КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОЙ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ОТ БАТАРЕИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Советский патент 1926 года по МПК H02M7/60 

технике как сильных, так и слабых токов гальванические элементы или аккумуляторы применяются или как переносные генераторы электрической энергии, или как резервы для случаев, когда по каким-либо причинам бездействуют электромагнитные генераторы, или, наконец, как буфера для уравнивания колебаний напряжения в сети и колебаний мощности в генераторах, питающих сеть с быстро меняющейся нагрузкой.

Во всех этих случаях элементы дают ток только постоянного направления и требуют для своей регенерации тоже постоянный ток. В виду того, что область применения постоянного тока все время суживается, применение гальванических элементов, по крайней мере в более крупных размерах, в последние годы стало ограничиваться.

Практическое осуществление способа получения от гальванических элементов переменной электродвижущей силы позволило бы использовать аккумуляторы и в цепях переменного тока во всех тех случаях, когда ими пользуются в установках постоянного тока.

Для этой цели были предложены различные способы применения коллектора, к пластинам которого присоединяется группа аккумуляторов таким образом, чтобы при вращении одной или нескольких пар щеток, касающихся поверхности коллектора, в цепь постепенно вводилось бы возрастающее количество последовательно соединенных элементов и, по достижении максимума, снова уменьшалось бы до нуля, после чего включаются в цепь те же элементы, но в обратном прежнему направлении. Подобные приспособления не получили практического применения, по всей вероятности, в виду присущего им всем общего недостатка, заключающегося в том, что отдельные группы в неравной степени участвуют в работе, и предлагавшиеся до сих пор схемы не годились для зарядки в случаях не вполне симметричной формы кривой и для разрядки - в случаях индукционной нагрузки.

Прибор, вполне пригодный для всех случаев практики, должен удовлетворять нижеследующим условиям: 1) через аккумуляторы при чисто омической нагрузке должен проходить ток в одном и том же направлении при различных положениях щеток, т.-е. нигде аккумуляторы не должны соединяться навстречу; 2) аккумуляторы отдельных групп должны участвовать в процессе в одинаковой степени; 3) омическое сопротивление прибора, соединенного с батареей, ни при каком положении не должно очень резко изменяться, в частности не должно быть перерыва в цепи даже в моменты, когда напряжение переходит через нуль; 4) принцип конструкции прибора должен допускать возможность подбора требуемой формы кривой переменной электродвижущей силы с заданной степенью приближения; 5) прибор должен допускать возможность работы при любом коэффициенте мощности, а также при некотором искажении кривой заряжающего тока и 6) коммутирование должно происходить без искрообразования, при чем сила тока при коммутировании должна быть регулируемой при различных условиях работы.

Всем этим условиям удовлетворяет прибор, представляющий собой комбинацию из кругового элементного редуктора (целленшальтера) и коммутатора-выпрямителя, меняющего полярность одной щетки цепи переменного тока в тот самый момент, когда на редукторе выключены все элементы.

Таким образом, предлагаемый способ по существу отличается от прежних тем, что выключение элементов и включение их производится с одного конца батареи, а не с обоих, что дает возможность менять через четверти и полпериоды порядок последовательности включения групп элементов и тем добиться необходимой равномерности их участия в работе даже при наличии обстоятельств, нарушающих симметрию кривых напряжения тока.

На фиг. 1 показано в развертке коммутирующее устройство с синусоидальными делениями. Оно состоит из двух неподвижных коллекторов, связанных электрически между собой и с группами элементов, при чем щетки, касающиеся каждого из коллекторов, расположены на одной общей производящей обоих цилиндров. Деления расположены так, чтобы в течение каждой четверти периода одна щетка оставалась при постоянном потенциале, двигаясь по сегменту, не разделенному на части и соединенному либо с плюсом, либо с минусом батареи, а другая щетка в это же время двигается по пластинам, соединенным с отдельными группами батареи.

Для полной равномерности использования групп аккумулятора, пластины коллекторов соединяются между собою так, чтобы - после достижения максимума - группы выключались в той же последовательности, в какой они включались от нуля до максимума, а после каждого полупериода порядок включения групп должен быть прямо противоположен порядку включения за предыдущий полупериод.

Последнее условие становится ясным из графика фиг. 7. Этот график представляет кривую тока для случая, когда батарея аккумуляторов дает переменный ток в цепь с одним омическим сопротивлением и с одним индукционным сопротивлением. В случае только омического сопротивления в аккумуляторах кривая тока совпадает с кривой электродвижущей силы, т.-е. представляется пульсирующей с синусоидальными полуволнами. Площадь этих полуволн изображает количество электричества, отданное батареей аккумуляторов в цепь переменного тока, и для компенсирования его нужно заряжать батарею постоянным током силой, равной приблизительно половине амплитуды переменного тока (пренебрегая потерями). На графике можно видеть, как балансируется количество электричества заряда и разряда в отдельных группах; так, напр., показан пунктирной чертой вид кривой тока и соответствующей площади амперчасов для первой группы при синусоидальном делении.

Если нагрузка чисто индукционная (или емкостная), то кривая силы тока в аккумуляторах сдвинута на 90°, и ток в аккумуляторах изменяет свое направление, будучи то зарядным, то разрядным.

Число амперчасов, отданное батарее при таких условиях, если пренебрегать потерями, будет равно нулю за каждые четверть периода. Это верно для всей батареи в целом, но неверно, как видно по диаграмме, для отдельной группы аккумуляторов. Так, например, первая группа аккумуляторов будет больше заряжаться, чем разряжаться, а последняя - больше разряжаться, чем заряжаться. Таким образом, электрохимическое действие безваттного тока сведется как бы к перекачиванию энергии из передних аккумулятор в задние или наоборот. Чтобы это не нарушало баланса, необходимо удовлетворить вышеуказанному условию включения аккумуляторов во второй полупериод в обратном порядке номеров, чем в первый период. На основании этого предлагается коллектор из чередующихся сегментов.

Коллекторы (фиг. 1) состоят из чередующихся сегментов, частично подразделенных на пластины, частично гладких и расположенных друг относительно друга так, что против подразделенных сегментов одного коллектора приходится неподразделенный сегмент другого коллектора, и двух щеток, расположенных на одной производящей цилиндрической поверхности коллектора, скользящих по ним и соединенных с контактными кольцами, с которых снимается переменный ток. Сегменты коллекторов подразделены на пластинки различной ширины, постепенно увеличивающиеся в одном сегменте и постепенно уменьшающиеся по ширине - в другом сегменте, расположенном против.

Для введения сопротивления в момент коммутирования применяются, с целью избежания увеличения диаметра коллектора - вспомогательные щетки и сплошные или составленные из отдельных сегментов контактные кольца, при чем каждый коллектор разделен на изолированные друг от друга части так, что пластины одной части приходятся против изолирующих прокладок другой (фиг. 2-4) и ширина их может постепенно изменяться (фиг. 2).

На фиг. 2 показан вид части развертки коллектора при неравномерных делениях.

На фиг. 3 показано дальнейшее изменение, имеющее целью вынести сопротивление за пределы коллектора, сделать его неподвижным и регулирующимся. Это сопротивление одним концом соединено электрически с основной щеткой (на чертеже - верхней), а другим концом с добавочным контактным кольцом, между которым и второй частью коллектора устанавливается электрическое соединение через пару добавочных щеток. На фиг. 4 показан способ введения в различные зоны коммутирования различной величины сопротивления, чтобы еще более приблизить кривую электродвижущей силы к заданной. Конструкция отличается от указанной на фиг. 6 тем, что добавочное контактное кольцо ламелировано и к отдельным ламелям подведены провода от той или иной части сопротивления.

Для получения переменного тока от батареи гальванических элементов, ротор коммутирующего устройства вращается вспомогательным мотором постоянного тока, число оборотов которого устанавливается соответствующим желаемому числу периодов переменного тока. Удобно, в этом случае, применять в роли вспомогательного мотора маленький одноякорный умформер, который для случая зарядки будет питаться со стороны переменного тока, пускаться в ход всегда со стороны постоянного тока и во время разрядки батареи может быть переведен на питание со стороны переменного тока и работать как синхронный мотор, автоматически поддерживая раз установленное число периодов тока, даваемого батареей.

Регулирование напряжения может быть достигнуто при помощи трансформатора.

Коммутирующее устройство по принципу - вполне обратимая машина, а потому построенная для получения переменного тока от батареи может годиться и для получения постояного тока от сети переменного тока. При его посредстве можно использовать батарею аккумуляторов в качестве резервной или буферной в цепях переменного тока так же, как и в цепях постоянного тока.

Для преобразования одного переменного тока в другой переменный ток, например, однофазный во многофазный или, наоборот, ток одного периода в ток другого периода, применяются два редуктора-преобразователя, из которых один заряжает батарею аккумуляторов от генераторов преобразуемого переменного тока, а другой разряжает батарею, давая переменный ток требуемой фазности и заданного числа периодов. В некоторых случаях можно оба прибора скомбинировать в один.

Применением трансформаторов для подвода и отвода тока можно совершенно разделить сети обоих родов тока.

В коммутирующем устройстве, в тех случаях, когда коллектор имеет синусоидальное деление и когда батарея аккумуляторов работает, как емкостная, средние группы аккумуляторов работают интенсивнее крайних, отдавая, в случае разрядки, процентов на 20 большее количество электричества в сеть, чем крайние и получая при зарядке настолько же большее количество электричества от генератора переменного тока.

Для восстановления баланса, который может быть нарушен, если разрядка производится переменным током, а зарядка постоянным или наооборот, предлагается нижеследующий способ: группы аккумуляторов присоединяются к коллектору не непосредственно, а через переключатель контроллерного типа, схема которого показана на фиг. 5. Этим переключателем можно, при желании, пересоединять все аккумуляторы двумя способами (два положения переключателя), при чем во втором положении те аккумуляторы, которые при первом положении были крайними, окажутся средними, и порядок №№ от средины к краю окажется обратным прежнему. Таким образом, если половину зарядки ввести при первом положении переключателя, а вторую половину зарядки при втором положении, все аккумуляторы при зарядке получат совершенно одинаковое количество электричества, а при разрядке с тем же переключателем все аккумуляторы отдадут одинаковое количество электричества.

Передача энергии при постоянном токе высокого напряжения представляет значительные преимущества по сравнению с передачей переменного тока.

Задача передавать постоянный ток высокого напряжения стала в последнее время насущной, в особенности в связи с появлением мощных ртутных и электронных выпрямителей.

Но постоянный ток не обладает свойствами переменного тока удобно трансформироваться, и потому использование постоянного тока высокого напряжения на месте потребления представляет затруднения. Система Тюри, как всякая система последовательного соединения, мало гибка.

Описанное выше коммутирующее устройство дает возможность разрешить задачу трансформирования постоянного тока при достаточно гибкой схеме, изображенной на фиг. 6. На ней 1-1 питательные провода постоянного тока высокого напряжения, 2 несколько последовательно соединенных групп специальных электрических аккумуляторов, сконструированных аналогично электрическим предохранителям для линий передач высокого напряжения, состоящие из элементов малой емкости, но большей прочности и выносливости. Для этого коммутирующее устройство 3 должно быть специально сконструировано для высокого напряжения, напр., можно прибор сконструировать так, чтобы вращающиеся щетки коммутировали ламели коллекторов в масле, при чем устройства 3 приводятся во вращение не показанными на чертеже вспомогательными моторами или даже одним вспомогательным мотором, обслуживающим несколько редукторов. 4 - первичные обмотки трансформаторов одно- или многофазных, 5 - вторичные обмотки этих трансформаторов; 6 - питательные шины.

Постоянный ток высокого напряжения, циркулирующий по линии передачи 1, заряжает аккумуляторы 2. Одновременно через редукторы-преобразователи 3 эти аккумуляторные батареи дают одно- или многофазный переменный ток высокого напряжения в обмотки трансформаторов 4, а в обмотках трансформаторов 5 индуктируется ток соответственно пониженного напряжения, который поступает с шины 6, при чем обмотки 5 могут между собой соединяться последовательно или параллельно, или оставаться самостоятельными. Возможна комбинация, при которой одна или несколько групп аккумуляторов 2 находится не в конечной точке линии, а где-либо по пути.

Схема обратима и годна для трансформирования переменного тока низкого напряжения в постоянный ток высокого напряжения, с той лишь разницей, что к шинам 6 будут присоединены не потребители, а генераторы.

1. Коммутирующее устройство для получения переменной электродвижущей силы от батареи гальванических элементов или аккумуляторов путем постепенного включения в цепь элементов или одинаковых групп последовательно соединенных элементов, отличающееся совокупным применением: а) двух коллекторов (фиг. 1), связанных электрически между собою и с группами элементов таким образом, что порядок включения во внешнюю сеть и выключения из нее отдельных элементов или групп их меняется через каждый полпериода, с целью более равномерного их участия в работе, каковые коллекторы состоят из чередующихся сегментов, частично подразделенных на пластины, частично же неподразделенных, и расположены друг относительно друга так, что против подразделенных сегментов одного коллектора приходятся неподразделенные сегменты другого; б) двух щеток, расположенных на одной производящей цилиндрической поверхности коллектора, скользящих по поверхности коллекторов со скоростью, соответствующей числу периодов переменного тока, и соединенных с контактными кольцами, с которых снимается переменный ток (фиг. 1).

2. Форма выполнения охарактеризованного в п. 1 коммутирующего устройства, отличающаяся тем, что сегменты коллекторов подразделены на пластинки различной ширины, изменяющейся на обоих коллекторах в противоположных направлениях, с целью получения желаемой формы кривой переменного тока (фиг. 1).

3. Форма выполнения охарактеризованного в п. 1 коммутирующего устройства, отличающаяся тем, что, для введения сопротивлений в момент коммутирования, применены вспомогательные щетки и сплошные или составленные из отдельных сегментов контактные кольца, с целью регулирования сопротивления в различных зонах коммутирования, при чем каждый коллектор разделен на изолированные друг от друга части так, что пластины одной части приходятся против изолирующих прокладок, равных по ширине пластинам другой части, группы же элементов присоединяются - четные к одной части коллектора, а нечетные к другой (фиг. 2, 3 и 4).

4. Применение устройства, охарактеризованного в п.п. 1, 2 и 3, для изменения числа периодов переменного тока, состоящее в том, что при посредстве одного коммутатора производится зарядка батареи от преобразуемого тока, а через другой коммутатор от батареи получается ток требуемого числа периодов.

5. В устройстве, охарактеризованном в п.п. 1, 2 и 3, приспособление для уравнения работы отдельных групп батареи гальванических элементов, присоединенных к коллектору, отличающееся применением контроллера с двумя положениями, позволяющего производить переключение средних групп элементов на место крайних и обратно, таким образом, чтобы порядок приключения элементов к пластинам коллектора от концов батареи к середине менялся на обратный.

6. Применение устройства, охарактеризованного в п. 1, для передачи электрической энергии постоянным током высокого напряжения, преобразованным из переменного тока, состоящее в том, что на месте подачи энергии в линию установлено одно или несколько последовательно соединенных, охарактеризованных в п. 1, коммутирующих устройств, с целью преобразования переменного тока в постоянный, в местах же получения энергии от линии установлено одно или несколько последовательно соединенных, охарактеризованных в п. 1, устройств, с целью преобразования постоянного тока в переменный.