Anordnung zur Kommutierung von elektrischen Maschinen Elektrische Maschinen mit Stromwendern haben ge genüber solchen ohne Stromwender eine Reihe von Nach teilen: Durch die Begrenzung, hervorgerufen durch die zulässige Segmentspannung und Reaktanzspannung, ist es praktisch nicht möglich, die Stromwendermaschinen über ein gewisses Mass hinaus zu vergrössern und da mit die Grenzleistungsmaschinen noch weiter voranzu treiben. Ausserdem sind Kollektor und der Bürstenap parat infolge der doch immer wieder auftretenden Fun kenbildung sehr anfällig und besonders wartungsbedürf tig.
Für die Kommutierung wird ausserdem bekanntlich eine endliche Zeitspanne benötigt, deren Grösse u.a. di rekt proportional der Bürstenbreite und indirekt propor tional der Stegzahl und der Drehzahl ist; da diese Werte aber in jedem Falle endlich bleiben, ist es bei Strom wendermaschinen niemals möglich, die Zeit für die Strom wendung ganz oder nahezu gegen Null gehen zu lassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nach teile zu beseitigen.
Dazu wird bei einer Anordnung zur Kommutierung der umlaufenden Spulen von elektrischen Maschinen nach der Erfindung vorgeschlagen, dass die Enden der Spulen jeweils zu einem Schleifringpaar geführt sind, von wel chem die Stromübertragung zum bzw. vom feststehenden Teil der Maschine über Bürsten erfolgt, wodurch die Stromwendung ausschliesslich im feststehenden Teil der Maschine oder ausserhalb der Maschine durch Schalt mechanismen erfolgt.
Werden dabei beispielsweise für die Schaltmecha nismen steuerbare Siliziumzellen verwendet, dann kann wegen der ausserordentlich geringen Schaltzeit derartiger Zellen die Zeit für die Stromwendung so kurz bemessen werden, dass sie praktisch Null ist bzw. gegen Null geht.
Da ausserdem die Spannung zwischen zwei Schleif ringen bis zu zwei Grössenordnungen höher sein kann als die zwischen benachbarten Segmenten, ergibt sich eben falls eine wesentliche Verbesserung, die sich insbesondere auf die Erhöhung der Reaktanzspannung bezieht. Aus- serdem ist es dadurch möglich, die Grenzleistung von Stromwendemaschinen wesentlich zu erhöhen. Maschinen, die bisher mit Rücksicht auf die Segmentspannung und die Reaktanzspannung mit grossem Durchmesser und kleiner Länge ausgeführt werden mussten, können nun mehr mit kleinem Durchmesser und grosser Länge aus gebildet werden.
Die dadurch wegfallenden Beschleuni gungsmomente ergeben wesentlich kleinere Maschinen.
Um die Anzahl der Schleifringe zu mindern, die ja zunächst in genauer Befolgung des oben angegebenen Er findungsvorschlages mit der Anzahl der bisher verwen deten Lamellen übereinstimmen müsste, wird in Weiter bildung des Gegenstandes der Erfindung vorgeschlagen, dass die Enden der jeweils gleichzeitig kommutierenden Spulen einer geringeren Anzahl von Schleifringpaaren als Spulen zugeführt werden, insbesondere dass diese Spulen alle einem gemeinsamen einzigen Schleifringpaar zuge führt werden. Die Anzahl derartiger zusammengefasster Spulen lässt sich noch dadurch erhöhen, dass man dieje nigen Spulen, die an sich in Lamellenabstand nachein ander kommutieren, durch geeignete Dimensionierung gleichzeitig kommutieren lässt.
Dabei ergibt sich keinerlei Einbusse an Drehmoment, sofern man darauf achtet, dass die Umschaltung in der Pollücke erfolgt. Da üblicherweise die Pollücke etwa 30 der gesamten Polteilung beträgt, kann, unter der Voraus setzung der sehr schnellen und bei Verwendung von Sili- ziumzellen durchaus möglichen Schaltzeit, auch ange nähert 30 % der Wicklungen unter einem Pol gleichzeitig umgeschaltet werden. Da demnach pro Polpaar mittels eines Schleifringpaares 30 % der Spulen umgeschaltet werden können, sind für das gesamte Polpaar also nur 3 bis 4 Schleifringpaare erforderlich.
Ist man bereit, ein nur bei kleiner Drehzahl sich als nachteilig bemerkbar ma chendes kleineres Drehmoment in Kauf zu nehmen, dann kann die Schleifringpaarzahl noch weiter heruntergesetzt werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung in Bei spielen beschrieben.
In Fig. 1 ist die bekannte Anordnung von Lamellen 1, abgewickelt, dargestellt, welche von den positiven Bür sten 2 oder negativen 3 bestrichen werden. Dabei ist an zwei Stellen an den Lamellen 1 noch die mit ihnen ver bundene Spule dargestellt, und zwar einmal in der einen Richtung stromdurchflossen und ein andermal nach dem Kommutierungsvorgang in der anderen Richtung strom durchflossen, entsprechend der an den Spulen eingezeich neten Pfeile. Oberhalb der Lamellen 1 und der Bürsten 2, 3 ist in einem Diagramm der Strom, der über die Bür sten 2, 3 und die entsprechenden Lamellen 1 fliesst, über der Zeit eingetragen.
Am Punkt I ist der volle Strom po sitiv; er wird entsprechend der Stellung der positiven Bürste 2 am Punkt II kurzgeschlossen und am Punkt III umgepolt unter Öffnung, bis am Punkt IV der volle nega tive Strom anliegt. Im rechten Teil des Diagramms wird dasselbe mit umgekehrten Vorzeichen entsprechend der negativen Bürste 3 wiederholt. Man erkennt, dass das Um schalten eine endliche Zeit benötigt, die sich aus dem Ab stand der Punkte 1I, 11I, IV auf der Zeitachse t ergibt.
Führt man nun entsprechend dem Vorschlag nach der Erfindung, wie in Fig. 2 dargestellt ist, die Enden der Spulen nicht zu den einzelnen Lamellen, sondern zu einem Schleifringpaar 4, 5, dann führt der eine Schleifring, bei spielsweise der Schleifring 4, solange positiven Strom und dementsprechend der andere Schleifring 5 solange nega tiven, bis mittels des Schaltmechanismus 6 die Umschal tung durchgeführt ist. Da in diesem Schaltmechanismus 6 vorzugsweise steuerbare Thyristoren verwendet werden sollen mit einer extrem kurzen Schaltzeit,
wird die Zeit dauer für das Umschalten praktisch gleich Null sein.
Ein dementsprechendes Diagramm ist mit den glei chen Bezeichnungen wie in Fig. 1 in der Fig. 3 darge stellt. Die Umschaltzeit entsprechend den Punkten II, III, IV hängt demnach nur noch von der Schaltdauer der Siliziumzelle ab, gegebenenfalls von den Reaktanzen der Maschine.
An einem weiteren Beispiel sei der Vorteil der An ordnung nach der Erfindung noch weiter erläutert: Eine 18-polige Maschine sei mit fünf Windungen pro Nut und mit 240 Nuten ausgebildet, also mit<B>1</B>200 Lamellen. Dem nach entfallen auf einen Pol 240: 18 = 13,33 Nuten.
Neh men wir an, dass wir mit 14 Nuten pro Pol zu rechnen haben, so würden davon als Drehmomenterzeuger je weils unter dem Pol befindlich 70 a/o oder rund 10 Nuten vorhanden sein, während in der Pollücke der Rest, also rund 4 Nuten sind. Daraus folgt, dass etwa Y3 der 14 Nu ten also 5 Nuten bzw. die darin befindlichen Windungen, an je ein Schleifringpaar geführt werden müssen;
es sind also proPolpaarfünfSchleifringpaareimHöchstfallvorzu- sehen. Da aber die anderen Pole zur gleichen Zeit kom mutieren wie der eine soeben behandelte Pol, kann man durch geeignete Schaltung die Enden der den anderen Polen zugeordneten Wicklungen zu diesen fünf Schleif ringpaaren führen, so dass man gegenüber den sonst be nötigten<B>1</B>200 Lamellen eine erhebliche Einsparung durchführen kann.
