DE892942C - Elektrischer Stromumformer mit mechanisch bewegten, insbesondere umlaufenden Kontakten - Google Patents

Elektrischer Stromumformer mit mechanisch bewegten, insbesondere umlaufenden Kontakten

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DE892942C
DE892942C DES5667D DES0005667D DE892942C DE 892942 C DE892942 C DE 892942C DE S5667 D DES5667 D DE S5667D DE S0005667 D DES0005667 D DE S0005667D DE 892942 C DE892942 C DE 892942C
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Friedrich Dipl-Ing Gieffers
Georg Dipl-Ing Poppovic
Wilhelm Puttfarcken
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/54Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by dynamic converters

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Description

  • Elektrischer Stromumformer mit mechanisch bewegten, insbesondere umlaufenden Kontakten Die Erfindung betrifft in erster Linie die Verbesserung eines Stromumformers mit mechanisch bewegten, insbesondere umlaufenden Kontakten für Starkstrom. Der Dauerbetrieb der Umformer ist mit der Gefahr verbunden:, .daß jedesmal bei der Unterbrechung des Stromes am Ende eines Stromübertragungszeitabschnittes Schaltfeuer in Gestalt von Lichtbögen od. dgl. entsteht, das einen starken Ab-Brand verursacht, durch den ,die Kontakte nach verhältnismäßig kurzer Betriebszeit unbrauchbar werden, so daß sie ausgewechselt werden müssen. Es ist bekanntlich versucht worden, der Gefahr dadurch zu begegnen, daß in Reihe mit den Unterbrechungskontakten veränderliche Widerstände eingeschaltet werden, deren Widerstandswert periodisch jedesmal vor der Unterbrechung stufenweise auf einen hohen Betrag anwächst und dadurch den zu unterbrechenden Strom zunächst auf einen niedrigen Wert herabdrückt. Die bekannten Maßnahmen haben jedoch nicht zu einer vollständigen Beherrschung der erwähnten Schwierigkeiten geführt.
  • Der erfindungsgemäße Umformer macht ebenfalls von periodisch wirksam werdenden veränderlichen Widerständen zur Beeinflussung des umzuformendenStromes Gebrauch; er zeichnet sich dadurch aus, daß der über den Widerstand fließende Strom während des normalen Umformerbetriebes überhaupt nicht unterbrochen, sondern nur auf einen vorbestimmten, mit Rücksicht auf die von ihm verursachten Verluste als zulässig betrachteten endlichen Wert herabgesetzt wird, indem der Widerstand auf einen begrenzten endlichen Endwert gradweise in größeren oder kleineren Stufen oder insbesondere stetig anwächst. Der Verzicht auf völlige Unterbrechung bedingt zwar, daß gewisse Rückstromverluste in Kauf genommen werden. Diese lassen sich jedoch in erträglichen Grenzen halten und werden mehr als aufgewogen durch die Vbrteile, die sich aus dem Wegfall der sonst zur Verminderung des Schaltfeuers erforderlichen zusätzlichen Schaltelemente und anderweitigen Hilfseinrichtungen ergeben; -die zudem bei der Mehrzahl der vordem praktisch ausgeführten Umformer Verluste von der gleichen Größenordnung wie beim Erfindungsgegenstand verursachen. Dafür können die neuen Kontakteinrichtungen einen besonders einfachen Aufbau erhalten. Beispielsweise können die bewegten Kontaktteile als umlaufende Scheiben, Ringe oder Segmente mit einem gut leitenden Bereich entsprechend den Zeiten ungehinderter Stromübertragung und einem anschließenden Bereich mit längs: dier Kontaktbahn anwachsendem Widerstandswert ausgebildet sein,. während zur Stromabnahme ruhende Schleifkontakte dienen können. Mit dem neuen Umformer kann Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt oder Wechselstrom gegebener Frequenz in Wechselstrom anderer Frequenz umgewandelt werden. ' Die erfinderischen Merkmale sollen an Hand der Fig. i bis io erläutert werden.
