DE930099C - Widerstandsumformer zur Umformung von Gleichstrom in Ein- oder Mehrphasenwechselstrom - Google Patents

Widerstandsumformer zur Umformung von Gleichstrom in Ein- oder Mehrphasenwechselstrom

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DE930099C
DE930099C DEW9172A DEW0009172A DE930099C DE 930099 C DE930099 C DE 930099C DE W9172 A DEW9172 A DE W9172A DE W0009172 A DEW0009172 A DE W0009172A DE 930099 C DE930099 C DE 930099C
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Germany
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Expired
Application number
DEW9172A
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English (en)
Inventor
Kurt Westphalen
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Witt & Westphalen
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Witt & Westphalen
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Classifications

    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)

Description

  • Widerstandsumformer zur Umformung von Gleichstrom in Ein- oder Mehrphasenwechselstrom Bekannt sind: Widerstandsumformer zur Umwandlung von Gleichstrom in Ein- und Meh:rphasenwechsel:strom. Diese Umfarmer, welche grundsätzlich aus einem rotierenden Spannungs,tei:ler bestehen, sind schematisch in Abb. I als Einphasenausführung und in Abb. II ,als Drebs,tromausführung :dargestellt: Bei einem Kollektor .sind zwei diametral, gegenüberliegende Lamellengruppen in sich kurzgeschlossen und mit Schleifringen verbunden, welche über Kohlebürsten an einer Gleichstromquelle liegen. Die zwischen =den kurzgeschlossenen Gruppen liegenden freien Lamellen sind über Stufenwiderstände untereinander und mit den Gruppen verbunden. Dies System wird durch einen kleinen Motor mit der für die gewünschte Frequenz erforderlichen Drehzahl angetrieben. Der Einphasenstrom wird über eine auf dem Kollektor schleifende Bürstengruppe entnommen, welche aus zwei diametral gegenüberliegenden Bürsten besteht. Bei Drehstromentnahme sind :drei um je i2o° el. versetzte Einzelbürsten oder nach Patent 8003o8 drei um je i2o° versetzte Bürstengruppen angeordnet, wobei jede Bürstengruppe wieder aus zwei diametral gegenüberliegenden Bürsten besteht.
  • Da pro Lamelle nur eine bestimmte Leistung abgeschaltet werden kann, ist die Typenleistung einer Maschine gegeben durch die Anzahl der für die Ab-bzw. Zuschaltung zur Verfügung stehenden. Lamellen. Zur Vergrößerung der Typenleistung wurde bereits eine Anordnung vorgeschlagen, ,bei der zwei oder -mehr Kollektoren verschachtelt geschaltet werden (Patent 800 309).
  • Der Wirkungsgrad der Widerstundsumformer bekannter Bauart wird bestimmt durch die Forderun: gen, welche man in bezug auf funkenfreien Lauf, Kurvenform, Kurvenfo.rm,steifheitbei:schwankender Last und Spannungssteifheit bei schwankender Last an sie stellt, also durch die Wahl der Breite der kurzgeschlossenem Gruppen: und,die Bemessung des aus den Stufenwiderständen bestehenden Querwiderstandes. Könnte man an der Stelle eines Widerstandskollektors nach Abb. I einen zweilamell:igen Kollektor nach Abb. III verwenden, so erhielte .man die in Abib. IV :darges:tellte Rechteckkurve für den erzeugten Wechselstrom. Macht m-an die Länge eines, vollen Kurvenzugesgleich: :.uz und die Höhe gleich i, so ist der Flächeninhalt einer Halbwelle gleich n, also genau so groß wie der Flächeninhalt des aufgewendeten Gleichstromes- für eine Halbperiode. Sieht .man von der ;k leinen für die Aufrechterhaltung der Umdrehung nötigen Motorleistung ab, so wäre der Wirkungsigrad eines solchen: zwelamelligen Systems gleich i, da. der Effektivwert der Rechteckkurve gleich i ist. Eine solche Ausführung ist aber wegen der hohen Absch:altlei,stung an den Kollektorlamellen und wegen der schlechten Kurvenform nicht möglich.
