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Vorrichtung zur Erzielung einer funkenlosen Kommutation bei Synchrongleichrichtern
Die vollständige Unterdrückung der Abschaltfunken bei Stromrichtern mit periodisch
bewegten Kontakten war schon das Ziel vieler Neuerungen. Vorschläge gehen dahin,
durch Inserieschaltung von Drosselspulen mit den Schaltkontakten den Strom im Schaltmoment
stark zu vermindern, was infolge sprunghafter Entsättigung der Drosselspulen auch
gelang. Die Nachteile dieser Anordnung waren ein starkes Pulsieren des Gleichstromes
(infolge der periodischen Drosselung) und hauptsächlich bei vielphasigen Einrichtungen
der enorme Raumbedarf der vielen Drosselspulen, ganz abgesehen von deren Verlusten.
Verbesserungen dieser Konstruktion durch Anbringen von Steuereinrichtungen und sonstigen
Zusatzapparaten konnten die vorher erwähnten prinzipiellen Nachteile der Anwendung
von Drosselspulen nicht beheben. Die Erfinder haben nun Mittel und Wege gefunden,
eine unbedingt funkenlose Stromwendung bei Synchrongleichrichtern zu gewährleisten,
ohne die obengenannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen, indem sie die Bildung
des Schaltfunkens nicht durch Abdrosselung des Betriebsstromes, sondern durch die
Einwirkung einer Gegenspannung unterdrückten analog der Wendespannung des Wendepols
bei der Kommutation der Gleichstrommaschine. Diese Wendespannung muß natürlich periodisch
mit der Kommutationsfrequenz auftreten, um immer im Schaltmoment die KurzschluB-Spannung
der kommutierenden Phase zu kompensieren. Die Gegenspannung kann nun auf zwei Arten
erhalten werden, die prinzipiell verschieden sind, entweder aus einem auf der Welle
des Kontaktarmes sitzenden Generator oder aus einer
ruhenden Einrichtung,
die im wesentlichen aus einem auf die Kommutationsfrequenz abgestimmten Schwingkreis
besteht, der durch einen Hilfstrafo an den Synchrongleich- oder -wechselrichter
angekoppelt ist. Die erste Art und Weise hat die Schwierigkeit, daß durch die unsymmetrische
Belastung der Sekundärseite eines den Generator an den Gleichrichtertrafo ankoppelnden
Hilfstrafos, durch den Betriebsstrom, diesem letzteren stets noch eine zusätzliche
induktive Komponente aufgedrückt wurde.
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Die Erfinder haben nun Mittel und Wege gefunden, diese unsymmetrische
durch eine symmetrische Belastung zu ersetzen. Dadurch heben sich die Flüsse im
Hilfstrafo auf, der resultierende Fluß wird zu Null, und es bleibt für den durchfließenden
Strom nur noch der rein ohmsche Anteil des Widerstandes übrig.
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Diese gleichmäßige Verteilung des Betriebsstromes wird durch eine
besondere Schaltung der Sekundärseite des Gleichrichtertrafos ermöglicht, die aus
mindestens einer mehrphasigen geschlossenen und einer mehrphasigen offenen Wicklung
besteht, wobei die Sternpunkte dieser letzten Wicklungen getrennt herausgeführt
sind. Die Klemmen zu den Anschlüssen an die Anoden befinden sich bei der erfindungsgemäßen
Schaltung der Sekundärwicklungen immer an den Verbindungsstellen der geschlossenen
und der offenen Wicklungsstelle. Dadurch, daß an jede Anode mehrere Wicklungsteile
münden und daß demzufolge der Anodenstrom sich über verschiedene Wicklungsteile
verteilt, werden in jedem Zeitpunkt mehrere Primärphasen belastet, was eine wesentlich
bessere Ausnutzung des Gleichrichtertrafos zur Folge hat.
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Die Verbesserung der Stromwendung und die Vermeidung der Entstehung
von Funken wird durch die Einwirkung einer Gegenspannung bewerkstelligt. Diese mit
der Kommutationsfrequenz auftretende Gegenspannung kompensiert die im Moment der
gleichzeitigen Berührung zweier benachbarter Lamellen sich induzierende Kurzschlußspannung.
Weiter bewirkt sie infolge der erfindungsgemäßen Schaltung der Sekundärseite des
Gleichrichtertrafos, daß die auflaufende Lamelle stets ein höheres Potential aufweist
als die ablaufende. Dadurch wird im Moment, wo die Kathode zwei Anoden gleichzeitig
berührt, der Stromkreis sich ausschließlich über die auflaufende Lamelle schließen,
so daß die Lösung des Kontaktes von der ablaufenden Lamelle stets eine stromlose
sein wird. Der Generator der zusätzlichen Gegenspannung kann vorzugsweise ein synchron
mit der Kathode rotierender Synchrongenerator sein. Die Methoden, mittels welcher
diese Gegenspannung auf den Gleichrichtertrafo übertragen wird; d. h. wie der Kommutierungsgenerator
mit dem eigentlichen Gleichrichter gekoppelt ist, lassen sich in zwei prinzipiell
verschiedene Klassen einteilen; entweder kann die Kommutationsmaschine galvanisch
mit dem Gleichrichter gekoppelt -sein oder magnetisch. Zur ersten Möglichkeit sei
als Beispiel eine Anordnung erwähnt, bei der eine Mittelanzapfung der Kommutierungsmaschinenwicklung
direkt mit dem elektrischen Mittelpunkt der sekundären Wicklungen des Gleichrichtertrafos
verbunden ist. Als Beispiel für die magnetische Kopplung dient eine Anordnung, bei
der die Wicklungen der Kommutierungsspannung auf die Kerne des Gleichrichters aufgebracht
werden und sich so eine Flußüberlagerung des durch die Kommutierungsspannung induzierten
Flusses über den Betriebsfiuß einstellt.
