DE553936C

DE553936C - Umlaufender Phasenzahltransformator zum Speisen von Mehrphasen-Metalldampfgleichrichtern

Info

Publication number: DE553936C
Application number: DES86538D
Authority: DE
Inventors: Alfred Marschall
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Priority date: 1928-07-12
Filing date: 1928-07-12
Publication date: 1932-07-02

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
2. JULI 1932

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVi 553936 KLASSE 21 d 2 GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 12. Juli 1928 ab

Die Erfindung betrifft einen umlaufenden Phasenzahltransformator zum Speisen von Mehrphasen - Metalldampfgleichrichtern aus einem Einphasennetz.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art werden sämtliche Gleichrichteranoden durch eine mehrphasige Ständersekundärwicklung des Phasenumformers, dessen einphasige Ständerwicklung am Netz liegt, gespeist.

ίο Wenn diese Anordnung es auch erlaubt, in einfacher Weise ohne Hinzuziehung von zu-

- sätzlichen Transformatoren die Symmetrie sämtlicher Gleichrichterphasen bei in weiten Grenzen veränderlichen Belastungen aufrechtzuerhalten, so ist es bei dieser Anordnung doch nicht möglich, eine kontinuierliche Regelung der Anodenspannung, wie sie von der Praxis gewünscht wird, zu erreichen.

Zur Regelung der Einphasenspannung kann man am Transformator einseitig Anzapfungen vorsehen, denen die gewünschten Anodenspannungen entnommen werden können. Zweck der Erfindung ist es, eine stetige Regelung der Anodenspannung zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß ist die die Gleichrichteranode über Schleifringe speisende mehrphasige Sekundärwicklung auf dem angetriebenen Läufer angeordnet, während die vorzugsweise auf ausgeprägten Polkörpern angeordnete Ständerprimärwicklung an das Einphasennetz angeschlossen ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele dargestellt.

Abb. ι zeigt schematisch eine zweipolige Ausführung.

Abb. 2 bis 4 zeigen weitere Ausführungsformen.

Bei der zweipoligen Ausführung nach Abb. ι sind die Primärspulen A und B nach Art der Feldspulen einer Einphasenkommutatormaschine in einem hier zweipoligen Feldgehäuse untergebracht. In der Magnetbohrung kann ein mehrphasig gewickelter Rotor r umlaufen, dessen einzelne Spulen I, II, III, IV, V und VI über Schleifringe 1 bis 6 mit den entsprechenden Anoden a_t bis α_β des Gleichrichters g verbunden sind, während der Sternpunkt O über den zu speisenden Gleichstromverbraucher m mit der Kathode k des Gleichrichters in Verbindung steht. Die Phasenzahl von Rotor und Gleichrichter kann natürlich beliebig hoch sein.

Steht nun der Rotor still, so werden in den einzelnen Spulenpaaren 1-0, O-IV sowie II-O, 0-V usw. durch den hindurchschwingenden Wechselfluß Φ prim, der Primärwicklungen A und B Wechselspannungen induziert, und zwar wird die größte Spannung in demjenigen Spulenpaar induziert, dessen Achse jeweils mit der Achse des Wechselflusses Φ prim, parallel liegt, also z. B. im Spulenpaar 1-0 und O-IV. An den Gleichrichteranoden O₁

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Alfred Marschall in Berlin-Adlershof.

und α₄ wird somit ein einphasiger Wechselstrom zur ,Verfügung stehen, der den höchsten Spannungswert zeigt und mit der Netzfrequenz η = 5o Hertz schwingt. Hinter dem Gleichrichter ist dann, wie bekannt, ein mit 2M pulsierender Gleichstrom nachzuweisen.