  • Macht rnan die Kurve des Wechselstrome:st s;i:nusförmig, so ist der Flächeninhalt einer Halbwelle gleich 2, wenn die Höhe wieder gleich i und die Länge einer vollen Welle gleich 2 n ist. Der Effektivwert wird dann :gleich Der Wirkungsgrad wüT@de also., wenn man außer der kleinen Motorleistung .auch den Querstrom vernachlässigen könnte, gleich werden. Mit Rücksicht auf eine anzustrebende Steifheit der, Kuwvenform und der Spannung bei schwankender Last darf aber der Querstrom nicht zu kleingewählt werden, d. h. der Wirkungsgrad liegt bei Widerstandsumformern des in, Abb. I und II gezeigten Aufibaues bei etwa o.,5, wenn :der Wechselstrom :sinusförmsg ist. Will man einen höheren Wirkungsgrad erzielen, so ist das nur möglich ,durch Verbreiterung der in sich kurzgeschlossenen Gruppen und Verringerung des Querstromes, also auf Kosten der Kurvenform, Kurvensteifheit, Spannungssteifheit und Typenleistung, da die Anzahl d er Schaltlamellen kleiner wund, wenn die kurzgeschlossenen Gruppen breiter gemacht werden.
  • Wie .aus vorstehendem klar hervorgehet, besteht bei Widerstandsumformern bekannter Bauart ein festes Verhältnis zwischen den: die Qualität einer Maschine bestimmenden Faktoren: Typenleistung, Wirkungsgrad, Kurvenform, Kurvensteifheit, Spannungs,steifheit und Kommutierung. Bei einer be-,stimm@ten Type kann man einen Faktor nur auf Kosten der anderen verbessern. Durch Patent 800 Sog gelang es zwar, die Typenleistung erheblich zu vergrößern, ohne die andezen Faktoren zu verschlechtern, es blieb .aber das starre Verhältnis zwischen Kurvenform, und Wirkungsgrad.
  • Die Erfindung behebt diese Schwierigkeiten dadurch, daß für jede Phase nicht wie bisher ein aus zwei diametrül gegenüberliegenden Bürsten gebildeter Bürstensatz, sondern mehrere um einen gewissen Winkel gegeneinander versetzte Bürstensätze .angeordnet sind. In Abb. V ist eine Einphasenanordmungdargestellt, ibei welcher die Entnahme des Wechselstromes über drei Bürstensätze erfolgt. Führt man die drei Einphasenströmedrei Transformatoren, zu, deren Sekundärwicklungen, in Serie geschaltet sind, so erhält man einen Einphasenstrom, der die geometrische Summte der drei Strömte ist. In Abb. VI sind :die drei Einzelspannungen (welche der Einfachheit halber als Trapeze dargestellt sind) und die Summenspannung für,die Anordnung nach Abb. V gezeichnet, und zwar für eine Versetzung der drei Bürstensätze um je 40° e1. und eine Breite der in sich kurzgeschlossenen Lamellengruppen von je i io° e1. Um ein Bild von,der Qualität,der Kurvenform zu geben, ist eine Sinu.skurve, die den gleichen Flächeninhalt hat wie die Summenkurve, mit eingezeichnet. Main sieht, daß .die Abweichung der Summenkurve vom der Sinuskurve nur äußerst gering ist. Macht man .die Einzelspannungskurven nicht trapezförm-i:g, sondern rundet -die oberen Ecken leicht .ab, was :durch die Bemessung der Stufenwiderstände ohne Schwierigkeitendurchführbar ist, so erhält man die Sinusformgenau.