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Was die Frage der die Kommutierungsspannung erzeugenden Einrichtung
anbetrifft, so kann diese zweckmäßig in einem synchron mit dem Stromabnehmer des
Synchrongleichrichters laufenden Generator bestehen, der konstruktiv mit dem Stromrichter
zu einem Ganzen vereinigt werden kann. Weiter besteht die Möglichkeit, den Betriebsgleichstrom
zur Erregung dieses synchronen Kommutierungsgenerators zu verwenden. Die zuletzt
erwähnte Maßnahme wäre insofern zweckmäßig, als sich die Kommutierungsspannung proportional
zum Betriebsgleichstrom ändern würde. Die zur richtigen Arbeitsweise des Kommutierungsgenerators
nötige Phasenverschiebung der Kommutierungsspannung kann leicht durch eine Statorverdrehung
erreicht werden. Die zweite Art und Weise benutzt an Stelle des die Gegenspannung
liefernden Generators eine Schwingkreisanordnung, die durch die gleichzurichtende
Wechselspannung angeregt und bei geeigneter Schaltung und Dimensionierung periodisch
eine Gegenspannung induziert und die so den gewünschten Effekt erzielt.
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An Hand der Zeichnungen sollen einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
näher erläutert werden.
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Fig. i zeigt das Schema eines Sechsphasengleichrichters mit Gleichriohtertrafo
in Vektordarstellung, einem Hilfstrafo samt dem Kommutierungsgenerator; Fig. a zeigt
die gleiche Anordnung wie Fig i, wobei aber der Gleichrichtertrafo räumlich dargestellt
ist; Fig. 3 und 4 zeigen die Vektordiagramme zu den Betriebszuständen, wie sie die
Fig. 3a und 4a wiedergeben; Fig. 5 zeigt den Verlauf des Betriebsstromes in Funktion
der Zeit während einer Periode; Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der galvanischen
Kopplung des Kommutierungsgenerators (Kommutierungsgeneratör mit Wicklung mit Mittelanzapfung);
Fig. 7 zeigt eine dreiphasige Ausführungsform (drei Einphasentrafos) mit magnetischer
Kopplung; der Kommutationsgenerator wirkt nun unter Umgehung des Hilfstrafos direkt
auf den Gleichrichtertrafo; Fig. 8 zeigt die Ausführungsart der magnetischen Kopplung
auf einen Sechsphasengleichrichter angewendet, ebenfalls unter Verwendung dreier
Einphasentrafos; .
Fig. 9 zeigt eine Sechsphasenausführungsform
unter Verwendung eines Dreiphasentrafos; Fig. io zeigt die gleiche Ausführungsform
wie Fig.9 unter Verwendung eines Dreiphasentrafos, verbunden mit drei Einphasenzusatztrafos,
Fig. i i das Schema der Ausführungsart, die die Wendespannung aus einem abgekoppelten
Schwingkreis erhält, in Verbindung mit einem Einphasensynchrongleichrichter, Fig.
i2 a und 12b den Erfindungsgegenstand allein unter den gleichen Voraussetzungen
wie bei Fig. i i, Fig. 13 das Schema derselben Ausführungsart in Verbindung mit
einem Sechspbasensynchrongleichrichter, Fig. 14 die Oszillogramme der Versuchsresultate.
Die in Fig. i und 2 dargestellte Ausführungsform hat folgenden Aufbau: Die Primärwicklung
i des Gleichrichtertrafos ist dreiphasig ausgeführt und enthält die Phasen R, S,
T. Die Sekundärseite ist erfindungsgemäß aus einer Sechsphasenwicklung in Sechseckschaltung
aufgebaut, bestehend aus den Phasen 2, 3, 4, 5, 6 und 7 und einer solchen in Sternschaltung,
bestehend aus den Phasen 8, 9, io, 11, 12 und 13, wobei je drei um i2e° zueinander
verschobene Phasen zusammen einen gesonderten Nullpunkt 14, 15 haben. Die Sekundärwicklungen
4, 7, 8, l i schwingen mit der Primärphase S, 3, 6, 10, 13 mit der Primärphase R
und 2, 5, 9, 12 mit der Primärphase T. Die Zusammenschaltung des Sechseck- und -sternsystems
erfolgt nun derart, daß die Strahlen des Sterns immer mit den Ecken des Polygons
verbunden werden. Diese Verbindungspunkte in den Polygonecken 16, 17, 18, 19, 20,
21 sind die Anschlüsse der sechs Anoden des Synchrongleichrichters, während zwischen
den beiden Nullpunkten 14 und 15 der Sternschaltung die Sekundärwicklung 22 eines
zur Ankopplung der Gegenspannung dienenden Hilfstrafos 23 eingeschaltet ist. Seine
Primärwicklung liegt am Synchrongenerator 25, der in der Kommutationsfrequenz die
Gegenspannung liefert. Dieser Synchrongenerator 25 ist mit Vorteil auf die Welle
des Stromabnehmers 26 montiert, der sich synchron mit der gleichzurichtenden Wechselspannung
über die sechs Anoden 27 bis 32 abwälzt.
