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Wechselstrom-Synchron-Maschine
Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Wechselstrom-Synchron-Maschine, insbesondere Umformer, für Landesversorgungs-Netzfrequenz und Mittelfrequenz sowie für mehrphasigen Betrieb, deren Induktor-Feldwicklung über Trockengleichrichter erregt wird. Solche Mittelfrequenzmaschinen bedürfen besonderer Wechsel- oder Drehstrom-Erregergeneratoren, die sich selbst erregen, denn der remanente Magnetismus der Induktoren höherer Polzahl ist bei kleineren Einheiten so gering, dass praktisch im unerregten Zustand keine Spannung in der induzierten Wicklung auftritt, welche zur Einleitung der Selbsterregung erforderlich ist. Ferner sind bei Generatoren höherer Frequenz erheblich stärkere Erregerströme erforderlich, da die Eisenverluste im induzierten Flussleiter quadratisch mit der Frequenz zunehmen.
Darum sind auch dementsprechend höhereErregerverluste zu decken. Deshalb können sich diese Maschinen höherer Frequenzen nicht selbständig erregen. Dies wurde auch schon beiDrehstrom-Asynchron-Generatoren mit Parallelkondensatoren beobachtet (Schwingkreis-Erregung).
Diese Schwierigkeit wird noch grösser, wenn der Induktor aus Blechsegmenten besteht, deren. remanenter Magnetismus sehr klein ist. Ferner besteht die Gefahr, dass der remanente Magnetismus des Induktors durch Belastungsstromstösse des normalen Betriebes gelöscht wird, wenn er wirklich mit aller Mühe noch eingeleitet werden konnte.
Diese Nachteile werden erfindungsgemäss dadurch beseitigt, dass zur Einleitung der Selbsterregung über diese Trockengleichrichter der remanente Magnetismus des Induktors mit Hilfe der niederfrequenten Statorwicklung (induzierte Wicklung) sowie der niederfrequenten Induktor-Feldwicklung herangezogen wird.
Bei einer erfindungsgemässen Maschine (Frequenzumwandler) wird also die Selbsterregung nicht mehr durch polarisierte Remanenz des hochpoligen Induktorteiles bzw. im Sinne seiner Polzahl eingeleitet, sondern mit einem remanenten Magnetismus im selben Eisenkörper des Induktors, jedoch mit dementsprechend grösserem Fluss, denn, wie im Verhältnis der höheren Polzahl zur niederen Polzahl der magnetische Fluss zunimmt, nimmt auch die Remenanz zu.
Zu diesem Zweck ist ausser der induzierten Statorwicklung des höher frequenten Teiles mit der ersten Polzahl noch eine zweite induzierte Statorwicklung mit der zweiten Polzahl vorhanden.
Beiliegende Zeichnung stellt die erfindungsgemässe Maschine, teils schematisch, in einer Ausführungsform dar. Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines Frequenzumwandlers. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform. Fig. 3 stellt einen Rotor mit 2-poligem Kern und 8-poligem Kranz dar, im Querschnitt dargestellt ; die Wicklungen sind schematisch. Fig. 4 zeigt einen Rotor mit 4-poligem Kern und 16-poligem Kranz, im Querschnitt dargestellt, mit den schematisch angedeuteten Wicklungen. Fig. 5 zeigt einen Rotor mit 6-poligem Kern und 18-poligem Kranz, ebenfalls im Querschnitt dargestellt, sowie mit schematischer Darstellung der Wicklungen, deren Erregerstromrichtung ersichtlich ist.
Der Frequenzumformer nach Fig. 1 besteht aus dem Statoreisenkörper 1 mit der beispielsweise 6-poligen Wicklung 2.
Der Rotorkörper 4 ist auf der in den Lagern 13 laufenden Welle 12 fest angebracht und mit einer 2-poligen Feldwicklung 5, einer 6-poligen Feldwicklung 6 und einer in sich geschlossenen Käfigwicklung 7 versehen.
Die Erregung der beiden Feldwicklungen 5 und 6 geschieht über eine Erregermaschine, deren Statorkörper 8 mit einer Drehfeldwicklung 10 ausgerüstet ist. Der auf der Welle 12 festgemachte Rotorkörper 9
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weist beispielsweise eine 6-phasige Wicklung 11 auf, die über die an den Flügeln 14 eines Ventilators befestigten Gleichrichter 15 die Rotorwicklungen 5 und 6 erregt. Wird der Wellenzapfen 16 der Welle 12 fremd angetrieben, so wird durch den remanenten Magnetismus im Rotorkörper 4 in der Statorwicklung 2 eine relativ kleine Spannung induziert. Diese Wicklung 2 ist nach dem Schema Fig. 2 mit der Statorwicklung 10 der Erregermaschine elektrisch verbunden.
