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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 2\d. GRUPPE

in Gleichstrom.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 15. März 1907 ab.

Bekanntlich kann ein rotierender Transformator, dem man in festen Punkten einen Wechselstrom zuführt, mit einem mitrotierenden Kommutator so verbunden werden, daß aus den am Kommutator sitzenden, im Räume feststehenden Bürsten ein gleichgerichteter Strom oder ein Strom von anderer Phasen- und Periodenzahl als der eingeleitete entnommen werden kann.

ίο Die Schwierigkeit in der Herstellung eines solchen rotierenden Transformators lag bisher in der Kommutation, indem durch die auf dem Kommutator gleitenden Bürsten Spulen kurzgeschlossen werden, in denen große E. M. K. induziert werden.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, diese Schwierigkeiten dadurch zu beseitigen, daß mit Hilfe von im Räume feststehenden Wendepolen in den durch die Bürsten kurzgeschlossenen Spulen durch Rotation eine E. M. K. induziert wird, welche der von dem ■ Hauptkraftfluß des Transformators induzierten E. M. K. entgegenwirkt. Durch geeignete Wahl der Erregung der Wendepole kann dann auch erreicht werden, daß die bei der Stromänderung in der kurzgeschlossenen Spule auftretende Reaktanzspannung durch die Rotation in dem Felde der Wendepole erzeugt wird.

Fig. ι zeigt das zweipolige Schema eines rotierenden^v Transformators zur Gleichrichtung von Einphasenstrom in pulsierenden Gleichstrom. Der Wechselstrom wird dem rotierenden Transformator T durch Schleifringe S zugeführt. Der pulsierende Gleichstrom wird den Bürsten B -f- und B — entnommen. Der Transformator mit dem Kommutator if wird durch einen Motor mit synchroner Geschwindigkeit nach rechts angetrieben. In der dargestellten Stellung hat die Wechselspannung ihren Maximalwert, derselbe ist gleich dem Maximalwert der pulsierenden Gleichspannung. Nach einer Viertelperiode hat sich der Transformator um 90⁰ gedreht, die Wechsel- und Gleichspannung sind beide Null geworden. Hat sich der Transformator mehr als 90⁰ gedreht, so hat die Wechselspannung ihre Richtung gewechselt, gleichzeitig haben auch die Kommutatorbürsten ihre Stellung relativ zu "den Zuführungspunkten des Transformators vertauscht, so daß die Spannung zwischen diesen Bürsten ihre Richtung unverändert beibehält. Die E. M. K., welche in den kurzgeschlossenen Spulen des Transformators in- duziert wird, ist in jedem Moment der E. M. K. zwischen den Zuführungspunkten des Wechselstromes zum Transformator proportional. Sie hat somit in der Nähe der gezeichneten Stellung ein Maximum, geht durch Null und ändert ihre Richtung, nachdem sich der Transformator um 90⁰ gedreht hat. Zur Kompensierung dieser E. M. K. in den kurzgeschlossenen Spulen sind zwei Wendepole N, N angebracht. Diese stehen im Räume fest und den von den Bürsten kurzgeschlosse-

nen Spulen gegenüber. Sie haben beide die gleiche Polarität (in der gezeichneten Stellung ein Nordpol) und werden von einem Wechselstrom erregt von gleicher Periodenzahl und annähernd gleicher Phase wie die dem rotierenden Transformator zugeführte Wechselspannung.

• Wird der gleichgerichtete Strom zur Speisung von Motoren oder anderen Stromverbrauchern mit großer Induktanz gebraucht, so werden seine Pulsationen abgedämpft, und es entsteht ein mehr oder minder vollkommener Gleichstrom. Wenn notwendig, kann „ man auch besondere Spulen mit großer Induktanz zur Verkleinerung der Pulsationen verwenden.

Es können die Wendepole auch zur teilweisen Ausbalancierung der durch die Stromänderung in den kurzgeschlossenen Spulen verursachten E. M. K. der Selbstinduktion verwendet werden.

Wir betrachten den Fall, in dem der abgenommene gleichgerichtete Strom annähernd konstante Stärke hat. In der durch Fig. 1 gezeichneten Stellung fließt der Strom direkt aus der Wechselstromleitung über den Zu-. führungspunktPj zu der positiven Bürste B-\- und von der negativen Bürste B— über den Zuführungspunkt P₂ zu der Wechselstromleitung zurück. Durch die Transformatorwicklung fließt nur der Magnetisierungsstrom in der Richtung der eingezeichneten Pfeile. Dieselbe Richtung hat in jeder Spule die aufgedrückte Wechselspannung. Dieser entgegengerichtet ist die in den Spulen induzierte E. M. K. Wenn sich der Transformator aus der gezeichneten Lage nach rechts dreht, so wird der größte Teil des Stromes von dem Zuführungspunkte P₁, um zu der positiven Bürste B + zu gelangen, durch die links vom Punkte P₁ liegenden Spulen in der Pfeilrichtung fließen. Dasselbe gilt für die links von P₂ liegenden Spulen. Um die Entstehung dieses Stromes in den kurzgeschlossenen Spulen zu erleichtern, muß in denselben durch Rotation, eine Έ. M. K. in der Stromrichtung induziert werden. Das kann mit Hilfe der Wendepole geschehen, indem die Polarität für beide entsprechend verstärkt wird.

Fig. 2 zeigt die Stromverteilung im Ring, nachdem er ' sich um den Winkel α aus der in Fig. ι gezeichneten Lage gedreht hat. Die Bürste B-\- bekommt jetzt ihren Strom nicht allein über den Zuführungspunkt P₁, sondern zum Teil auch von P₂. Umgekehrt geht der von der Bürste B— kommende Strom nicht nur nach dem Punkte P₂, sondern ein Teil desselben durchfließt die Wicklung in umgekehrter Richtung nach dem funkte P₁ hin. Weil die M. M. K. der Ströme sich fast ausbalancieren müssen, ist das Verhältnis der Ströme in den Teilen

Ist a = -— gewor-2 ^s

des Ringes wie

den, so sind die Ströme gleich, und der von der Wechselstromleitung zugeführte Strom ist dann Null, während der Strom zwischen den Gleichstrombürsten irgendeinen anderen Wert haben kann, weil die magnetische Wirkung dieses Stromes in der Wicklung Null ist.

Während der Drehung des Transformators von ο bis π ist die Stromänderung in einer Spule beim Durchgang durch den Kurzschluß gleich dem Strome in der Gleichstrombürste, also bei einem konstanten Gleichstrom konstant. Das hierfür notwendige Feld der Wendepole würde . demnach auch für diese erste Halbperiode konstant sein und in der Richtung mit der in Fig. 1 gezeichneten Richtung übereinstimmen. Nach einer halben Periode ändert die Stromänderung in den kurzgeschlossenen Spulen ihre Richtung und das zugehörige Wendefeld muß somit auch seine Richtung wechseln. Man würde, das richtige Wendefeld erhalten durch Bewickeln der Wendepole mit einer zweiten Wicklung, in welcher ein Wechselstrom von rechteckiger Kurvenform fließen müßte. Dieser Wechselstrom müßte um eine Viertelperiode später als der Wechselstrom in der in Fig. I gezeichneten Wendepolwicklung durch den Nullwert gehen. Ersetzt man den Wechselstrom von rechteckiger Kurvenform durch einen solchen von gewöhnlicher Form, so ist derselbe folglich um 90⁰ gegen die in den Gleichrichter eingeleitete Wechselspannung verzögert.

Man kann also die Wendepole mit zwei Wicklungen ausführen, von denen die eine too einen von der Wechselspannung abhängigen und mit dieser Spannung phasengleichen Strom führt, während die andere mit einem dem umzuformenden Wechselstrome proportionalen und gegen diesen Strom um 90⁰ nacheilenden Strom gespeist wird.

Es können auch die Wendepole durch eine Wicklung erregt werden, welcher die beiden zur Erzeugung der beiden Stromkomponenten notwendigen Spannungskomponenten aufgedrückt werden.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel, wie die Wendepole N, N erregt werden können. Der Erregerstromkreis ist hier durch den Widerstand W und die Kapazität C möglichst induktionsfrei gemacht. Er ist von den Zuführungsklemmen abgezweigt und enthält einen Serientransformator ST, welcher zum Hineintransformieren einer mit dem Strome proportionalen um 90⁰ verzögerten Spannungskomponente dient. Die Kapazität könnte auch ebensogut parallel geschaltet werden. .

Bekanntlich kann jeder Synchronmotor bei entsprechender Anordnung der Wicklung als Generator zur Erzeugung eines Stromes von einer beliebigen Phase verwendet werden. Indem der Transformator von einem solchen Synchronmotor angetrieben wird, kann man somit in einfacher Weise die Erregung der Wendepole von demselben entnehmen. Fig. 4 zeigt das Bej-spiel einer solchen Anordnung. < Der Synchronmotor M besitzt ein.rotierendes Feld F, das über Schleifringe s erregt wird, und einen stillstehenden Anker A, dessen Wicklung als Ringwicklung gezeichnet ist. In elektrisch diametralen Punkten wird der Wechselstrom der Ankerwicklung zugeführt, und in zwei um nahezu 90 elektrische Grad gegen die ersteren verschobenen Punkten wird der Strom für die Erregung der Hilfspole abgenommen. Um die richtige Phase für diesen letzteren Strom zu bekommen, können die Abzapfungspunkte, wie in Fig. 4 gezeigt, verschiebbar angeordnet werden. Um bei der Rotation dem Transformator die richtige räumliche Stellung zu geben relativ zu der Phase der zugeführten Wechselspannung, kann es auch zweckmäßig sein, die Zuführungspunkte zu der Ankerwicklung A verschiebbar einzurichten. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man den stationären Teil des Synchronmotors (in Fig. 4 die Armatur A) etwas drehbar anordnet. Der dem Synchronmotor vorgeschaltete Serientransformator 57" dient dazu, der zugeführten Motorspannung, eine dem Strome um 90⁰ nacheilende Komponente zu geben. Diese Komponente wird im Synchronmotor in eine solche, welche mit dem zugeführten Strom in Phase ist, transformiert und somit zur Erzeugung einer Komponente in dem Erregerstrom der Wendepole benutzt, welche der zugeführten Spannung um 90⁰ nacheilt. Läßt man in Fig. 4 den Serientransformator ST weg, so enthält der Erregerstrom der Wendepole' keine von dem Belastungsströme abhängige Komponente, es wird daher mit dieser Anordnung nicht möglich sein, die Transformator-Ε. M. K. und die Selbstinduktions-E. M. K. . in den kurzgeschlossenen Spulen beide für alle Belastungen genau zu kompensieren. Man kann sie aber beide z. B. für Halblast kompensieren. Bei Nullast und Vollast bleibt dann nur die der halben Belastung entsprechende Selbstinduktions-E.M.K. unkondensiert. Die letztere kann auch bei richtiger Wahl der Abmessungen ohne besondere Hilfsmittel kommutiert werden.

Der Synchronmotor M (Fig. 4) kann außer der mit Gleichstrom erregten Feldwicklung F auf dem Polsystem noch eine in sich kurzgeschlossene Dämpferwicklung erhalten.

Fig. 4 a zeigt die umgekehrte Anordnung des Synchronmotor, indem hier der Anker A auf der Welle des Transformators sitzt und das Feld F feststeht. Hier fallen die Schleifringe für die Erregung des Feldes F weg. Der Serientransformator kann in diesem Fall auf der Welle, also mitrotierend, angebracht werden.

Wie gezeigt, wechselt die Selbstinduktions-E. M. K. der kurzgeschlossenen Spulen ihre Richtung in dem Momente, in welchem die Bürsten auf den mit den Zuführungspunkten P₁ und P₂ (Fig. 2) verbundenen Lamellen gleiten. Weil . eine entsprechend schnelle Änderung des Feldes der Wendepole schwer zu erreichen ist, kann man die Zeit, während welcher die Selbstinduktions-E. M. K. ihre Richtung wechselt, dadurch verlängern, daß man diejenigen Lamellen, welche mit den Zuführungspunkten P₁ und P₂ verbunden sind, verbreitert. Dies ist in Fig. .5 gezeigt. In dieser Figur ist ferner dargestellt, wie die beiden Punkte.^4 und B der Transformatorwicklung, welche in der Mitte zwischen den Zuführungspunkten P₁ und P₂ liegen, durch eine Leitung miteinander verbunden werden können. Das hat den Zweck, um den Stromdurchgang zwischen den Gleichstrombürsten zu erleichtern in den Stellungen, wo die E. M. K. zwischen denselben Null ist.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Wendepole. Es erfolgt hier die Rückleitung des magnetischen Kraftflusses zum Eisenkern des Transformators außerhalb des Bereichs der kurzgeschlossenen Spulen. Der Wendepol ist mit N, der Transformator mit T und der Kommutator mit K bezeichnet. Dem Wendepol gegenüber steht die Bürste B.

Die Wendepole und die Bürsten können einerseits gegeneinander und, andererseits zusammen drehbar angeordnet werden. Durch die letztere Drehung kann die abgenommene Gleichspannung geregelt werden.

Fig. 7 zeigt das Schema eines Gleichrichters für zweiphasigen Wechselstrom. Er besteht aus zwei rotierenden Transformatoren T₁ und T_n, welche auf einer Welle sitzen und synchron angetrieben werden. Die Transformatoren bekommen den Weshselstrom zügeführt durch Schleifringe S₁ und S₁₁ bzw. von der Phase I und II des primären Systems. Liegen die Gleichstrombürsten und die Wendepole, wie im Schema angenommen, für beide Transformatoren in derselben Ebene, so sind die beiden Transformatoren gegeneinander . um 90 elektrische Grad verdreht. Die Wendepole des Transformators T₁ werden von Phase II, diejenigen des Transformators T₁₁ von Phase I erregt. Hierbei sind Serientransformatoren ST₁ und ST_n angenommen. Bei kleinem Ohmschen Wider-

stand in den Erregerkreisen bekommen die Kraftflüsse der Wendepole dann die richtige Phase. Die Gleichstrombürsten sind hinter-■ einander geschaltet.

Die Erweiterung der in Fig. 7 dargestellten Anordnung ist .ohne weiteres für eine beliebige Phasenzahl durchzuführen. Anstatt den Erregerstrom für die Wendepole eines Transformators ausschließlich von der anderen Phase zu nehmen, kann man auch durch Kombination der Spannungen der Phasen eine beliebige.andere Phase für die Wendepolspannung erhalten, denn es ist bekannt, daß man aus einem Mehrphasensystem eine Spannung von einer beliebigen Phase durch geeignete Transformierung abnehmen kann. Fig. 8 zeigt das zweipolige Schema eines .Zweiphasengleichrichters, bei dem die Wicklungen der beiden Phasen auf demselben Eisenring angeordnet sind. Der Kraftfluß kann sich für jeden Quadrat des Ringes schließen. Die eine Phase ist in den Punkten ι und 3, die andere in 2 und 4 angeschlossen. In Fig. 9 sind die Potentiale dieser 4 Punkte in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Rotiert der Transformator ■mit synchroner Geschwindigkeit nach rechts, so bleibt das Potential zwischen den Gleichstrombürsten annähernd konstant.

Um die Transformator-E. M. K. in den kurzgeschlossenen Spulen ' zu kompensieren, sind Wendepole TV und 5 angebracht. In dem in Fig.. 8 abgebildeten Zeitmoment, das dem Punkte T=O in Fig. 9 entspricht, müssen die Wendepole ihren maximalen Kraftfluß haben. Nach einer Drehung des Transformators um 45° geht derselbe durch Null, um nach 90⁰ ein Maximum in der entgegengesetzten Richtung zu erhalten usw. Die Wendepole müssen also mit einem Wechselstrom von der doppelten Periodenzahl des zugeführten Stromes erregt werden. Dieser Erregerstrom kann erhalten werden mit Hilfe . des vierteiligen mitrotierenden Kommutators K_e, dessen Segmente mit den Punkten 1,2, 3 und 4 verbunden sind und auf dem die Bürsten B₁ und B^ schleifen. Die Potentiale dieser Bürsten sind als Funktion der Zeit in Fig; 9 durch die stark ausgezogenen Kurven B₁ und B₂ dargestellt. Man sieht, daß die Potentialdifferenz der Bürsten von doppelter Periodenzahl ist und die richtige Phase besitzt, vorausgesetzt, daß der Erregerstrom der Wendepole eine 'Phasenverzögerung von 90⁰ hat. Die Wendepole N und S werden in diesem Falle, wie man sieht, wechselpolig.

Die Spannungsregulierung der zwei- und mehrphasigen Gleichrichter erfolgt ebenso wie bei den einphasigen durch Änderung der räumlichen Stellung des rotierenden Transformators relativ zu der Phase der .zugeführten Spannung.

Anstatt wie in Fig. 4 und 4 a den von dem Antriebsmotor erzeugten Strom von 90⁰ Phasenverschiebung nur für die Erregung der Wendepole zu verwenden, kann man ihn auch dem rotierenden Transformator zuführen, wodurch dieser mehrphasig wird und nach Fig. 7 oder 8 ausgeführt werden kann. Diese Anordnung ist auf eine beliebige Phasenzahl anwendbar, so daß die Phasenzahl des Transformators von der Phasenzahl des zugeführten gleichzurichtenden Stromes unabhängig ist.

Auch bei den mehrphasigen Transformatoren kann es vorteilhaft sein, die mit den Zuführungspunkten verbundenen Kommutatorlamellen zu verbreitern.

Anstatt des in Fig. 8 gezeigten vierteiligen. Kommutators K_e kann natürlich für die Erregung der Wendepole auch ein kleiner Wechselstromgenerator von der doppelten Periodenzahl Verwendung finden. Derselbe kann zweckmäßig auf die Welle des Transformators aufgekeilt werden.

Führt man den Gleichrichter nach- Fig. 7 mit zwei Transformatoren aus, so können diese, wie in Fig. 10 gezeigt, auch parallel geschaltet werden. Hierzu dient der Ausgleichtransformator A T, der dafür sorgt, daß der Strom sich immer gleichmäßig auf die beiden rotierenden Transformatoren verteilt. Der Ausgleichtransformator kann auch mit nur einer Spule ausgeführt werden, wobei entweder die beiden positiven oder die beiden negativen Bürsten direkt miteinander zu verbinden sind.

Der Transformator kann,, anstatt wie bis jetzt angenommen zweipolig, auch mit einer größeren Anzahl Pole gewickelt werden, wobei seine Rotationsgeschwindigkeit entsprechend verkleinert wird. Hierbei kann die Wicklung mit Parallel- oder Serieschaltung ausgeführt werden. Fig. 11 zeigt beispielsweise eine vierpolige Wicklung mit Parallelschaltung. Hier können vier gleichnamige Wendepole angeordnet werden. Bei Verbindung der diametral stehenden Lamellen kann die Zahl der Bürstenstifte auf. zwei reduziert werden.

Fig. 12 zeigt eine vierpolige Wicklung mit Serieschaltung. Die Zahl der Bürstenstifte kann hier gleich oder kleiner als die Polzahl sein. Die Zahl der Wendepole kann auf zwei reduziert werden. In ähnlicher Weise können Wicklungen mit beliebigen Polzahlen und beliebigen Stromzweigzahlen erhalten werden. Diese können in bekannter Weise mit Äquipotential verbindungen versehen werden. , . '

Die Zahl der Anwendungen des ein- oder mehrphasigen Gleichrichters ist eine viel-

seitige, ζ. Β. für elektrische Bahnen, Beleuchtung mit Bogenlampen, Ladung von Akkumulatoren, Erregung und Kompoundierung oder nur zur Kompoundierung von Wechselstromgeneratoren.

Claims

Patent-Ansprüche:

. i. Ein rotierender Transformator zur

ίο Umwandlung von Ein- und Mehrphasenstrom in Gleichstrom, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung einer funkenfreien Kommutation durch Wechselstrom erregte Wendepole vorhanden sind.
2. Ein rotierender Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendepole mit einem Wechselstrom erregt werden, welcher proportional und annähernd in Phase mit der dem Transformator zugeführten Klemmspannung ist, wobei die richtige Phase z. B. dadurch erhalten wird, daß in den Erregerkreis Widerstand und · Kapazität eingeschaltet oder der Strom dem Antriebsmotor oder einem besonderen kleinen Generator und bei Umformung von ■ Mehrphasenstrom dem Mehrphasensystem entnommen wird.
3. Ein rotierender Transformator nach

Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendepole mit einem Wechselstrom erregt wenden, welcher proportional dem Belastungsstrome und um eine Viertelperiode gegen diesen verschoben ist, wobei die richtige Phase und Stärke des Stromes durch Anwendung eines Serietransformator erhalten, wird, dessen Primärwicklung im Stromkreis des rotierenden Transformators und dessen Sekundärwicklung in den Erregerstromkreis eingeschaltet oder, sofern der Erregerstrom der Wendepole nach Anspruch 2 diesem Motor entnommen wird, dem Antriebsmotor vorgeschaltet wird.
4. Ein rotierender Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Lamellen, welche an die mit den Schleifringen direkt verbundenen Spulen angeschlossen sind, eine größere Breite als die übrigen Lamellen besitzen.
5. Ein rotierender Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Umformung eines m-phasigen Stromes in Gleichstrom (m) rotierende Transformatoren in Reihe oder, durch Ausgleichtransformatoren parallel geschaltet werden, wobei der m-phasige Strom durch Umformung eines Einphasenstromes erzeugt werden kann.
6. Ein, rotierender Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator mehrpolig gewickelt ist, wobei die Spulen der einzelnen Polpaare entweder parallel oder in Reihe geschaltet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.