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Der Mittelpunkt 33 der Sekundärwicklung 22 des HilfStrafoS 23 ist
herausgeführt, teilt die erwähnte Sekundärwicklung in die Spulenhälften 34 und 35
und bildet die negative Klemme des ganzen Gleichrichteraggregates. Die genaue Betrachtung
eines Betriebsmomentes ergibt nun die Tatsache, daß der Strom sich kontinuierlich
über die beiden Spulenhälften 34 und 35 verteilt. Halten wir den Augenblick fest,
in dem der Stromabnehmer 26 sich auf der Anode 27 befindet und der Gleichrichtertrafo
über die Klemme 16 belastet wird. In diesem Fall fließt der Gleichstrom von der
negativen Klemme aus gemäß den gezeichneten Pfeilen zum Mittelpunkt 33 der Sekundärwicklung
des Hilfstrafos 23. Verfolgen wir nun die Stromwege vom Punkt 3 bis zur Ausgangsklemme
16. Ein 1
Stromweg, nennen wir ihn den ersten, führt über die Spulenhälfte
34, Sternpunkt 15 direkt nach der Klemme 16, während der andere (von nun an der
zweite genannt) vom Mittelpunkt 33 über Spulenhälfte 35 nach dem Sternpunkt 14 führt,
sich da verzweigt und einmal über Klemme 17 und parallel dazu über Klemme 21 nach
Klemme 16 führt. Nennen wir R den Gesamtwiderstand des Stromweges vom Sternpunkt
zu Klemme 16 und r den Widerstand einer Wicklung, z. B. der Wicklung 7, 8, 12, 13
usw., so gilt für den ersten Stromweg R = r. Für den zweiten
Daraus geht hervor, daß der Widerstand dank der erfindungsgemäßen Schaltung und
Anordnung der Sekundärseite des Gleichrichtertrafos für beide Stromwege derselbe
ist, d. h. daß sich der Gesamtstrom genau gleichmäßig über die beiden Spulenhälften
34 und 35 verteilt und daß demzufolge die erzeugten magnetischen Flüsse sich im
Hilfstrafo aufheben und die induktive Impedanz verschwindet, so daß, abgesehen vom
ohmschenWiderstand in den Spulenhälften 34 und 35, der Mittelpunkt 33 der Sekundärwicklung
des Hilfstrafos mit den Sternpunkten 14 und 15 zusammenfällt.
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Die bis jetzt betrachteten Vorgänge bezogen sich alle auf den reinen
Gleichstromteil und übergingen den Einfluß des Kommutierungsgenerators, dessen Einwirkungen
nun Gegenstand eingehender Untersuchung sein werden. In den Fig. 3, 3 a, 4 und 4
a sind die möglichen Einwirkungen der vom Kommutierungsgenerator induzierten Spannungen
teils vektoriell, teils anschaulich dargestellt. In Fig. 3 a und 4.a ist der Hilfstrafo
23 dargestellt; die einfachen Pfeile auf der Sekundärseite 22 geben die Richtung
des Gleichstromes in .irgendeinem Belastungsfall an, während die Doppelpfeile die
vom Kommutierun.gsgenerator 25 induzierte Spannung darstellen. Es geht aus den beiden
erwähnten Figuren ohne weiteres hervor, daB, da die Sekundärspule 22 zwischen die
beiden Sternpunkte 14 und 15 geschaltet ist, die induzierte Kommutierungsspannung
wechselweise das Potential des einen Sternpunktes erhöht und gleichzeitig das des
anderen erniedrigt, um in der nächsten Halbperiode der Kommutierungsspannung die
Rollen zu vertauschen. In Fig. 3 a unterstützt die induzierte Spannung die zu Sternpunkt
15 gehörenden Betriebsspannungen und schwächt die des anderen Sternpunktes, während
in dem in Fig.4a festgehaltenen Betriebszustand die induzierte Wechselspannung gerade
die zu Sternpunkt 14 gehörenden Betriebsspannungen unterstützt und die ersten schwächt.
In den Spannungsdiagrammen, wie sie die Fig. 3 und 4 darstellen, ist diese wechselweise
Unterstützung bald der zum einen, bald der zum anderen Sternpunkt gehörenden Spannungen
durch
die von der Kommutierungsmaschine induzierten dargestellt.
Fig. 3, das Vektordiagramm zum Augenblickswert 3 a, zeigt, wie schon oben erwähnt,
die zu Sternpunkt 15 gehörenden Spannungsvektoren 9, 11, 13 verlängert und die zu
Sternpunkt 14 gehörenden Vektoren 8, io, 12 verkürzt. In Fig. 4 ist der entgegengesetzte
Fall in gleicher Weise veranschaulicht.
