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Frequenzgesteuerter Wechselstromantrieb
Die Erfindung bezieht sich auf einen frequenzgesteuerten Wechselstromantrieb mit Magnetverstärkern, die in jeder Motorphase liegen und die die Netzfrequenz mit der Frequenz eines Steuerfrequenzgenerators modulieren und anschliessend demodulieren.
Es sind frequenzgesteuerte Wechselstromantriebe mit in jeder Motorphase liegenden Magnetverstärkern bekannt, bei welchen die Netzfrequenz mit einer einstellbaren Frequenz eines Hilfsgenerators moduliert und nachfolgend demoduliert wird.
Als frequenzgesteuerter Wechselstromantrieb ist die Gesamtheit eines leistungsfähigen statischen Generators veränderbarer Frequenz mit leistungsseitigen Magnetverstärkern und Schaltventilen und eines Wechselstrommotors zu verstehen, der von dem Generator veränderbarer Frequenz gespeist wird.
Als Modulatoren finden bei den erwähnten elektrischen Antrieben Gegentaktmagnetverstärker mit Gleichstromausgang Verwendung, die eine innere Rückkopplung und einen Ballastwiderstand im Hauptstromkreis haben, wodurch der Verstärkerwirkungsgrad stark reduziert wird und 20 bis 25% nicht übersteigt (s. z. B."AEG Mitteilungen", 1963,53 Nr. 3/4, S. 133 bis 140). Bei der Speisung der bekannten frequenzgesteuerten elektrischen Antriebe aus einem 50 Hz Wechselstromnetz übersteigt die Frequenz am Ausgang nicht 10 Hz, was bei einem Antrieb mit einem Motor, der nur ein Polpaar besitzt, einer Maximaldrehzahl von 600 Umdr/min entspricht.
Darüberhinaus braucht man zur Betätigung derartiger frequenzgesteuerter Antriebe einen solchen Steuergenerator, der im gesamten Regelfrequenzbereich eine mehrphasige Steuerspannung mit bestimmter Phasenverschiebung (120 für Dreiphasenmotoren und 900 für Zweiphasenmotoren) liefert.
Zweck der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad des elektrischen Antriebes zu steigern, dessen Regelbereich und Leistungsverstärkungsfaktor zu erhöhen, die installierte Leistung der Magnetverstärker zu reduzieren und die Steuerung des Antriebes bei Anwendung eines Zweiphasen-Asynchronmotors zu vereinfachen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Magnetverstärker als Eintaktverstärker mit zwei durch die Sekundärwicklungen der Magnetverstärker und Leistungsdioden gebildeten doppelfrequenten Ausgängen ausgeführt sind, wobei die erwähnten Ausgänge jedes Verstärkers zusammen mit zwei Halbwicklungen einer Motorphase eine Brückenschaltung bilden, in deren Diagonalen abwechselnd steuerbare Schaltventile, beispielsweise Thyristoren, liegen.
Zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors der Leistung eines Magnetverstärkers mit doppelfrequentem Ausgang sind die Detektordioden in Mittelpunktschaltung derart geschaltet, dass für den Verstärker eine innere positive Stromrückkopplung während der positiven Halbwelle und eine negative Stromrückkopplung während der negativen Halbwelle der Steuerwechselspannung erzeugt wird. Durch die Bildung der inneren Rückkopplung ist die Frequenz und die Spannungsphasenverschiebung am Verstärkerausgang nach der Gleichrichtung und Schaltung durch die kontaktlosen Schalter zweimal niedriger als am Verstärkereingang.
Diese Eigenschaft des erfindungsgemässen Antriebes vereinfacht bei Anwendung eines Zweiphasenmotors beträchtlich die Steuerung, da man in diesem Falle die
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Verstärkereingänge der einzelnen Motorphasen antiparallel bzw. entgegengesetzt in Reihe geschaltet an den Einphasen-Steuergenerator legen kann.
Im folgenden ist die Erfindung an Hand einer eingehenden Beschreibung von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Phase des erfindungsgemässen frequenzgesteuerten Antriebes mit Einphasen-Nullpunktschaltung der Ausgangswicklungen, die Fig. 2a, 2b, 2c Schaudiagramme der Spannung an verschiedenen Stellen des Prinzipschaltbildes nach Fig. 1. Weiters stellt Fig. 3 das Prinzipschaltbild einer Phase des erfindungsgemässen frequenzgesteuerten Antriebes mit Sechsphasen-Nullpunktschaltung der Ausgangswicklungen.