  • Fig. i zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes in Gestalt eines Drehstrom-Gleichstromumformers in schematischer Darstellung; die Fig.2 bis 5 geben Einzelheiten der Kontakteinrichtung an; Fig.6 enthält Kurven des Verlaufs von Strom und Spannung während der Ablösung einer Phase durch die folgende; die Fig.7 bis 9 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel mit mehreren hintereinandergeschalteten umlaufenden Kontakteinrichtungen; in Fig. io ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes mit geradlinig hin und her bewegten Kontakten schematisch dargestellt. Gleiche oder entsprechende Teile sind in sämtlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Nach Fig. i ist an ein Drehstromnetz 8 die Primärwicklung io eines Transformators angeschlossen. Aus seiner Sekundärwicklung 2o wird mit Hilfe der als Umformer wirkenden Kontakteinrichtung 30 ein Gleichstromnetz 9 gespeist. Die Kontakteinrichtung besteht aus den ruhenden Kontakten 15, 15', -r6, 16', 17, 17', .die paarweise parallel geschaltet sind, und den umlaufenden Kontaktsegmenten 25, 25', 26, 26', die paarweise mit den Schleifringen 2@3 und 2'4 verbunden sind. Zwischen !, den Segmenten befinden sich Widerstandskörper 27. Ferner können Isolierstege 28 vorgesehen sein, die vorzugsweise so schmal sind, daß sie von den ruhenden Kontaktstücken jedesmal kurzzeitig überbrückt werden, wenn sie unter ihnen vorbeilaufen. Von den Schleifringen 23 und 2.4 kann Gleichstrom durch die Bürsten 33 und 3¢ abgenommen und über eine Glättungsdrossel29 dem Gleichstromnetz zugeführt werden. Die Kontakteinrichtung 3,0 wird in Richtung des Pfeiles i9 von einem vierpoligen Synchronmotor 21 über die Welle 12 mit halber synchroner Drehzahl angetrieben. Der Motor 21 ist beispielsweise ebenfalls an die Sekundärwicklung 2o ,des Transformators angeschlossen, und zwar unter Zwischenschaltung eines Drehtransformators 22, mit dem die Phasenlage -des Feldes des Synchronmotors gegenüber der speisenden Spannung verändert und dadurch die Lage der Schaltzeitpunkte eingestellt und geregelt werden kann.
  • In Fig.2, ist eine Kontakteinrichtung mit gestreckter Kontaktbahn dargestellt. Der an den gut leitenden, bewegten Kontaktteil 2,5 anschließende Widerstandskörper 27 möge beispielsweise aus einer pulverförmigen Mischung von elektrisch gut leitenden und schlecht leitenden Teilchen, z. B. Metall-. Graphit-, Kohle- und Isolierstoffpulver, als fester Körper mit längs der Kontaktbahn gradweise verschiedener elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere -durch ein Preßverfahren, hergestellt sein. Zur Verfestigung des Gefüges kann der Mischung ein Bindemittel beigefügt sein. Der gut leitende Teil 2'5 kann, wie üblich, aus Kupfer, Messing, Bronze oder einem ähnlichen geeigneten Metall bestehen: Er kann aber auch mindestens teilweise ähnlich wie der Widerstandskörper aus einer pulverförmigen Mischung hergestellt sein, z. B. aus einem Metall-Graphit-Pulver von sehr hoher spezifischer Leitfähigkeit, die .der eines Metalls nahezu gleichkommt. Es kann genügen, wenn ein aus einem derartigen Stoff bestehender Belag 28 längs der Kontaktbahn auf den gut leitenden Teil 25 aufgebracht ist, der etwa bis zu der in Fig.2 angegebenen strichpunktierten Linie reicht. Die Kontaktflächen sämtlicher Teile sind sorgfältig zu glätten, z. B. zu polieren. Die dem gut leitenden Teil 25 unmittelbar benachbarten Teile -des Widerstandskörpers 27 weisen einen verhältnismäßig geringen .spezifischen Widerstand auf. Das Mischungsverhältnis der weiter anschließenden Teile des Widerstandsörpers ist durch einen gradweise stärkeren Anteil- an schlecht leitenden bzw. nicht leitenden Teilchen gekennzeichnet, so daß der spezifische Widerstand mit wachsender Entfernung von dem gut leitenden Teil 25 immer höher wird. Der Widerstandszuwachs je Längeneinheit längs der Kontaktbahn soll bei gegebener Kontaktgeschwindigkeit höchstens so groß sein, daß auch bei ungünstigster Lagedes Schalttaktes gegenüber der Phasenlage der speisenden Spannung schädliches Schaltfeuer vermieden wird. Der ungünstigste Fall liegt gewöhnlich dann vor, wenn die Einschaltung des Widerstandes im Spannungsmaximum beginnt. Durch die Berücksichtigung dieses Falles wird eine hohe Betriebssicherheit auch bei nicht stationärenVorgängen, insbesondere bei Störungen, erzielt, seien es Anlaß- oder Regelvorgänge bzw. mechanische Störungen an der Antriebsvorrichtung oder seien es Schaltvorgänge bzw. durch innere oder äußere Kurzschlüsse hervorgerufene elektrische Störungen im speisenden oder gespeisten Netz.