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Aus dem bis dahin Beschriebenen ist schlußfolgernd festzuhalten; daß
synchron mit der Frequenz der Kommutierungsmaschine, also mit der Kommutierungsfrequenz,
wechselweise das Potential der Verbindungspunkte 16, 18, 2o und 17, 19, ä1 und damit
der Anoden 27, 29, 31 und 28, 30, 32 um einen Betriebsmittelwert schwingt, mit anderen
Worten, in jedem Betriebsmoment schwingt das Potential der Anoden mit geraden Nummern
gegenüber dem mit ungeraden um i8d° verschoben um eine der Betriebsspannung entsprechende
Mittellage. Dieser Umstand, daß in der Reihenfolge der Kontaktberührung abwechslungsweise
eine Anode höheren und eine Anode niedrigeren Potentials sich findet, wird nun ausgenutzt,
um eine funkenlose Stromwendung zu erzielen. Gelingt es nämlich, die Verhältnisse
derart zu beherrschen, daß immer, wenn der Stromabnehmer 26 zwei Anoden gleichzeitig
berührt, die auflaufende Anode ein höheres Potential hat als die ablaufende, so
wird sich natürlich der Strom über die Anode höheren Potentials schließen, während
die Kontakttrennung von der ablaufenden Anode sich sozusagen stromlos vollziehen
wird. Betrachten wir erneut einen Betriebsmoment, so sehen wir, daß es nur eine
Frage der richtigen Phasenverschiebung des Kommutierungsgenerätors gegenüber der
gleichzurichtenden Wechselspannung ist, um die gewünschten Verhältnisse zu schaffen.
Nehmen wir den in Fig. i dargestellten Fall: Stromabnehmer 26 auf Anode a7 bewegt
sich in Richtung der Anoden höherer Bezugszeichen. Der Moment nun, wo die Kommutierungsspannung
wirksam werden muß, ist der, wo der Stromabnehmer, -der Anode 27 und 28 berührt,
die erstgenannte verläßt. In diesem Moment muß gemäß Vorhergesagtem das Potential
auf Anode 28 seinen Höchst- und das auf Anode 27 seinen Tiefstpunkt erreicht haben.
Mit anderen Worten, in besagtem Moment müssen die in Fig. 4 und 4a dargestellten
Verhältnisse vorhanden sein. Sternpunkt 14 erhält einen Potentialzuwachs gegenüber
Sternpunkt 15 und damit auch die Anode 28 gegenüber der Anode 27. Da nun die Frequenz
des Kommutierungsgenerators 25 mit der Kornmutationsfrequenz übereinstimmt und diese
bei einer Netzfrequenz von 5o Hz i 5o Hz beträgt (sechsphasige Ausführung vorausgesetzt),
so sind die Spannungsverhältnisse im Moment, da der Stromabnehmer 26 Anode 28 verläßt,
um 1/s der Netzfrequenz, also um 1/2 Periode der Kommutierungsfrequenz, verschobene,
d. h. gerade umgekehrt. Im Augenblick, da der Stromabnehmer die Anode 28 v erläßt,
ist Sternpunkt 15 im Besitz der Potentialerhöhung, während Sternpunkt 14 samt der
Anode 28 gerade auf dem tiefsten Potential angelangt sind. So lassen sich die Verhältnisse
auf die weiteren Stellungen des Stromabnehmers übertragen, und das Resultat ist,
daß immer die ablaufende Anode am Tiefstpunkt ihrer Potentialschwankungen angelangt
ist und sich infolgedessen der Stromkreis stets über die auflaufende Anode schließen
wird, was eine stromlose Kontaktlösung zur Folge hat. Daraus ist ersichtlich, daß,
eine zweckdienliche Phasenverschiebung der Kommutierungsmaschine vorausgesetzt,
eine unbedingt funkenlose Sromwendung hervorgebracht werden kann. Es ist von Fall
zu Fall zu bestimmen, ob es genügt, die Phasenverschiebung rein von Auge auf funkenlose
Kommutation einzustellen oder ob der Verlauf der Spannungen an Hand von Oszillogrammen
kontrolliert werden muß.
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Fig. 5 zeigt, ohne Anspruch auf Maßstäblich-I keit zu erheben, den
Spannungsverlauf auf den einzelnen Anoden und Fig. 5 a den der Kommutierungsspannung
als Funktion der Zeit. Es bedarf keiner weiteren Erklärung, um einzusehen, daß,
so ein gleichzurichtender Wechselstrom von 5o Hz angenommen und ein Sechsphasengleichrichter
vorausgesetzt wird, die Kommutierungsfrequenz i5o Hz beträgt. Die ganz ausgezogenen
Sinuslinien in Fig. 5 stellen die Potentialverläufe auf den sechs Anoden dar ohne
jeglichen Einfluß der Kommutierungsspannung, während die stark ausgezogene Linie
die Form der Gleichspannung veranschaulicht. Der Einfluß der. Kommutierungsspannung
ist in den gestrichelten Linien festgehalten, welche, rein qualitativ, die Superposition
der erwähnten Sinuslinien und der in Fig. 5 a gezeigten Kommutierungsspannung darstellen.
