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Doppelumspanner Zur gleichzeitigen oder wahlweisen Erzeugung und zur
Umformung von Drehstrom und Einphasenstrom verschiedener Frequenz sind Doppelmaschinen
vorgeschlagen und für den Sonderfall von 5o-Hz-Drehstrom und 162/3-Hz-Einphasenstrom
für Bahnzwecke in einigen Ausführungen auch gebaut worden, in denen sich ein yi-poliges
und ein 3 n-poliges Feld überlagern und bei denen die Ständerwicklung nach Art einer
Brückenschaltung so ausgebildet ist, daß in ihr 5o-Hz-Drehstrom und 162/3-Hz-Einphasenstrom
unabhängig voneinander fließen können. Auch für die gleichzeitige übertragung von
Einphasenstrom über ein Drehstromsystem oder zwei parallele Drehstromsysteme würden
schon Vorschläge gemacht. Schließlich ist es auch bekannt, Umspanner (z. B. Lokomotivumspanner)
wahlweise (nicht gleichzeitig) für 5o-Hz-Einphasenstrom und 162/3-Hz-Einphasenstrom
zu benutzen (vgl. hierzu u. a. P. M ü 11 e r, Elektr. Bahnen 1932, S.36;
deutsche Patentschrift \?r. 127 79a; E. Jacob, ETZ 1927, S. 1a49).
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Doppelumspanner, die erfindungsgemäß
ein Magnetsystem besitzen, in dem sich ein Ein- und ein Dreiphasenfluß verschiedener
Frequenz überlagern, und in deren Wicklungsanordnungen sich die induzierten ein-
und dreiphasigen Spannungen so addieren bzw. subtrahieren, daß an drei Punkten der
Wicklungen ausschließlich eine dreiphasige Spannung, an zwei Punkten ausschließlich
eine einphasige Spannung herrschen und so gleichzeitig Ein- und Dreiphasenleistung
verschiedener Frequenz unabhängig
voneinander transformatorisch.übertragen
werden können.
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Im folgenden wird der Anschaulichkeit halber immer der Fall angenommen,
daß es sich um Drehstrom der üblichen Frequenz 5o Hz und um Einphasenstrom von r62/3
Hz handelt, wie er für die Bahnzwecke in Mitteleuropa verwendet wird. Die gleichen
Überlegungen gelten aber auch für andere, beispielsweise sich um wenig voneinander
unterscheidende Frequenzen.
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In den Abb. r und 2 ist ein Ausführungsbeispiel für einen solchen
r62/3-Hz-5o-Hz-Doppelumspanner dargestellt. Abb. r zeigt das fünfschenkelige Magnetsystem
ohne Wicklungen. Die Schenkel führen zunächst wie . ein normaler Fünfschenkel-Drehstromumspanner
die 5o-Hz-Flüsse der drei Phasen, die mit R; S und T bezeichnet sind: Ihnen überlagert
sich in gleicher Richtung in den drei mittleren Schenkeln I bis III der i62/3-Hz-Einphasenfluß,
der sich über die äußeren Schenkel IV und V schließt. Die Floßverteilung ist in
Abb. i für einen bestimmten augenblicklichen Zustand durch Pfeile angedeutet, und
zwar durch ausgezogene Pfeile für die 5o-Hz-Drehstromphasen - der Übersichtlichkeit
halber ohne den Rückschluß, der sich bekanntlich zum Teil über die mittleren, zum
Teil über die äußeren Schenkel vollzieht -und durch gestrichelte Pfeile für den
i62/3-Hz-Einphasenfluß. Im übrigen kann man den Schenkel V auch weglassen, wenn
man dem Schenkel IV einen entsprechend größeren Querschnitt gibt. Auf jeden Fäll
sind bei gleichem -Eisenaufwand die Eisenverluste bei einem Doppelumspanner geringer
als bei zwei getrennten Umspannern, da die Flüsse sich zeitweilig ganz oder teilweise
aufheben.
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Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine der beiden Wicklungen
des Umspanners, vorzugsweise die Unterspannungswicklung. Sie ist gemeinsam für den
5o-Hz- und den i62/3-Hz-Stromkreis und besteht aus drei Brücken für die drei Phasen
und einer Querverbindung zwischen den Brückenmitten für den Einphasenstromkreis.
Die kleinen Kreise mit den eingeschriebenen römischen Zahlen stellen unter sich
gleiche Einzelwicklungen um die drei Schenkel I bis III dar. Im ganzen trägt jeder
dieser Schenkel, falls nicht aus baulichen Gründen eine -weitere Unterteilung zweckmäßig
ist, vier solcher Einzelwicklungen, die mit Il, 12, 1.3 ... bezeichnet sind;
ein vorgesetztes Minuszeichen bedeutet Umkehrung des Wicklungssinnes oder Vertauschung
der Wicklungsenden. In jedem Brückenzweig liegt in zyklischer Aufeinanderfolge je
eine dieser zwölf Wicklungen. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß sich die
5o-Hz-Teilspannungen der einzelnen Phasen jeweils sowohl im oberen wie im unteren
Brückenzweig von links nach rechts, also zwischen den Punkten 'X und U bzw.
Y und V bzw. Z und W, wie bei einer Zickzackschaltung geometrisch addieren,
während die i62/3-Hz-Teilspannungen einander entgegengesetzt gerichtet sind. Die
in Abb. 2 eingezeichneten Pfeile (ausgezogen für Drehstrom, gestrichelt für Einphasenstrom)
lassen für einen bestimmten augenblicklichen Zustand die -Richtung der Spannungen
erkennen. Zwischen den Punkten X und U, Y und V sowie Z und W herrschen also
reine Drehstromspannungen, deren Betrag wie bei einer Zickzackschaltung -7/3mal
dem Betrag der einzelnen Teilspannungen ist. In der Richtung von oben nach unten,
also zwischen den Punkten A und B, addieren sich dagegen die 162/,-Hz-Teilspannungen
zu einer reinen Einphasenspannung vom sechsfachen Betrag; denn die geometrische
Summe der 5o-Hz-Teilspannungen ist sowohl auf den linken als auch den rechten Seiten
der Brücken Null. In einer solchen Wicklungsanordnung können also unabhängig voneinander
5o-Hz-Drehstrom und 161/,-HZ-Einphasenstrom fließen. Die Verluste sind dabei, -wie
sich leicht zeigen läßt, nur etwa halb so groß wie bei getrennten Wicklungen gleichen
Querschnitts. Die Wicklungen brauchen nicht wesentlich höher isoliert zu werden
als bei getrennter Ausführung, wenn die Drehstrom- und die Einphasennennspannung
ungefähr gleich groß sind, wie dies meist der Fall sein wird.. -_ Ein Umspanner
mit solchen Wicklungsanord= nungen kann gleichzeitig und unabhängig voneinander
Ein- und Dreiphasenleistung übertragen und bietet dabei gegenüber zwei getrennten
Umspannern den Vorteil niedrigerer Eisen- und Kupferverluste und geringeren Materialaufwands
und Platzbedarfs.. Außerdem ist die Leistungsfähigkeit eines solchen Doppelumspanners
für reinen Drehstrom-und reinen Einphasenstrombetrieb,wenn also nicht gleichzeitig
Einphasen-undDreiphasenleistung, sondern nur eine davon übertragen wird, wesentlich
größer als die Einzelleistungsfähigkeit zweier getrennter Umspanner mit derselben
Summenleistungsfähigkeit für Drehstrom und Einphasenstrom zusammen. Das Ideal wäre
doch, daß die Gesamtleistungsfähigkeit ganz unabhängig von der Stromart ist, so
daß also die gleiche Höchstleistung in Form von Drehstrom oder in Form von Einphasenstrom
oder teils als Drehstrom, teils als Einphasenstrom übertragen werden könnte. Mit
zwei getrennten Umspannern ist man von diesem Ideal weit entfernt; bei beispielsweise
gleicher Leistungsfähigkeit dieser Umspanner kann man nur halb soviel Drehstromleistung
und halb soviel Einphasenleistung übertragen, als Drehstrom- und Einphasenleistung
zu: sammen. Mit dem. Doppelumspanner kommt man dagegen dem Ideal sehr viel näher.
Dies ist besonders dann von großem Wert, wenn der Doppelumspanner in Block zu einer
162/..-Hz-5o-Hz-Doppelmaschine geschaltet wird. Für deren Belastbarkeit gilt nämlich
das eben Gesagte in noch größerem Ausmaß ebenfalls: Kupfer und Eisen werden bei
:ihm stets voll ausgenutzt und liegen nicht, wie bei zwei getrennten Maschinen,
zur Hälfte brach, wenn nur Leistung der einen Stromart erzeugt wird.
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Die Oberspannungswicklung wird man in der Regel nicht in der beschriebenen
Art nach Abb. 2 ausführen. Man kann nämlich bei ihr drehstrom= seitig keinen Sternpunkt
bilden, weil man sonst die Einphasenspannungen kurzschließen würde. Man
muß
vielmehr alle sechs Leitungen herausführen, was auf der Unterspannungsseite möglich
ist, wenn der Umspanner dort in Block mit zwei Generatoren oder - der praktisch
wichtigere Fall - mit einer Doppelmaschine zusammengeschaltet ist. Bei der Doppelmaschine
müssen aus dem gleichen Grund die sechs Leitungsenden sowieso auch herausgeführt
werden. Da man auf der Oberspannungsseite dagegen im allgemeinen einen Sternpunkt
braucht, wird man hier getrennte Wicklungen vorsehen. Beispielsweise wird man zu
diesem Zweck die drei Einphasenwicklungen auf den Schenkeln I bis III hintereinanderschalten,
so daß sich die drei Einphasenspannungen addieren, die drei Drehstromspannungen
in ihrer Gesamtwirkung dagegen gegenseitig aufheben. Die Drehstromwicklung kann
man als gewöhnliche Zickzackwicklung auf den Schenkeln 1I, III und IV anordnen,
in ihr heben sich die induzierten r62/3 Hz-Einphasenspannungen wieder paarweise
gegenseitig auf, so daß sie nach außen hin nicht wirksam werden. Für die Wicklungsisolation
macht dies nicht allzuviel aus; im übrigen hat man hierfür nötigenfalls auch noch
das bekannte Mittel der Wicklungsunterteilung.
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Statt der gemeinsamen Wicklungsanordnung könnte man auch auf der Unterspannungsseite
getrennte Wicklungen vorsehen, doch wird man dies im allgemeinen nicht tun, da man
damit einen Teil dessen wieder aufgeben würde, was gerade die Eigenart und den Vorzug
des Doppelumspanners ausmacht.
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In den Abb. 3 und q. ist als weiteres Beispiel eine Ausführungsform
des Doppelumspanners dargestellt, bei der das Magnetsystem sechs Schenkel I bis
VI hat. Wie wieder durch ausgezogene (für 5o-Hz-Drehstrom) und gestrichelte (für
162/,-Hz-Einphasenstrom) Pfeile für einen bestimmten augenblicklichen Zustand angedeutet
ist, führen die Schenkel I und II, die Schenkel III und IV und die Schenkel V und
VI je zur Hälfte die drei Phasenflüsse R, R', S, S' und T, T' des 5o-Hz-Drehstromsystems
und zugleich jeweils einen r62/3 Hz-Einphasenfluß von überall gleicher Stärke und
Richtung. Ein Beispiel für die Anordnung der Unterspannungswicklung zeigt Abb. q..
Jeder Schenkel trägt zwei unter sich gleiche Wicklungen Il, 121 Ih . . ., die nach
Art einer Brücke so miteinander verbunden und geschaltet sind, daß zwischen den
Punkten X und U, Y und V sowie Z und W eine reine 5o-Hz-Drehstromspannung
und zwischen den Punkten A und B eine reine i62/2-Hz-Einphasenspannung
herrscht. Die in Abb. q. eingezeichneten Pfeile (ausgezogen für Drehstrom, gestrichelt
für Einphasenstrom) lassen für einen bestimmten augenblicklichen Zustand die Richtungen
der Spannungen erkennen. Man kann also auch mit dieser Wicklung 5o-Hz-Drehstromleistung
und i62/3 Hz-Einphasenleistung unabhängig voneinander übertragen. Bezüglich der
Kupferverluste und der Isolation gilt ebenfalls das bei dem früheren Ausführungsbeispiel
Gesagte.
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Wegen des Sternpunktes wird man auch hier wieder getrennte Oberspannungswicklungen
verwenden: Im Drehstromteil erhält man beispielsweise die einzelnen Phasen durch
Hintereinanderschalten von je zwei gleichen Wicklungen auf den Schenkeln I und II
bzw. III und IV bzw. V und VI, wobei sich die induzierten Einphasenspannungen jeweils
gegenseitig aufheben. Umgekehrt schaltet man beim Einphasenteil je zwei gleiche
Wicklungen auf den Schenkeln I und II bzw. III und IV bzw. V und VI gegeneinander,
wobei sich die Einphasenspannungen addieren, die Drehstromspannungen dagegen aufheben.
Die drei Wicklungsgruppen kann man dann parallel oder hintereinander schalten..
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Beim dritten Ausführungsbeispiel (Abb. 5 und 6) hat das Magnetsystem
ebenfalls wieder sechs Schenkel, doch führen hier nur die ersten drei Schenkel I
bis III und die zweiten drei Schienkel IV bis VI je für sich einen Drehstromfluß
R, S und T bzw. R', S' und T', und diesen beiden Drehstromflüssen ist ein Einphasenfluß
überlagert. Ein Ausführungsbeispiel für die gemeinsame unterspannungsseitige Wicklungsanordnung
zeigt Abb. 6. Auf der Oberspannungsseite sieht man zweckmäßigerweise wieder getrennte
Wicklungen vor. Drehstromseitig wird man dabei die einzelnen Phasen paarweise in
Reihe zu einem Stern zusammenschalten, wobei sich die Einphasenspannungen aufheben.
Die einzelnen Einphasenwicklungen schaltet man zweckmäßigerweise alle hinter- bzw.
gegeneinander, und zwar so, daß sich die Einphasenspannungen addieren, die Drehstromspannungen
aber aufheben, also beispielsweise in der Reihenfolge I, IV, II, V, III, VI, wobei
die Wicklungen IV bis VI gegen die Wicklungen I bis III zu schalten sind.
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Mit diesen Beispielen ist die Durchführbarkeit und Zweckmäßigkeit
des Erfindungsgedankens bewiesen und dem Fachmann zugleich das Rüstzeug an die Hand
gegeben, mit dem er für jeden Anwendungsfall ohne Schwierigkeiten die geeignetste
Ausführungsform des Doppelumspanners finden kann.