Wird nun der Rotor r mit einer Drehzahl bewegt, die beispielsweise der halben synchronen entspricht, so wird im Spulenpaar

to T-O, 0-IV, dessen Relativgeschwindigkeit jetzt die Hälfte derjenigen bei Stillstand beträgt, nur etwa die halbe Spannung induziert, gleichzeitig ist auch die Frequenz an den Anoden a_x und G₄ auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes, also auf 25 Hertz, gesunken (Schlupfperiodenzahl). Ist nur dieses eine Spulenpaar vorhanden, so schwingt der Gleichstrom hinter dem Gleichrichter nur mit 2 · 25 = 50 Hertz, in der gezeichneten 6phasigen Schaltung gelangen aber, während das Spulenpaar 1-0, 0-IV eine volle Umdrehung macht, nacheinander die übrigen Spulenpaare in die in Abb. 1 von dem zunächst betrachteten Spulenpaar 1-0, 0-IV eingenommene Lage. Nach einer Drehung von 6o° wird z. B. das Spulenpaar VI-O, O-III in die FeIdachse Φ prim, gerückt, nach 120⁰ das Spulenpaar V-O, O-II. Das Aneinanderreihen der einzelnen sinusartigen Spannungskurven der

Phasenpaare mit der zeitlichen Phasenverschiebung — = γ der Periodendauer ergibt also eine Pulsation hinter dem Gleichrichter, die gleich ist: Schlupffrequenz mal m. Wird der Rotor synchron angetrieben, dann ist weder Spannung noch Frequenz am Gleichrichter nachweisbar.

Der Betrieb dieses Transformators in dem Grenzfalle des Stillstandes wird zweckmäßig nur dann erlaubt sein, wenn nicht, wie gezeichnet, eine offene Sternschaltung im Rotor vorhanden ist, sondern eine geschlossene (Gleichstrom-) Wicklung mit künstlichem Mittelpunkt 0. Die gezeichnete einfache offene Rotorschaltung ergibt jedoch durchaus günstige bauliche Abmessungen für den Fall, daß der Rotor sehr langsam aber stetig gedreht wird, da dann die einzelnen Spulenpaare stets gleichmäßig nacheinander unter Last genommen werden.

Die beschriebene Einrichtung hat gegenüber der Regelung mit Stufenschaltern den Vorzug, im Hauptstromkreis keinerlei Schaltapparate zu erfordern und eine zwischen dem Höchstwert und dem geringsten, den Gleichrichterlichtbogen noch aufrechterhaltenden Spannungswert stetig regelbare Spannung in den Gleichstromkreis zu liefern.

Die Regelung der Gleichrichterspannung erfolgt dabei lediglich durch Verändern der Drehzahl des Rotors.

Die Primärspulen dieses Transformators lassen sich auch für Hochspannung wickeln, so daß der sonst in Anwendung kommende Stufentransformator durch die beschriebene Bauform völlig ersetzt wird.

Ein gewisser Nachteil der neuen Einrichtung besteht allerdings darin, daß ihr Leistungsfaktor ungünstiger ist als der eines ruhenden Transformators, und zwar infolge des Luftspaltes im Eisenweg und der mangelhaften Verkettung der Primär- und Sekundärwicklungsfelder, doch ist eine Aufbesserung des Leistungsfaktors durch eine Ausführung gemäß Abb. 2 möglich.

Auf den Polschenkeln liegen hier außer den Primärwicklungen α und b noch kleine Hilfswicklungen c und d, deren Spannung auf die Bürsten e und f eines Kommutators h gegeben wird. Dieser Kommutator ist mit einer Gleichstromring- oder -trommelwicklung w des Rotors r verbunden, die die gleiche Anzahl Pole wie der Transformator hat.

Bei Stillstand des Rotors r, also auch der Wicklung w, induziert die in den Hilfswicklungen c und d erzeugte Spannung in der Wicklung w ein mit der Netzfrequenz schwingendes und mit dem Hauptfelde Φ prim, annähernd gleichgerichtetes Feld. Es ist leicht ersichtlich, daß die von den Spulen c, d und w erzeugten Einzelfelder sich gegenseitig aufheben, abgesehen natürlich von der geringen Phasenverzögerung, die durch die Eigenstreuung des Erregerkreises hervorgerufen wird.