Es ist noch beizufügen, daß die Kommutierungsspannung, so wie sie in Fig. 5 a dargestellt
ist, sich zur Spannung des Sternpunktes 15, also zu den Phasenspannungen 27, 29,
31 addiert, während sie sich von der Spannung im Sternpunkt 14 also auch von den
Phasenspannungen 28, 3o, 32 subtrahiert. Aus diesen gestrichelten Kurven ist nun
ersichtlich, daß, wie bereits erwähnt, dieselbe Anode einmal in ihrem Potential
durch die Kommutierungsspannung unterstützt und in der nächsten Halbperiode geschwächt
wird. In der Figur ist der erste Fall aus einer Erhöhung des Sinusbuckels ersichtlich,
indem die Kurve schon um geraume Zeit vorher einen Scheitelwert erreicht, während
sich der Gegenfall in einer Einsattelung der abfallenden Flanke der Sinuskurve zeigt.
Vergegenwärtigen wir uns weiter den Kommutierungsvorgang. Ist die Vorrichtung richtig
eingestellt, d. h. ist die Kommutierungsspannung in den richtigen Phasenlagen gegenüber
der gleichzurichtenden Wechselspannung, so herrschen die Verhältnisse vor, wie sie
in Fig. 5 und 5 a dargestellt sind, d. h. der maximale Einfluß der Kömmutierungsspannung
macht sich im Moment A des Überganges von einer Anode zur anderen bemerkbar. Da
der Isolationsdicke zwischen den Anoden und der nicht erfüllbaren Berührung des
Stromabnehmers längs einer Linie wegen dieser Stromabnehmer immer eine gewisse Zeit
lang zwei Anoden kurzschließt, so ist mit dem
Zeitpunkt A der Moment
gedacht, in dem der Stromabnehmer den Kontakt mit der ablaufenden Anode löst. Betrachten
wir den Vorgang unter diesen Voraussetzungen sowie unter Berücksichtigung des Umstandes,
daß die in Fig. 5 a dargestellte Kommutierungsspannung sich zu den Spannungen des
Sternpunktes 15 addiert, während sie sich von denen des Sternpunktes 14 subtrahiert,
so erhalten wir zwischen den Pfeilen B diejenige Spannungsdifferenz, die im Moment
der Kontaktlösung des Stromabnehmers von der ablaufenden Anode zwischen dieser und
der auflaufenden Anode herrscht. Wenn auch, wie schon betont, die Zeichnung nicht
Anspruch darauf erhebt, maßstäblich zu sein und die Differenzspannung zwischen den
Pfeilen B im Verhältnis zur totalen Betriebsspannung zu groß ist, so ist doch eindeutig
ersichtlich, daß eine solche wirklich auftritt und daß sie in der Lage ist, durch
Potentialerhöhung der auflaufenden Anode gegenüber der ablaufenden eine funkenlose
Stromwendung zu gewährleisten. Die Verzerrung der Kurvenform durch die Superposition
der Kommutierungsspannung ist nicht derart, daß der Gleichstrom schädlich beeinflußt
würde.
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Fig. 6 zeigt eine besondere Ausführungsart des Kommutierungsgenerators
25. Die Wechselstromwicklung besteht hier aus zwei Hälften 36 und 37, deren Mittelpunkt
38 direkt an die Sternpunkte 14 und 15 angeschlossen und zum elektrischen Nullpunkt
des Systems wird, der seinerseits an den negativen Pol der Gleichstromquelle angeschlossen
ist. Die Anwendung der in Fig. 6 gezeichneten Schaltung des Kommutierungsgenerators
würde eine galvanische Kopplung zwischen dem Kommutierungsgenerator und dem Gleichrichtertrafo
ergeben.
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Fig. 7 zeigt unter Weglassung der Primärseite des Gleichrichtertrafos
eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Hilfstrafo als solcher verschwindet
und seine frühere Primärwicklung nun direkt auf den Kernen des Gleichrichtertrafos
liegt, ein Ausführungsbeispiel also, das die magnetische Kopplung des Kommutierungsgenerators
mit dem Gleichrichtertrafo anwendet. Das dargestellte Anwendungsbeispiel ist dreiphasig
ausgeführt. RST bezeichnen wieder die Primärphasen des Gleichrichtertrafos, die
in den Wicklungen 39, 40, 41 auf die drei Einphasentrafos 42, 43, 44 verteilt sind.
Die Sekundärseite besteht erfindungsgemäß aus einer mehrphasigen (hier dreiphasigen)
offenen und einer mehrphasigen (hier dreiphasigen) geschlossenen Wicklung. Die offene
Wicklung besteht im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 aus den Wicklungsteilen 45,
46, 47 und dem Sternpunkt 48, die geschlossene Dreieckschaltung aus den Wicklungsteilen
49, 50, 51. Analog zu dem in Fig. i und 2 dargestellten sechsphasigen Ausführungsbeispiel
sind die Verbindungspunkte 5.2, 53, 54 der beiden Wicklungen direkt an die drei
Anoden 55, 56, 57 geschaltet. Der Sternpunkt 48 liegt direkt an der negativen Klemme
58, während der Stromabnehmer an der positiven, 59, liegt. Auf den drei Einphasentrafos
liegen nun noch weiter die bereits erwähnten drei in Serie geschalteten Wicklungen
6o, 61, 62, die zwischen den Klemmen 63, 64 des nicht dargestellten Kommutierungsgenerators
liegen. Die Wirkungsweise unterscheidet sich hier nur insofern von den schon beschriebenen
Ausführungsbeispielen, als daß sich die von den Kommutationsspannungen induzierten
Flüsse direkt dem Hauptfluß des gleichzurichtenden Stromes überlagern und so die
resultierende Spannung direkt in den Wicklungen 45, 46, 47 erscheint und von dort
auf die entsprechenden Anoden 55, 56, 57 übertragen wird. Des weiteren ist die Wirkungsweise
dieser Anordnung genau gleich der schon behandelten und verdient deshalb keine weitere
Würdigung.
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In Fig. 8 ist der Grundgedanke der magnetischen Kopplung des Kommutierungsgenerators
mit der Sekundärseite des Gleichrichtertrafos auf einen Sechsphasengleichr.ichter
übertragen. Die Schaltung ist ganz analog der eben behandelten und läßt sich bei
Kenntnis der in Fig. i und Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiele ohne weiteres
übersehen. Auch hier werden drei Einphasentrafos als Gleichrichtertrafos verwendet,
nämlich 42, 43, 44; die primären Phasen R, S, T entsprechen den Bezugsziffern 39,
4'0, 41, und mit 6o, 61, 62 sind die in Serie geschalteten Wicklungen bezeichnet,
die zwischen den Klemmen 63 und 64 der nicht dargestellten Kommutierungsmaschine
liegen. Die Sekundärseite des Gleichrichtertrafos ist erfindungsgemäß aus einer
offenen, hier sechsphasigen Wicklung aufgebaut, bestehend aus den Wicklungsteilen
65 bis 70 mit dem Sternpunkt 48 und einer geschlossenen sechsphasigen Wicklung,
bestehend aus den Wicklungsteilen 71 bis 76. Die Verbindungspunkte der beiden Wicklungen
77 bis 82 sind erneut die Anschlüsse zu den nicht gezeichneten Anoden. Aus Fig.
8 ist auch ersichtlich, daß bei Anwendung der magnetischen Kopplung der Kommutierungsmaschine
mit den Gleichrichtertrafos eine Trennung des Sternpunktes der Wicklungsteile 65,
67, 69 von dem der Wicklungsteile 66, 68, 70 unnötig ist, da diese
Wicklungsteile der Sekundärseite des Gleichrichtertrafos derart geschaltet sind,
daß die Superposition der Flüsse, herrührend von der Betriebsspannung einerseits
und der Kommutierungsspannung andererseits, sich derart auswirkt, daß stets eine
Potentialdifferenz zwischen den geraden und ungeraden, also immer zwischen aufeinanderfolgenden
Anoden herrscht.
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In Fig. 9 wird an Stelle der drei Einphasentrafos ein Dreiphasentrafo
in die Schaltung aufgenommen. Der hier dargestellte Dreiphasentrafo 83 ist mit einem
zusätzlichen Schenkel 84 ausgerüstet; der den Kommutierungsfluß rückschließt. Die
sonstigen Voraussetzungen sind genau die gleichen, und die Bezugszeichen stimmen
mit denen der Fig: 8 überein, so daß sich eine Beschreibung der Wirkungsweise erübrigt.
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Fig. io zeigt ein Ausführungsbeispiel, das auch dem Grundgedanken
der magnetischen Kopplung folgt, aber die Superposition des Kommutierungsflusses
und
der Betriebsflüsse nicht im Gleichrichtertrafo 83 selber, sondern in drei kleiner
dimensionierten Einphasenzusatztrafos 85, 86, 87 vorsieht. Diese Anordnung hat den
Vorteil, daß der bei Fig. 9 erwähnte Schenkel 84 sich erübrigt und hier als Glechrichtertrafo
ein gewöhnlicher Dreischenkeltrafo Verwendung finden kann. Die Dimensionierung der
Zusatztrafos richtet sich dann lediglich nach der Kommutierungsleistung. Der weitere
Aufbau bietet nichts wesentlich Neues. Die offene Wicklung besteht aus den Wicklungsteilen
88 bis 93, die geschlossene Wicklung aus den Wicklungsteilen 71 bis 76; die Verbindungsstellen
sind mit 77 bis 82 bezeichnet und bilden in der Reihenfolge ihrer Bezugsziffern
die Anschlüsse zu den nicht dargestellten Anoden. Die Wicklungsteile 88 bis 93 liegen
mit ihren inneren Enden über den entsprechenden Zusatztrafowicklungen 94 bis 99
am Sternpunkt 48. Die drei einphasigen Zusatztrafos 85 bis 87 sind weiter versehen
mit den zwischen dem Klemmen 63; 64 der Kommutationsmaschine liegenden Wicklungen
6o bis 62 und den Wicklungen Zoo bis io2, die vom primären, gleichzurichtenden Strom
durchflössen werden, wobei die beiden Sternpunkte io3 und io4 verbunden sind. Durch
diese letzterwähnte Maßnahme wird durch die Sättigung des Einphasentrafokerns erreicht,
daß die Superposition der Kommutationsspannungen im richtigen Sinne geschieht und
daß nicht der Kommutationsfluß sich des Weges des geringsten magnetischen Widerstandes
bedient.
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Eine weitere Abart der in Fig. io dargestellten Ausführungsform ist
diese, wenn beide Wicklungen, die offene und die geschlossene Sechsphasenwick-Jung,
auf dem Kern 83 aufgebracht wären, was aber an der Grundidee nichts ändert und somit
keines weiteren Kommentars bedarf.
