus, wenn
ist, werden zwei Drittel der Drehstromleistung, die der vierpoligen Ständerwicklung
zugeführt wird, in mechanische Leistung umgeformt, die dann von dem über die Kommutatorhintermaschinen
erregten zweipoligen System generatorisch über die zweipolige Ständerwicklung an
das Einphasennetz abgegeben wird. Das dritte Drittel der Drehstromleistung wird
direkt in 162/g periodige Leistung in der vierpoligen Läuferwicklung umgeformt und
dem Einphasennetz über die Schleifringe zugeführt.
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Die Schlupfleistung wird über die Kommutatorhintermaschinen zu- oder
abgeführt. Über die Hintermaschinen kann auch die Blindleistungsabgabe und damit
die Spannung der Einphasenseite geregelt werden. Dabei wird außerdem eine Blindleistungs-
und Spannungsregelung auf der Drehstromseite verursacht, da ein Drittel der im 162/3periodigen
System erzeugten Blindleistung auf die Drehstromseite gelangt.
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Die Erfindung ist, wie erwähnt, nicht auf die dargestellten Beispiele
beschränkt. Sie können j e nach Bedarf verschiedentlich abgewandelt werden.
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Netzkupplungsumformer nach diesem Prinzip der Doppelfeldmaschinen
werden einen wesentlich geringeren Aufwand und geringere Verluste aufweisen als
die bisher üblichen Motorgeneratoren. Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades
und zur weiteren Verringerung des Aufwandes können sie mit Wasserstoffkühlung ausgerüstet
werden. Da sie keine Wellendurchführung
benötigen, kann durch Betrieb
mit erhöhtem Wasserstoffüberdruck (> i kg/cm2) eine besonders hohe Modellausnutzung
erreicht werden.