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Rotierender Gleichrichter für Drehstrom.
Der Drehstromgleichrichter nach der Erfindung gehört zu jener bekannten Art von Gleichrichtern, welche aus einem Transformator, einem Synchronmotor und einem Kommutator bestehen, von welchem die auf der Rotorwelle des Motors sitzenden und mit dieser sich drehenden Bürsten den Drehstrom als Gleichstrom abnehmen. Wie bekannt, muss die Stellung der rotierenden Bürsten gegenüber dem synchron mit diesen Bürsten sich drehenden Spannungspolygon des Kommutators entsprechend der sich ändernden Belastung des Gleichrichters ge- ändert werden, damit der Kommutator bei jeder Belastung des Gleichrichters funkenfrei arbeite, u. zw. muss diese Verstellung, wie sich von selbst versteht, selbsttätig während des Laufes des Motors geschehen. In der Literatur wurden bereits zahlreiche derartige Gleichrichter vorgeschlagen ; es seien hier beispielsweise genannt : brit. Patent Nr. 106008, D. R.
P. Nr. 417584, amer. Patent Nr. 1529341 und viele andere. Es ist zweifelhaft, ob diese Apparate, die zum Teil mit komplizierten eine Rcgulierbewegung ausführenden Steuervorrichtungen arbeiten, verlässlich funktionieren, gewiss aber sind derartige Apparate teuer und schwer zu bedienen. Dieser Mangel ist insbesondere bei Apparaten für kleinere Leistungen (Dauerleistung auf der Gleichstromseite von etwa 1-5 Kilowatt und Spannung bis etwa 110 Volt) sehr nachteilig, da gerade solche kleinere Apparate, die insbesondere zum Speisen der Bogenlampe von Kinoapparaten oder zum Laden von Akkumulatoren dienen sollen, billig und einfach sein müssen, um auch von unkundigen Leuten bedient werden zu können.
Die Erfindung vermeidet die besprochenen Mängel dadurch, dass die erforderliche Verstellung der Bürsten durch eine am Synchronmotor, vorteilhaft am Stator angeordnete Zusatzwicklung aus wenigen Windungen eines starken Drahtes bewirkt wird, die ohne Verwendung von Steuereinrichtungen mit Regulierbewegung von einem Strom durchflossen wird, der der jeweiligen Belastung des Gleichrichters proportional ist.
Der zugehörige, zum Speisen des Kommutators dienende Transformator könnte beliebiger Konstruktion sein, insbesondere würden sich die wohlbekannten Drehfeldtransformatoren eignen, da man bei ihnen die Anzapfstellen für die Lamellen des Kommutators fast in beliebiger Anzahl symmetrisch verteilen kann und dadurch eine fast ideale gleichmässige Spannungsverteilung sowohl bei Leerlauf als auch bei Belastung für eine noch so grosse Zahl von Lamellen bekommt. Allein solche Drehfeldtransformatoren sind verhältnismässig teuer und kommen daher für die oben erwähnten kleinen Aggregate überhaupt nicht in Betracht. Hier können nur die billigen Transformatoren mit dreischenkligem Eisenkern, auf den die fertigen Spulen aufgeschoben werden, Verwendung finden.
Da ergibt sich aber die Schwierigkeit, die Wicklung derart anzuordnen und zu schalten, dass wenigstens annähernd jene gleichmässige Spannungsverteilung auf die Anzapfstellen für die Zuleitungen zu den Kommutatorlamellen erhalten wird, die sich bei Drehfeldtransformatoren ganz von selbst ergibt.
Gegenstand der Erfindung ist nun eine solche Anordnung und Schaltung der Wicklung auf einem dreischenkligen Eisenkern, dass sich die Spannung sowohl bei Leerlauf als auch bei Belastung (wegen der im Transformator auftretenden Streuung) auf die Kommutatorlamellen möglichst gteichmässig verteilt, so dass der Winkel, um welchen die Bürsten bei Belastungsschwankungen während des Laufes des Motors selbsttätig verstellt werden müssen, für alle Lamellen annähernd gleich gross ist, ein Vorteil,
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der wie bereits oben erwähnt, bisher bloss durch die Verwendung der wesentlich teueren Drehfeldtransformatoren erreicht werden konnte. Es sei noch hervorgehoben, dass auch Transformatoren mit dreischenkeligem Eisenkern für Gleichrichter vorgeschlagen worden sind, s. z. B. die D. R. P.
Schrift Nr. 328161, allein es ist bisher nicht gelungen, in so einfacher und vollkommener Weise, wie nach der Erfindung, den angestrebten Zweck der gleichmässigen Spannungsverteilung sowohl bei Leerlauf als auch bei Belastung zu erreichen.
Die Zeichnung stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Der zum Antriebe der Bürsten dienende Synchronmotor hat eine dreiphasige Statorwicklung g, die ein zweipoligen Drehfeld erzeugt, durch, das der Rotor j, der Doppel-T-Form besitzt und eine Kurzschlusswicklung k hat, synchron mitgenommen wird. Soll nun die Kommutierung auch bei Belastungsänderungen funkenfrei erfolgen, so müssen, wie bereits früher erwähnt, die Bürsten (infolge der mit der Belastung sich ändernden Streuung des Transformators) entsprechend verstellt werden. Zu diesem Zwecke ist am Stator eine zweite Wicklung gl (Hüfswicklung, Kompensationswicklung) folgendermassen angeordnet : die drei Phasen der Hilfswicklung gl sind an die Netzphasen u v angeschaltet. Von den Enden l's s t dieser Hilfswicklung zweigen die Leitungen zum Transformator und zur Hauptwicklung g des Stators ab.
Die Wirkungsweise dieser Anordnung lässt sich am einfachsten etwa so erklären : Bei Leerlauf fliesst durch beide Wicklungen g und gl der gleiche Strom, da der Leerlaufstrom des Transformators vernachlässigt werden kann. Bei Belastung auf der Gleichstromseite nimmt jedoch der Transformator einen wesentlichen Strom auf und es fliesst mithin durch die Hilfswicklung gl nicht mehr der gleiche Strom wie in der Hauptwicklung g, sondern die geometrische Summe aus diesem Strom und dem Transformatorstrom.
Mithin ändern sich die magnetischen Felder der Wicklungen g und go, es erfolgt eine Verdrehung des Drehfeldes des Stators gegenüber dem Leerlauf, wodurch natürlich auch der Rotor samt den auf seiner Welle sitzenden Bürsten gegenüber dem Leerlaufspannungspolygon des Kommutators ververdreht wird, so dass die Bürsten jederzeit die für die richtige Kommutierung erforderliche Stellung einnehmen. Bei einer genaueren Erklärung der Wirkungsweise der Zusatzwicklung gl müsste auch die Kopplung zwischen den beiden Wicklungen g und gl berücksichtigt werden, worauf jedoch hier nicht näher eingegangen zu werden braucht, da dies zum Verständnisse der Erfindung nicht erforderlich ist.
Es ist vorteilhaft, die Spulen der beiden Wicklungen g und gl derart gegeneinander zu ver- setzen. dass die beiden Felder aufeinander senkrecht stehen. Die genaue gegenseitige Lage der
Spulen sowie ihre elektrische Dimensionierung wird am besten für jede Grössentype des Gleichrichters empirisch bestimmt, da auf diese Weise auch die Streuung beider Wicklungen des
Stators berücksichtigt werden kann.
Nach der Figur sind die Spulen von gl gegenüber den Spulen von g um 1200 versetzt.
Die Spulen von g sind im Dreieck geschaltet, an dessen Endpunkten die Spulen von gl an- geschlossen sind. Diese räumliche Versetzung und die genannte Schaltung ergeben bekanntlich die im vorigen Absatze erwähnte Wirkung.
Der Doppel-T-Anker kann auch aus Stahl oder hartem Eisen hergestellt sein. Es bleibt dann auch über längere Betriebspausen ein genügender remanenter Magnetismus übrig, demzufolge bei einem neuen Anschalten des Gleichrichters die gleiche Polarität wie früher erhalten wird.
Die gesamte Transformatorwicklung A ist in zwei Gruppen geteilt ; die eine Gruppe besteht aus den drei an die Netzphasen angeschalteten Wicklungen (Spulen) U Y W, die andere Gruppe besteht aus Wicklungen, deren einzelne Teile (Spulen) I I', II Irf, Iff IIII im
Zickzack geschaltet sind (d. h.
die Teile dieser Wicklungen sind stets auf zwei Schenkeln des
Eisenkernes angeordnet) und einen in sich geschlossenen Ring bilden, an welchem in symmetrischen Punkten die Wicklungen der ersten Gruppe U V W derart angeschlossen sind, dass von diesen symmetrischen Punkten stets drei Wicklungen (Spulen) ausgehen, nämlich eine der
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Ringes führen dann die Leitungen 1-12 zu den Lamellen des Kommutators K
Der in sich geschlossene Ring könnte auch in mehrere Teile unterteilt sein, auch könnte die Lamellenzahl grösser sein.
Die hier dargestellte besondere Ausführungsform, nämlich die sechsphasige Ringwicklung mit einem zwölfteiligen Kommutator hat jedoch besondere Vorteile : Einerseits ist bei dieser Anordnung die mittlere Lamellenspannung noch nicht zu gross, so dass die erforderliche Genauigkeit der momentanen Bürstenstellungen leicht eingehalten werden kann, anderseits lässt sich die Wicklung noch sehr leicht herstellen. Auch lässt sich noch ohne Unterteilung der einzelnen Spulen die Streuung so klein halten, dass die Hilfswicklung hinreichend wirksam bleibt.
Die Wahl von gerade zwölf Lamellen hat den weiteren Vorteil, dass die zwischen ihnen befindlichen Wicklungen des Transformators annähernd gleiche Streuflüsse haben, so dass der
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Winkel, um welchen die Bürsten bei Belastungsschwankungen verdreht werden müssen, für alle Lamellen gleich gross ist. Diese aus der Kombination der sechsphasigen im Zickzack geschalteten Ringwicklung mit dem zwölfteiligen Kommutator sich ergebenden Vorteile sind
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wie in der Figur mit der Primärwicklung U V W verbunden ist, sondern als getrennte Sekundärwicklung ausgeführt ist.
Von den Kommutatorlamellen wird der Gleichstrom durch die rotierenden Bürsten a b abgenommen und den Schleifringen o d zugeführt, von denen er durch die Bürsten e f abgenommen wird. In die Zuleitungen zu den Lamellen sind gleich grosse Ohmsche Widerstände oui-ois eingeschaltet, durch welche trotz der verhältnismässig hohen mittleren Lamellenspannung und abnormal langen Kurzschlussdauer (nämlich im Vergleich mit den Kommutatoren der normalen elektrischen Maschinen) eine günstige Kommutierung erzielt wird. Da nämlich eine Bürste gleichzeitig höchstens zwei benachbarte Lamellen, nie aber mehr bedeckt, bewirken diese Widerstände infolge der in ihnen auftretenden Spannungsabfälle, dass die Potentialdifferenz zwischen zwei benachbarten Lamellen wesentlich verringert oder Null wird.
Dies hat zur weiteren Folge, dass der Strom beim Übergange der Bürste von einer Lamelle zur benach- barten über die ganze Berührungsfläche der Bürste gleichmässig verteilt wird. Zum richtigen Verständnisse der Wirkungsweise sei noch hervorgehoben, dass diese gleichmässige Verteilung nicht durch die Widerstände an sich, sondern durch das Zusammenwirken der in den Widerständen hervorgerufenen Spannungsabfälle und derjenigen elektromotorischen Kraft erzielt wird, die vom Hauptkraftfluss des Transformators in den Spulen während des Verlaufes des Kurzschlusses induziert wird.
Dient der Gleichrichter zum Speisen von Bogenlampen so werden, diese Widerstände gleichzeitig wie Beruhigungswiderstände wirken und mithin diese zum Teile ersetzen.
Der Anlassvorgang des Gleichrichters ist folgender : Zuerst wird durch den Schalter 1n der Stator ans Netz u v to gelegt. Nach Erreichen des Synchronismus, das nur etwa eine Sekunde dauert, wird auch die Transformatorwicklung A dureh den Schalter n an Spannung gelegt, worauf der Gleichrichter betriebsfertig ist. Die beiden Schalter m und n werden natürlich miteinander gekuppelt ausgeführt, so dass ein verkehrtes Anschalten unmöglich ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Rotierender Gleichrichter mit Dreiphasentransformator und Dreiphasensynchronmotor, dadurch gekennzeichnet, dass am Synchronmotor eine aus wenigen Windungen eines starken Drahtes bestehende Hilfswicklung angeordnet ist, die ohne Verwendung von Steuereinrichtungen mit Regulierbewegung von einem Strom durchflossen wird, der der Belastung des Gleichrichters proportional ist und die am Kommutator umlaufenden Bürsten verstellt, wenn sich die Streuung des Transformators infolge von Belastungsschwankungen auf der Gleichstromseite ändert.