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Es kann bei sämtlichen Schaltungsarten, denen der gleiche Gedanke
zugrunde liegt wie den behandelten, vorkommen, daß im Leerlauf ohne Kommütierungsspannung
die Spannung an den Sekundärwicklungsteilen kleiner ist als im Betriebszustand (mit
Kommutierungss.pannung). Das hat seinen Grund darin, daß in den Wicklungsteilen
des Gleichrichtertrafos neben dem ohmschen auch von der Streuung herrührender induktiver
Spannungsabfall auftritt. Dieser Spannungsabfall kann nun durch die Zuführung der
Kommutierungsspannung nicht nur ausgeglichen, sondern überkompensiert werden, was
die obenerwähnte Tatsache erklärt.
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Fig. i i zeigt nun die Anwendung des Schwingkreises in Verbindung
mit einem Einphasensvnchrongleichrichter in Gegentaktschaltung. Die einphasige Wechselspannung
wird auf die Primärspule i des Gleichrichtertrafos gegeben. Die Sekundärwicklung
ist zwischen die beiden Lamellen 27 und 28 (den beiden festen Kontakten, über die
der bewegliche Kontaktarm 26 synchron gleitet) gebracht und in der Mitte
aufgeschnitten. Hier wird gemäß Fig. i i die Sekundärwicklung 22 eines Hilfstrafos
23 zwischen die beiden inneren Enden der Teilsekundärwicklungen 7 und 8 geschaltet,
derart, daß die drei Wicklungsteile in Serie liegen. Die Primärseite 24 des Hilf
strafos 23 ist nun durch einen Kondensator io5 geschlossen, so daß wir dort einen
Schwingkreis io7 erhalten, dem je nach Bedarf noch ein Dämpfungswiderstand io6 zugeschaltet
werden kann. Der Mittelpunkt 33 der Sekundärwicklung a2 des Hilfstrafos 23
ist herausgeführt und dient als negative Klemme der Gleichstromabnahme (positive
Klemme am synchronen rotierenden Kontakt 26). Wird der Gleichstromkreis nun belastet,
so fließt, je nachdem sich der bewegliche Kontakt 26 auf Lamelle 27 oder 28 befindet,
der Strom in der Hälfte 34 bzw. 35 der Sekundärspule 22 des Hilfstrafos 23, wie
in Fig.12 a und i2b dargestellt ist. Dieser im Takt des Fortschreitens des beweglichen
Kontaktes 26 über die Lamellen wechselnde Gleichstrom in der erwähnten Hilfsspule
induziert im Schwingkreis 107, bestehend aus der Primärspule 24 und dem Kondensator
105, eine Wechselspannung gleicher Frequenz. Nach den bekannten Gesetzen
der erzwungenen Schwingungen in elektrischen Schwingkreisen kann nun eine Phasenverschiebung
des erzwungenen gegenüber dem erzwingenden Strom dadurch erhalten werden, daß man
im Schwingkreis 107 entweder die Kapazität io5 oder die Induktivität der Spule 24
ändert. Wesentlich ist nur, daß die Phasenverschiebung derart ist, daß die im Moment
der Kommutierung auftretende Kurzschlußspannung in der kurzgeschlossenen Phase durch
die vom Schwingkreis induzierten Wendespannungen kompensiert wird; so ist eine stromlose
und somit funkenfreie Stromwendung gewährleistet.
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Bei sehr hohen Spannungen erübrigt sich im allgemeinen die Spule 24
des Hilfstrafos 23, und der Schwingkreiskondensator kann direkt an die Spule 22
angeschlossen werden (wie auch der eventuelle Dämpfungswiderstand).
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Eine Variante der beschriebenen Schaltung ist die, daß bei hohen Spannungen
parallel zu den beiden Sekundärseiten 22 des Hilfstrafos 23 je ein Kondensator geschaltet
wird, so daß der gesamten Sekundärwicklung eher die Rolle einer Drosselspule zufällt.
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Daß die Möglichkeiten der Anwendung des Erfindungsgegenstandesnicht
auf einphasigenWechselstrom beschränkt sind, zeigt Fig. 13, wo der Spezialfall des
Sechsphasenglei.chrichters dargestellt ist. Der Übersichtlichkeit halber ist die
Primärwicklung des Gleichrichtertrafos in der Figur weggelassen. Die sechsphasige
Sekundärseite (Phasen 7, 8, 9, io, i1, 12) wurde so geschaltet, daß je drei nicht
nebeneinanderliegende Phasen einen eigenen Nullpunkt (14 bzw. 15) ,besitzen, der
vom anderen elektrisch getrennt ist. Zwischen die beiden herausgeführten Nullpunkte
ist die Sekundärwicklung 22 des Hilfstrafos 23 geschaltet, dessen Mittelanzapfung
33 wiederum die negative Gleichstromklemme bildet. Die übrigeAnordnungg der Organe
ist analog der des schon beschriebenen einphasigen Falles. Die äußeren Enden der
sechsphasigen Selzundärwick-Jung des Gleichrichtertrafos führen zu den Lamellen
27, 28, 29, 30, 31, 32, über die der bewegliche Kontaktarm 26 gleitet, der
zugleich die positive
Gleichstromklemme bildet. Die Primärwicklung
des Hilfstrafos 23 ist auch hier über eine Kapazität 105
und eventuell parallel
dazu einen Dämpferwiderstand io6 geschlossen. Die früher erwähnten Variationen des
Schwingkreises 107 bei hohen Spannungen haben natürlich auch hier Geltung.