  • Anstatt die an :dendrei Bürsten abgenommenen Teilspannungen .drei Transformatoren zuzuführen, deren Sekundärwicklungen in Serie liegen, kann man die :drei Primärwicklungen auf dem Schenkel eines Einphasentrans;formators anordnen, so daß man .anstatt einer Spannungsaddition eine Addition der Amperewindungszahlen der Einzelwicklungen erhält, so daß der magnetische Fluß bereits sinusförmig verläuft, und so eine sinusförmige Sekundärspannung ergibt. Diese Anordnung ist in. Abb. VII dargestellt.
  • Die oben angegebenen Werte, je 40° Versetzung ,der drei Bürstengruppen gegeneinander bei iio° Breite der Lamellengruppen, ergeben eine besonders gute Kurvenform, sind aber nicht unbedingt einzuhalten, da auch die nachstehend aufgeführten, zugeordneten Werte sehr gute Kurven; ergeben:: je 35° Versetzung @derdrei Bürstengruppen :bei ioo° Breite :der Lamallengruppen, je 30° Versetzung der drei Bürstengruppen bei 8o° Breite der Lamellengruppen, je 45° Versetzung der drei Bürstengruppen bei 12o° Breite der Lamellengruppen.
  • Auch l@äßt sich statt mit .den hier beschriebenen, drei Bürstengruppen je Phase eine gute Kurvenform schon mit zwei Bürstensätzen je Phase erzielen. Die Anwendung einer noch höheren Anzahl von Bürstengruppen-je Phase .ist ohne weiteres anwendbar, aber nicht erforderlich, da ibereits mit drei Bürstensätzen die Sinusform zu erzielen ist.
  • Die in Abb. VI,dargesitellte Einphasenanordnung läßt sich ohne weiteres auch bei Mehrphasenanordnungen anwenden. Bei Drehstrom würden ,dann beispielsweise 3 X 3 Bürsitengruppen notwendig sein.
  • Bei den bisher bekannten, Ausführungen durfte man, wenn man .,die S inusform angenähert erreichen wollte, die in sich kurzgeschlossenen Lamellengruppen nur etwa 5o° e1. breit machen, also knapp halb .so breit wie bei der neuen Anordnung. Das heißt aber, :daß sehr viel mehr Energie in :den für die Kurvenformhil'dung erforderlichen Stufenwiderständen vernichtet werden muß.te. Wie bereits, früher ausgeführt wurde, wird der Wirkungsgrad, wenn man .den Ouerstrom und die Motorleistung vernachläs:s.igt, maximal 0,707. Da bei dem gezeichneten Beispiel der neuen Anordnung mit i io° e.1. :bereiten Lamellengruppen die Kurven der Einzelspannungen erheblich breiter :sind, braucht viel weniger Energie in den Stufenwiderständen vernichtet zu werden. Der Effektivwert einer solchen Kurve liegt bei 0,833, .so :daß der Wirkungsgrad allein :durch :die Verbreiterung :der Kurve um den Faktor verbessert wird. Weiter wird :der Wirkungsgrad noch dadurch verbessert, :daß bei der größeren Iiurvenb@reite der Querwiderstand erhöht werden kann, :ohne daß :dadurch die Kurvensteifheit und die Spannungssteifheit verschlechtert werden.. Bei erhöhter Kurven- und Spannungssteifheit wurde eine Wirkungs,gradverbes:.serung von 25% erzielt.
  • Durch die Verbreiterung :der Ein.zelkuzven und die dadurch verringerte Anzahl an Schaltlamellen wird: zwar die Leiistung je Bürstensatz auf ungefähr 58% verringert, die Typenleistung wird aber trotzdem um etwa 5o% vergrößert, :da für die Gesamtleistungsentnahme jetzt drei Bürstensätze zur Verfügung stehen, di:e unabhängig voneinander ihre Teilleistun.,gen .am Kollektor .abnehmen.
