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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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%.
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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.
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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.
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Der Übersichtlichkeit halber sind in :den Abb. V und VII die Gleichstromzuführungsbü
rsten. und die Stufenwiderstände nicht mitgezeiehnet worden.