Auf den vier Magnetkernen--1, 2, 3 und 4-- (Fig. 1), die ringförmig bzw. rechteckförmig ausgeführt sein können, sind die paarweise entgegengesetzt in Reihe geschalteten Netzwicklungen --5, 6, 7 und 8--des Magnetverstärkers angeordnet (Wicklungsanfänge durch Punkte gekennzeichnet).
Die den Wicklungen-7 und 8-zugeführte Spannung muss um 900 gegenüber der den Wicklungen - 5 und 6-zugeführten Spannungsphasen verschoben sein.
Bei der Speisung aus einem Drehstromnetz können zur Gewinnung der erwähnten Spannungsphasenverschiebung von 90 die Netzwicklungen in Scott-Schaltung verbunden werden.
Der Eintaktmagnetverstärker ist mit zwei Ausgängen für die zweite Harmonische ausgeführt, wobei jeder Ausgang durch vier paarweise in Reihe geschaltete Sekundärwicklungen und durch zwei in
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10, 11, 12-- -17, 18, 19, 20-- mit Leistungsdioden --21 und 22-den ändern Ausgang-23, 24- des Magnetverstärkers. Steuerwicklungen-25, 26, 27 und 28-sind in Reihe geschaltet und erhalten die Speisung von einem Steuerfrequenzgenerator-29--, für welche Elektromaschinengeneratoren mit variabler Drehzahl bzw.
statische Elektronengeneratoren mit variabler Frequenz benutzt werden können, wobei die Amplitude der Spannung am Ausgang des Steuergenerators nach einem bestimmten Gesetz in Abhängigkeit von der Änderung der Ausgangsfrequenz und des Gegendrehmomentes an der Motorwelle unter Berücksichtigung deren Drehzahl sich ändern muss.
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26, 27amplitudenmodulierte Spannung mit verdoppelter Frequenz. Nach Zweiweggleichrichtung mittels der Dioden-13, 14 und 21, 22-- erscheinen an den Ausgängen-15, 16 und 23, 24- Spannugshalbwellen mit vervierfachter Frequenz, die ebenfalls amplitudenmoduliert sind, d. h. es erfolgt eine Demodulation.
Durch die Dioden-13, 14 und 21, 22- erfolgt nicht nur die Demodulation, sondern sie erzeugen auch gleichzeitig eine innere Rückkopplung, die positiv während der positiven Spannungshalbwelle und negativ während der negativen Spannungshalbwelle des Steuergenerators ist.
In Fig. 2a gibt die Kurve "A" den Spannungsverlauf des Steuerfrequenzgenerators, während die Kurve"B" (Fig. 2b) die Einpolhalbwellen der aus den vierfachfrequenten Spannungshalbwellen
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ebenfalls in Reihe geschaltet.
Die Dauer einer einpoligen Spannungshalbwelle ist zusammen mit der Pause tn (Kurve B) gleich der vollen Periode 2 1r der Steuerfrequenzspannung folglich ist die Frequenz der Spannung am Ausgang des Magnetverstärkers zweimal kleiner als die Frequenz des Steuergenerators (Kurve A). Zur Umformung der einpoligen Impulse in eine Wechselspannung ist es erforderlich, die Stromrichtung im
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16 und 23, 24-Magnetverstärkerausgang-23, 24--, während die Halbwicklung --31-- von dem andern Magnetverstärkerausgang (Punkte-15 und 16--) gespeist wird.
Der Strom fliesst in den
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Speisestrom von dem ersten Verstärkerausgang--15 und 16--zugeführt, während die Halbwicklung --31-- von dem zweiten Verstärkerausgang--23, 24-- gespeist wird. Der Strom fliesst in den erwähnten Wicklungen von recht nach links. Somit ändert infolge abwechselnder Durchschaltung der kontaktlosen Schalter--32 und 33--der durch die Halbwicklungen--30, 31-- fliessende Strom seine Richtung während jeder Halbwelle der Ausgangsspannung.
Die parallel zu den Halbwicklungen-30 und 31--liegenden Kondensatoren-34 und 35-sieben die vierfache Welligkeitsfrequenz aus. Das Schaudiagramm C (Fig. 2c) zeigt den Spannungsverlauf an den Motorklemmen beim Umschalten der einpoligen Spannungshalbwellen durch die Schalter --32, 33-- und Aussieben der vierfachfrequenten Welligkeit.
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die Signale der logischen Steuerschaltung im Stromnulldurchgang zuführen. Als Messfühler können bei den Nullstromgebern-36, 37-- für leistungsschwache Motoren gewöhnliche induktionsfreie Messwiderstände benutzt werden. Bei leistungsstarken Antrieben können als Messfühler Gleichstromwandler mit erhöhter Frequenz benutzt werden.
Parallel zu den kontaktlosen Schaltern --32, 33-- liegen die Spannungsgeber-38, 39--, die den geschlossenen bzw. geöffneten Zustand der kontaktlosen Schalter überwachen, damit der nächste Schalter in der Pause nach der Öffnung des vorhergehenden geschlossen wird. Als Spannungsgeber können gewöhnliche Schmitt-Trigger in Verbindung mit einer Spannungsregelröhre zur Begrenzung der Spannung am Ausgang dieses Triggers Verwendung finden. Es ist auch eine andere Schaltsteuerung möglich, bei der die Nullstromgeber --36, 37-- in Reihe mit den kontaktlosen Schaltern32 und 33--liegen.
Die Dauer einer Periode der Ausgangsspannung ist zweimal so gross wie die der Periode der Steuerfrequenzspannung, folglich ist die Frequenz der Spannung am Ausgang des Magnetverstärkers zweimal kleiner als die Spannungsfrequenz des Steuergenerators.
Für Mehrphasenmotoren muss die Zahl der in Fig. 1 dargestellten Magnetverstärker der Motorphasenzahl gleich sein. Für einen Dreiphasenmotor braucht man drei Verstärker, während für einen Zweiphasenmotor zwei Verstärker ausreichen. Die Verschiebung der von dem Steuerfrequenzgenerator an die Steuerwicklungen der Magnetverstärker verschiedener Phasen gelegten Steuerspannungen muss zweimal so gross wie die erforderliche Phasenverschiebung der Ausgangsspannungen sein, d. h. für Dreiphasenmotoren muss der Phasenwinkel 120 X 2 = 2400 und für Zweiphasenmotoren 90 X 2 = 1800 betragen.
Bei Verwendung eines Zweiphasenmotors kann also der Steuergenerator einphasig ausgeführt werden, da der erforderliche Phasenwinkel von 1800 dadurch erreicht wird, dass die Steuerwicklungen der Magnetverstärker beider Motorphasen antiparallel oder entgegengesetzt in Reihe geschaltet werden.
Gegenüber den bekannten elektrischen Antrieben, bei welchen als Modulatoren gewöhnliche Gegentaktmagnetverstärker mit Gleichstromausgang verwendet werden, weist der erfindungsgemässe Antrieb noch folgende Vorteile auf.
Wegen Anwendung einer doppelten Trägerfrequenz wird die maximale Frequenz der Ausgangsspannung und somit der Regelbereich auch zweimal grösser. Die installierte Leistung der elektrischen Geräte wird geringer, da nicht ein Gegentakt-, sondern ein Eintaktverstärker Verwendung findet und kein Wandler zur Speisung der Magnetverstärker gebraucht wird.
An Stelle des Einphasenmagnetverstärkers mit doppelfrequentem Ausgang kann ein Mehrphasenmagnetverstärker, beispielsweise ein Sechsphasenmagnetverstärker verwendet werden. In diesem Falle kann die Ausgangsfrequenz wesentlich erhöht werden, z. B. kann man bei einer Netzfrequenz von 50 Hz eine maximale Frequenz der Ausgangsspannung von etwa 60 Hz erhalten.
Wie nach Fig. 3 das Prinzipschaltbild für eine Phase des Antriebes mit sechsphasigem Eintaktverstärker zeigt, erfolgt die Speisung des Magnetverstärkers von dem an das Drehstromnetz angeschlossenen Phasenleiter-40, 41 und 42--. Der Magnetverstärker ist mit zwölf ringförmigen bzw. rechteckförmigen Eisenkernen--43 bis 52-ausgeführt. Er besteht aus drei gleichen Gruppen mit je vier Magnetkernen. Betrachten wir nun die Verbindungen der Sekundärwicklungen in der ersten Gruppe, die auf den Magnetkernen-43, 44, 45 und 46--gewickelt sind.
Die Netzwicklungen--55 und 56-an den Magnetkernen--43, 44-- sind entgegengesetzt in Reihe geschaltet, während die Netzwicklungen an den Magnetkernen --45 und 46--als Halbwicklungen--57, 58, 59 und 60--
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ausgeführt sind. Die Halbwicklungen-57, 60 und 58, 59-- sind entgegengesetzt in Reihe geschaltet.
Die Anfänge der Halbwicklungen-57 und 59-sind untereinander verbunden und bilden den
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inPhasenleitern-40, 42-- und die an den Kernen--43 und 44--zwischen dem Phasenleiter --41-- und dem Mittelpunkt --61-- geschaltet. Infolgedessen erhält man eine Scott-Schaltung, die eine Phasenverschiebung von 900 zwischen den Spannungen an den Klemmen der Netzwicklungen an den Magnetkernen-43, 44-- und an den Klemmen der Netzwicklungen an den Magnetkernen - 45 und 46--bewirkt. Die Spannung zwischen Phasenleiter--41--und Anschlusspunkt--61- ist gleich der mit 3/2 multiplizierten Phasenspannung, während die Spannung zwischen den Speisepunkten der Halbwicklungen--58, 60-- der verketteten Spannung entspricht.
Hieraus folgt, dass das Verhältnis der Windungszahl der Halbwicklungen--57 bis 60--zur Windungszahl der Wicklungen - 55 und 56-- V3/3 beträgt.
Die andern zwei Magnetverstärkergruppen sind analog ausgeführt. Die zweite Gruppe ist mit den Magnetkernen --47 bis 50-ausgeführt. Die Kerne-47 und 48-tragen die Netzwicklungen - 62 und 63-und die Kerne-49 und 50-die Netzhalbwicklungen-64, 65, 66 und 67--.
Der Anfang von Wicklung --62-- liegt an dem Phasenleiter--42--, der Anfang der Halbwicklung
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an dem Phasenleiter-41-undPhasenleiter--40-, der Anfang der Halbwicklung--71--an dem Phasenleiter--42--und der Anfang der Halbwicklung--73--an dem Phasenleiter --41--, d. h. die Netzwicklungen der dritten Gruppe sind in Scott-Schaltung mit einer Phasenverschiebung von 1200 gegenüber den Wicklungen der zweiten Gruppe verbunden.
Analog dem Einphasen-Eintaktmagnetverstärker besitzt auch der Mehrphasen-Eintaktmagnetverstärker zwei Ausgänge für die zweite Harmonische mit je zwölf paarweise in Reihe geschalteten Wicklungen, wobei sechs Wicklungspaare mit sechs Leistungsdioden einen sechsphasigen Stern mit Sternpunktleiter bilden. So bilden die Wicklungen-74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84 und 85-mit den Leistungsdioden--86, 87, 88, 89, 90 und 91-den einen Verstärkerausgang-92, 93-- und die Wicklungen-94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104 und 105-mit den Leistungsdioden --106,107,108,109,110,111-- den andern Verstärkerausgang-112, 113--. Die Steuerwicklungen
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Spannungshalbwellen, die aus den zwölffachfrequenten Halbwellen geformt werden.
Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz beträgt die Welligkeitsfrequenz der gleichgerichteten Spannung 600 Hz, deshalb kann die obere Grenze der Ausgangsfrequenz im Vergleich zu einem Antrieb mit Einphasenmagnetverstärker wesentlich erhöht werden.
Im übrigen arbeitet der Antrieb mit Mehrphasenmagnetverstärker ähnlich wie der Antrieb mit Einphasenmagnetverstärker. Zur Umwandlung der einpoligen Spannungswellen in Wechselspannung wird eine periodische Änderung der Stromrichtung in den Halbwicklungen-127 und 128-einer Motorphase vorgenommen, die mittels der kontaktlosen Schalter--129, 130- mit Thyristoren ausgeführt wird. Die Kondensatoren-131, 132- dienen zur Aussiebung der zwölffachfrequenten Welligkeit. Die Steuerung der Schalter erfolgt mittels der Nullstromgeber-133, 134-.
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