  • Durch die Erfindung ergibt s:i@ch außer der erheblichen Wi@rkungsgr.adverbess,erung eine Verbesserung der Kurvenform, der Kurvensteifheit und der Spannungssteifheit. Durch diese Verbesserungen ist :der Widerstandsumformer dem elektromagnetischen Umformer zumindest bei kleinen und mittleren Leistungen überlegen, :da :er einmal in seiner Frequenzhaltung vollkommen lastunabhängig ist und zum anderen die bei elektromagnetischen Umformern infolge der Ankerrückwirkung auftretenden asymmetrischen Kurvenverzerrungen nicht aufweist. Außerdem hat der Widerstandsumformer der neuen Bauart einen erheblich geringeren Raum- und Materialbedarf als ein elektromagnetischer Umformer gleicher Leistung. Raumbedarf 201/o, Gewicht: i5%.
  • Die Einhaltung der :genauen Sinusform für den erzeugten Wechselstrom isit für manche Zwecke nicht erforderlich. Durch weitere Verbreiterung :der Einzelkurven und damit der Summenkurve ist es aber möglich, den Wirkungsgrad noch mehr zu steigern.
  • Zweckmäßigerweise wählt man das Verhältnis des Bürstenversetzungswinkels a zur Lamelle nteilung so, d:aß die n-Teilströme nacheinander geschaltet werden., um: die Summenkurve sehr feinstufig zu bekommen.
  • Der Übersichtlichkeit halber sind in :den Abb. V und VII die Gleichstromzuführungsbü rsten. und die Stufenwiderstände nicht mitgezeiehnet worden.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Widerstandsumformer zur Umformung von Gleichstrom in Ein- oder Mehrph.asen:wechsels:tro:m, dadurch :gekennzeichnet, daß zur Entnahme des Wechselstromes je Phase n um einen Winkel a in Umfangsrichtung @gegeneinander versetzte Bürstengruppen, welche aus je zwei diametral gegenüberliegenden Bürsten bestehen, auf dem Kollektor angeordnet sind und daß die über diese Bürstensätze entnommenen Teilströme in einem Transformator oder in n-Transforma@toren. miteinander verkettet werden.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch i, .dadurch gekennzeichnet, .daß :die Versetzungswinkel: a der Bürstensützegegeneinander den Bedeekungswinkeln ß der Lamellengruppen so zugeordnet sind, -daß die n-Teilströme bzw. Teilspannungen sich zu einem Summenstrom ,bzw: einer Summenspannung mit einusförm.igem Verlauf addieren.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch i., :dadurch .g:egekennzeichnet, :daß :das Verhältnis: von Versetzungswinkel a zu Bedeckungswinkel ß so gemacht wird, daß die Kurve breiter wird als eine S,innskurve. _ q.. Anordnung nach Anspruch i, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß .das Ve:rhältni:s@ zwischen dem Bürstenversetzungswinkel a und der Lamellen:teilung :des Kollektors sio gewählt wird, daß die Abschaltung der Einzelströme an den Lamellen nacheinander erfolgt. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 43q.217.
DEW9172A 1952-08-02 1952-08-02 Widerstandsumformer zur Umformung von Gleichstrom in Ein- oder Mehrphasenwechselstrom Expired DE930099C (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3040236A (en) * 1958-03-05 1962-06-19 Westinghouse Electric Corp Electrical conversion device

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE434217C (de) * 1920-09-30 1926-09-21 Marcel De Coninck Anordnung zur Umformung mehrphasiger sinusfoermiger Wechselspannungen in gleichfoermige Spannungen oder von gleichfoermigen Spannungen in mehrphasige sinusfoermige Wechselspannungen

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE434217C (de) * 1920-09-30 1926-09-21 Marcel De Coninck Anordnung zur Umformung mehrphasiger sinusfoermiger Wechselspannungen in gleichfoermige Spannungen oder von gleichfoermigen Spannungen in mehrphasige sinusfoermige Wechselspannungen

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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