  • Der ruhende Kontaktteil weist außer einem gut leitenden Teil 2, der aus demselben Stoff wie Teil 25 bestehen und gegebenenfalls mit einem besonderen Belag 5 aus gleichartigem Stoff, wie Belag a$, versehen sein kann, ebenfalls einen Widerstandskörper 4 auf, dessen Widerstandswert in entgegengesetzter Richtung zunimmt wie der des Widerstandskörpers 27, so daß bei der gegenläufigen Bewegung dieser beiden Widerstandskörper längs der Kontaktbahn ein stets symmetrisch verteilter Gesamtwiderstand eingeschaltet wird. Hierdurch wird eine zu starke Konzentration des Stromes an der ablaufenden Kante des ruhenden Kontaktteils vermieden. Eine weitere Vergleichsmäßigung der Strom- und Wärmeverteilung kann dadurch erzielt werden, daß die Widerstandskörper 4 und 27 an der der Kontaktbahn abgewandten Seite mit einer gut leitenden Einfassung 6 od. dgl. versehen werden. Die Strombahnen verlaufen dann etwa nach den gestrichelten Linien in Fig. 2.
  • In der Nähe der Linie A-A (Fig. 3), in der die Kontaktbahn von der senkrecht dazu stehenden Symmetrieebene geschnitten wird und die in Fig. 2 als Punkt erscheint, ist die Stromdichte höher als an den davor- und dahinterliegenden Stellen, weil der Weg .des geringsten Gesamtwiderstandes über diese Linie führt. Die LinieA-A wandert auf der Kontaktbahn in Bewegungsrichtung mit halber Umfangsgeschwindigkeit. Denkt man sich sämtliche Stromfädendurch diese Linie verlaufend, so läßt sich für jede Kontaktstellung der vom Strom am Widerstand hervorgerufene Spannungsabfall rechnerisch ermitteln. Dieser Wert ändert sich sowohl in Abhängigkeit von der Kontaktbewegung und damit in Abhängigkeit von, fder Zeit als auch in Abhängigkeit von dem veränderlichen Widerstandswert. Der Betrag dieser Spannungsänderung, bezogen auf die jeweilige Lage der Linie A-A, wird als Spannungsgradient an der Übergangsstelle bezeichnet. Er ist ein Maß für die Spannungsbeanspruchung des Widerstandskörpers und darf je nach den gegebenen äußeren Umständen einen bestimmten Höchstwert nicht überschreiten, damit kein schädliches Schaltfeuer in. Form von Überschlägen auftreten kann. Es wird daher empfohlen, bei der Bemessung des Widerstandskörpers den Widerstandszuwachs längs der Kontaktbahn höchstens so groß zu wählen, daß der Spannungsgradient an der Übergangsstelle, .d. h. längs der Kontaktbahn, im ungünstigsten Betriebsfalle 2ooo Volt je Millimeter in keiner Stellung und in keinem Augenblick überschreitet. Je niedriger die zugelassene Höchstgrenze des Spannungsgradienten liegt, desto kleiner ist der sich hieraus ergebende Widerstandszuwachs, desto größer ist infolgedessen bei gegebenem Endwert des veränderlichen Widerstandes die Länge des Widerstandskörpers. Da bei gegebener Frequenz des Stromes infolge der Begrenztheit der für .die Kommutierung zur Verfügung stehenden Zeit die erforderliche Bewegungsgeschwindigkeit der Kontakteinrichtung mit der Länge des Widerstandskörpers wächst, so ist durch diese Bedingung eine untere Grenze für den Widerstandszuwachs festgelegt, bei welcher die aus mechanischen Gründen höchstzulässige Umfangsgeschwindigkeit erreicht ist. Der Widerstandszuwachs ist nach den vorgenannten Grenzbedingungen. zu bemessen, je nach .den. elektrischen und mechanischen Stoffeigenschaften des Widerstandskörpers und je nach der Durchschlagsfestigkeit des ihn umgebenden Mediums. Letztere kann in bekannter Weise dadurch erhöht werden, daß die Kontakteinrichtung in einem Vakuumgefäß oder in einem ruhenden oder strömend bewegten gasförmigen oder flüssigen Medium von höherer Durchschlagsfestigkeit als atmosphärische Luft angeordnet wird, z. B. in einem unter erhöhtem Druck sbehenden, mit Luft oder einem anderen Gas gefüllten Behälter.
  • Das ablaufende Ende :des Widerstandskörpers 27 ist nach Fig. 2 so ausgebildet, daß der veränderliche Widerstand vor dem Übergang zum Bereich der höchsten Leitfähigkeit, @d. h. bevor der ihm nachfolgende gut leitende Teil 26 den Teil :2 des ruhenden Kontaktes erreicht, gradweise, insbesondere stetig abnimmt.
  • Da der Widerstandskörper durch die in ihm entstehenden ° Verluste eine Wärmebeanspruchung erleidet, so muß diese durch geeignete Wahl seiner Gesamtmasse berücksichtigt werden. Dies kann insbesondere für vorübergehende außergewöhnliche Betriebszustände, wies sie bereits: weiter oben erwähnt waren, von Bedeutung sein. Infolgedessen ist es empfehlenswert, die Masse des Widerstandskörpers mit Rücksicht auf sein Wärmefassungsvermögen so groß zu wählen, daß die bei ungünstigster Phasenlage des Schalttaktes eintretende Erwärmung vorübergehend mindestens so lange ertragen werden kann, bis entweder durch eine Regeleinrichtung eine günstigere Phasenlage eingestellt oder durch eine Sicherheitseinrichtung eine Abschaltung bewirkt ist. Nach diesem Gesichtspunkt wird zweckmäßig .die Breite des Widerstandskörpers in Achsrichtung gewählt, da in dieser Beziehung noch eine größere Freiheit gegeben ist als in seiner mit Rücksicht auf die Umfangsgeschwindigkeit begrenzten Länge und Höhe. Der Widerstandskörper kann entweder längs der Kontaktbahn überall gleich breit sein, er kann aber auch stellenweise verschiedene Breite haben, wie es in Fig. 3 beispielsweise dargestellt ist, so daß auch diese Formgebung an der gradweisen Widerstandsänderung beteiligt ist.
  • Wenn auch ein nach den vorstehenden Richtlinien bemessener Umformer in der Lage ist, selbst in der ungünstigsten Betriebslage eine praktisch funkenfreie Kommutierung lediglich mit Hilfe der Widerstände zu erzwingen, so ist es doch zur Erzielung möglichst geringer Verluste ratsam, im Normalbetrieb auch die natürliche Kommutierung mit Hilfe der Spannungsdifferenz zweier einander ablösender Phasen auszunutzen und zu diesem Zweck dafür zu sorgen, daß sich die Bereiche höchster Leitfähigkeit je zweier einander ablösender Phasen überlappen. In den meisten Fällen mag es genügen, mit einer konstanten Üb:erlappungsdauer zu arbeiten, die sich für den am häufigsten vorkommenden Betriebszustand des Umformers oder auch im Durchschnitt für alle vorkommenden Betriebszustände als am günstigsten erweist. In Sonderfällen kann es aber erwünscht sein, die Überlappungsdauer dem jeweiligen Betriebszustand anzupassen, :damit die Verluste jederzeit so gering wie möglich sind. Dazu wird der Bereich höchster Leitfähigkeit jeder Kontaktstelle veränderlich gemacht, z. B. mit Hilfe eines besonderen, gegenüber dem ruhenden Teil des Hauptkontaktes längs der Kontaktbahn verstellbaren Hilfskontaktes. So ist beispielsweise nach Fig. 3 und q. seitlich an dem Teil 2 :des Hauptkontaktes ein Hilfskontakt 3 angebracht, der mittels eines schwalbenschwanzförmigen Schlittens 7 verstellt werden kann. Zur gemeinsamen Verstellung sämtlicher Hilfskontakte kann bei einem mehrphasigen Umformer ein Ring oder ein Armkreuz nach Art der bei Kommutatormaschinen bekannten verstellbaren Bürstenhalteeinrichtungen vorgesehen sein. Bei seitlicher Anordnung des Hilfskontaktes 3 ist eine Verbreiterung der Kontaktbahn erforderlich. Diese wird vermieden, wenn der Hilfskontakt 3 gemäß Fig. 5 vor .dem Hauptkontakt angeordnet ist. D'er Bereich höchster Leitfähigkeit ist dann von der auflaufenden Kante des Hilfskontaktes 3 bis zu der ablaufenden Kante des Teils 2 des Hauptkontaktes zu rechnen.
  • Fig. 6 enthält beispielsweise rechnerisch ermittelte Kommutierungskurven eines unter zahlreichen möglichen Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes ausgewählten Drehstrom-Gleichstrom-Umformers für einige Hundert Ampere Gleich.stroinbei einer effektiven Spannung in der Größenordnung von zo kV zwischen --den Leitern des Drehstromnetzes, an die der Umformer in Graetzschaltung angeschlossen ist. Im Hinblick darauf, daß der speisende Transformator zwecks Kleinhaltung der Gesamtverluste bei der Umformung eine geringere Streuung aufweisen soll als die üblichen Netztransformatoren, wurde der Rechnung für den Blindwiderstand :der einzelnen Phasendes Wechselstromsystems ein besonders niedrigerWertzugrunde gelegt. Der Ohmsche Widerstand von schätzungsweise o, i Ohm wurde gegenüber den bei der Kommutierung wirksam werdenden veränderlichen Widerständen, die rasch auf Werte von mehreren Tausend Ohm anwachsen können, vernachlässigt. Als Wechselstromfrequenz wurde die übliche von 50 Per./Sek. und als Umfangsgeschwindigkeit der Kontaktbahn beispielsweise 5o m/Sek. angenommen. Der nach den oben angegebenen Gesichtspunkten für den ungünstigsten Betriebsfall bei Nennlast berechnete veränderliche Widerstand weist die in Fig. 6 als Kurve: r eingezeichnete Kennlinie auf. Sein in der Zeichnung nicht angegebener Endwert ist je nach der als zulässig betrachteten Höhe der Rückstromverluste festzusetzen.