Die vom remanenten Magnetismus in der Wicklung
2 induzierte 3-phasige Spannung treibt einen Drehstrom durch diese Wicklung 10, der im Stator 8 und
Rotorkörper 9 der Erregermaschine ein Drehfeld erregt, welches entgegengesetzt der Drehrichtung der
Welle 12 umläuft. Läuft beispielsweise der Rotor 4 und somit auch der Rotor 9 mit 3000 Umdrehungen pro Minute im Uhrzeigersinn, so fliesst der vom remanenten Magnetismus in der Wicklung 2 (2-polig) induzierte Drehstrom mit 50 Hz in der 2-poligen Wicklung 10 der Erregermaschine und erzeugt ein Dreh- feld, welches mit 50 Hz entgegen dem Uhrzeigersinn dreht. In der Rotorwicklung 11 dieser Erregermaschine wird also Drehstrom von 100 Hz induziert, der aber über die sechs Dioden 15 nur in einer Richtung fliesst und die Rotor-Feldwicklungen 5 und 6 schwach erregt.
Ein Pol jeder der Dioden 15 und der Feldwicklung 6 liegt an der Masse 16 der Maschine. Dieser Erregerstrom in der 2-poligen Rotor-Feldwicklung 5 steigert den Erregerfluss und somit auch die induzierte
Spannung in der Statorwicklung 2 so lange, bis der Gleichgewichtszustand und somit die Sollspannung der
Maschine erreicht ist. Gleichzeitig wird mit dem zeitlich rasch ansteigenden Erregerstrom in der Feld- wicklung 5 auch derselbe durch die 6-polige Wicklung 6 getrieben und die andere Statorwicklung 3 mit der der Polzahl entsprechenden Frequenz von 150 Hz induziert.
Maschinen nach dem Erfindungsgegenstand sind jedoch nicht auf nur zwei Wicklungssysteme ver- schiedener Polzahl beschränkt, sondern können praktisch mit beliebiger Polzahl und vielzahlig gemacht werden.
Neben dem technischen Fortschritt der Selbsterregung ohne Schleifringe und ohne Bürsten ist noch von
Vorteil, dass beiBelastungsstössen und Kurzschlüssen auf der höherfrequenten Wicklung 3 die Spannung der niederfrequenten Wicklung 2 nicht absinkt, sondern vollkommen starr bleibt. Demzufolge kann die
Maschine die Remanenz des Hauptflusses nie verlieren bzw. wird derselbe nie gelöscht.
Bei dem Generator nach Fig. 1, beispielsweise nach Schaltbild Fig. 2 ausgeführt, sind die Spulen der beiden Rotorwicklungen 2 und 3 bzw. Induktorfeldwicklungen 5 und 6 in Reihe geschaltet. Diese
Wicklungen 5 und 6 könnten aber auch in Parallelschaltung arbeiten, indem je ein Ende mit der Masse
16 verbunden wird, die andern Enden hingegen beide mit dem Sternpunkt der sechs Wicklungsstränge 11 des Erregermaschinen-Rotors 9 verbunden werden.
Ferner könnte der Stator 8 der Erregermaschine mit mindestens zwei Statorwicklungen 10 verschiedener
Polzahl ausgerüstet werden, die im Statoreisen sowie im Rotoreisen 9 zwei einander überlagerte Dreh- flüsse induzieren. Im Rotor 9 würden dann ebenfalls zwei induzierte Wicklungen 11 verschiedener Polzahl eingelegt, die mit den Statorwicklungen kongruent sein müssen. Jede dieser beiden Rotorwicklungen 11 erregt dann je über mehrere Dioden 15 je eine der beiden in diesem Falle elektrisch getrennte Generator-
Feldwicklungen 5 und 6 unabhängig voneinander. Den primären Erregerstrom beziehen die beiden Stator- wicklungen 10 auch aus der Generatorwicklung 2 des Stators 1.
Durch diese Anordnung können die beiden
Feldströme in den Induktorwicklungen 5 und 6 unabhängig voneinander reguliert werden, so dass sich so- mit auch diese Regulierung auf die induzierte Spannung der beiden Statorwicklungen 2 und 3 überträgt.
Auch ist es möglich, dass beispielsweise nur dieInduktor-Feldwicklung5 (2-polig) über die Erreger-Stator- wicklung 10, sowie die Erreger-Rotorwicklung 11 und die Dioden 15 von der Generator-Statorwicklung
2 gespeist wird. Die Induktor-Feldwicklung 6 mit höherer Polzahl wird dann über die andern Erreger- wicklungen und Dioden mit der Generator-Statorwicklung 3 für höhere Frequenz verbunden. Diese Ver- bindung kann auch in Reihenschaltung als Compoundierung in Abhängigkeit vom Laststrom der Wicklung
3 auf die Induktor-Feldwicklung 6 wirksam gemacht werden.
Dadurch erreicht man, dass zu dem durch die Selbsterregung aufgebauten Grund- oder Hauptfluss der beiden Induktor-Feldwicklungen 5 und 6 mit zunehmendem Belastungsstrom in der induzierten höherfrequenten Statorwicklung der Erregerstrom bei- spielsweise in der Feldwicklung 6 so verstärkt wird, dass in der Wicklung 3 die Spannung von Leerlauf bis
Vollast konstant bleibt.
Diese Spannungs-Compoundierung kann auch durch Verstärkung der Grunderregung in der Induktor-
Feldwicklung 5 auf die induzierte Spannung der Wicklung 2 bewirkt werden. Welcher Belastungsstrom zur
Compoundierung der Spannung im nieder-oder höherfrequenten Teil des Generators benützt wird, ist gleichgültig.
An Stelle der Erregermaschine mit Statorwicklung 10 und Rotorwicklung 11. sowie Dioden 15 kann diese Kombination auch durch einen Transformator mit ruhender Primär- und Sekundärwicklung ersetzt
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werden. Dabei sind jedoch Schleifringe und Bürsten am Induktor erforderlich, um den Erregerstrom den beiden Rotor-Feldwicklungen 5 und 6 zuzuführen.
Zur Einleitung der Selbsterregung ist nur Remanenz im niederpoligen Flussleiter 4 des Induktors erforderlich. Da der Sitz der Remanenz im Rotorkern liegt, ist es zweckmässig, diesen niederpoligen Teil des Rotor- oder Induktorkernes aus Material mit hoher Koerzitivkraft zu fertigen, d. h. aus einem eine breite Hystereseschleife aufweisenden ferromagnetischen Stoff. Auch kann dieser Induktorkern aus einem massiven ferromagnetischen Material hergestellt sein ; der Induktorkranz mit der hochpoligen Feldwicklung kann hingegen geblecht sein. Dieser Induktorkern kann walzen-oder sternförmig ausgebildet sein.
EMI3.1
sternes im niederfrequenten Drehflusssystem besteht darin, dass die magnetische Induktion L des niederfrequenten Drehflusses höher ist als die Induktion L des ihm überlagerten höherfrequenten Drehflusses.
Beispielsweise bei einer Maschine für 50 Hz und 400 Hz mit 2-poligem und 16-poligem Drehfeld muss das 2-polige Drehfeld die Grundmagnetisierung mit höherer Induktion übernehmen. Hingegen muss die Induktion L des 16-poligen Drehfeldes schwächer gehalten sein.
Diese Massnahme hat zur Folge, dass die relativ hohen Eisenverluste im induzierten 16-poligen Flussleitersystem erheblich reduziert werden. Dieser Effekt wurde schon bei den ersten Versuchsmaschinen beobachtet und steht bei Maschinen nach dem Erfindungsgegenstand in krassem Gegensatz zu den konventionellen Maschinen, beispielsweise Frequenzumformern mit ihren hohen Eisenverlusten im höherfrequenten induzierten Ankereisen. Bei Zweifrequenz-Generatoren nach dem Erfindungsgegenstand wurde dieser Effekt ebenfalls beobachtet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wechselstrom-Synchron-Maschine, insbesondere Umformer, fürLandesversorgungs-Netzfrequenz und Mittelfrequenz, sowie für mehrphasigen Betrieb, deren Induktor-Feldwicklung über Trockengleichrichter erregt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einleitung der Selbsterregung über diese Trockengleichrichter der remanente Magnetismus des Induktors mit Hilfe der niederfrequenten Statorwicklung (induzierte Wicklung) sowie der niederfrequenten Induktor-Feldwicklung herangezogen wird.