Um nun bei der sechsphasigen Anordnung im Schwingkreis eine Oszillation mit der
Stromwendefrequenz zu erhalten, muß bei der Anordnung der Lamellen darauf geachtet
werden, daß immer abwechslungsweise eine Lamelle zum Nullpunkt 14 und 15 gehört;
denn nur so fließt,der Strom in der Primärwicklung des Hilfstrafos einmal in der
Hälfte 34 und einmal in Ader Hälfte 35 im Rhythmus der Kommutierung. Die Kommutationsfrequenz
stimmt natürlich in diesem Fall nicht mehr mit der 'Frequenz der primär auf den
Gleichrichtertrafo gegebenen Wechselspannung überein, sondern beträgt das Dreifache,
auf welche Frequenz der Schwingkreis auch abgestimmt werden muß.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit ist die: 'Um eine bessere Ausnutzung
des Gleichrichters zu erhalten, kann der Betriebsstrom mittels mehrerer Kontaktarme
gleichzeitig über mehrere Phasen geführt werden. In diesem Fall arbeitet die Vorrichtung
zur Erzielung einer funkenlosen Kommutierung folgendermaßen: Setzen wir den in Fig.
13 dargestellten sechsphasigen Fall voraus, so müssen zwei zwangläufig miteinander
verbundene, synchron laufende Kontaktarme die Lamellen derart bestreichen, daß immer
die zu zwei zeitlich und räumlich um 18o°' versetzten Wicklungsteilen gehörende
Lamellen gleichzeitig 'berührt werden. In Fig. 13 also z. B. Lamellen 27 und 30,
28 und 31, 2g. und 32. Die Erfüllung dieser Bedingung hat zur Folge, daß nun :der
Strom in der gesamten Primärwicklung des Hilfstrafos seine Richtung mit der Kommutierungsfrequenz
wechselt und nicht nur, wie es bei der Anordnung mit einem einzigen Kontakthebel
der Fall war, der Strom vom Wicklungsteil 34 in den Wicklungsteil 35 wechselte.
Daraus ist ersichtlich, daß die beschriebene Vorrichtung zur Erzielung einer funkenlosen
Kommutation ohne jegliche Abänderung auch in dem Fall der mehrphasigen Stromentnahme
angewendet werden kann.
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Die Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung sind mannigfaltig.
Hauptsächlich geeignet ist sie in Verbindung .mit Stromrichtern mit bewegten Kontakten;
ob nun die Kontakte über feste Lamellen streichen oder ob sie in Flüssigkeiten ein-
und auftauchen, z. B. in Hg, oder ob die Kontaktumschaltung durch Kippen eines mit
Hg gefüllten Gefäßes mit festen Elektroden geschieht, ist gleichgültig. Besonders
'bei der letzten der erwähnten Möglichkeiten legt man großen Wert auf eine einwandfreie
Stromanwendung, weil das Hg durch,die Funkenbildung oxydiert und so die Kontakte
verschlechtert.
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Daß der Gegenstand der Erfindung wirklich eine tadellose Kommutierung
gewährleistet, zeigen folgende Versuchsresultate. Sie wurden aufgenommen an einem
Synchrongleichrichter mit Taumelkörper in sechsphasiger Anordnung. Es zeigt in Fig.
14 Kurve i die gleichzurichtende Spannung, Kurve 2 die Gleichspannung des Gleichrichters
(sechsphasige Welligkeit), Kurve 3 Gleichstrom des Gleichrichters (man beachte die
erstaunliche Gleichmäßigkeit), Kurve 4 Gleichstrom in der primären Spulenhälfte
34 des Hilf strafos, Kurve 5 Gleichstrom in der Spulenhälfte 35. Man achte auf das
Wechselspiel der Kurven 4 und 5, das mit den früheren Darlegungen übereinstimmt.
Die Spitzen in den Kurven 4 und 5 rühren von der Energieentnahme aus dem Schwingkreis
her, die jedesmal bei einer Stromwendung zur Aufbringung der Gegenspannung benötigt
wird; die. Spitzen stimmen auch genau mit den Einsenkungen von Kurve 3, die die
Kommutationsstellen angeben, überein. Kurve 6 zeigt Strom am Schwingkreiskondensator
io5, Kurve 7 Spannung am gleichen Kondensator. Aus Kurve 6 und 7 ist die Phasenverschiebung
am Kondensator 105 ersächtüch. Die Stelle der Energieabgabe des Schwingkreises
ist durch einen kleinen Höcker angezeichnet.
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Mitthesen Versuchsresultaten ist einwandfrei bewiesen, daß die Vorrichtung
zur Erzielung einer fun'kenlosen Kommutation bei Synchrongleichrichtern gestattet;
ohne raumfüllende Konstruktionen und empfindliche Apparate bei bester Stromwendung
einen vollkommenen Gleichstrom zu erhalten.