  • Nach Fig. 6 wird die Folgephase in dem Augenblicko zugeschaltet, in welchem sich die Spannungskurven U1 und U2 der abgebenden und der übernehmenden Phase schneiden. Dann beginnt die Differenzspannung d U sofort ihren Anteil zur Kommutierung beizutragen, der als natürliche Kommutierung bezeichnet wird. Bei Wechselrichterbetrieb ist zwecks Ausnutzung der natürlichen Kommutierung .die Zuschaltung der Folgephase vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit vorzunehmen, in dem die Differenzspannung AU das entgegengesetzte Vorzeichen hat. Die erforderliche Einstellung kann z. B. mittels des Drehtransformators 22 herbeigeführt werden. In Fig. 6 ist der von der Differenzspannung d U vor und nach Wirksamwerden des veränderlichen Widerstandes gelieferte Anteil des Kommutierungsstromes als Kurve mit der Bezeichnung .T" eingetragen. Der Bereich To der höchsten Leitfähigkeit, in welchem die natürliche Ko:mmutierung allein herrscht, ist so eingestellt, daß, wie später erläutert wird, die geringsten Gesamtverluste auftreten. Nach Ablauf der Zeit To beginnt die Einschaltung :des veränderlichen Widerstandes r. Durch diesen allein würde der Gleichstrom in der abgebenden Phase von seinem vollen Betrag gemäß der Kurve lg, herabgeregelt werden, die somit den Anteil der künstlich erzwungenen, d. h. der reinen Widerstandsko:mmutierung widerspiegelt. Durch Überlagerung der beiden Kurven 1" und .-g, entsteht die Kurve des Kommutierungsstromes Jk. Diese geht im Zeitpunkt t1 :durch Null und erreicht schließlich, wenn der Widerstand r auf seinem Höchstwert angelangt ist, sehr kleine negative Werte, die den Rückstromverlust darstellen.
  • Die Verlustleistung N, während des Kommutierungsvorganges ergibt sich aus dem Produkt des Kommutierungsstromes Jk und der Spannung am veränderlichen Widerstand r. Der Gesamtverlust ist nach Rechnungen, die für verschiedene Länge: des Bereichs To der höchsten Leitfähigkeit durchgeführt wurden, dann am kleinsten, wenn ihr Anteil vor dem Nulldurchgang t1 etwa ebenso groß ist wie ihr Änteil nach dem Stromnulldurchgang, gerechnet bis zu einem Zeitpunkt, in welchem diese Verluste ihr Minimum oder einen praktisch zu vernachlässigen-.den geringen Wert erreicht haben. Die beiden Anteile sind in Fig. 6 schraffiert. Die Gesamtverluste ,des Umformers können bis auf die Größenordnung von r % der abgegebenen Leistung herabgedrückt werden.
  • Die Lage des Stromnulldurchganges t1 ist j e nach Höhe und Art der Belastung verschieden. Infolgedessen muß auch der Bereich To der höchsten Leitfähigkeit verschieden eingestellt werden, wenn die Verlustleistung für jeden Betriebsfall so niedrig wie möglich gehalten werden soll. Da nun die Verlustleistung durch Messung des die Kontakte durchfließenden Stromes und des von ,diesem Strom an dem veränderlichen Widerstand hervorgerufenen und an den Widerstandskörpern abgreifbaren Spannungsabfalls oder eines Teils davon auf einfache Weise festgestellt werden kann, so lassen sich diese Meßwerte ohne weiteres zur selbsttätigen Steuerung der Einstellung des Bereichs höchster Leitfähigkeit verwerten, indem sie einem Leistungsminimumregler zugeführt werden, .der die Einstellung des Bereichs höchster Leitfähigkeit so beeinflußt, daß das Produkt aus dem Strom- und dem Spannungsabfall an mindestens einem Teilstück des Widerstandskörpers für alle Betriebszustände auf dem kleinsten jeweils möglichen Wert gehalten wird.
