DE655112C - Kommutierungsvorrichtung - Google Patents

Description

Zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt hat man bisher teils Maschinen mit umlaufenden Kommutatoren, teils feste Gleichrichter, z. B. Quecksilberdampfgleichrichter, verwendet. Beide Arten von Umformern sind indessen mit gewissen Nachteilen behaftet. Die Kommutierungsschwierigkeiten bei rotierenden Kommutatoren sind nun so wohlbekannt, um hier besonders hervorgehoben zu werden. Andererseits ergeben sich bei den Gleichrichtern große Schwierigkeiten hinsichtlich der Isolierung gegen Rückstrom, welche eine wesentliche Vergrößerung der Abmessungen der Gleichrichter bedingen.

Um die bei den umlaufenden Kommutatoren auftretenden Kommutierungsschwierigkeiten zu beseitigen, ist bereits vorgeschlagen worden, die Bürsten des Kommutators mit Gleichrichtern in Reihe zu schalten, welche die Entstehung von Kurzschlußströmen zwischen den Kommutatorlamellen und den Bürsten verhindern sollen. Es hat sich aber gezeigt, daß die Gleichrichter erhebliche unerwünschte Spannungsabfälle verursachen und daß ihnen bei großen Strombelastungen so große Dimensionen gegeben werden müssen, daß sie sehr teuer werden.
Es ist auch bekannt, den Kommutator mit zwei Bürsten zu versehen, von welchen eine mit einer äußeren, für die Zuleitung oder Ableitung des Stromes bestimmten Polklemme, unmittelbar verbunden ist, während die andere, gegenüber dieser Bürste am Anfang des Kommutators versetzte Bürste mit derselben Polklemme über einen Gleichrichter verbunden ist. Der Hauptteil des vom Kommutator abgeleiteten bzw. dem Kommutator zugeführten Stromes wird hierbei über die mit der Polklemme unmittelbar verbundene Bürste, die sog. Hauptbürste, geleitet, während die andere Bürste nur als Kommutierungshilfsmittel dient. Der mit der letzterwähnten Hilf sbürste verbundene Gleichrichter verursacht also keinen Spannungsabfall in der Betriebsspan- ⁴·> nung und wird nur durch verhältnismäßig niedrige Ströme belastet.

Die vorliegende Erfindung bezweckt eine Verbesserung dieser bekannten Vorrichtungen und besteht darin, daß der Kommutator mindestens mit zwei beiderseits der Hauptbürste gelegenen und gegen sie am Umfang des Kommutators versetzte Hilfsbürsten versehen ist, welche mit der an die Hauptbürste angeschlossenen Polklemme über je einen Gleichrichter verbunden sind.

Die Anordnung zweier als Kommutierungshilfsmittel dienenden Hilfsbürsten beiderseits der Hauptbürste bringt zunächst den Vorteil mit sich, daß die Drehrichtung der Kommutierungsvorrichtung umkehrbar wird und daß man unabhängig von der Drehrichtung voll-

ständiges Löschen des Kommutierungsfunkens sowohl an der auflaufenden als auch an der ablaufenden Bürstenkante erzielt. Weiterhin ermöglichen die beiderseits der Hauptbürste angeordneten Hilfsbürsten die Spannungsregelung durch Bürstenverschiebung unter vollständiger Löschung des Kommutierungsfunkens sowohl an der auflaufenden als auch an der ablaufenden Bürstenkante; dadurch wird es möglich, die Spannungsregelung durch Bürstenverschiebung in einem sehr großen Bereich ohne Gefahr der Funkenbildung vorzunehmen. Ferner ermöglicht die Erfindung eine weitgehende Verminderung der Lamellenzahl, da auch bei einer ziemlich hohen Lamellenspannung keine Funkbildung zu befürchten ist. Schließlich kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Wirkung der Bürstenverschiebung einfach durch Regelung der Zündspannung des an die eine Hilfsbürste angeschlossenen Gleichrichters erzielt werden.

In der Zeichnung sind beispielsweise verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.

Abb. ι zeigt die bekannte Kommutierungsvorrichtung, die zur Erklärung der Wirkungsweise der als Kommutierungshilfsmittel angeordneten Gleichrichter dienen soll.

Die Vorrichtung nach Abb. 1 enthält einen aus drei Lamellen Z₁, I₂ und Z₃ bestehenden rotierenden Kommutator. Die Lamellen sind einzeln an die Wicklungen eines Dreiphasensystems angeschlossen, z. B. an je eine Sekundärwicklung eines Dreiphasentransformators. Der Strom jeder der Bürsten b₁ und b₂ fließt über je einen Gleichrichter Ώ_Λ, D₂ zu dem einen Gleichstrompol P₁. Der zweite Gleichstrompol P₂ ist der Nullpunkt der Sekundärseite des Dreiphasentransformators. Der Kommutator I₁, I₂, /3 wird im eingezeichneten Drehsinn synchron vom Wechselstromnetz getrieben, z. B. mittels eines an dieses angeschlossenen Synchronmotor, der so eingestellt ist, daß, wenn die Spannung einer Lamelle, z. B. I₁, sich ihrem maximalen Wert nähert, diese Lamelle I₁ mit der Bürste b_t in Berührung kommt. Die von der Lamelle Z₃ herrührende Spannung der Polklemme P₁ ist in diesem Augenblick ein wenig höher als die Spannung der Lamelle I₁, so daß die Gefahr des Entstehens eines Rückstromes bestehen würde. Diese Gefahr wird jedoch durch den Gleichrichter D₁ beseitigt, so daß kein Funke gebildet werden kann. Eine kurze Zeit später erreicht die Spannung der Lamelle I₁ den Wert der Spannung der Polklemme P₁, wobei dann auch von dieser Lamelle Strom zu der Polklemme P₁ fließt. Die Lamelle I₁ kommt nun auch mit der Bürste b₂ in Berührung, und zwar während sie noch mit der Bürste b_t Kontakt hat, so daß auch jetzt keine Funkenbildung entsteht. Bei Weiterdrehung der Lamelle I₁ verläßt diese die Bürste b_lt und der Strom geht jetzt nur durch die Bürste b₂.

Im nächsten Moment berührt die Lamelle I₂ die Bürste b_t, jedoch erfolgt hier kein ■ Stromübergang, bevor die Spannung der Lamelle^ unter den \Vert der Spannung der Lamelle I₂ gefallen ist. Wenn dies eingetreten ist, wird von der Lamelle Z₂ Strom durch die Bürste b_t zum PoIP₁ fließen, der Rückfluß des Stromes über die Bürste b₂ zur Lamelle I₁ wird jedoch dabei durch den Gleichrichter D₂ verhindert, so daß die Lamelle Z₁ die Bürste b₂ ohne Funkenbildung verlassen kann.

Dieses Spiel wiederholt sich nun dauernd mit dem Erfolg, daß eine funkenfreie Kommutierung erzielt wird. Die Bedingung hierfür ist, daß der Lamellenabstand a größer ist als die Breite der Bürsten U)₁ bzw. b₂ und daß der Bürstenabstand c kleiner ist als die Breite der Lamellen I₁, I₂ bzw. Z₃.

Diese bekannte Vorrichtung nach Abb. I · hat noch den Nachteil, daß zumindest einer der Gleichrichter D₁ oder D₂ stets in den , Stromkreis eingeschaltet ist. Um den dadurch bedingten Spannungsverlust zu vermindern, ist gemäß der Erfindung in der aus Abb. 2 ersichtlichen Weise zwischen den Bürsten b_t und b₂ eine weitere Bürste b_g vorgesehen, welche unmittelbar mit dem Pol P₁ verbunden ist. Hierbei fließt der Strom von jeder Lamelle erst durch die Bürste ^₁ und den Gleichrichter D₁, dann aber durch die Bürste b₀ unmittelbar zum Pol P₁ und schließlich durch die Bürste b₂ und den Gleichrichter D₂. Zur Vermeidung der Funkenbildung soll dabei ebenfalls die Breite der Bürsten ^₁ und b₂ kleiner sein als der Lamellenabstand. Die Breite der Bürste b_v soll dagegen gleich oder größer sein als der Lamellenabstand a.

Abb. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Hier sind L₁, L₂ und L₃ die drei offenen Phasenwicklungen eines Umformers. Die Endpunkte jeder Wicklung sind an sechs Lamellen Z₁ bis /₆ angeschlossen, und die drei Bürsten b„, b_t, b₂ sind so angeordnet, daß sie je eine dieser Lamellen umfassen. Außer diesen Bürsten ist eine größere Bürste b_s vorgesehen, .welche allein drei Lamellen umfaßt. Die drei Bürsten b₀, b_t und b₂ sind wie früher beschrieben, an den PoIP₁ angeschlossen, wobei die Zuleitungen der Bürsten b_t und b₂ über einen Zweiwegegleichrichter D verlaufen. Außer diesen Bürsten ist noch eine größere Bürste &₃ vorgesehen, welche an den Pol P₂ angeschlossen ist.

Bedingung der funkenfreien Kommutierung ist hierbei eine derartige Bemessung des von der Bürste &_s eingeschlossenen Winkels,, daß durch die jeweils gerade mit ihr in -Beruh-

rung kommende Lamelle, ζ. B. /₄, in diesem Augenblick kein Strom fließt. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die gegenüberliegende Lamelle I₁ im gleichen Augenblick die Bürste ^₁ noch nicht berührt oder daß der Gleichrichter, der an die Bürste b_t angeschlossen ist, keinen Strom durchläßt. Aus demselben Grunde soll die Lamelle /₄ auch stromlos sein, wenn sie die Bürste b₃ gerade

to verläßt.

Die Vorrichtung nach Abb. 3 ergibt denselben Gleichförmigkeitsgrad wie ein sechsphasiger Quecksilberdampfgleichrichter mit zugehörigem sechsphasigem Transformator, hat aber diesem gegenüber den Vorteil, daß der Umformer billiger in der Ausführung wird, da er beispielsweise gemäß Abb. 3 nur drei Wickelungen benötigt, überdies ist auch insbesondere bei den Anordnungen nach Abb. 2 und 3 der Wirkungsgrad besser, da der Strom im wesentlichen durch die Bürste b_n unmittelbar zum Pol P₁ fließt, keinen Gleichrichter passiert, so daß der Spannungsverlust im Gleichrichter zum größten Teil be- seitigt ist. Schließlich kann der Zweiwegegleichrichter bedeutend kleiner gemacht werden, weil die an seinen Klemmen austretende Rückspannung nur einen Bruchteil der Spannung zwischen den Gleichstrompolen P₁ und P₂ ausmacht.

Bei der in Abb. 3 gezeigten Vorrichtung könnten gewisse Pulsationen der Gleichstromspannung entstehen, da der Strom von den Bürsten teilweise durch Gleichrichter und teilweise unmittelbar zum Pol P₁ gelangt. Um dies zu vermeiden, ist die Anordnung so getroffen, daß die Bürste b₀ ständig mit einer oder mehreren Lamellen in Berührung steht. Hierdurch wird außerdem eine bessere Ausnützung der Wickelungen des Umformers erreicht, indem der Strain gleichzeitig durch zwei oder mehrere Wickelungen geht. Um zu verhindern, daß Kurzschlußstrom zwischen denjenigen Wickelungen entsteht, deren Lamellen gleichzeitig unter der Bürste b₀ liegen, muß die Bürste fc₀ oder gegebenenfalls die Bürste b_s in zwei oder mehrere isolierte Teile geteilt werden, wie in Abb. 4 dargestellt, in welcher die Bürste b„ in die beiden Teilbürsten b₀₁ und b₀₂ unterteilt ist. Zwischen die Leitungen der beiden Bürsten b₀₁ und b₀₂ ist in an sich bekannter Weise ein Saugtransformator eingeschaltet, damit durch die Bürsten b₀₁ und b₀₂ annähernd gleich starke Ströme fließen. Der Abstand zwischen den Bürsten O₀₁ und b_ü2 muß kleiner als die Lamellenbreite des Kommutators sein.

Durch Änderung der Lage der Bürsten im Verhältnis zur Symmetrieebene des Kommutators kann die Spannungsumwandelung zwischen den Wechselstrom- und Gleichstromseiten geregelt werden, wie in Abb. 5 dargestellt ist. Um eine zu hohe Stromdichte zu verhindern, wenn eine Lamelle, z. B. I₁ in Abb. 5, die Bürste b₁ trifft, ist der zwischen der Bürste b_t und dem Pol P₁ liegende Gleichrichter vorteilhaft mit einem Steuergitter 5" ausgerüstet, welchem eine solche Spannung aufgedrückt wird, daß kein Stromdurchgang erfolgen kann, bevor zwischen der Lamelle I₁ und der Bürste b_t guter Kontakt besteht. Das Gitter erhält also eine veränderliche Spannung von derselben Frequenz, mit der die Lamellen an der Bürste b_t vorbeigehen, und zwar zweckmäßig von einem mit dem Treibmotor des Kommutators zusammengeschalteten Hilfsgenerator.

Anstatt der offenen Schaltung der Wickelungen gemäß Abb. 3 kann auch eine Dreieckschaltung oder aber eine Ringschaltung gemaß Abb. 6 verwendet werden. In diesem Fall müssen jedoch die beiden Bürstengruppen, die an je einen Pol anzuschließen sind, gleich ausgeführt werden und jede aus mindestens drei Bürsten bestehen.

In gewöhnlichen Gleichstrommaschinen kann die Ankerwickelung als eine vielphasige Wechselstromwickelung betrachtet werden, wobei der umlaufende Kommutator bei Gleichstromgeneratoren Gleichrichtung des erzeugten Wechselstromes und bei Gleichstrommotoren Umwandlung des zugeführten Gleichstromes in Wechselstrom bewirkt. Die Erfindung kann selbstverständlich auch hier Anwendung finden.

Bei Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom ohne umlaufende Wickelungen und beim Betrieb von Wechselstromkommutatoren ist es nicht gut möglich, Kommutierungspole zur Erleichterung der Kommutierung zu verwenden. Um in diesen Fällen funkenfreie Kommutierung zu erhalten, ist erforderlich, daß die Lamelle stromlos wird, ehe sie die letzte Bürste verläßt. Dies kann in an und für sich bekannter Weise erreicht werden, indem eine elektromotorische Kraft in die Leitung zwischen der letzten Bürste b.₂ und dem Gleichstrompol P₁ eingeführt wird. Diese elektromotorische Kraft soll dem Strom in der betreffenden Leitung entgegengerichtet und so groß sein, daß der Strom Null wird, ehe irgendeine Lamelle die Bürste b₂ verläßt. Der Gleichrichter verhindert hierbei Rückstrom. Die betreffende EMK kann zweckmäßig in einem Wechselstromgenerator V (Abb. 7) erzeugt werden, dessen Frequenz der Lamellenfrequenz gleich ist. Da die Stromstärke die Größe dieser EMK bedingt, wird die Erregerwickelung des Wechselstromgenerators V vorteilhaft mit einem der Gleichstrompole, z. B. P₂, in Reihe geschaltet.

Eine andere Möglichkeit besteht in der Einführung einer EMK von Lamellenffequenz in die Leitung der ablaufenden Bürste b₂ mittels eines Transformators. Die Primärseite dieses Transformators kann, wie in Abb. 8, in die Leitung der auflaufenden Bürste b_t eingeschaltet werden.

Bei Wechselstrommaschinen, ζ. B. Einphasenserienniotoren und Schragemotoren, durchfließt der Strom die Bürsten in beiden Richtungen. Um die Erfindung hier verwerten zu können, muß man also entweder die Gleichrichter im Takt des Wechsels der Stromrichtung umkehren oder doppelte Gleichrichter verwenden, wobei nur diejenigen Gleichrichter wirksam sind, die den Strom in der gewünschten Richtung durchlassen. Die anderen können z. B. mittels negativer Gittervorspannung gesperrt werden.

Die Erfindung kann selbstverständlich auch in allen anderen Fällen verwendet werden, wenn es gilt, Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt umzuwandeln, z. B. bei Einankerumformern und einphasigen oder mehrphasigen Kommutatormotoren, wie auch bei Umwandlung von Gleichstrom in Gleichstrom anderer Spannung oder Wechselstrom in Wechselstrom anderer Frequenz.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Kommutierungsvorrichtung für elektrische Umformer, Motoren oder Generatoren mit gegen einen Kommutator anliegenden Haupt- und Hilfsbürsten, welche

   ' unmittelbar bzw. über Gleichrichter mit einer äußeren, zur Zuleitung oder Ableitung elektrischen Stromes dienenden Polklemme verbunden sind, wobei die Gleichrichter zur Verhinderung von Kurzschlußströmen zwischen Kommutatorlamellen und den Bürsten angeordnet sind, gekennzeichnet durch zwei beiderseits einer mit der Polklemme unmittelbar ver-

   > bundenen Hauptbürste gelegene und gegen sie am Umfang des Kommutators versetzte Hilfsbürsten, die über je einen Gleichrichter mit der Polklemme verbunden sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Hauptbürste und den Hilfsbürsten kleiner ist als die Lamellenbreite des Kommutators.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die mit der Polklemme unmittelbar verbundene Hauptbürste gleichzeitig mehrere Lamellen bedeckt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Bürste in zwei oder mehrere voneinander isolierte Teile unterteilt ist, welche über je eine Wickelung eines oder mehrerer Hilfstransformatoren mit der Polklemme verbunden sind.
4. 4. Vorrichtung nach einem der obigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter mit Vorrichtungen zur Regelung der Zünd- oder Schwellenspannung versehen sind.
5. 5. Vorrichtung nach einem der obigen Patentansprüche, gekennzeichnet durch Vorrichtungen zurEinführung einer Hilfsspannung in Reihe mit einer der mit der Polklemme über Gleichrichter verbundenen Hilfsbürsten.
6. 6. Spannungsreglung bei einer Vorrichtung nach einem der obigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten am Kommutatorumfang verschiebbar sind.
7. 7. Vorrichtung nach einem der obigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der einen äußeren Polklemme verbundenen drei Bürsten je eine Lamelle umfassen, die an das eine Ende dreier offener Phasenwickelungen angeschlossen s₅ sind, deren andere Enden über eine weitere Bürste mit einer anderen äußeren Polklemme verbunden sind.

   Hierzu I Blatt Zeichnungen