Im Grenzfalle des Synchronismus von r ergeben sich dann folgende Verhältnisse: Die Hilfswicklungen c und· d erzeugen nach wie vor an den Bürsten e und / ein netzfrequentes Wechselfeld; da sich aber die Wicklung«; jetzt ebenfalls synchron dreht, wird in ihr eine Gleichspannung erzeugt, die ein Gleichstromfeld zur Folge hat. Da sich dieses Gleichstromfeld ebenfalls synchron in der Transformatorbohrung bewegt, liegt nunmehr der Fall eines reinen Synchronmotors vor, mit der Möglichkeit einer Phasenkompensation oder Phasenvoreilung des Netzstromes. Praktisch wird es genügen, die Abmessungen der Hilfswicklungen c und d und der Rotorerregung zu so zu berechnen, daß der Transformator bei synchronem Lauf seines Rotors r eine bestimmte primäre Phasenvoreilung aufweist. Der größte kapazitive Blindstrom wird nach dem Vorstehenden also z. B. beim Anlauf des zu speisenden Motors to aufgenommen werden.

Im Beispiele des halben synchronen Laufes des Rotors r, also bei halber Spannung am Motor m, wird die Hilfserregung wie folgt arbeiten: In den HilfSwicklungen'c und d pulsiert ein bestimmter Strom mit der Netz-

frequenz, ebenso an den Bürsten e und /. Da sich nun aber der Kommutator mit halber synchroner Drehzahl gegenüber den Bürsten e und / bewegt, so wird damit in der Rotorerregerwicklung w nur die halbe Netzfrequenz nachzuweisen sein. Auch jetzt wird ein in der Achse von Φ prim, liegendes und mit diesem stets gleichgerichtetes Magnetisierungsfeld gebildet, nur die Stärke

ίο des Feldes ist naturgemäß geringer als im Falle des synchronen Rotorlaufs, da induktive Spannungsabfälle in der Wicklungw auftreten.

Eine Betrachtung dieser Vorgänge zeigt bei allen Schlupfdrehzahlen, die zwischen Synchronismus und Stillstand des Rotors r möglich sind, daß der Leistungsfaktor kontinuierlich nach einer Kurve verläuft, die sich von einer (gewünschten; Phasenvoreilung bis zu einer Phasennacheilung erstreckt und die etwa derjenigen eines gleich großen Einphasen-Asynchronmotors bei Vollast entspricht.

Bezüglich der Größe des Drehmomentes,

das der Rotor r ausübt, sei folgendes bemerkt:

Das einachsig pulsierende Primärfeld Φ prim, kann ein konstant bleibendes Drehmoment nicht ausüben, wohl aber wird dem Versuch, die maximal induzierten.Spulen, z.B.

1-0 und O-IV, aus der Feldachse zu verdrehen, Widerstand entgegengesetzt. Überschreitet die zwangsweise vorgenommene Drehung dieser Spulen den halben Winkel, den sie mit den in der Drehrichtung folgenden Spulen VI-O und O-III einnnehmen, also in Abb. 1 den Winkel von 30⁰, so werden die Spulen VI-O und O-III ihrerseits vom Primärfluß Φ prim, angezogen. Es tritt eine Beschleunigung der Rotordrehung auf. Bei einer Beschleunigung der Rotordrehung treten insofern Schwierigkeiten auf, als die Momentankräfte während einer vollen Umdrehung beispielsweise wie der Druck eines Rastenhebels auf die Rastenscheibe eines Kollektes wirken.

Dies kann man dadurch vermeiden, daß man entweder die Rotornuten oder die Polflanken des Stators verschränkt, beispielsweise um

L'm die Verschränkung der Rotornuten in mäßigen Grenzen zu halten, sollte die Phasenzahl m der Rotorwicklung möglichst hoch sein, was an sich schon empfehlenswert ist wegen der bei wachsender Phasenzahl abnehmenden Gleichstrompulsationen. Nachteilig ist hierbei jedoch die Verteuerung des Schleifringsatzes, der z. B. bei 12 Phasen 12 Anodenschleifringe haben müßte.
Die Zahl der Schleifringe läßt sich aber erheblich verkleinern, wenn eine Schaltung nach Abb. 3 gewählt wird. Hier ist als Beispiel eine 12-Phasen-Rotorwicklung gezeichnet, die auf zwei 6-Phasen-Gleichrichter g_t ^und Si geschaltet ist. ■ Diese beiden Gleichrichter mögen auf zwei voneinander getrennte Gleichstrommotoren M₁ und 7% arbeiten.