  • Der Umformer nach Fig. 7 ist mit drei Kontakteinrichtungen 30, 31 und 32 ausgerüstet, deren umlaufende, gut leitende Segmente durch die eingezeichneten Verbindungsleitungen in Reihe geschaltet bzw. mit den Schleifringen 23 und 24 verbunden sind, von denen über die Bürsten 33 und 34 Gleichstrom abgenommen und dem Gleichstromnetz 9 zugeführt werden kann. Die ruhenden Kontaktteile der drei Kontakteinrichtungen sind in Graetzschaltung mit je einer Teilwicklung 20, 20' und 20" :des speisenden Transformators verbunden, deren jede für sich beispielsweise in Stern geschaltet sein kann. Die Primärwicklung io des Transformators braucht dagegen nicht unterteilt zu sein und kann beispielsweise für sich in Stern geschaltet sein. Die äußeren Leiter führen von der Primärwicklung des Transformators zum Drehstromnetz B. Der Antriebsmotor 21 ist hier zweipolig gedacht. und treibt die umlaufenden Kontakteinrichtungen mit synchroner Geschwindigkeit an. Die Speisespannung für den Antriebsmotor ist einer Anzapfung der Primärwicklung io des Transformators entnommen; ihre Phasenlage kann durch einen zwischengeschalteten Drehtransformator 22 verstellt werden.
  • Die Fig. 8 und 9 zeigen den grundsätzlichen Aufbau eines derartigen Umformers. Danach ist die Umformungseinrichtung zusammen mit dem speisenden Transformator in einen geschlossenen Behälter eingebaut, der mit einem isolierenden Medium, beispielsweise mit Öl, gefüllt sein kann. Bei Wahl eines luft- oder gasförmigen Mediums empfiehlt es sich, auch den Transformator in dem gleichen Medium anzuordnen. Fig.8 zeigt einen senkrechten Schnitt durch den Behälter längs der Ebene B-B, Fig. 9 eine Draufsicht, bei der auf der unteren Hälfte der Deckel weggelassen ist. Der Behälter ist mit 39, sein Deckel mit 4o bezeichnet. Letzterer trägt lediglich drei Drehstrom:durchführungen, von denen nur :die beiden mit 41 und 42 bezeichneten zu sehen sind; und einen Durchführungsisolator 44 für den hochgespannten Gleichstrom. Der andere Pol des Gleichstromsystems ist mit einer Erdungsschraube 47 verbunden. Der speisende D'rehsträmtransformator ist in drei Einphasentransformatoren aufgelöst, die sternförmig um die Kontakteinrichtung herumgruppiert sind. Die sekundären Wicklungsteile 2.o, 2o' und 2o" sowie die jeweils zugehörigen Kontakteinrichtungen 30, g i und 32 sind derart übereinander angeordnet, daß sich möglichst kurze 'Verbindungsleitungen ergeben und .daß räumlich von unten nach oben eine möglichst gleichmäßige Spannungsverteilung erzielt wird. Der Antriebsmotor 21 und der Schleifring 23 des geerdeten Gleichstrompoles sind am unteren Ende der Welle 12 angeordnet. Der Schleifring 24 des anderen Gleichstrompoles liegt am oberen Ende der Welle, so daß die Verbindung zwischen seinem Stromabnehmer 34 und dem Durchführungsisolator 44 ebenfalls sehr kurz wird. Hierdurch wird die Isolation der verschiedenen spannungsführenden Teile im Innern des Gerätes wesentlich vereinfacht. Die Kontakteinrichtung ist von den Transformatoren durch einfache Zwischenwände 37 aus Isoliermaterial getrennt. Die Verbindungsleitungen sind ohne Durchführungsisolatoren durch Bohrungen 38 in diesen Zwischenwänden hindurchgeführt. In gleicher Weise sind die Nullpunktleistungen in den mittleren Raum hineingeführt, wo sie durch Ringe 45, 45" und 45" zum Sternpunkt vereinigt sind. Auch die Sternpunktverbindung 46 der Primärwicklungen io ist in dieser Form ausgeführt. Statt der Sternverbindungen können natürlich auch Dreiecksverbindungen vorgesehen sein, die in ähnlicher Weise ringförmig, jedoch mit Unterteilung in einzelne Ringsegmente ausgebildet sein können. Die Widerstandskörper der Kontakteinrichtung können zwecks Erhöhung :der Wärmeabfuhr mit Kühlschlitzen versehen sein, die parallel zur Hauptrichtung der Strombahnen anzuordnen sind, damit die Ausbildung der Strombahnen möglichst wenig gestört wird. Durch die Kühlschlitze hindurch oder an anderen Teilen der Kühloberfläche der Widerstandskörper, z. B. an den Seitenflächen entlang, kann durch ein besonderes, aus Röhren oder Kanälen bestehendes Leitungssystem ein vorzugsweise flüssiges Kühlmedium den der höchsten Erwärmung ausgesetzten Teilen zugeleitet und auch wieder abgeführt werden, dessen strömende Bewegung durch eine zusätzliche Pumpe oder auch mit Hilfe der im umlaufenden Teil der Kontakteinrichtung wirksamen Fliehkräfte erzeugt werden kann.
  • Fig. io zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen Einphasenwechs:elstrom-Gleichstrom-Umformer mit hin und her bewegten Kontakten in Graetzschaltung. Der Einphasenwechselstrom wird von einem Generator i i geliefert, :der von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Kraftmaschine angetrieben wird. Auf der Generatorwelle 12 befinden sich die Antriebsvorrichtungen für die Kontakte in Gestalt von Kurbeln 13 und Pleuelstangen 14, an deren Stelle auch Nocken, Exzenter od. dgl. treten können, die- über Stößel auf die beweglichen Kontaktteile einwirken und diese entgegen dem Druck von Rückführfedern bewegen. Der Umformer besitzt vier Kontakteinrichtungen, deren jede aus zwei ruhenden Kontaktteilen 15,i 5', r6, 16', 17, 17' und 18, 18' und einem bewegten Kontaktteil 15", 16", 17" und 18" besteht. Die ruhenden Kontaktteile 15 und 17 sowie 16 und 18 sind paarweise miteinander vereinigt und mit den Wechselstromzuführungsleitungen verbunden. Die ruhenden Kontaktteile 17' und 18' sind ebenfalls miteinander vereinigt und über eine Glättungsdrossel 29 mit einem Pol :des Gleichstromnetzes 9 verbunden, während der andere Pol an den ruhenden Kontaktteilen 15' und 16' angeschlossen ist, die an den beiden äußeren Enden der Kontakteinrichtung sitzen und daher nicht miteinander vereinigt werden können, obwohl sie gleiches Potential besitzen. Bei dieser Anordnung liegen 'eweils zwei Kontakteinrichtungen mit je zwei Kontaktstellen, im ganzen also vier Kontaktstellen in Reihe miteinander. Eine Überlappung der Bereiche höchster Leitfähigkeit ist bei diesem Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen.
  • Für die Reihenschaltung einer größeren Anzahl von Kontaktstellen, z. B. nach den Fig. 7 bis io, sind die mit veränderlichen Widerständen ohne vollständige Unterbrechung arbeitenden Umformungseinrichtungen aus dem Grunde besonders gut geeignet, weil hier durch die Widerstände ständig ohne weiteres eine gleichmäßige Verteilung der Gesamtspannung auf .die einzelnen Kontaktstellen gewährleistet .ist, so. daß besondere zusätzliche Einrichtungen, wie z. B. Parallelwiderstände, die bei den gewöhnlichen Umformungseinrichtungen dazu gebraucht werden, entbehrlich sind.
  • Die einzelnen vorgeschlagenen Maßnahmen stellen aber nicht nur in dem hier geschilderten Zusammenhang, sondern auch losgelöst davon wertvolle Verbesserungen dar. Außerdem können sie vorteilhaft mit einzelnen oder mehreren der bereits früher vorgeschlagenen Maßnahmen bzw. Anordnungen kombiniert werden.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Elektrischer Stromumformer mit mechanisch bewegten, insbesondere umlaufenden Kontakten für Starkstrom mit periodisch wirksam werdendem werärnderlichem Widerstand zur Beeinflussung des umzuformenden Stromes, da-'durch gekennzeichnet, @diaß der über den Widerstand fließende Strom während des normalen Umformerbetriebes an den Kontakten nicht vollständig unterbrochen, sondern statt dessen nur auf einen vorbestimmten, mit Rücksicht auf die Verluste als zulässig: betrachteten endlichen Wert herabgesetzt wird, indem der Widerstand auf einen begrenzten endlichen -Endwert gradweise :in größeren oder kleineren Stuften, insbesondere stetig anwächst. 2. Stromumformer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Widerstand aus einer pulverförmigen Mischung von gut leitenden und schlecht leitenden Teilchen als fester Körper, insbesondere als Preßkörper, mit längs der Kontaktbahn gradweise verschiedener elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet ist. 3. Stromumformer nach Anspruch i, -dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakteinrichtung zwei gegenläufige Widerstandskörper mit längs der Kontaktbahn anwachsendem Widerstandswert aufweist. q.. Stromumformer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß .der Widerstandszuwachs je Längeneinheit längs der Kontaktbahn bei gegebener Kontaktgeschwindigkeit höchstens so groß ist, daß auch bei ungünstigster Lage des Schalttaktes gegenüber der Phasenlage der speisenden Spannung, insbesondere in dem Fall, wenn die Einschaltung des Widerstandes im Spannungsmaximum beginnt, schädliches Schaltfeuer vermieden wird. 5. Stromumformer nach Anspruch 2 und 4., dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandszuwachs längs der Kontaktbahn höchstens so groß ist, -daß unter der Annahme eines linienförmigen Stromüberganges zwischen den Kontakten der Spannungsgradient an der Übergangsstelle im ungünstigsten Betriebsfall 2000 Volt je Millimeter in keiner Stellung und in keinem Augenblick überschreitet. 6. Stromumformer -nach Anspruch i; idad@urch gekennzeichnet, idaß die Masse,des Wilderstand:skörpers, vorzugsweise seine Breite senkrecht zur Biawegungsrchtwng, mit Rücksicht auf -sein Wärmefassungsvermögen @so groß gewählt ist, daß die bei ungünstigster Phasenlage des ScIllttaktes eintretendie Erwärmung vorübergehend so lange ertragen. werden laann; :bis entweder,durch eine Reggeleinrichtumg eine günstigere Phasenlage eingestellt oder @durch eine Sicherheitseinrichtung eine Abschaltung bewirkt ist. 7. Strolnumformer nach Anspruch i, idadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Widerstand: vor dem Übergang zum Bereich ider höchsten: Leitfähigkeit gradweise, insbesondere stetig abnimmt. B. Stromumformer nach Anspruch ii für Mehrphasenanondnuname-n,dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bereiche höchster Leitfähigkeit je zweier einander ablösenider Phasen überlappen. 9. Stromumformer nach Anspruch 8, dadurch gekermzelichrnet, daß ider Bereich. höchster Leitfähigkeit jeder Kontaktstelle z. B. mit Hilfe eines besonderen, gegenüber dem ruhenden Teil ,des Hauptkontaktes längs oder Kontaktbahn verstellbaren Hilfskontaktes veränderlich ist. i o. Stromumformer nach Anspruch:ig,, idadu.rch gekennzeichnet, Üaß der Bereich, h öchsroe!r Leitfähigkeit so eingestellt ist, daß .die in dem veränderlichen Wi@derstand in Wärme umzusetzende Arbeit Vordem Nü@lldurchgang des Kommutierungsstromes etwa ebenso groß ist wie diejenige nach :dem Stromnulldurchgang. i i. Stromumformer nach Anspruch g"d,adu,rch gekennaerichnet, daß ;die Einstellung des Bereiches höchster Leitfähigkeit mittels: eines Leistungsmnimumreglers selbsttätig (durch das Produkt aus dem Strom und dem Spannungsabfall an, mindestens einem Teilstück dies Wi@ders@tandskörpers gesteuert w'i'rd. 1.
  2. 2. Stromuniformer nach Anspruch 2"dadurch bmekennzeichnet, idiaß ;der Widerstandskörper an die,, ider Kontaktbahn abgewandten Seite mit einer gut leitenden Einfassung ad. digl. versehen ist. ti.
  3. 3. Strom!uinformer nach, Anspruch i, dadurch gekennzeichnet da'ß die Kontakteinrichtung unter Ö1 angeordnet ist. 1q.. Stromumformer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dlaß (die Kontakteinrichtung in Luft oder einem anderen Gas unter erhöhtem Druck angeordnet ist. 15. Stromumformer nach Anspruch, i"dadurch glakenn@zeich et, daß die Widerstandskörper mit Kühlschlitzen versehen sind.. 16. Stromrulmformer nach Anspruch i, idadurch @gel<ennzeich@net, daß Teile :der Kühlflächen ider Wnd'erstandskörpeir von einem durch ein besonderes Kühlrohr- oder Kühllzanal-system an. die Widerstandskörper herangeführten flüssigen Kühlmittel bespült werden. 17. Umformungsanordnung, bestehend aus einem mehrphasigen Stromumformer, insbesondere nach Anspruch i, und einer Trans-formatorenanordnung gleicher Phasenzahl, dadurch. gekennzeichnet, idaß die einzelnen TransfoTmatorp!hasen vorzugsweise als selbständige Einph#asen-Transformatoren sternförmig um den Stromumformer herum angeordnet @sind. 18. Umformungsanordnung naoh Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß Umformer und Transformator in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. i9. @Uznformungsanordnung n;a,Gh Anspruch. i8, dadurch gekennzeichnet, daß Umformer und Transformator von dem gleichen Meidi:um umgeben sind. ao. Umformungsanordnung- nach Anspruch. 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatorwicklungen mit dem Umformer unmittelbar, 4. h. ohne Durchführungsisolatoren verbunden sind.
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