Wechselstrom-Synchron-Maschine Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Wech- selstrom-Synchron-Maschine, insbesondere Umfor mer, für Landesversorgungs-Netzfrequenz und min destens eine Mittelfrequenz sowie für mehrphasigen Betrieb, deren Induktor-Feldwicklung über Trocken gleichrichter erregt wird.
Solche Mittelfrequenz maschinen bedürfen besonderer Wechsel- oder Dreh strom-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 Ein leitung der Selbsterregung erforderlich ist. Ferner sind bei Generatoren höherer Frequenz erheblich stärkere Erregerströme erforderlich, da die Eisen verluste im induzierten Flussleiter quadratisch mit der Frequenz zunehmen. Darum sind auch dementspre chend höhere Erregerverluste zu decken.
Deshalb können sich diese Maschinen höherer Frequenzen nicht selbständig erregen. Dies wurde auch schon bei Drehstrom-Asynchron-Generatoren mit Parallelkon densatoren beobachtet (Schwingkreiserregung>.
Diese Schwierigkeit wird noch grösser, wenn der Induktor aus Blechsegmenten besteht, deren rema- nenter Magnetismus sehr klein ist. Ferner besteht die Gefahr, dass der remanente Magnetismus des Induk- tors durch Belastungsstromstösse des normalen Be triebes gelöscht wird, wenn er wirklich mit aller Mühe noch eingeleitet werden konnte.
Diese Nachteile werden erfindungsgemäss dadurch beseitigt, dass zur Einleitung der Selbsterregung über die Trockengleichrichter der remanente Magnetismus des Induktors mit Hilfe einer durch letzteren induzier ten niederfrequenten Wicklung des generatorischen Teiles der Maschine sowie der Induktor-Feldwicklung herangezogen wird. Beiliegende Zeichnung stellt die erfindungsgemässe Maschine, teils schematisch, in einer beispielsweisen Ausführungsform dar.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines beispielsweisen Frequenzumwandlers.
Fig. 2 ist eine Darstellung des elektrischen Sche mas desselben.
Fig. 3 stellt einen Rotor mit 2poligem Kern und 8poligem Kranz dar, im Querschnitt dargestellt; die Wicklungen sind schematisch.
Fig. 4 zeigt einen Rotor mit 4poligem Kern und 16poligem Kranz, im Querschnitt dargestellt, mit den schematisch angedeuteten Wicklungen.
Fig. 5 zeigt einen Rotor mit 6poligem Kern und 18poligem Kranz, ebenfalls im Querschnitt darge stellt, sowie mit schematischer Darstellung der Wick lungen, deren Erregerstromrichtung ersichtlich ist.
Der Frequenzumformer nach Fig. 1 besteht aus dem Statoreisenkörper 1 mit der beispielsweise 6poli- gen Wicklung 2.
Der Rotorkörper 4 ist auf der in den Lagern 13 laufenden Welle 12 fest angebracht und mit einer 2poligen Feldwicklung 5, einer 6poligen Feldwicklung 6 und einer in sich geschlossenen Käfigwicklung 7 versehen.
Die Erregung der beiden Feldwicklungen 5 und 6 geschieht über eine Erregermaschine, deren Stator- körper 8 mit einer Drehfeldwicklung 10 ausgerüstet ist. Der auf der Welle 12 festgemachte Rotorkörper 9 weist beispielsweise eine 6phasige Wicklung 11 auf, die über die an den Flügeln 14 eines Ventilators be festigten Gleichrichter 15 die Rotorwicklungen 5 und 6 erregt.
Wird der Wellenzapfen 17 der Welle 12 fremd angetrieben, so wird durch den remanenten Magnetismus im Rotorkörper 4 in der Statorwick- lung 2 eine relativ kleine Spannung induziert. Diese Wicklung 2 ist nach dem Schema Fig. 2 mit der Sta- torwicklung 10 der Erregermaschine elektrisch ver bunden.
Die vom remanenten Magnetismus in der Wicklung 2 induzierte 3phasige 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, U./min im Uhr- zeigersinn, so fliesst der vom remanenten Magnetis mus in der Wicklung 2 (2polig) induzierte Drehstrom mit 50 Hz in der 2poligen Wicklung 10 der Erreger maschine und erzeugt ein Drehfeld, 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 Rotorfeldwicklungen 5 und 6: schwach erregt.
Ein Pol jeder der Dioden 15 und der Feldwick lung 6 liegt an der Masse<B>16</B> der Maschine. Dieser Erregerstrom in der 2poligen Rotorfeldwicklung 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 6polige Wicklung 6 getrieben und die andere Statorwicklung 3 mit der der Polzahl entsprechenden Frequenz von 150 Hz in duziert.
Maschinen nach dem Erfindungsgegenstand sind jedoch nicht auf nur zwei Wicklungssysteme verschie dener Polzahl beschränkt, sondern können praktisch mit beliebiger Polzahl und mit mehr als zwei Wick lungssystemen ausgeführt werden.
Neben dem technischen Fortschritt der Selbst erregung ohne Schleifringe und ohne Bürsten ist noch von Vorteil, dass bei Belastungsstössen und Kurz schlüssen auf der höherfrequenten Wicklung 3 die Spannung der niederfrequenten Wicklung 2 nicht ab sinkt, 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. Induktor feldwicklungen 5 und 6 in Reihe geschaltet. Diese Wicklungen 5 und 6 können aber auch in Parallel schaltungen arbeiten, indem je ein Ende mit der Masse 16 verbunden wird, die anderen Enden hin gegen beide mit dem Sternpunkt der sechs Wick lungsstränge 11 des Erregermaschinenrotors 9 ver bunden werden.
Ferner könnte der Stator 8 der Erregermaschine mit mindestens zwei Statorwicklungen 10 verschiede ner Polzahl ausgerüstet werden, die im Statoreisen sowie im Rotoreisen 9 zwei einander überlagerte Drehflüsse induzieren. Im Rotor 9 würden dann ebenfalls zwei induzierte Wicklungen 11 verschiede ner Polzahl eingelegt, die mit den Statorwicklungen kongruent sein müssen. Jede dieser beiden Rotor- wicklungen 11 erregt dann je über mehrere Dioden 15 je eine der beiden in diesem Falle elektrisch ge trennten Generatorfeldwicklungen 5 und 6 unabhängig voneinander.
Den primären Erregerstrom beziehen die beiden Statorwicklungen 10 auch aus der Gene ratorwicklung 2 des Stators 1. Durch diese Anord nung können die beiden Feldströme in den Induktor wicklungen 5 und 6 unabhängig voneinander regu liert werden, so dass sich somit auch diese Regulie rung auf die induzierte Spannung der beiden Stator- wicklungen 2 und 3 überträgt.
Auch ist es möglich, dass beispielsweise nur die Induktorfeldwicklung 5 (2polig) über die Erregerstatorwicklung 10 sowie die Erregerrotorwicklung 11 und die Dioden 15 von der Generatorstatorwicklung 2 gespeist wird. Die In duktorfeldwicklung 6 mit höherer Polzahl wird dann über die andern Erregerwicklungen und Dioden mit der Generatorstatorwicklung 3 für höhere Frequenz verbunden. Diese Verbindung kann auch in Reihen schaltung als Compoundierung in Abhängigkeit vom Laststrom der Wicklung 3 auf die Induktorfeldwick- lung 5 wirksam gemacht werden.
Dadurch erreicht man, dass zu dem durch die Selbsterregung aufgebau ten Grund- oder Hauptfluss der beiden Induktorfeld- wicklungen 5 und 6 mit zunehmendem Belastungs strom in der induzierten höherfrequenten Statorwick- lung der Erregerstrom beispielsweise in der Feld wicklung 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 Induk- torfeldwicklung 5 auf die induzierte Spannung der Wicklung 2 bewirkt werden. Welcher Belastungs strom zur Compoundierung der Spannung im nieder- oder höherfrequenten Teil des Generators benützt wird, ist gleichgültig.
Die Erregermaschine mit Statorwicklung 10 und Rotorwicklung 11 kann durch einen Transformator mit ruhender Primär- und Sekundärwicklung ersetzt werden. Dabei sind jedoch Schleifringe und Bürsten am Induktor erforderlich, um den Erregerstrom den beiden Rotorfeldwicklungen 5 und 6 zuzuführen.
Zur Einleitung der Selbsterregung ist nur Rema- nenz im niederpoligen Flussleiter 4 des Induktors er forderlich. 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, das heisst aus einem eine breite Hystereseschleife aufweisenden ferroma- gnetischen Stoff.
Auch kann dieser Induktorkern aus einem massiven ferromagnetischen Material her gestellt sein; der Induktorkranz mit der hochpoligen Feldwicklung kann hingegen geblecht sein. Dieser Induktorkern kann walzen- oder sternförmig aus gebildet sein.
Die Fig.3-5 zeigen schematisch einen solchen sternförmig ausgebildeten Induktorkern.
Ein wirksames Mittel zur Verhinderung der Ent- magnetisierung bzw. Löschung der Remanenz des Rotorsternes im niederfrequenten Drehflusssystem be steht darin, dass die magnetische Induktion L des nie derfrequenten Drehflusses höher ist als die Induktion L des ihm überlagerten höherfrequenten Drehflusses. Beispielsweise bei einer Maschine für 50 und 400 Hz mit 2- und 16poligem Drehfeld muss das 2polige Drehfeld die Grundmagnetisierung mit höherer In duktion übernehmen. Hingegen muss die Induktion L des 16poligen Drehfeldes schwächer gehalten sein.
Diese Massnahme hat zur Folge, dass die relativ hohen Eisenverluste im induzierten 16poligen Fluss- leitersystem erheblich reduziert werden. Dieser Effekt wurde schon bei den ersten Versuchsmaschinen be obachtet und steht bei Maschinen nach dem Erfin- dungsgegenstand in krassem Gegensatz zu den kon ventionellen Maschinen beispielsweise Frequenz umformern mit ihren hohen Eisenverlusten im höher- frequenten induzierten Ankereisen. Bei Zweifrequenz- generatoren nach dem Erfindungsgegenstand wurde dieser Effekt ebenfalls beobachtet.
AC synchronous machine The present invention is an AC synchronous machine, especially Umfor mer, for national supply network frequency and min least one medium frequency and for multi-phase operation, the inductor field winding is excited via dry rectifier.
Such medium-frequency machines require special alternating or three-phase excitation generators that excite themselves, because the remanent magnetism of the inductors with a higher number of poles is so low in smaller units that practically no voltage occurs in the induced winding when it is not excited self-excitement is required. Furthermore, with generators with a higher frequency, considerably stronger excitation currents are required, since the iron losses in the induced flux conductor increase quadratically with the frequency. This is why higher pathogen losses must be covered accordingly.
Therefore these machines of higher frequencies cannot excite themselves. This has already been observed with three-phase asynchronous generators with parallel capacitors (resonant circuit excitation>.
This difficulty becomes even greater if the inductor consists of sheet metal segments whose remanent magnetism is very small. Furthermore, there is the risk that the remanent magnetism of the inductor will be extinguished by load current surges during normal operation if it was really possible to initiate it with great effort.
According to the invention, these disadvantages are eliminated in that the remanent magnetism of the inductor is used to initiate the self-excitation via the dry rectifier with the aid of a low-frequency winding of the generator part of the machine as well as the inductor field winding induced by the latter. The accompanying drawing shows the machine according to the invention, partly schematically, in an exemplary embodiment.
Fig. 1 is a longitudinal section of an exemplary frequency converter.
Fig. 2 is an electrical diagram of the same.
3 shows a rotor with a 2-pole core and an 8-pole ring, shown in cross section; the windings are schematic.
4 shows a rotor with a 4-pole core and a 16-pole ring, shown in cross section, with the windings indicated schematically.
Fig. 5 shows a rotor with 6-pole core and 18-pole ring, also in cross section Darge presents, and with a schematic representation of the windings, the direction of the excitation current can be seen.
The frequency converter according to FIG. 1 consists of the stator iron body 1 with the 6-pole winding 2, for example.
The rotor body 4 is firmly attached to the shaft 12 running in the bearings 13 and is provided with a 2-pole field winding 5, a 6-pole field winding 6 and a self-contained cage winding 7.
The two field windings 5 and 6 are excited via an excitation machine, the stator body 8 of which is equipped with a rotating field winding 10. The rotor body 9 fixed on the shaft 12 has, for example, a 6-phase winding 11 which excites the rotor windings 5 and 6 via the rectifier 15 fixed on the blades 14 of a fan.
If the shaft journal 17 of the shaft 12 is driven externally, the remanent magnetism in the rotor body 4 induces a relatively small voltage in the stator winding 2. This winding 2 is electrically connected to the stator winding 10 of the exciter machine according to the diagram in FIG.
The 3-phase voltage induced by the remanent magnetism in the winding 2 drives a three-phase current through this winding 10, which excites a rotating field in the stator 8 and rotor body 9 of the exciter, which rotates in the opposite direction to the direction of rotation of the shaft 12.
For example, if rotor 4 and thus rotor 9 run clockwise at 3000 rpm, the three-phase current induced by remanent magnetism in winding 2 (2-pole) flows at 50 Hz in 2-pole winding 10 of the exciter machine and generates a rotating field which rotates counterclockwise at 50 Hz. Three-phase current of 100 Hz is thus induced in the rotor winding 11 of this exciter, but this only flows in one direction via the six diodes 15 and weakly excites the rotor field windings 5 and 6.
One pole of each of the diodes 15 and the field winding 6 is connected to the ground 16 of the machine. This excitation current in the 2-pole rotor field winding 5 increases the excitation flow and thus also the induced voltage in the stator winding 2 until the equilibrium state and thus the target voltage of the machine is reached. At the same time, with the rapidly increasing excitation current in the field winding 5, the same is driven through the 6-pole winding 6 and the other stator winding 3 is duceded with the frequency of 150 Hz corresponding to the number of poles.
Machines according to the subject matter of the invention, however, are not limited to just two winding systems with different number of poles, but can be designed with practically any number of poles and with more than two winding systems.
In addition to the technical progress of self-excitation without slip rings and without brushes, it is also advantageous that in the event of load surges and short circuits on the higher-frequency winding 3, the voltage of the low-frequency winding 2 does not decrease, but remains completely rigid. As a result, the machine can never lose the remanence of the main flow or it is never deleted.
In the generator according to FIG. 1, for example, according to the circuit diagram of FIG. 2, the coils of the two rotor windings 2 and 3 or inductor field windings 5 and 6 are connected in series. These windings 5 and 6 can also work in parallel circuits by each end is connected to the ground 16, the other ends against both with the star point of the six winding strands 11 of the exciter rotor 9 are connected ver.
Furthermore, the stator 8 of the exciter machine could be equipped with at least two stator windings 10 different number of poles, which induce two superimposed rotary fluxes in the stator iron and in the rotor iron 9. In the rotor 9, two induced windings 11 different number of poles would then also be inserted, which must be congruent with the stator windings. Each of these two rotor windings 11 then excites one of the two generator field windings 5 and 6, which in this case are electrically separated, via a plurality of diodes 15, independently of one another.
The two stator windings 10 also obtain the primary excitation current from the generator winding 2 of the stator 1. With this arrangement, the two field currents in the inductor windings 5 and 6 can be regulated independently of each other, so that this regulation also affects the induced The voltage of the two stator windings 2 and 3 transfers.
It is also possible that, for example, only the inductor field winding 5 (2-pole) is fed from the generator stator winding 2 via the exciter stator winding 10 as well as the exciter rotor winding 11 and the diodes 15. In the duct field winding 6 with a higher number of poles is then connected to the generator stator winding 3 for higher frequency via the other excitation windings and diodes. This connection can also be made effective in a series connection as compounding depending on the load current of the winding 3 on the inductor field winding 5.
As a result, in addition to the basic or main flow of the two inductor field windings 5 and 6 built up by the self-excitation, the excitation current, for example in the field winding 6, is so amplified with increasing load current in the induced higher-frequency stator winding that in the Winding 3 the voltage remains constant from idle to full load.
This voltage compounding can also be brought about by increasing the basic excitation in the inductor field winding 5 to the induced voltage of the winding 2. It does not matter which load current is used to compound the voltage in the low or high frequency part of the generator.
The exciter with stator winding 10 and rotor winding 11 can be replaced by a transformer with static primary and secondary windings. However, slip rings and brushes are required on the inductor in order to supply the excitation current to the two rotor field windings 5 and 6.
To initiate the self-excitation, only remanence in the low-pole flux conductor 4 of the inductor is required. Since the remanence is located in the rotor core, it is expedient to manufacture this low-pole part of the rotor or inductor core from material with a high coercive force, that is to say from a ferromagnetic material with a wide hysteresis loop.
This inductor core can also be made from a solid ferromagnetic material; the inductor ring with the multi-pole field winding, however, can be laminated. This inductor core can be formed in the shape of a cylinder or a star.
FIGS. 3-5 schematically show such a star-shaped inductor core.
An effective means of preventing the demagnetization or deletion of the remanence of the rotor star in the low-frequency rotating flux system is that the magnetic induction L of the low-frequency rotating flux is higher than the induction L of the higher-frequency rotating flux superimposed on it. For example, in a machine for 50 and 400 Hz with a 2- and 16-pole rotating field, the 2-pole rotating field must take over the basic magnetization with a higher induction. In contrast, the induction L of the 16-pole rotating field must be kept weaker.
This measure has the consequence that the relatively high iron losses in the induced 16-pole flux guide system are considerably reduced. This effect was already observed with the first test machines and in machines according to the subject matter of the invention stands in stark contrast to conventional machines, for example frequency converters with their high iron losses in the higher-frequency induced anchor iron. This effect was also observed in the case of dual-frequency generators according to the subject matter of the invention.