Der Rotorr trägt bei dieser Schaltung zwei 6-Phasenwicklungen, deren Nullpunkte 0 und 0' voneinander getrennt sind, nämlich die Wicklungssysteme 1-0, O-IV, H-O, 0-V, HI-O, 0-VI und I'-O'. 0'-IV, II'-O', 0'-V, III'-O', 0'-VI'. Je zwei aufeinanderfolgende Phasenwicklungen 1-0, 0-IV, Γ-0', 0'-IV usw. sind miteinander verbunden. Ihre Verbindungen V₁ bis V₀ sind wiederum mit den sechs Anodenschleifringen ^₁ bis s_e verbunden, von denen die Anoden G₁ bis a₀ des Gleichrichters g-j und die gleichen Anoden a\ bis a'_o des zweiten Gleichrichters g« gespeist werden. Der aus dem Gleichstromkreise des Motors Hi₁ kommende Rückstrom läuft zu dem Nullpunkte 0, der Strom aus dem Motor ni.₂ nach 0', beide Systeme stören sich also nicht. Wird der erste Nullpunkt 0 durch Erdung des ersten Rotorwicklungssystems und des Motors Wi₁ gebildet und nur der Gleichstromkreis von m₂ an einen Nullpunktschleifring s\ geführt, so sind statt zwölf Schleifringe nur noch deren sieben nötig, nämlich außer dem Nullpunktschleifring j'_o noch sechs Schleifringe S₁ bis s_B für die Anodenanschlüsse. Die Pulsationen des zweiten Gleichstromkreises m₂ haben natürlich eine Phasendifferenz von 3_2 gegenüber den Pul-

sationen von m_u was praktisch ohne Bedeutung ist. Jeder Gleichstromkreis mitsamt dem zugehörigen Gleichrichter ist für sich betriebsbereit, so daß bei Störungen einer Gleichrichtergruppe die andere verwendungsfähig bleibt.

Diese Schaltung ist beliebig zu erweitern; ζ. B. werden bei drei parallel geschalteten Gleichrichtergruppen auch drei sinngemäß ineinandergesteckte 6-Phasenwicklungen verwendet mit drei getrennten Nullpunkten, also praktisch mit acht Schleifringen, d. h. mit sechs Anoden- und zwei Nullpunktschleifringen.

Der Antrieb des Rotors r kann auf belie- no bige Art geschehen; es ist jedoch möglich, dem Rotor eine eigene regelbare Drehzahl zu geben, wenn folgende Anordnung vorgesehen wird (Abb. 4).

Auf dem Kommutator h für die Erregerwicklung w sitzen außer den Erregerbürsten e und / noch Bürsten j und t, die mit e und f verbunden sind. Die Bürsten/ und t sind am Kommutatorumfang verschiebbar. Es handelt sich also hier um einen Einphasenkommutator mit doppeltem Bürstensatz. Beim Verschieben der Bürsten j und ί um den Win-

kel α. gegenüber den Erregerbürsten wird das Rotorerregerfeld Φ« den Winkel — gegenüber dem Hauptnuß Φ prim, haben, und es entsteht ein Drehmoment wie beim bekannten Repulsionsmotor. Mit der Änderung des Winkels α erhält man eine Änderung der Drehzahl, so daß man auch auf diese einfachste Weise den Rotor vom Stillstand bis ίο zur höchsten verlangten Drehzahl betreiben kann.

Die hier geschilderte Spannungsregelung durch Umformung bietet namentlich für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, z. B. schwere Vollbahnlokomotiven, eine Reihe wichtiger Vorzüge.

Sie bestehen gegenüber Ausrüstungen mit Einphasenkommutatormotoren in dem Gebrauch der 50 H.-Frequenz, dem Fortfall funkenempfindlicher Kommutatoren, einem besseren Leistungsfaktor, namentlich während der Anlaßperiode, einem besseren Wirkungsgrad bei Teillasten infolge der Benutzung von Gleichrichtern, in der Möglichkeit einer as stetigen Regelung und einer vom Netz unabhängigen Widerstandsbremsung.

Im Vergleich zu der bekannten Phasenumformung erzielt man damit die Vorteile, daß keine hohe Umdrehungszahl des Umformers während der Fahrt nötig ist, eine größere Unempfindlichkeit gegenüber Netzspannungsschwankungen, Netzstromunterbrechungen und zeitlicher Phasenüberlappung beim Einfahren in ein Netz mit fremder Speisung besteht, keine Starkstromschaltapparate mit dem unvermeidlichen Kontaktabbrand gebraucht werden und keine Anlaßverluste auftreten.

Gegenüber Motorgeneratoren ist es von Vorteil, daß keine dauernd umlaufenden großen Maschinensätze notwendig sind und die elektrische Ausrüstung ein wesentlich geringeres Gewicht hat.

Gegenüber Gleichrichterlokomotiven mit Stufentransformator sind schließlich folgende Vorzüge zu beachten: Phasenkompensation auf weitem Regelbereich, kontinuierliche Regelung, keine Starkstromschaltapparate mit Leistungsunterbrechung.

Claims

Patentansprüche:

i. Umlaufender Phasenzahltransformator zum Speisen von Mehrphasen-Metalldampfgleichrichtern aus einem Einphasennetz, dadurch gekennzeichnet, daß die die Gleichrichteranoden über Schleifringe speisende mehrphasige Sekundärwicklung auf dem angetriebenen Läufer angeordnet ist, während die vorzugsweise auf ausgeprägten Polkörpern angeordnete Ständerprimärwicklung an das Einphasennetz angeschlossen ist.
2. Gleichrichtertransformator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferwicklung als offene mehrphasige 2 p-polige Sternwicklung derart ausgeführt ist, daß jede einzelne Phasenwicklung, wenn ihre Wicklungsachse mit der Primärfeldachse zusammenfällt, den Gesamtfiuß der Primärwicklung umschlingt.
3. Gleichrichtertransformator nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ruhenden Teil des Transformators Hilfswicklungen (c und d) liegen, die mit zwei Bürsten (e und /) eines Kommutators (K) verbunden sind, der zur Erzeugung eines ständig in der Hauptfeldachse pulsierenden Kompensationsfeldes an eine auf dem Läufer (r) angeordnete Gleichstromring- oder -trommelwicklung (w) angeschlossen ist.
4. Gleichrichtertransformator nach Anspruch ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferwicklung aus ζ (z.B. zwei) w-phasigen Sternwicklungen derart zusammengesetzt ist, daß diese Wicklungen einen Stern mit ζ mal m gleichmäßig verteilten Strahlen ergeben, in dem jede m-phasige Wicklung ihren eigenen Nullpunkt (0, 0') hat und die gleichartigen Strahlen (I, I' und II, II' usw.) aller 3 Wicklungssysteme miteinander zu je einer gemeinsamen, als Anodenzuführung dienenden Phasenableitung (V₁, v₂ usw.). verbunden sind, während die s Kathodenableitungen der zu speisenden Gleichrichter voneinander getrennt zu den 3 Nullpunkten führen (Abb. 3).
5. Gleichrichter transformator nach Anspruch ι und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Regeln der Drehzahl des Läufers (r) auf dem mit ihm verbundenen Kommutator (K) längs dessen Umfang verschiebbare, mit den Erregerbürsten (e, f) verbundene Hilfsbürsten (/, t) angeordnet sind, so daß die Erregerfeldachse gegenüber der Hauptfeldachse durch Veränderung der Bürstenstellung am Erregerkommutator (K) nach Art eines Repulsionsmotors verstellt und ein Drehmoment erzeugt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen