СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МНОГОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ И НАОБОРОТ Советский патент 1937 года по МПК H02M7/88 

Задаче получения простыми средствами постоянного тока из двухфазного или многофазного, главным образом, трехфазного переменного тока или обратно, издавна придавалось очень важное значение. Наиболее известным разрешением этой задачи является одноякорный преобразователь, у которого переменный ток подводится через контактные кольца в обмотку якоря и снимается в виде постоянного тока с обыкновенного коллектора. Такая машина вполне удовлетворяет требованиям надежности, пока приходится иметь дело с напряжениями и силами тока средней величины. Максимальный предел напряжения или силы тока, до которого можно идти с точки зрения экономичности конструкции одноякорного преобразователя, зависит прежде всего от коллектора. Например, при сравнительно высоких напряжениях необходимо во избежание искрения делать очень большое число пластин. При напряжении, доходящем до нескольких десятков тысяч вольт и более, вообще считается при современном состоянии техники невозможным сконструировать надежно работающий коллектор обычного типа.

Однако, существует ряд и других способов. Так, например, можно указать на способ, описанный Хейнсом в американском патенте №661719, согласно которому фазы между двумя последовательными пластинами присоединяются каждая к отдельному коллектору, после чего различные коллекторы соединяются последовательно. Таким путем различные выпрямленные импульсы напряжения складываются в одно равнодействующее напряжение постоянного тока, обладающее почти постоянной амплитудой.

Недостаток подобной системы заключается в том, что подводимое к коллекторам переменное напряжение изменяется по синусоиде, и поэтому не имеется сколько-нибудь продолжительных интервалов с нулевым напряжением, во время которых могло бы происходить свободное от искрения коммутирование.

Задача настоящего изобретения заключается в устранении указанных затруднений с целью сделать возможным получение постоянного тока из синусоидальною переменного тока при очень высоких напряжениях и очень больших силах тока, не прибегая к устройству громоздких коллекторных устройств и не вызывая недопустимого искрения.

Изобретение заключается и том, что на каждое фазное напряжение переменного тока накладывается вспомогательное напряжение, имеющее такую форму кривой, что равнодействующее фазное напряжение, насколько это практически возможно, получает достаточно длинные интервалы с нулевым напряжением между последовательными периодами напряжения не только при холостом ходе, но и при нагрузке, после чего полученные таким образом фазные напряжения выпрямляются каждое в отдельности и затем складываются в одно общее постоянное напряжение.

Дальнейшие признаки изобретения будут видны из нижеследующего описания с ссылкой на приложенные чертежи, на которых фиг. 1-5 изображают некоторые формы кривых напряжения; фиг. 6-9 поясняют идею изобретении в применении к трехфазной системе; фиг. 10 - одну из форм выполнения устройства согласно изобретению; фиг. 11 - вид одного полюсного деления в развернутом виде; фиг. 12 и 13 - кривые, относящиеся к устройству по фиг. 12; фиг. 14 схематически показывает вид устройства по фиг. 11, если смотреть с внутренней стороны якоря; фиг. 15 и 16 - некоторые кривые; фиг. 17-21 - варианты выполнения изобретения.

На фиг. 1 показана диаграмма напряжения для синусоидального трехфазного тока со взаимно смещенными на 120 электрических градусов фазами а, b и с. Если бы было возможно выпрямить все отрицательные полуволны, то получилась бы (по крайней море теоретически) диаграмма, изображенная на фиг. 2, где буквами a₁ b₁ с₁ обозначены перевернутые отрицательные полуволны напряжения соответствующих фаз. Если сложить все эти выпрямленные импульсы по способу, указанному Хейнсом, то получится кривая d (фиг. 2), изображающая наложенное переменное напряжение, имеющее шестикратную частоту. Однако, как уже указывалось выше, на практике невозможно пользоваться такими кривыми, так как между соседними периодами напряжения, например, между а и а₁ не существует конечной величины интервала с нулевым напряжением, нужного для целей коммутирования. В виду того, что необходимые для перевертывания полуволн напряжения и тока щетки имеют по необходимости некоторую ширину по касательному направлению, часть волны напряжения, находящегося вблизи нулевой линии волны, замыкается накоротко, благодаря чему отчасти происходит искажение формы кривой волны, отчасти же возникает склонность к искрению.

Чтобы лучше пояснить идею изобретения, необходимо сначала изложить некоторые соображения относительно желательной формы кривой выпрямленных импульсов напряжения. Соответственно этому на фиг. 3 показаны три таких импульса прямоугольной формы, относящиеся к трем фазам e₁, f₁ и g₁. Длина каждого импульса напряжении, составляет здесь 60 электрических градусов или вообще равно 180°, деленным на число фаз . Поэтому ясно, что когда эти отдельные напряжения наложены друг на друга, получается постоянное напряжение с постоянной амплитудой . Между каждыми двумя волнами напряжения находятся значительные интервалы с нулевым напряжением, длина которых соответствует 120 электрическим градусам или вообще электрических градусов.

Между тем; само собою разумеется, что при этом имеет место сравнительно плохое использование органов, создающих напряжение, хотя с другой стороны и имеются длинные промежутки с нулевым напряжением.

Дли того, чтобы улучшить использование, можно представить себе согласно фиг. 4, что волны напряжения трех фаз e_2, f₂, g₂ имеют вдвое большую длину, т.е. соответствуют градусов или в общем градусов, где n - целое число, меньшее чем m, причем для промежутков с нулевым напряжением остается только 60 электрических градус или в общем градусов.

Когда эти напряжения накладываются друг на друга, получается, попятно, постоянное напряжение с амплитудой k, равной 2h или в общем . Таким образом, не повышая напряжения, даваемого органами, создающими напряжение, можно получить в трехфазной системе при h=2 вдвое большее равнодействующее напряжение постоянного тока, чем в первом случае.

Однако, на практики затруднительно получать кривые правильной прямоугольной формы. Поэтому следует предпочесть для выпрямленных фазных напряжений e₃, f₃, g₃, показанную на фиг. 5 трапецоидальную или сходную с ней форму. Как показано на фиг. 5, каждая трапеции занимает, как и на фиг. 4, около 120°, но так как боковые стороны в этом случае имеют наклон около 20°, то гребень волны занимает 120-20=100 электрических градусов, а промежуток с нулевым напряжением 60-20=40 электрических градусов. Очевидно, что и в этом случае при взаимном накладывании напряжений можно получить равнодействующее напряжение постоянною тока, равное k, амплитуда которого вообще строго постоянна при условии, что импульсы напряжения или имеют строго трапецоидальную форму, или же имеют периоды с постоянной амплитудой. Эти периоды с постоянной амплитудой должны связываться с промежуточными периодами нулевого напряжения синусоидальными кривыми, расположенными симметрично по отношению к прямой линии, расположенной параллельно оси диаграммы, и находящейся на расстоянии от этой оси, равном половине высоты волны. Вообще при наклоне боковой стороны (трапеции), равном γ°, длина гребня волны равна электрических градусов, а длина промежутка с нулевым напряжением равна градусов. Угол наклона, следовательно, должен быть меньше градусов.

Поэтому, если имеется синусоидальная кривая А, В (фиг. 6), которую мы хотим деформировать таким образом, чтобы получилась трапецоидальная кривая напряжения CD, то очевидно, нужно наложить на напряжение AВ другое переменное напряжение. Если задаться условием, чтобы площадь кривой была в обоих случаях одинакова, то названное добавочное напряжение должно иметь промежуток с отрицательным напряжением, соответствующий площади Е, затем промежуток с положительным напряжением соответственно площади F, затем отрицательный промежуток G, положительный промежуток И и отрицательный промежуток К. Конечно, точно такая же добавочная кривая напряжения, только с противоположными знаками, должна быть наложена и на отрицательную полуволну В, чтобы получить трапецию D.

Между тем получение необходимой добавочной кривой EFGИК наталкивается на практические затруднения. Однако, можно получить весьма удовлетворительное приближение при помощи показанной на фиг. 7 вспомогательной кривой напряжения для 360 электрических градусов. Кривая эта имеет отрицательные участки L, О, M₁ и N₁ и положительные участки М, N, L₁ и O₁. Накладывая эту кривую на синусоидальную кривую А, В (фиг. 6), можно получить показанную на фиг. 8 равнодействующую кривую А₁, В₁. Эта последняя кривая довольно близка к желаемой трапецоидальной форме за исключением нескольких небольших отклонений в области постоянной амплитуды трапеции. При выпрямлении такого трапецоидального переменного напряжения получится показанная на фиг. 9 кривая A₁В₁. Если все три фазы имеют приблизительно такую же трапецоидальную кривую напряжения и каждая фаза в отдельности выпрямляется, то получатся кроме того кривые A₂В₂ и A₃В₃. накладывая друг на друга все три напряжения, получим равнодействующее напряжение постоянного тока, имеющее приблизительно удвоенную амплитуду, но это постоянное напряжение несколько искажено переменными колебаниями, имеющими шестикратную частоту, благодаря чему минимальная мгновенная амплитуда постоянного напряжения приблизительно на 13% меньше максимальной мгновенной амплитуды того же напряжения. Между тем это наибольшее отклонение можно снизить до 4%, если применить вместо одной трехфазной группы две включенные между собой последовательно трехфазные группы, смещенные взаимно по фазе на 30°. Если еще больше увеличишь число трехфазных групп, то максимальное отклонение в постоянной амплитуде будет уменьшаться приблизительно пропорционально квадрату увеличения числа групп. Теоретически нет препятствий к выполнению установки с любым числом последовательно включенных трехфазных групп, но из практических соображений приходится ограничиться применением одной и не более двух групп, допуская соответствующую пульсацию напряжения постоянного тока.

В форме выполнении с двумя последовательно включенными трехфазными группами, показанной на фиг. 10, синусоидальное трехфазное напряжение переменного тока подводится по проводам 1, 2, 3, в которые включены два трансформатора T₁, T₂. Первичная обмотка у трансформатора T₁ включена звездой, а у второго трансформатора T₂ - треугольником. Таким путем получается, как известно, желаемое смещение на 30° между двумя вторичными цепями. Кроме того, трансформатор Т₁ снабжен особой соединенной треугольником обмоткой , назначение которой объяснено в дальнейшем. Вторичные обмотки трансформаторов обозначены буквами L₁-L₀. Цифровые индексы обозначают и данном случае последовательность фаз в различных обмотках. Разные обмотки разделены друг от друга электрически и смещены относительно друг друга по фазе на угол 30°.

Шесть вторичных обмоток в порядке последовательности их фаз включены каждая на одну из рабочих обмоток S₁-S₆ синхронной машины G₁, которая в данном примере для простоты показана двухполюсной, хотя, как будет видно в дальнейшем, эта машина вместе с присоединенным к ней коллектором должна предположительно выполняться с числом полюсов, кратным четырем. При этом сдвиг между двумя последовательными фазами составляет только 30 электрических градусов. Согласно изобретению, необходимо индуктировать в рабочих обмотках вспомогательное переменное напряжение, например, имеющее форму кривой, показанную на фиг. 7. Следует заметить, что при кривой, показанной и виде примера на фиг. 7, создаваемой машиной G₁ результирующий эффект будет чисто реактивный, в предположении, что сила тока будет почти постоянной, так как площадь положительных участков MN кривой совпадает с площадью отрицательных участков LO. При постоянной амплитуде тока (можно, предположить, что от машины отбирается ток постоянной силы) различные волны напряжения дадут одинаковую по величине мощность, но с разными знаками (разного направления). Поэтому не требуется затраты особой активной энергии для поддержания вращения машины G₁ и нужно лишь покрытие потерь на трение и на холостой ход при помощи особого двигателя, включенного в сеть 1, 2, 3 и принадлежащего лучше всего к типу так называемого авто-синхронного двигателя. То обстоятельство, что нагрузка этого двигатели не зависит от рабочей нагрузки постоянного тока, может в некоторых случаях иметь важное значение.

Далее, в каждую вторичную цепь трансформаторов включен свой отдельный коллектор К₁-К₆. Каждый коллектор состоит из двух пластин, причем пластины различных коллекторов взаимно смещены на угол в 30 электрических градусов. Так как при каждом обороте коллектора происходит четыре замыкании накоротко, то указанный угол соответствует 15 механическим градусам. Производимые щетками короткие замыкании в различных коллекторах следовательно взаимно по фазе соответственно углу взаимного сдвига фаз между обмотками L₁-L₆.

