DE646781C - Spannungs-, Frequenz- und Phasenzahlumformer fuer elektrische Fahrzeugantriebe - Google Patents

Description

Die Verwendung des Wechselstromes von 50 Hertz in der Oberleitung elektrischer Bahnen ist nur möglich, wenn dieser Wechselstrom irgendwie in eine für die Fahrmotoren brauchbare Stromart umgewandelt wird, sofern nicht besondere Motoren entwickelt werden. Die nachfolgend beschriebene Erfindung ermöglicht es, auf der Lokomotive in nur einer einzigen Maschine die erforderliche Umformung von Spannung, Frequenz und Phasenzahl vorzunehmen, so daß entweder normale Gleichstrom- oder Drehstrommotoren als Fahrmo'toren verwendet werden können, wobei die Regelung der Fahrgeschwindigkeit verlustlos erfolgen kann.

Gegenstand der Erfindung ist eine Ineinander schachtelung von Wechselstrominduktionsmotor und Kommutatormaschine, die nach Art der Einankerumformer weitgehende Ausnutzung des aktiven Materials gestattet. An einem Kommutator kann in an sich bekannter Weise durch Änderung der Stellung und Geschwindigkeit von beweglich angeordneten Bürsten die Frequenz und Höhe der abgenommenen Spannung-verändert werden. Bekannt sind ähnliche Umformer, jedoch mit unveränderlichen Bürstenwinkeln und damit ohne die Spannungsregelung durch Bürstenverschiebung. Ferner ist im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand bekannt, daß Bürsten in die Richtung der Resultierenden der Felder zweier verdrehbarer Induktionsständer gebracht werden, um den durch Veränderung der Phasenlage zweier Felder geregelten Spannungswert abzugreifen, wobei die Verdrehung der Bürsten Folge und nicht Zweck der induktiven Spannungsregelung ist. Die Spannungsregelung durch Bürstenverschiebung wird erfindungsgemäß durch eine besondere Art der Kompensation verbessert, die sowohl strom- als auch spannungsabhängig ist. Die Stromabhängigkeit wird in bekannter Weise erzielt, während die Spannungsabhängigkeit durch die Veränderung des wirksamen Kompensationsflusses durch Veränderung des Lüftspaltes oder der Polflächen bewirkt wird.

Bei der Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom genügt- eine Verdrehung der Bürsten um 90 elektrische Grade, um von Null auf den Höchstwert zu gelangen.

Die Umformung von Wechselstrom in Drehstrom von veränderlicher. Spannung und Frequenz bei gleichbleibendem Verhältnis dieser Größen erfolgt durch- Verdrehung der Bürsten gegenüber den Polen mit veränderlicher Winkelgeschwindigkeit, wobei die Höhe der abgenommenen Spannung durch die Größe des veränderlichen aktiven Eisenquerschnittes geregelt wird.

Die Anwendung der Erfindung wird an zwei Beispielen erläutert:

Der Ständer α des in Bild 1 im Längsschnitt dargestellten Umformers trägt gleichzeitig eine Wechselstromwicklung b und eine Gleichstromwicklung c.; letztere ist mit dem feststehenden (hier als Hohlzylinder dargestellten) Kommutator d in der bei Gleich-

Stromwicklungen üblichen Weise verbunden. Der Läufer des Umformers ist unterteilt in ein die Hauptpole tragendes Hauptpolrad e mit Dämpferkäfig, das zur Unterdrückung des gegenläufigen Feldes und zur Regelung des Leistungsfaktors dient, und ein die Wendepole tragendes Nebenpolrad f, das die den Gleichstrom vom Kommutator abnehmenden Bürsten g und die zur Abnahme des Gleichstromes erforderlichen Schleifringe h trägt. Xicht dargestellt ist die Vorrichtung, durch die z. B. durch die hohle Welle des Hauptpoirades das Nebenpolrad um 90 elektrische Grade willkürlich und gleichmäßig zur Abnähme verschiedener Gleichspannungen, deren Wert zwischen Null und einem durch die Wicklung bedingten Höchstwert liegt, verdreht werden kann. Ferner ist nicht dargestellt, wie die Wendepole radial oder axial verschoben werden können, damit bei der Verdrehung des Nebenpolrades gegenüber dem Hauptpolrad bei Abnahme anderer Spannung stets ein die Kommutierung verbesserndes Zusatzfeld erzeugt wird, welches außerdem von dem abgegebenen Strom abhängt.

Der Umformer wird z. B. dadurch in Betrieb gesetzt, daß das mit einer Käfigwicklung versehene Hauptpolrad durch Einschalten einer Kunstphase im Ständer in bekannter Weise angelassen wird. Nachdem der Läufer seine asynchrone Höchstdrehzahl erreicht hat, wird er durch Einschalten der Gleichstromerregerwicklung synchronisiert, so daß die Gleichstromwicklung im Ständer der Maschine von einem Drehfeld induziert wird. Sind die Wendepole des Nebenpolrades f mit den Bürsten g· um 90 elektrische Grade gegenüber dem Hauptpolrad e versetzt, so nehmen die Bürsten g infolge ihres synchronen Laufes stets den Höchstwert der Gleichspannung ab. Werden sie dagegen in die Lage der Hauptpole gedreht, so sinkt die abgenommene Gleichspannung allmählich bis auf Null, so daß die angeschlossenen Gleichstrombahnmotoren verlustlos ohne Schalter, mit Ausnahme der leistungslos schaltenden Fahrtwendeschalter, geregelt werden können.

Gegenüber den bekannten Umformern, bei denen die Bürstenachse und das Kompensationsfeld verschoben werden, soll bei dieser Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes außer der Verdrehung der Bürsten und Kompensationspole zum Zweck der Abnahme verschiedener Gleichspannungen eine weitere neuartige Einstellung der Kompensationspole vorgenommen werden. Denn bei der Abnahme starker Ströme bei kleinen Spannungen (beim Anlassen der Motoren) wird das Kompensationsfeld in seiner Größe dem Erregerfeld so angepaßt, daß gerade die erforderliche Kompensationsfeldstärke erzielt wird und die Spannimgskurve unter den Bürsten einen Hacheren Verlauf erhält, um die Konimutation zu verbessern: durch den flacheren Verlauf der Feldkurve, der erfindungsgemäß an jeder Stelle des praktisch sinusförmigen .„Hauptfeldes erreicht wird, verringert man nämlich die transformatorische EMK an denjenigen Lamellen des Stromwenders, an-denen jeweils Strom durch die Bürsten abgenommen wird. Hierdurch ist es möglich, die Zahl der Lamellen wesentlich kleiner zu halten und einen entsprechend größeren Fluß pro Pol zuzulassen. Die Kompensationsfeldstärke ist hier also sowohl spannungs- als auch stromabhängig, während die älteren Umformer nur stromabhängige Kompensation aufweisen.

Die Anwendung der strom- und spannungsabhängigen Kompensation ist mit den gleichen elektrischen Vorteilen zu erreichen, wenn bei der Ausführungsform nach Bild 1 Läufer und Ständer ihre Rolle tauschen.

Eine grundsätzlich geringfügige Abänderung des eben beschriebenen Umformers genügt, um die Umformung aus Einphasenwechselstrom in Drehstrom mit derart veränderlicher Spannung und Frequenz durchzuführen, daß der Quotient Spannung/Frequenz konstant bleibt (Bild 2). Es ist bekannt, daß in einer als Gleichstromwicklung bekannten Leiteranordnung Vielphasenspannungen entstehen, deren Scheitel durch den Kommutator als Gleichspannung abgenommen werden. Hierauf beruht der folgende Aufbau: Ein Ständer i trägt die Einphasenhochspannungswicklung, während die Gleichstromniederspannungswicklung in den axial verschiebbaren Zwischenständer k verlegt ist. Damit bei der zur Spannungsregelung erforderlichen Verschiebung des Zwischenständers k der Magnetisierungsstrom der Wechselstromhochspannungswicklung praktisch konstant bleibt, ist ein weiterer mit dem Zwischenständer k verbundener wicklungsloser Zwischenständer / vorgesehen, der den magnetischen Fluß schließt, wenn der Zwischenständer k axial aus dem Ständer i herausbewegt wird.

Bekannt ist ein ähnlicher Umformer ohne Spannungsregelung oder mit Regelung durch einen besonderen Spannungstransformator zwischen Frequenztransformator und Verbraucher. Bei Maschinen zur Umwandlung von Mehrphasenstrom in Einphasenstrom von gleichbleibender Frequenz, der zur Speisung von Lichtbogen verwendet wird, hat man bereits Teile des aktiven Eisens zum Zweck der Spannungsregelung verschiebbar angeordnet. Die Vereinigung dieser bekannten Maßnahmen und außerdem die bereits erwähnte iao strom- und spannungsabhängige Kompensationergeben also insgesamt bauliche Vorteile

mit guter Aussicht auf "betriebssichere Kommutation. -

In Bild 2 ist angedeutet, wie man das auch bei dieser Ausführungsform mit synchroner Drehzahl umlaufende Hauptpolrad e irgendwie, z. B. durch die Bunde η der feststehenden Achse mi, in seiner Lage gegenüber dem Ständer i erhält, während das Nebenpolrad / seine Lage zum Zwischenständer k nicht verändert.

Damit an dem (als Hohlkommutator gezeichneten) Kommutator d Drehstrom abgenommen werden kann, sind die Bürsten g um je 120 elektrische Grade auf dem Kommutatorumfang versetzt anzubringen und mit drei< Schleifringen h entsprechend zu verbinden. Das Nebenpolrad f und mit¹ ihm die Bürsten g werden durch einen in der Drehzahl regelbaren Motor 0 (z. B. Repulsionsmotor oder Gleichstromnebenschlußmotor in Leonardschaltung) mit willkürlich veränderlichen Drehzahlen angetrieben.

Dreht sich der Motor 0 synchron mit dem Hauptpolrad e, so ist die an den Bürsten g abgenommene Frequenz gleich Null, die abgenommene Spannung also eine Gleichspannung. Damit gleichzeitig die Spannung an den Bürsten gleich Null ist, muß bei Synchronlauf der Bürsten der Zwischenständer k ganz aus dem Ständer i herausgezogen werden. Auch hier ist also die bereits beschriebene spannungs- und stromabhängige Kompensation von Vorteil, und zwar um so mehr, als durch geeignete Wahl der Kompensationsfeldstärke die transformatorische EMK praktisch ausgeglichen werden kann, wobei die Feldstärke sowohl von der Größe des Luftspaltes bei radialer Verschiebung der Wendepole als auch von der Größe der Polfläche bei axialer Verschiebung abhängt.

Verzögert man den Motor 0 stetig bis zur Drehzahl Null, während man gleichzeitig den Zwischenständer k in den Ständer i zur Hälfte hineinschiebt, so wird an den Bürsten g Drehstrom von Netzfrequenz bei halber größtmöglicher Spannung abgenommen. Beschleunigt man den Motor 0 nunmehr stetig im entgegengesetzten Sinne des Laufes des Hauptpolrades e bis zum absoluten Betrag der synchronen Drehzahl des Hauptpolrades e, so nehmen die Bürsten g an dem Kommutator Drehstrom von doppelter Netzfrequenz bei größtmöglicher Spannung ab. Es können auch andere Vielfache der Netzfrequenz abgenommen werden, nur muß die jeweilige Eintauchtiefe des Zwischenständers entsprechend angepaßt werden.

Dieser Umformer kann im Lokomotivbetrieb zur Speisung von Drehstrommotoren mit Käfigankern dienen, deren Drehzahl sich ohne Verwendung von Widerständen stetig und verlustlos bei bestmöglichem Leistungsfaktor regeln läßt. Dieser Wechselstrom/ Gleichstromumformer stellt gegenüber dem Kandoumformer und dem Spaltphasenumformer einen erheblichen Fortschritt dar, da letztere praktisch nur in Verbindung mit angezapften Ständerwicklungen verwendet werden können und außerdem eine verlustlose Drehzahlregelung der Fahrmotoren nicht jo möglich ist.

Durch die Erfindung ist der Bau von Umformern möglich geworden, die in der Art des Leonardbetriebes die stufen- und verlustlose Regelung der Fahrgeschwindigkeit von einphasig gespeisten elektrischen Fahrzeugen mit Gleich- oder Mehrphasenstrommotoren gestatten, wobei gleichzeitig der Leistungsfaktor des Einphasennetzes verbessert werden kann.

Nicht unerwähnt sei, daß der Kommutator und die Bürsten der Maschinen, durch Stromrichter in bekannten Schaltungen ersetzt werden können.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Spannungs-, Frequenz- und Phasenzahlumformer für elektrische Fahrzeugantriebe, dadurch gekennzeichnet, daß sein gegebenenfalls aus mehreren gegeneinander verschiebbaren Teilen (i, k, I) bestehender Ständer sowohl eine Einphasenwicklung als auch eine Vielphasen-(Gleichstrom-)-Wicklung trägt, welch erstere an das im allgemeinen speisende Netz und welch letztere an einen im allgemeinen zum Verbraucher führenden Kommutator angeschlossen ist, während der Läufer aus einem der Erregung und Leistungsfaktorregelung dienenden Hauptteil (e) und einem stromabhängig erregten Nebenteil (f) besteht, dessen Winkellage zu den den umgeformten Strom über Schleifringe Qi) am Nebenteil (/) des Ständers abnehmenden Bürsten (g) stets unverändert ist und der zur Abnahme verschieden hoher Gleichspannungen in Abhängigkeit von der abgenommenen Spannung gegen den Hauptteil einstellbar ist.

2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwandlung von Wechselstrom in Drehstrom der Nebenteil (f) des Polrades gegenüber dessen Hauptteil (e) um beliebige Winkel und mit beliebigen Winkelgeschwindigkeiten zu verdrehen und ein -die Vielphasenwicklung (c) tragender Zwischenständer (k) gemeinsam mit einem zum Schließen des Kraftflusses dienenden wicklungslosen Hilfsständer (/) innerhalb des unverrückbaren Ständerteiles (i) axial zu verschieben ist (Bild 2), während zur

Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom der Hilfsständer (I) entfallen und der Zwischenständer (k) mit dem Hauptständer vereinigt sein kann (Bild i).

3. Umformer nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine die Spannungsregelung verbessernde sowohl strom- als auch spannungsabhängige Kompensation, deren Stromabhängigkeit in bekannter Weise erzielt, deren Spannungsabhängigkeit aber durch den wirksamen Kompensationsfluß beeinflussende Änderung der Größe des Luftspaltes oder der Polflächen bewirkt wird.

4. Umformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt zwischen dem Nebenteil (/) des Polrades und dem Ständer durch radiale Verschiebung der vom Nebenpolrad (/) getragenen Wendepole regelbar ist. ao

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen