<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft eine elektrische Drehfeldmaschine mit einem Polrad- oder Kurzschlussläufer, einem mit einer Mehrphasenwicklung versehenen Ständer, einer mit der Drehfeldmaschine baulich vereinten, eine Vielzahl von Schaltelementen aufweisenden Kommutierungseinrichtung sowie einer damit zusammenwirkenden Steuereinheit, derart, dass die elektrische Maschine als ein-oder mehrphasiger Wechselstromgenerator mit veränderbarer Frequenz und Spannungsamplitude bei gleichbleibender Drehzahl oder als ein-oder mehrphasiger Wechselstrommotor mit veränderbarer Drehzahl bei gleichbleibender Frequenz und Spannungsamplitude des Speisenetzes betreibbar ist.
Eine solche ist aus der DE-AS 1960162 bekannt. Bei dieser wird eine variable Drehzahl bei fester Frequenz dadurch erzeugt, dass ein rotierender, durch einen Hilfsmotor angetriebener und an Schleifringe angeschlossener Bürstensatz auf einem feststehenden und mit einer Ständerwicklung verbundenen Kommutator schleift. Die Schaltung der einzelnen Stränge der Ständerwicklung erfolgt hiebei in einer durch den Abgriff des Bürstensatzes vorgegebenen festen Reihenfolge. Dadurch lässt sich bei einer gegebenen Maschinendurchflutung und einer gegebenen Drehzahl die erzeugte Spannungsamplitude im Generatorbetrieb nicht verändern. Umgekehrt ist im Motorbetrieb die erzeugte Polradgegenspannung der Maschine bei einer vorgegebenen Durchflutung nicht beeinflussbar.
Die bekannte Maschine lässt daher eine Anpassung an sich ändernde Betriebsbedingungen ohne gleichzeitige Änderung der Durchflutung nicht zu.
Ausserdem treten die von der Gleichstrommaschine her bekannten Kommutierungs-und Verschleissprobleme auf. Diese werden noch wesentlich dadurch verstärkt, dass infolge der hier umlaufenden Bürsten deren Anpressdruck auf den Kommutator durch die Wirkung der Zentrifugalkräfte störend verändert wird.
Bekannte Direktumrichter (z. B. CH-PS Nr. 452679) zur Speisung von Drehstrommotoren dienen in der Regel dem Austausch von Energie zwischen einem Netz mit annähernd konstanter Frequenz und Spannung und einer elektrischen Maschine, die ihrerseits mit variabler Frequenz und Spannung betrieben wird. Die Umschaltung wird dabei im allgemeinen durch Thyristoren bewirkt. Derartige Umrichter sind gesonderte, von den durch sie betriebenen elektrischen Maschinen unabhängige Einheiten. Desweiteren können die in derartigen Umrichtern verwendeten Ventile immer nur in einer Richtung Strom führen. Diese Besonderheit erfordert eine spezielle Schaltung der Ventile einerseits sowie eine speziell für diese Schaltung ausgelegte Steuerung anderseits.
Gleiches gilt für Anordnungen, welche aus einer Drehstrommaschine und einem Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis bestehen (DE-OS 2413266). Derartige Anordnungen erfordern einen grossen Aufwand an elektrischen Bauteilen, wie Halbleiterventilen, Kondensatoren und Drosseln. Zum andern entstehen durch die doppelte Energieumwandlung "Wechselstrom-Gleichstrom-Wechselstrom" erhöhte Verluste. Mit derartigen indirekten Umrichtern wird der Energieaustausch bei beliebig wählbaren Verhältnissen zwischen Spannungsamplituden und Frequenzen am Eingang und am Ausgang des Umrichters auf Kosten eines erheblich gesteigerten Aufwands und unter Inkaufnahme erhöhter Verluste erreicht.
Ferner ist eine spezielle Antriebsanordnung (DE-PS Nr. 1002456) bekannt, die einen am Drehstromnetz angeschlossenen sogenannten Skott-Transformator aufweist, der sekundärseitig ein Einphasennetz erzeugt.
Aus diesem Einphasennetz wird ein sogenannter kommutatorloser Stromrichtermotor in Art eines gewöhnlichen Drehstromsynchronmotors mit Gleichstromerregung, mittels eines Direktumrichters betrieben. Durch die bewirkte Umwandlung des Dreiphasennetzes in ein Einphasennetz kommt diese Anordnung mit einer geringeren Anzahl von Halbleiterventilen aus, dies unter Inkaufnahme eines stets für die volle Maschinenleistung auszulegenden und damit schweren und voluminösen Skott-Transformators.
Ferner ist eine über Einphasenwechselstromnetz betriebene bürstenlose Stromrichtermaschine (DE-OS 2047108) bekannt, welche in Art einer ihrem Prinzip nach von der Gattung gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 abweichenden Reluktanz- bzw. Repulsionsmaschine aus einem wicklungslosen Läufer mit ausgeprägten Polen und einem Ständer mit mehreren Ständerwicklungen besteht. Die einzelnen Ständerwicklungen sind an das Einphasenwechselstromnetz über Thyristoren geschaltet, die mittels einer Steuervorrichtung gezündet werden. Durch geeignete Steuerung der Thyristoren können die Drehzahl der Maschine sowie deren Betriebsart, entweder als Motor oder als Generator, eingestellt werden.
Bei einer bekannten kollektorlosen Gleichstrommaschine (DE-OS 2336955), bestehend im wesentlichen aus einem permanentmagnetischen Läufer, einer zwei Spulen umfassenden Ständerwicklung sowie einem statischen Kommutator, befinden sich zu einer elektrischen Kommutatorschaltung gehörende elektrische Schaltungselemente im Inneren des Maschinengehäuses. Diese Maschine ist lediglich als Gleichstrommotor betreibbar.
<Desc/Clms Page number 2>
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und weitgehend verschleissfreier Arbeitsweise, an ein beliebiges Netz direkt, d. h. unter Verzicht auf zusätzliche Energieumformer, anschliessbar ist und eine derartige Kommutierung aufweist, dass die Maschine durch Abstimmung zwischen Drehzahl und Drehmoment einerseits, Frequenz, Spannungsamplitude und Strom anderseits eine universelle Anpassung an unterschiedliche Betriebs- und Belastungsfälle ermöglicht.
Diese Aufgabe wird nach dem Vorschlag der Erfindung dadurch gelöst, dass die Schaltelemente der Kommutierungseinrichtung jeweils zwischen der Ständerteilwicklung und den netzseitigen Hauptanschlüssen der Drehfeldmaschine feststehend angeordnet und geschaltet sind und dass die Schaltelemente in Anpassung an den gewünschten Betriebszustand der Drehfeldmaschine, also in zeitlicher Funktion des vorgegebenen Stromes und der vorgegebenen Spannung an den Hauptanschlüssen der Drehfeldmaschine, jeweils einzeln in veränderbarem Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen und in veränderbarer Reihenfolge von der Steuereinheit ansteuerbar sind.
Mit Ausnahme der Steuereinheit sind also im Gehäuse der erfindungsgemässen Maschine sämtliche Bauteile einschliesslich Kommutierungseinrichtung eingebaut. Die zwischen den Hauptanschlüssen und der Ständerwicklung geschaltete Kommutierungseinrichtung ist somit wesentlicher Bestandteil der Maschine, vergleichbar mit dem Kommutator einer Gleichstrommaschine. Hinsichtlich ihrer Funktion und Betriebsweise ist wesentlich, dass die Schaltelemente der Kommutierungseinrichtung in beliebig veränderbarer Reihenfolge geschaltet werden können. Wesentliche Voraussetzung hiefür ist die vereinzelte und voneinander unabhängige Ansteuerbarkeit der Schaltelemente.
Erst dadurch wird es möglich, sämtliche Einflussgrössen zur Festlegung der gewünschten Reihenfolge der Schaltvorgänge und des gewünschten Zeitabstandes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen zu berücksichtigen. Diese, in der Steuereinheit erfassten und ausgewerteten Einflussgrössen sind insbesondere Spannungsamplitude, Stromamplitude und Frequenz des Netzes an dem die Maschine betrieben wird, Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, sowie Durchflutung und Drehzahl der Maschine.
Die elektrische Maschine nach der Erfindung ist damit sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb an ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetzen im Rahmen der nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 vorgesehenen Betriebszustände universell einsetzbar. Sie ist daher besonders geeignet für die Übertragung grosser Leistungen, z. B. als Hauptgenerator auf dieselelektrischen Lokomotiven mit Drehstrom-Fahrmotoren oder auf Schiffen mit Asynchronmotoren für den Schraubenantrieb oder als Antriebsmotor in der Walzwerk- und Fördertechnik.
EMI2.1
Maschinen kleiner und mittlerer Leistung, die vorwiegend als Motor an einem starren Netz betrieben werden, kommen aber auch Kurzschlussläufer in Frage.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt Fig. l eine schematische Schnittansicht der Maschine mit einer Thyristor-Kommutierungseinrichtung, Fig. 2 eine Schnittansicht der Maschine mit elektromechanischer Kommutierungseinrichtung, Fig. 3 einen vereinfachten Stromlaufplan der Maschine mit Thyristor-Kommutierungseinrichtung, Fig. 4 einen vereinfachten Stromlaufplan der Maschine mit elektromechanischer Kommutierungseinrichtung, Fig. 5 die Spannungsverläufe u = f (t) der Maschine mit Thyristor-Kommutierungseinrichtung im Generatorbetrieb, Fig. 6 die Spannungsverläufe der Maschine mit elektromechanischer Kommutierungseinrichtung im Generatorbetrieb, Fig. 7 die Spannungsverläufe der Maschine mit Thyristor-Kommutierungseinrichtung im Motorbetrieb.
In den Fig. l bis 4 ist die elektrische Maschine als 3-phasige Maschine mit fremderregtem Polradläufer ausgebildet. Der Läufer --1-- ist dabei auf der Welle --2-- befestigt und wird über die Schleifringe --3-fremderregt. Der Ständer --4-- mit der 12-phasigen Ständerwicklung --5-- ist im Maschinengehäuse --6-- befestigt. Die Lager --7-- für die Welle --2-- befinden sich in zwei Lagerschildern --8--, welche mit dem Gehäuse --6-- verbunden sind. Das rechte Lagerschild ist mit Durchbrüchen für die Verbindung der Wicklungsenden-9-- mit der gleichfalls im Gehäuse --6-- angeordneten Kommutierungseinrichtung --10 bzw. 10'-- versehen.
In Fig. 1 besteht die Kommutierungseinrichtung im wesentlichen aus Thyristoren. Dabei umfasst die Kommutierungseinrichtung auch Kühlkörper, welche zweckmässigerweise von einem auf der Maschinenwelle - befestigten Lüfter-11-- gekühlt werden. Die Zündung der Thyristoren erfolgt durch eine
<Desc/Clms Page number 3>
Steuereinheit --12--, die gemäss Fig. l ausserhalb der Maschine angeordnet ist. Die elektrischen Hauptanschlüsse der Maschine sind mit --R, S, T-- gekennzeichnet.
Gemäss Fig. 2 ist die Kommutierungseinrichtung --10'-- aus einer Vielzahl von galvanischen Schaltkontakten aufgebaut, welche über ein Nocken-Stössel-System betätigt sind. Dabei erfolgt der Antrieb der Nockenwelle durch einen Hilfsmotor --13--, dessen Drehzahl über ein (nicht dargestelltes) Stellglied von der Steuereinheit --14-- gesteuert wird. Der Aufbau der Mechanik einer derartigen Kommutierungseinrichtung ist allgemein bekannt z. B. E. Rolf :"Der Kontaktumformer", Springer Verlag 1957, Kapitel V.
Fig. 3 zeigt die Schaltung einer 3-phasigen Maschine mit 12-phasiger Ständerwicklung --m1.. mund Thyristor-Kommutierungseinrichtung. Dabei sind die üblichen Schutz- oder Kommutierungsbeschaltungen der Thyristoren (--T1. 1. R.... T12. 2. T--) nicht dargestellt.
In Fig. 4 ist vereinfacht die Schaltung derselben Maschine, jedoch mit elektromechanischen Schaltelementen (--Kl. R.... K12. T--) analog zu Fig. 3 dargestellt.
In Fig. 5 ist der zeitliche Verlauf der Maschinenspannungen einer Maschine mit Thyristor-Kommutierungseinrichtung dargestellt. Die Phasenspannungen (u...... u- < ,) sind nur von den hier als konstant angenommenen Werten der Drehzahl und der Erregung des Läufers abhängig. Die stark ausgezogen gezeichnete Ausgangsspannung der Maschine (hier ist nur eine Phase dargestellt), ergibt sich durch Zünden bestimmter Thyristoren zu bestimmten Zeitpunkten durch die Steuerungseinheit. Das Löschen der Thyristoren erfolgt durch natürliche Kommutierung.
Fig. 5 zeigt verschiedene Möglichkeiten (a, b, c) der Änderung der Frequenz und der Amplitude der Ausgangsspannung bei gleichbleibender Maschinendrehzahl und Erregung.
Fig. 6 zeigt in Analogie zu Fig. 5 verschiedene Spannungsverläufe (a, b, c, d) einer Maschine mit elektromechanischer Kommutierungseinrichtung. Zwecks Änderung der Amplitude der Ausgangsspannung ist hier im Gegensatz zu der mit Thyristoren kommutierten Maschine gemäss Fig. 5 erforderlich, die Erregung der Maschine zu ändern. Die Ausgangsfrequenz wird durch die Drehzahl des Nocken-StösselSystems gesteuert.
Im Gegensatz zu der Thyristormaschine können hier auch solche Frequenzen erzeugt werden, die über der Frequenz der Phasenspannungen liegen (Fig. 6d). Dies wird durch Umkehr der Drehrichtung der Nockenwelle erzielt.
Fig. 7 stellt den Verlauf der Spannungen für den Fall einer 3-phasigen Thyristormaschine im Motorbetrieb dar. Dabei bedeuten u...... u- die Spannungen der Ständerwicklung der Maschine und u, uS., uT die Spannungen des Drehstromnetzes. Die stark ausgezogenen Kurvensegmente stellen den gezündeten Zustand der Ventile dar. Da die Zündung der Ventile nur im abfallenden Teil der Netzspannung erfolgt, ist es möglich, die Ventilströme sowie die von der Maschine aufgenommenen Gesamtströme kontinuierlich und unabhängig von der Motorendrehzahl zu steuern.