Prinzipiell ist bei dieser Anordnung ein Wendepol nicht mehr nötig, da der Wendepol ja im wesentlichen die Aufgabe hat, die bei der Umschaltung entstehende Reak- tanzspannung zu kompensieren.
Sollte jedoch durch die Erhöhung der Zahl der gleichzeitig geschalteten Spulen die Reaktanzspannung auch die für die Schaltmecha nismen zulässige Grenze überschreiten, so kann entweder doch ein Wendepol verwendet werden oder in Fortfüh rung der Erfindung eine zusätzliche Spannung ausserhalb der Maschine eingefügt werden. Fig. 4 zeigt in Abände rung der Fig. 2 eine derartige Anordnung; nach ihr wird eine Zusatzspannung an der Stelle 7 in an sich bekannter Weise eingefügt.
Es wird also im wesentlichen vorgeschlagen, den be kannten Kommutator durch Schleifringe mit Bürsten und einem Schaltmechanismus zu ersetzen. Sofern die Ma schinenspannung die Sperrspannung der einzelnen Schal ter des Schaltmechanismus nicht übersteigt, bringt diese neue Anordnung insoweit keine Schwierigkeiten. Vor zugsweise für Anordnungen, wo das nicht der Fall ist, wird in Weiterbildung der Erfindung nunmehr vorge schlagen, dass durch geeignete Reihen- und/oder Parallel schaltung der im Schaltmechanismus angeordneten Schal ter die Summe der pro Reihenschaltung an ihnen abfal lenden Spannungen grösser als die Maschinenspannung oder ihr gleich ist.
Eine derartige Anordnung wird beispielsweise in der Fig. 5 der Zeichnung beschrieben. An den beiden mit plus und minus bezeichneten Klemmen 1 wird die Ma schinenspannung, beispielsweise 900 V, eingespeist. Die Sperrspannung pro Schalter 4 betrage jeweils 500 V.
Im Rahmen. des Erfindungsvorschlages sind also jeweils pro Phase und Schleifring (dieser angedeutet durch gestrichelte Linie 3) zwei Schalter mit einer demnach an ihnen ins gesamt abfallenden Sperrspannung von 2 x 500 V = <B>1000</B> V angeordnet. Dabei liegen die ersten Schalter in Höhe der Stufe I und die zweiten Schalter in Höhe der Stufe 1I. Nachteilig bei dieser Anordnung ist es jedoch, dass nunmehr doppelt soviel Schalter für den Schaltme chanismus notwendig sind wie bei Anordnungen mit einer Maschinenspannung, welche niedriger ist als die Sperr spannung eines einzelnen Schalters.
Noch aufwendiger wird eine derartige Anordnung jedoch dann, wenn die Maschinenspannung noch mehr steigt: Ein derartiges Bei spiel zeigt die Fig. 6, bei welcher drei Stufen I, II, III von Schaltern 4 dargestellt sind. Hier kann also, um im Rahmen der Beschreibung zur Fig. 5 zu bleiben, eine insgesamt an den Spulen 2 abfallende Maschinenspan nung von<B>1500</B> V geschaltet werden; der Aufwand be trägt aber ein dreifaches an Schaltern 4.
In zusätzlicher Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass innerhalb der einzelnen Stufen jeweils einige zueinander parallele Reihenschaltungen gruppenweise in Parallelschaltung zu- sammengefasst sind, wobei dann jede Gruppe einer Nach stufe auf ein Schalterpaar der Vorstufe geschaltet ist.
Es wird dadurch eine erhebliche Anzahl von Schaltern ein gespart, wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Beispiele nach den Fig. 7 und 8 ergibt: Die Fig. 7 zeigt eine Anordnung, die aus einer ähn lichen wie die nach der Fig. 5 hervorgegangen ist; gleiche Teile sind dabei mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Üblicherweise ist nämlich nur immer ein positiver und ein negativer Einspeisepunkt gleichzeitig geschaltet, wenn man von der kurzfristigen Umschaltzeit von diesem je weiligen Punkt auf den nächsten jeweiligen Punkt ab sieht. Dieser Einspeisepunkt wird also entsprechend der Kommutierung der einzelnen Spulen 2 weitergeschaltet.
Die Schalter 4 der Stufe II, welche also über die Schleifringe, die durch die gestrichelte Linie 3 ange deutet sein sollen, direkt an den Spulen 2 liegen, werden kontinuierlich wie bisher weitergeschaltet. Die Schalter 4 der Stufe I können jedoch nach der Erfindung mehrfach benutzt werden. Dazu werden eine Anzahl von Schaltern 4 der Stufe II zu Gruppen 5 zusammengefasst und, zu einander polarisiert, in der Stufe I parallelgeschaltet. Im vorliegenden Beispiel werden also pro Gruppe 5 jeweils vier Schalter 4, insgesamt also 16 Schalter 4, gegenüber dem Beispiel nach der Fig. 5 eingespart.
Die Anzahl der einzusparenden Schalter 4 oder was im Ergebnis dasselbe ist - die Anzahl der pro Grup pe 5 zusammenzuschaltenden Schalter 4 ergibt sich aus der einzuhaltenden Notwendigkeit, jederzeit eine genü gende Anzahl von Schaltern 4 pro Polarität und jeweils kommutierender Spule zur Verfügung zu haben, um an ihnen ein Spannungsminimum als Gesamtsperrspannung abfallen zu lassen, das zumindest gleich der Maschinen spannung ist; im Beispiel nach der Fig. 5 wären das also <B>1000</B> V bzw. 900 V. Mit anderen Worten: Es muss jeder zeit gewährleistet sein, dass zwischen der positiv polari sierten und der negativ polarisierten Einspeisung minde stens zwei gesperrte Schalter 4 liegen.
Unter Berücksich tigung dessen, dass die positive und die negative Ein speisung um 180 elektrisch voneinander entfernt sind und dass fernerhin bei der Umschaltung von einer Spule der Spulen 2 auf die nächste auch kurzzeitig je zwei Schalter 4 pro Polarität freigegeben sind, kann man die Schalter 4 der Stufe 1t pro Polarität jeweils zu dritt zu einer Gruppe 5 zusammenfassen und entsprechend der Fig. 7 vor jede Gruppe 5 in der Stufe I pro Polarität einen Schalter 4 schalten.
Will man noch mehr Schalter 4 hintereinander schal ten, so gelten ähnliche Überlegungen: In jedem Fall muss eingehalten werden, dass die Anzahl der Gruppen der Nachstufe doppelt so gross ist wie die Anzahl der Ge samtstufen, soweit sie sich auf die jeweils betrachtete Stufe und die davor liegenden Vorstufen bezieht.
Es sei dazu noch auf die Fig. 8 hingewiesen, in wel cher eine dreistufige Schaltung dargestellt ist. In der Stufe III sind dementsprechend sechs Gruppen 5 angeordnet. Betrachtet man nun nur die Stufen I und 1I, dann han delt es sich insoweit um nur zwei Stufen, dementsprechend sind in der Stufe II vier Gruppen 5 angeordnet.
Durch die so in einfacher Weise erhöhte Summe der Sperrspannungen pro Reihe erhöht sich aber zusätzlich noch die Leistung: Vergleicht man die Fig. 5, 6 mit den Fig. 7 und 8, so ergibt sich folgendes: Bei den Schaltern 4 nach der Fig. 5 und 6 betrage die Leistung pro Schalter 4 den Wert 1; bei dem Beispiel nach der Fig. 7 würde die entsprechende Leistung pro Schaltelement sich wie folgt erhöhen: 24 : 16 = 1,5, d.h. um diesen Wert ist die genannte Leistung höher.
Für das Beispiel nach der Fig. 8 ergibt sich sogar ein Faktor 1,71, da folgende Rechnung gilt: 36 : 21 = 1,71.