Verfahren und Einrichtung zur Kommutierung von Gleichstrom in einer Mehrphasenwicklung. Die Erfindung bezweckt die Erzeugung von magnetischen Drehfeldern beziehungs weise von elektrischen Mehrphasensystemen mit Hilfe von Gleichstrom unter Vermeidung von jeder Art von mechanischen Kommuta toren, die den Betriebsstrom oder die Be triebsspannung oder beide zugleich führen.
Diesem Ziel liegt die Absicht zugrunde, Gleichstrom von hoher Spannung, unter Um gehung der an Hochspannungskommutatoren auftretenden Schwierigkeiten, in mechanische Energie (Gleichstrom-Serie-Motor für Hoch- spannungsgleichstromtraktion mit zirka 10000 Volt am Fahrdraht) oder in Drehstrom (Ka belfernübertragung über hochgespannten Gleichstrom, statische Umformung desselben auf Drehstrom für den Verbrauch) umzu formen.
Es ist bekannt, dass die Betriebsspannung von Gleichstrommotoren hauptsächlich durch die Lamellenspannung am Kollektor und die zugehörige Lamellenzahl, mit andern Wor ten, durch die Kommutierungsschwierigkei- ten begrenzt ist. Man hat bereits vor geschlagen, die Stromwendung am Kollektor durch Verwendung von Ventilen zu verbes sern. Hierbei hat man die Schleifbürsten des Kollektors in mindestens zwei Teilbürsten aufgelöst und zwischen die Teilbürsten die Ventile eingeschaltet. Bei Einrichtungen zum Umformen von Gleichstrom in Wechselstrom hat man auch vorgeschlagen, den Gleichstrom über Ventile unmittelbar auf die Wicklung des Umformers zu leiten. Die hierbei für die Kommutierung des Gleichstromes angege benen Mittel sind aber praktisch unwirksam.
Es hat sich nun herausgestellt, dass es mög lich ist, diese Schwierigkeiten dadurch zu umgehen, dass die mechanische Kommutie rung des Gleichstromes durch einen Kommu tierungsvorgang ersetzt wird, wie er zum Bei spiel in einem gittergesteuerten Quecksilber dampf-Gleichrichter stattfindet.
Bei Anwendung von Quecksilberdampf ventilen tritt aber insofern eine Schwierig keit auf, als ein einmal gezündeter Queck- silberdampflichtbogen durch eine an das zu gehörige Gitter angelegte Minusspannung nicht ohne weiteres gelöscht werden kann. Es ist vielmehr nur möglich, mit Hilfe dieser Minusspannung das Zünden des Lichtbogens, also das Entstehen eines Stromes, zu verhin dern.
Dieser Nachteil bei Anwendung des Quecksilberdampfgleichrichters oder allge mein eines Metalldampfgleichrichters für den vorliegenden Zweck wird gemäss der Er findung dadurch vermieden, dass die Strom- zu- beziehungsweise Ableitung je an minde stens zwei Punkten der Ankerwicklung ge trennt erfolgt und dass zwischen die An schlusspunkte eine Wechselspannung gelegt wird, von einer Frequenz, die grösser ist als Grundfrequenz des gleichzeitig in der Mehr phasenwicklung erzeugten Mehrphasenstro mes. Diese Wechselspannung erzeugt einen Wechselstrom, der dem eigentlichen Arbeits gleichstrom überlagert ist, der zu je gleichen Teilen in den verschiedenen Zu- oder Ab leitungen der Ankerwicklung fliesst.
Die Amplitude des Wechselstromes kann so gross eingestellt werden, wie der betreffende Teil gleichstrom in den Zu- oder Ableitungen. Damit ist erreicht, dass die Teilgleichströme in den Zu- beziehungsweise Ableitungen zum Anker periodisch durch Null gehen, während der durch den Anker geführte Gleichstrom durch den überlagerten Wech selstrom nicht berührt wird. Dieser perio dische Durchgang der Teilströme durch Null gestattet nun die Beeinflussung des Queck silberdampflichtbogens durch ein gesteuertes Gitter mit Hilfe der im nachstehenden be schriebenen Schaltungen.
Das Prinzip sei anhand einer Schaltung zur Erzeugung eines Drehfeldes in einer sechsphasigen Poligonwicklung mit Null punkt gemäss Abb. 1 erläutert. Diese Wick lung ist in bekannter Weise ähnlich einer Gleichstrom-Trommelwicklung als verteilte Wicklung mit sechs gleichmässig verteilten Anzapfungen ausgeführt. Verbindet man den Sternpunkt einer solchen Wicklung mit dem Pluspol einer Gleichstromquelle und die Eckpunkte des Poligons nacheinander mit dem Minuspol derselben Gleichstromquelle, so wird auf diese Weise ein Drehfeld er zeugt, das sowohl zum Betriebe von Moto ren, als auch zur Erzeugung von elektri schen Mehrphasensystemen verwendet wer den kann.
Um bei der Umschaltung des Mi nuspols der Gleichstromquelle von einer Ecke des Politions auf die nächstfolgende eine Un terbrechung des Gleichstromes zu vermeiden, ist es zweckmässig, diese Umschaltung mit Überlappung vorzunehmen, das heisst, der art, dass die Verbindung einer Poligonecke mit dem Minuspol der Gleichstromquelle einen Moment vor dem Unterbruch der vor hergehenden Verbindung erfolgt, so dass der Strom beim Unterbruch der einen Verbin dung bereits die Verbindung an der nächsten Poligonecke geschlossen vorfindet und somit nicht unterbrochen wird. Dieser Umschalt vorgang entspricht im übrigen demjenigen der Kommutierung bei elektrischen Maschi nen.
Die Erfindung gibt nun ein Mittel in die Hand, diese zeitlich aufeinanderfolgende Umschaltung der Eckpunkte der Poligon- wicklung auf den Minuspol der Gleichstrom quelle statt direkt mit mechanischen Kom mutatoren, mit ausschliesslicher Hilfe von gesteuerten Lichtbogenventilen durchzufüh ren.
Es ist bekannt, dass ein solcher Licht bogen durch negativ aufgeladene Gitter wohl an der Zündung verhindert beziehungsweise verzögert, aber bei Strömen von der Grössen ordnung mehrerer Ampere nicht ausgelöscht werden kann. Brennt also in Abb.1 der Lichtbogen einmal an einer bestimmten Anode, zum Beispiel 4, so genügt es keines wegs, um den Lichtbogen an der Anode 4 zu löschen, das der nächstfolgenden Anode 5 zu geordnete Gitter positiv und zugleich das der brennenden Anode 4 zugeordnete Gitter nega tiv aufzuladen.
Unter den günstigsten Ver hältnissen wird dadurch höchstens der Licht bogen auch an Anode 5 parallel zu Anode 4 einsetzen, und es müssen nun zum Aus löschen der Anode 4 besondere Vorkehrungen getroffen werden. Diese bestehen darin, dass die durch die Anoden fliessenden Ströme durch besondere Mittel periodisch auf derart kleine Werte reduziert, oder gänzlich unter brochen werden, dass die negativ geladenen Gitter das völlige Auslöschen der zugeord neten Anoden zur Folge haben und das Wie derzünden derselben bis zum nächsten posi tiven Gitterimpuls verhindern. Diesen perio dischen Minimalwert des Anodenstromes nennt man den "Nulldurchgang".
Ein sol cher pulsierender Anodenstrom kann nur so lange fliessen, als das der Anode zugeordnete Gitter positiv aufgeladen ist. Denn nach je dem Nulldurchgang des Anodenstromes kann die Anode infolge der positiven Gitterladung wieder zünden. Anders verhält sich eine Anode, wenn zeitlich zwischen zwei Null durchgängen ihres Anodenstromes das Git terpotential negativ wird. In diesem Fall fin det der zeitlich nächstfolgende Nulldurch gang des Anodenstromes ein negativ gela denes Anodengitter vor, was zur Folge hat, dass die Anode nun nicht mehr zündet. Da mit wird die betreffende Anode so lange stromlos als die negative Aufladung ihres Gitters andauert.
Diese periodische, angenä- lierte oder vollkommene Unterbrechung des Anodenstromes bildet somit das gewünschte Mittel zur Erreichung einer gewissen Steuer fähigkeit eines Quecksilberdampfventils.
Bezüglich der Art und Weise der Einfüh rung des Wechselstromes gibt es zwei ver schiedene Methoden. Die eine Methode be steht darin, dass der eingeführte Wechsel strom dem Gleichstrom auf dem ganzen Wege durch die Arbeitswicklung hindurch überlagert wird, derart, dass also der der Wicklung insgesamt zufliessende Strom selbst periodisch auf den Wert 0 sinkt. Bei dieser Methode geht somit der Wechselstrom längs dem gleichen Wege wie der Gleich strom, wir nennen darum diese Methode die Längsstrom-Methode.
Auch die zweite Me thode besteht in der Überlagerung eines Wechselstromes über den Anodengleichstrom mit dem kennzeichnenden Unterschied indes, dass der überlagerte Wechselstrom ein rein innerer Zirkulationsstrom ist, der in der Gleichstrom-Zuleitung zu der Wicklung nicht nachweisbar ist, sondern an besonderen von der Gleichstromzuleitung teilweise ge trennten Punkten des Systemes zugeleitet wird. Bei dieser Methode ist die Hauptrich tung des zur Kommutierung eingeführten Hilfswechselstromes von einem Eckpunkt des Poligons zum nächstfolgenden Eckpunkt desselben gerichtet, also im wesentlichen tangential, während bei der Längsstrom- Methode auch der Hilfswechselstrom vom Zentrum nach der Periferie des Poligons pa rallel zum Gleichstrom fliesst.
Bei der zwei ten Methode fliesst der Wechselstrom tangen tial, also quer zum radial fliessenden Gleich strom, diese zweite Methode wird die Quer strom-Methode genannt.
Ein erstes Beispiel der zuletzt genann ten Methode ist in der Abb.1 veranschau licht, in der T einen Einphasentransformator bedeutet, der von einer Hilfswechselstrom quelle mit der Frequenz f gespeist wird. Der Transformator enthält sechs getrennte Se kundärwicklungen, deren jede einer Anode des Ventils V vorgeschaltet ist und welche so geschaltet sind, dass in den aufeinanderfol genden Anodenleitungen in einem bestimmten Zeitmoment die Spannung des Transforma tors abwechselnd im Sinne von der Anode weg beziehungsweise zur Anode hin wirkt. Durch das positive Aufladen des Gitters der Anode 5 wird nur das Zünden der Anode 5, nicht aber das Löschen der Anode 4 veran lasst.
Legt man nun aber zwischen die Ano den 4 und 5 die Wechselspannung des Trans formators T, so wird in dem Momente, wo die in T erzeugte Spannung von Anode 5 über den Lichtbogen nach der Anode 4 hin gerichtet ist, die Anode 5 infolge der ihr auf geprägten Zusatzspannung den Gesamtstrom aus Anode 4 und 5 zu übernehmen trachten, während anderseits die Anode 4 infolge der in ihrer Zuleitung wirksamen Gegenspan nung stromlos zu werden trachtet. Bei ge eigneter Wahl der Verhältnisse lässt sich auf diese Weise der Anodenstromperiodisch auf den Wert 0 bringen, so dass die Anoden auf die beschriebene Art steuerfähig werden.
Diese beiden oben genannten Methoden der Stromwendung sind vor allem bestimmt zur Verwendung in denjenigen Fällen, in denen zwischen den kommutierenden Anoden entweder überhaupt keine Spannung oder aber eine Spannung herrscht, die der ge wünschten Stromwendung entgegenwirkt. Dieses letztere ist bei der Erzeugung von Drehfeldern mit Hilfe von Gleichstrom auf die oben beschriebene Weise immer der Fall, indem gemäss dem Lenzschen Gesetz die durch die Rotation des Drehfeldes in der Wicklung induzierte Spannung so gerichtet ist, dass sie der gewünschten Stromwendung, welche ja ihrerseits erst die Drehung des Drehfeldes bewirkt, entgegenwirkt.
Die Einführung der zur Stromwendung notwendigen Wechselspannung ist noch auf andere Weise möglich. Bedingung ist hier bei nur, dass diese "Wendespannung" je zwi schen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Anoden wirksam ist. In Abb. 2 ist eine wei tere Möglichkeit der Einführung der Wende spannung nach der Querstrommethode ange geben. An Stelle des Transformators T in Abb. 1, der die Wendespannung in die Ver bindungsleitungen zwischen der Mehrphasen wicklung und den Anoden einführt, tritt in Abb. 2 der Transformator T1, der diese Span nung zwischen die Kathoden der Ventile V1 und V2 einführt. Diese Lösung ergibt einen einfacheren Transformator, der in diesem Falle nur eine einzige Sekundärwicklung mit herausgeführtem Mittelpunkt erhält. Dafür aber wird dadurch eine Unterteilung des Sechs-Anodenventils in zwei Drei-Anoden ventile erforderlich.
Die Steuerung der Gitter kann mit Hilfe eines Kontaktapparates K erfolgen. Dieser Apparat enthält ebenso viele unter sich iso lierte Kontaktsegmente als Gitter beziehungs weise Anoden vorhanden sind. Jedes Kon taktsegment ist über einen Ballastwiderstand R1 mit dem zugehörigen Gitter einerseits, so wie über einen andern Ballastwiderstand R2 mit dem Minuspol der Steuerbatterie B ver bunden, deren Pluspol wiederum mit der ro tierenden Kontaktbürste des Kontaktappa- rates und deren Mittelpunkt mit der Ka thode des Ventils V verbunden ist.
Lei tet man also den Plus- und Minus klemmen a, b einen Gleichstrom zu, legt den Transformator T an eine Wechsel spannung passender Frequenz und setzt gleichzeitig den Kontaktgeber K mit einer solchen Geschwindigkeit in Rotation, dass je während einer halben Periode des Wechsel stromes die Bürste um eine Segmentteilung vorschreitet, so erzeugt der in der Sechspha senwicklung fliessende Gleichstrom ein Dreh feld, dessen Frequenz gleich der sekundlichen Drehzahl des Kontaktapparates ist. Die Steuerung der Gitter kann aber auch über einen Hilfsgleichrichter erfolgen, dessen Ka thode mit der Kathode des Ventils V und dessen Anoden mit den Gittern des Ventils V verbunden sind. Das für die Steuerung der Gitter notwendige Spannungsdiagramm ist in Abb. 3 erläutert.
Entsprechend der Forde rung, dass die einzelnen Anoden nacheinan der den Gleichstrom durchlassen, müssen auch die Gitter nacheinander einen positiven Impuls erhalten, in dessen Folge unmittel bar auch der Strom der dem Gitter zugeord neten Anode einsetzt. Zwischen je zwei Ar beitsintervallen einer Anode muss die Span nung Gitter-Kathode negativ gehalten wer den, so dass die Anode nach erfolgter Kom mutierung trotz zunehmender positiver Ano denspannung nicht mehr einsetzen kann. Die Steuervorrichtung für die Gitter muss somit den den aufeinanderfolgenden Anoden zu geordneten Gittern in der gleichen Reihen folge einen positiven Spannungsimpuls ge mäss Abb. 3 erteilen.
Nachdem nun das Prin zip der Erzeugung eines Drehfeldes mittelst Gleichstrom und gesteuerten Lichtbogen ventilen erläutert ist, werden nachstehend einige Anwendungen dieses Prinzips, die sich auf die Nutzbarmachung von hochgespann tem Gleichstrom beziehen, dargestellt.
Als erste Anwendung wird ein kollek- torloser Gleichstrom- beziehungsweise Ein phasenstrommotor erläutert. Führt man in ein Drehfeld, das durch einen mechanischen Kontaktapparat auf .die oben beschriebene Weise gesteuert wird, eindrehbares gleich stromerregtes Magnetsystem mit gleicher Pol zahl ein (zum Beispiel das Polrad einer Syn chronmaschine), so bildet dieses zusammen mit dem Drehfeld ein Drehmoment, durch welches das Magnetsystem in synchrone Ro tation mit dem Kontaktapparat versetzt wird.
Verbindet man die rotierende Bürste des Kontaktapparates, im nachfolgenden Ver teiler genannt, mechanisch mit dem rotieren den Magnetsystem, so dass die Bürste einen Umgang am Verteiler ausführt, während das Magnetsystem um zwei Polteilungen vor schreitet, so steuert sich diese Vorrichtung bei richtiger Bürstenstellung selbst und stellt somit einen mit Ventilen gesteuerten Gleich strommotor dar. Dieser Gleichstrommotor kann nach Belieben Serie-, Nebenschluss- oder Verbundcharakteristik erhalten, je nachdem das rotierende Magnetsystem in Abhängig keit vom Gleichstrom, von der Gleichspan nung oder von beiden zugleich erregt wird.