Поэтому в случае, если машина G₁ двухполюсная, то коллекторы должны вращаться вдвое медленнее, чем машина. По этой причине машина с двухпластинчатыми коллекторами выполняется на практике с четырьмя полюсами (т.е. с четырьмя полюсными стержнями или сердечниками), так что коллекторы могут быть непосредственно соединены с валом машины. По этой же причине при четырех пластинах в каждом коллекторе число полюсов машины должно равняться восьми, при шестипластинчатых коллекторах число полюсов должно составлять двенадцать и т.д. Перпендикулярно к паре щеток 4, 5, например, у коллектора К₁ устраивается вторая пара щеток 6, 7, от которых могут отводиться выпрямленные импульсы напряжения. Остальные коллекторы устроены таким же образом и соединены между собою последовательно, так что от зажимов 8, 9 можно брать выпрямленное напряжение. Как показывает фиг. 7 в синхронной машине G₁ во время каждого полупериода должны быть возбуждены четыре волны напряжения, причем целесообразно возбуждать четыре смежные волны (например, NO L₁ М₁) от одного и того же полюсного сердечника. Кроме того, индуктированные вспомогательные переменные напряжения должны возникнуть в течение той части периода, во время которой фазное переменное напряжение переходит от положительного значения к отрицательному или наоборот. Зато в те моменты, когда фазное напряжение переходит черен максимум, вспомогательные переменные напряжения должны равняться нулю. Отсюда вытекает, что полюсы машины G₁ должны быть расположены таким образом, чтобы стороны катушек любой фазы у средней линии полюсного деления лежали посредине между двумя максимальными пунктами фазного напряжения. Это обстоятельство в свою очередь подтверждает тот факт, что отдаваемая машиной энергия является чисто реактивной. Само собой разумеется, что полюсные наконечники должны быть снабжены такой обмоткой возбуждения P₁, чтобы вспомогательные переменные напряжения как можно ближе приближались к желаемой форме кривой и, кроме того, были бы пропорциональны данному фазному напряжению. Позже мы рассмотрим, как должна быть устроена возбуждавшая обмотка P₁ для того, чтобы она удовлетворяла первому из указанных условий. Для второго же условия целесообразно питать побуждающую обмотку P₁ от одноякорного преобразователя G₂ у которого сторона переменного тока получает ток по проводам 10, 11, 12 непосредственно от сети 1, 2, 3.

Фиг. 11 изображает вид соответствующий одному полюсному делению или 180 электрическим градусам, согласно расстоянию между двумя последовательно следующими положительным и отрицательным максимумами кривой переменного напряжения у каждой фазы. В данном примере полюсное тело сконструировано для получения наклона стороны трапеции, равного 20 электрическим градусам. В этом случае, участок а₇-b₇ на фиг. 7 соответствует 20°, участок и участок d₇-e₇-20°. Кроме того, если в качестве первого приближения заменить ломаную линию напряжения и магнитодвижущей силы на фиг. 7 ступенчатой кривой, показанной на фиг. 12, то этим определится следующая конструкция полюса. По обе стороны от середины полюса располагаются два широких паза 16 и 17 на расстоянии 30 электрических градусов от середины. Между этими двумя пазами располагаются четыре гораздо более узких паза, отстоящие друг от друга на 10 электрических градусов, т.е. на расстоянии от 5 до 15 градусов от середины полюса. С наружных сторон широких пазов 16 и 17 находятся еще четыре узких паза 22, 23, 24, 25, расположенные симметрично на расстояниях в 45 и 55 электрических градусов от середины полюса. Группы проводников 26, 27, 28, 29 (в некоторых случаях только 26 и 29) образуют в данном примере коммутирующую обмотку 20 (в некоторых случаях лишь часть последней), и тогда остальная часть прокладывается в промежутках 60, 61.

На фиг. 14 показан вид полюса снизу, причем ясно видно расположение проводников. Компенсирующая обмотка 10 состоит из проводников или групп проводников 30-43. Общее расположение проводников видно из фиг. 14. Создаваемая коммутирующей обмоткой 26-29 и 27-28 магнитодвижущая сила H₁ изображена на фиг. 13. Если применяются только группы проводников 26-29, то кривая Н₁ имеет правильную прямоугольную форму. Создаваемое ею коммутирующее напряжение должно, конечно, полностью совпадать с периодом замыкания накоротко. Магнитные оси как коммутирующей, так и компенсационной обмотки совпадают с серединой полюсного деления.

Сама возбуждающая обмотка состоит из четырех групп, а именно, одна группа - из проводников 44-47 и 45-46 имеет в данном случае свою магнитную ось на расстоянии от 42,5 до 37,5 градусов от середины полюса; следующая группа, состоящая из проводников или групп проводников 48-51 и 49-50, имеет магнитную ось на расстоянии от 17,5 до 22,5 градусов от середины полюса. Вторая половина каждого полюса состоит из двух групп, симметричных с первыми группами, а именно: группа 52-55-53-54 и группа 56-59, 57-58, магнитные оси которых расположены симметрично с магнитными осями двух ранее рассмотренных групп. Магнитодвижущая сила, создаваемая возбуждающей обмоткой, изображена на фиг. 12. Эта кривая электродвижущей силы состоит из ступенчатой положительной части N₂, отрицательной части О₂, положительной части L₂ и, наконец, отрицательной части M₂. Для сравнения показаны тонкими линиями части NO, L₁ и M₁, соответствующие кривой фиг. 7. Полученная магнитодвижущая сила очень близко соответствует желательной кривой. Кроме того следует отметить, что на практике не получается очень резких переходов между различными частями кривой, так что в действительности отклонения гораздо меньше, чем показанные на чертеже. Наконец можно добиться дальнейшего выравнивания, если придать пазам якоря некоторый наклон по сравнению с пазами магнитного полюса.

В случае, если для исправления коммутации требуется применение регулирующей обмотки 30, то таковую вместе с той частью коммутирующей обмотки, для которой не хватает места в пазах 26-29, можно уложить в промежутки 60-61, показанные на фиг. 11 пунктиром.

Чтобы объяснить роль особой обмотки L₀, устраиваемой на том трансформаторе T₁, у которого первичная обмотка соединена звездой, необходимо отметить следующее. Как вытекает из фиг. 10, ток, проходящий, например, по цепи 5, S₁, L₁, 4, должен по своей силе точно равняться главному постоянному току в цепи 8, 7, 6, 9 при всех положениях коллектора за исключением тех угловых положений, в которых одна из щеток 4, 5, 6 или 7 производит копоткое замыкание между двумя пластинами, причем, понятно ток может проходить непосредственно между щетками 6 и 7, минуя цепь обмотки якоря. Поэтому, согласно фиг. 15, фазный ток состоит из горизонтальной положительной части и отрицательной горизонтальной части I₁₂. При этом предполагается, что ток на участке α изменяется по кривой I₁₃, согласно принципу так называемой прямолинейной коммутации. Для большой ясности на чертеже изображены также и волны A₁ и В₁ фазного напряжения. Указанные соотношения относятся к фазе L₁. В фазе L₅ ток изменяется по кривой I₂₁, I₂₂, а в фазе L₃ - по кривой I₃₁, I₃₂. У обыкновенных трансформаторов при синусоидальной форме тока (см., например, диаграмму на фиг. 1) сумма всех фазных токов всегда равна нулю, но так как токи, согласно фиг. 15, не соответствуют синусоиде и вообще не имеют такой формы, при которой сумма фазных токов равна нулю, то при складывании мгновенных значений сил токов получается равнодействующий ток I₄ (фиг. 16), пульсирующий с трехкратной частотой. Между тем, в системе, соединенной звездой без нулевого провода, сумма токов должна всегда равняться нулю, т.е. ток I₄ в таком трансформаторе не может иметь места. Поэтому для того, чтобы трансформатор T₁ работал правильно, необходимо, чтобы нулевая точка первичной обмотки была соединена с нулевой точкой сети или чтобы при отсутствии нулевого провода была устроена обмотка о, через которую могли бы проходить выравнивающие токи.

Если требующееся напряжение постоянного тока настолько высоко, что изображенная на фиг. 10 машина G₁ не может быть удовлетворительно выполнена для этого напряжения, то можно сконструировать машину G₁ для низкого напряжения, а к цепям высокого напряжения подводить при помощи трансформатора дополнительные напряжения и путем коммутирования в цепях высокого напряжения получить требующееся высокое напряжение постоянного тока. При этом имеется несколько различных возможностей: во-первых, можно сначала трансформировать напряжение трехфазной сети, повысив его до величины, необходимой для питания добавочной машины, причем одновременно с этим можно осуществить преобразование числа фаз. После того, как добавочная машина преобразует синусоидальную кривую напряжения в трапецоидальную форму с интервалами, имеющими нулевое напряжение, такое деформированное напряжение повышается до желаемого предела путем трансформирования, после чего выпрямляется коллектором высокого напряжения. В этом случае, кроме показанных на фиг. 10 трехфазных трансформаторов T₁ и Т₂, применяются для дальнейшего повышения напряжения два дополнительных трансформатора T₃ и Т₄ (фиг. 17); во-вторых, возможно выполнить трансформаторы T₁ и Т₂ (фиг. 10) непосредственно для такого вторичного напряжения, которое соответствует выпрямленному напряжению, а добавочное высокое напряжение подводить в различные фазы путем трансформаторов, вторичные обмотки которых с этой целью включаются последовательно в эти фазы, первичные же обмотки присоединяются к зажимам добавочной машины низкого напряжения (фиг. 20). Величина этих трансформаторов должна соответствовать лишь мощности добавочной машины и вследствие этого они обыкновенно получаются меньше, чем в предыдущем случае.

Таким образом, согласно фиг. 17, фазные обмотки S₄₁ и S₄₆ машины G₄ присоединяются в правильной последовательности фаз к первичным обмоткам трансформаторов Т₃ и Т₄. Вторичные обмотки этих трансформаторов присоединены к коллекторам К₁ и К₆ точно таким же образом, как показано на фиг. 10. В общем соблюдены те же принципы, как и на фиг. 10 с несколькими упомянутыми выше исключениями, обусловленными отчасти более высоким напряжением постоянного тока, отчасти же необходимостью возбуждать трансформаторы Т₃, Т₄. При высоком напряжении постоянного тока не всегда возможно применить этот постоянный ток высокого напряжения для питания компенсационной и коммутационной обмоток в машине G₄, но может понадобиться применение постоянного тока с более низким напряжением. Для получения этого последнего, а также для регулирования его соотношения с нагрузочным током высокого напряжения, возможны различные способы. Так, например, можно применить отдельную машину постоянного тока G₅, возбуждаемую или постоянным током высокого напряжения или импульсами напряжения, которые отводятся от главной щетки коллектора и вспомогательной щетки, находящейся близ сбегающего ребра главной щетки, после чего эти импульсы соответственно сглаживают и усиливают. В первом случае машина G₅ должна иметь постоянную скорость, и, кроме того, его целесообразно снабдить отдельно питающейся вспомогательной возбудительной обмоткой М₃, силу тока в которой можно регулировать реостатом r₃.

Кроме возбуждающей обмотки Р₄₁ имеется еще вспомогательная возбуждающая обмотка Р₄₂, задача которой состоит в выравнивании той части магнитодвижущей силы якорных обмоток S₄₁-S₄₆, которая зависит от токов, возбуждающих трансформаторы Т₃ и Т₄. Магнитная ось названной обмотки должна быть сдвинута по фазе на 90° по отношению к средней оси полюсных тел и поэтому должна быть расположена, например, так, как показано на фиг. 11-14 пунктирными линиями. Так как сила возбуждающего тока зависит от входящего в обмотку напряжения, то обмотку Р₁₂ целесообразно включить последовательно с основной возбуждающей обмоткой Р₁₁, питающейся от одноякорного преобразователя .

На фиг. 18 показано устройство для собирания постоянного тока из цепей низкого напряжения трансформаторов. Это устройство в существенных чертах совпадает с устройством, показанным на фиг. 17, причем генератор G₇ соответствует генератору G₄ фиг. 17. Однако, здесь каждая фазная обмотка S₄₁-S₄₆ подразделена на две сдвинутые на 180° фазные обмотки, так что у генератора G₇ имеется 12 фаз , причем фазы, помеченные значком а, расположены против фаз, имеющих при той же цифре значок b и сдвинуты относительно последних на 180°. Обмотки L₁₁-L₁₆ фиг. 17 обозначены теми же знаками и на фиг. 18, причем предполагается, что имеется шесть однофазных трансформаторов. Точно так же имеются те же вторичные обмотки L₂₁-L₂₆ трансформаторов, что и на фиг. 17, но на фиг. 18 каждая вторичная обмотка L₁-L₆ первой группы трансформаторов разделена на две половины Так же и первичные трансформаторные обмотки L₁₁-L₁₆ разделены каждая на две половины Далее возбудительные обмотки Р₇₁ и Р₇₂ у генератора С₇ питаются, как на фиг. 17, независимо, например, от зажимов 87, 88 одноякорного преобразователя. Зато компенсационная обмотка Q₇₁ и коммутирующая обмотка Q₇₂ питаются постоянным током от коллектора К₇, устройство которого подробно описывается ниже и который совершенно отделен от обмоток L₂₁-L₂₆, в которые включена цепь постоянного тока высокого напряжения.

Предполагая, что данная машина двухполюсная, коллектор К₇ снабжен двенадцатью пластинами . Целесообразно такое устройство, когда эти пластины установлены неподвижно, а вокруг них вращаются щетки В₇₁ и В₇₂. Щетки эти снабжены контактными кольцами 65, 66, от которых отходят провода 67, 68, ведущие к обмоткам Q₇₁ Q₇₂. Из фиг. 18 видно, что между двумя последовательными пластинами коллектора К₇, например, между включена цепь, проходящая через трансформаторные обмотки и через одну из рабочих обмоток . Расположенные на 180° от названных пластин пластины соединены между собою цепью, проходящею через трансформаторные обмотки повернутые на 180° относительно обмоток и через рабочую обмотку генератора G₇. Вся эта система обмоток смыкается в точках 71, 84, образуя таким образом кольцевую схему, общий характер которой можно ясно понять из фиг. 19, где схема изображена в упрощенном и более наглядном виде. Понятно, что рабочие обмотки генератора G₇ несут не только добавочное, напряжение необходимое для сообщения трапецоидальной формы кривым фазных напряжений, и не только некоторый нагрузочный ток, соответствующий данной рабочей нагрузке, но и возбуждающий ток для трансформаторов Т₃ и Т₄. Поэтому для того, чтобы не получилась слишком большая разница в положении щеток при холостом ходе и при нагрузке, целесообразно включить особый разделительный или фильтрующий генератор G_s, рабочие обмотки которого шунтируют одну за другой последовательные пластины коллектора . Этот разделительный генератор может быть сконструирован таким образом, что он как бы всасывает или вбирает в себя возбуждающую слагающую из переменного тока, переведенного на коллектор К₇. Благодаря такому действию переменный ток, переведенный на коллектор К₇, освобождается от названной слагающей, и проходящий по проводникам 67, 68 постоянный ток становится пропорциональным нагрузочной составляющей фазного переменного тока. Для того, чтобы возможно было описывать возбуждающий ток трансформаторов при холостом ходе, необходимо компенсировать падение напряжения, вызываемое этим током в рабочих обмотках S₈₁-S₈₆ генератора G₈. С этой целью генератор G₈ снабжается возбуждающей обмоткой Р₈₁ (вокруг главного полюсного сердечника) и компенсационной обмоткой Р₈₂ (в полюсных башмаках вспомогательных полюсов, расположенных между главными полюсами), оси которых совпадают с серединой главного полюса. В виду того, что возбуждающий ток трансформаторов колеблется в некоторой зависимости от напряжения генератора G₇ обмотки P₈₁ и Р₈₂ включены последовательно с возбуждающей обмоткой Р₇₁.

Для того, чтобы при нагрузке часть нагрузочного тока не могла быть заперта рабочими обмотками генератора G₈ вместо того, чтобы выпрямляться коллектором К₇, необходимо повышать напряжение генератора G₈ по мере увеличения нагрузки. С этой целью главные полюсы снабжены еще одной обмоткой Q₈₁, которая включена последовательно с обмотками Q₇₁ и Q₇₂ и поэтому по ней проходит выпрямленная коллектором К₇ нагрузочная составляющая тока. Величина индуктированного обмоткой Q₈₂ напряжения должна быть соразмерена таким образом, чтобы это напряжение после выпрямления его коллектором К₇ в точности равнялось падению напряжения в цепи 67-Q₇₂-Q₇₁-Q₈₂-68.

До сих пор предполагалось, что напряжение трехфазной сети трансформируется в трансформаторах T₁, Т₂ до той величины, которая необходима для добавочного генератора G₁, после чего вторично трансформируется до величины, соответствующей желательному напряжению постоянного тока. Недостаток такого способа заключается в необходимости дважды трансформировать всю мощность системы. Та же самая цель, а именно возможность независимо от величины напряжения постоянного тока выполнить добавочный генератор на такое напряжение, которое лучше всего соответствует его конструкции, может быть достигнута также и тем, что, согласно фиг. 20, первую группу трансформаторов заставляют трансформировать напряжение переменного тока непосредственно до той величины высокого напряжения, которая требуется для коллекторов К₁-К₆. При этом добавочный генератор обслуживает с помощью трансформаторов Т₁₁и Т₁₆ сторону высокого напряжения. Для этой цели названные трансформаторы нужно лишь соизмерить таким образом, чтобы они были достаточны для преобразования дополнительного напряжения, даваемого генератором G₉, на напряжение цепей высокого напряжения; благодаря этому эти трансформаторы могут быть меньше трансформаторов Т₃, Т₄, показанных на фиг. 17 и 18, которые должны трансформировать полную мощность системы. На фиг. 20 для упрощения принято, что компенсационная обмотка Q₂₁ и коммутирующая обмотка Q₂₂ включены непосредственно в цепь высокого напряжения между коллектором К₆ и зажимом 86. Возбудительная обмотка Р₉₁ и обмотка Р₉₂, предназначенные для компенсации возбуждающих токов трансформаторов Т₁₁ и Т₁₆, питаются как и раньше, от отдельного источника тока 87, 88, например, от одноякорного преобразователя. При таком устройстве обмотки S₉₁-S₉₆ несут ток, сила которого прямо пропорциональна фазному току на стороне высокого напряжения и обратно пропорциональна коэффициенту трансформации трансформаторов Т₁₁-Т₁₆. Доставляемое этими рабочими обмотками напряжение состоит во вспомогательном напряжении, приведенном к напряжению первичной стороны трансформаторов Т₁₁-T₁₆. Кроме того, обмотки S₉₁-S₉₆ должны доставлять соответствующий возбудительный ток для обмоток низкого напряжения трансформаторов Т₁₁-T₁₆.

Простая схема, показанная на фиг. 20, предполагает, как уже было сказано, что для питания обмоток Q₉₁, Q₉₂ применен первичный ток высокого напряжения, каковое обстоятельство может однако причинить известные затруднения. Поэтому можно, согласно фиг. 21, применяя тот же принцип, как и на фиг. 18, брать этим питание от вспомогательного коллектора К₈, и добавочный генератор G₁₀ можно, например, выполнить с двенадцатью фазами и двумя полюсами, причем эти фазы включаются в двенадцать пластин коллектора так же, как и на схеме фиг. 18. Первичные обмотки трансформаторов Т₁₁-T₁₆ подразделены, как и раньше, на две половины , причем обмотки со значком а перевернуты относительно обмоток, имеющих тот же номер со значком b. Эта схема дает то преимущество, что цепи высокого напряжения трансформаторов Т₅, Т₆, проходящие через обмотки высокого напряжения трансформаторов Т₁₁-T₁₆ и через коллекторы К₁-К₆ к зажимам 85, 86, полностью отделены электрически от машинных цепей, содержащих в себе обмотки ротора и статора.

Выше был рассмотрен случай применения двух трехфазных систем, у которых между каждыми двумя последовательными фазами имелся сдвиг на 30 электрических градусов, но нетрудно видеть, что ту же систему можно, пользуясь общеизвестными принципами электротехники применить и для любого другого числа фаз.

Далее, в целях более наглядного объяснения, было показано преобразование переменного тока в постоянный. Однако, приведенные выше формы выполнения могут быть применены, пользуясь известными законами электротехники, и для преобразования постоянного тока в переменный, например, в синусоидальный трехфазный ток.

1. Способ для преобразования многофазного переменного тока в постоянный и наоборот путем применения механических коммутаторов, приключенных каждый к отдельной фазе источника или приемника переменного синусоидального тока и соединенных между собой последовательно, отличающийся тем, что, с целью получения нулевого значения переменного напряжения в период переключения пластин под щетками коммутатора, на каждое из фазных напряжений переменного тока накладывается дополнительное переменное напряжение от вспомогательного генератора в цепи переменного тока коммутатора, имеющее такие форму и фазу, чтобы нулевое значение результирующего фазного напряжения переменного тока, подводимого к каждому коммутатору, обладало при холостом ходе или при определенной нагрузке продолжительностью, соответствующей периоду коммутации отдельных элементов преобразовательного устройства.

2. Применение в способе по п. 1 вспомогательного напряжения такой формы, при которой результирующее фазное напряжение имеет в промежутке между нулевыми значениями примерно трапецоидальную форму.

3. Применение в способе по п. 1 вспомогательного напряжения такой формы и фазы, чтобы указанное напряжение с фазным током давало почти реактивную мощность.

4. Прием осуществления способа по п. 1, отличающийся тем, что кроме дополнительного напряжения, обуславливающего нулевое значение напряжения на определенный промежуток времени, вводится вспомогательное коммутирующее напряжение.

5. Устройство для осуществления способа по пп. 1-4, отличающееся тем, что полюса примененного для введения дополнительного напряжения вспомогательного генератора, снабженного последовательно включенными в фазные цепи отдельными обмотками, выполнены таким образом, что они создают на полюсном делении симметрично расположенные относительно середины полюса магнитодвижущие силы, направленные в разные стороны.

6. Форма выполнения устройства по п. 5, отличающаяся тем, что полюса снабжены такой обмоткой, которая создает четыре симметрично расположенные по две с каждой стороны от середины полюса магнитодвижущие силы с различным направлением в порядке чередования по окружности полюса.

7. Форма выполнения устройства по п. 5, отличающаяся тем, что пространственное расстояние между осями магнитодвижущих сил полюса, выраженное в электрических градусах, примерно равно периоду нулевого напряжения в результирующем переменном напряжении устройства.

8. Применение в устройство по пп. 5, 6, 7 на полюсах вспомогательного генератора коммутирующих и компенсационных обмоток, величина тока которых пропорциональна нагрузке.