DE1012367B

DE1012367B - Synchronous frequency converter

Info

Publication number: DE1012367B
Application number: DES46606A
Authority: DE
Inventors: Dr Techn Alfred Grabner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1955-12-06
Filing date: 1955-12-06
Publication date: 1957-07-18

Description

Synchroner Frequenzumformer Die Erfindung bezieht sich auf einen synchronen Frequenzumformer, beidem das Wicklungssystem für die beiden verschiedenen Frequenzen im Ständer angeordnet ist. Gemäß der Erfindung ist der keine Erregerwicklung tragende Läufer des Frequenzumformers mit Ausnehmungen versehen. Wird mittels des im Ständer angeordneten Wicklungssystems ein Drehfeld erzeugt, so läuft der Läufer unter dem Einfluß des Reaktionsdrehmoments synchron um und erzeugt im Luftspalt die den beiden Frequenzen entsprechenden Wellen des Induktionsfeldes. Das im Ständer angeordnete Wicklungssystem kann aus einer einzigen beide Frequenzen führenden Wicklung oder aus zwei beiden Frequenzen zugeordneten Wicklungen bestehen. Es empfiehlt sieh, die Ausnehmungen im Läufereisen so zu gestalten, daß diese der Polzahl der Induktionsfeldwelle mit der tieferen Frequenz entsprechen. Auf diese Weise erhält der Läufer für die tieferfrequente Welle des Induktionsfeldes einen unterschiedlichen magnetischen Längs- und Querwiderstand. Die höherfrequente Welle des Induktionsfeldes kann durch die Form der Ausnehmungen oder durch eine zusätzliche Zahnung des Läufereisens festgelegt werden. Der Frequenzumformer kann gegebenenfalls auch als Phasenzahlumformer benutzt werden.Synchronous frequency converter The invention relates to a synchronous Frequency converter, both the winding system for the two different frequencies is arranged in the stand. According to the invention, the one does not have an excitation winding Provide the runner of the frequency converter with recesses. Used by means of the in the stand arranged winding system generates a rotating field, the rotor runs under the Influence of the reaction torque synchronously and generates the two in the air gap Frequencies corresponding waves of the induction field. The one arranged in the stand Winding system can consist of a single winding or both frequencies consist of two windings assigned to both frequencies. It recommends see to design the recesses in the armature so that they match the number of poles of the induction field wave correspond to the lower frequency. This way the runner gets for that lower frequency wave of the induction field has a different magnetic Longitudinal and transverse resistance. The higher frequency wave of the induction field can pass through the shape of the recesses or set by an additional toothing of the rotor iron will. The frequency converter can also be used as a phase number converter will.

Die Erfindung sei beispielsweise an einem Frequenzumformer für das Verhältnis 1 : 3 näher erläutert, dessen Luftspalt in der Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Der Ständer 1 ist mit Nuten 2 zur Aufnahme des Wicklungssystems versehen, welches beispielsweise aus einer zweipoligen Wicklung für 50 Hz und einer sechspoligen Wicklung für 150 Hz besteht. Aus dem Läufer 3 sind Ausnehmungen mit genügend großem Luftspalt derart herausgeschnitten, daß von der Polteilung cp nur noch 1/3 cp mit Eisen bedeckt ist. Wird jetzt die zweipolige Wicklung mit 50 Hz gespeist, so entsteht ein Drehfeld, dessen Grundwelle 12 die Wellenlänge 2 zp hat. Dieser in Fig. 1 eingezeichneten Grundwelle 1 2 setzt der Läufer 3 einen bestimmten magnetischen Längswiderstand und infolge seiner Ausnehmungen einen von diesem verschiedenen magnetischen Querwiderstand entgegen. Demzufolge wirkt ein Reaktionsdrehmoment auf den Läufer 3 ein, welches diesen synchron mit dem umlaufenden Drehfeld mitnimmt. Da der synchron umlaufende Läufer 3 nur zu einem Drittel seiner Polteilung mit Eisen bedeckt ist, entsteht im Luftspalt eine dritte, ebenfalls in Fig. 1 eingezeichnete Oberwelle 3 2 des Drehfeldes der Luftspaltinduktion. Diese dritte Oberwelle 3 2 hat die Wellenlänge 2/s cp und induziert demzufolge in der sechspoligen Ständerwicklung Ströme von 150 Hz. Um ein einwandfreies Arbeiten dieses Frequenzumformers zu gewährleisten, muß dafür Sorge getragen werden, daß die zweipolige Wicklung keine Spannungswelle von 150 Hz und die sechspolige keine Spannungswelle von 50 Hz aufnimmt. Das kann dadurch erreicht werden, daß der Wicklungsfaktor der zweipoligen Wicklung für 150 Hz und der Wicklungsfaktor der sechspoligen Wicklung für 50 Hz möglichst gleich Null gewählt wird. .The invention will be explained in more detail, for example, using a frequency converter for the ratio 1: 3, the air gap of which is shown schematically in FIG. The stator 1 is provided with grooves 2 for receiving the winding system, which consists, for example, of a two-pole winding for 50 Hz and a six-pole winding for 150 Hz. Recesses with a sufficiently large air gap are cut out of the rotor 3 in such a way that only 1/3 cp of the pole pitch cp is covered with iron. If the two-pole winding is now fed with 50 Hz, a rotating field is created whose fundamental wave 12 has the wavelength 2 zp. This fundamental wave 1 2 shown in FIG. 1 is opposed by the rotor 3 with a specific magnetic longitudinal resistance and, as a result of its recesses, a magnetic transverse resistance different therefrom. As a result, a reaction torque acts on the rotor 3, which takes it along synchronously with the rotating field. Since the synchronously rotating rotor 3 is only covered to a third of its pole pitch with iron, a third harmonic 3 2 of the rotating field of the air gap induction, also shown in FIG. 1, arises in the air gap. This third harmonic 3 2 has the wavelength 2 / s cp and consequently induces currents of 150 Hz in the six-pole stator winding six-pole does not absorb a voltage wave of 50 Hz. This can be achieved in that the winding factor of the two-pole winding for 150 Hz and the winding factor of the six-pole winding for 50 Hz is chosen to be zero as possible. .

Statt der beiden Ständerwicklungen kann aber auch eine einzige Ständerwicklung gewählt werden, welche dann für beide Frequenzen ausgelegt werden muß, indem beispielsweise in an sich bekannter Weise für jede Phase zwei parallel geschaltete Wicklungszweige vorgesehen sind, wobei die Zweigmitten für die Zuführung bzw. Abnahme des Stromes mit 50 Hz und die Verbindungspunkte zweier parallel geschalteter Zweige für die Abnahme bzw. Zuführung des Stromes mit 150 Hz dienen.Instead of the two stator windings, however, a single stator winding can also be used be chosen, which must then be designed for both frequencies by, for example in a manner known per se, two winding branches connected in parallel for each phase are provided, with the branch centers for the supply or removal of the current with 50 Hz and the connection points of two branches connected in parallel for the Serve decrease or supply of the current with 150 Hz.

Bei Belastung des Frequenzumformers kann ein elektrodynamisches Drehmoment nicht entstehen, da sowohl die den Primärstrom als auch die den Sekundärstrom führende Wicklung auf dem Ständer angeordnet sind und der Läufer keine Wicklung trägt. Auch bei Belastung bleibt der Läufer somit im Synchronismus, da sein Reaktionsdrehmoment zur Überwindung des Leerlaufdrehmoments ausreicht.When the frequency converter is loaded, an electrodynamic torque do not arise, since both the primary current and the secondary current carry Winding are arranged on the stator and the rotor has no winding. Even under load, the rotor remains in synchronism because of its reaction torque sufficient to overcome the idling torque.

Wird der Läufer des Frequenzumformers gemäß einer Weiterbildung .der Erfindung mit einer Käfigwicklung versehen, so ist ein einwandfreier Anlauf des Frequenzumformers sowohl von der primären Seite als auch von der sekundären Seite aus möglich. Beläßt man diese Käfigwicklung, so ist mit dem Frequenzumformer auch eine Phasenzahlumformung möglich.If the rotor of the frequency converter according to a development .der Invention provided with a cage winding, so is a proper start of the Frequency converter from both the primary and the secondary side from possible. If you leave this cage winding, so is the frequency converter a conversion of the number of phases is possible.

Bei Speisung der Primärseite mit Einphasenstrom wird die inverse Drehfeldkomponente im Käfig abgedämpft, und! die mit dem Läufer umlaufende Komponente überträgt sich, wie im vorher geschilderten Fall bei Dreiphasenstrom, auf die Sekundärseite. Mittels Hilfsphase ist über einen Ohmschen Widerstand auch bei einphasigem Anschluß ein einwandfreier Anlauf in den Synchronismus möglich. Doch muß knapp vor Erreichen der synchronen Drehzahl die Hilfsphase abgeschaltet werden, was mit Hilfe eines Fliehkraftschalters oder eines Relais selbsttätig vorgenommen werden kann.When the primary side is fed with single-phase current, the inverse rotating field component is generated dampened in the cage, and! the component rotating with the rotor transmits as in the case described above with three-phase current, on the secondary side. By means of an auxiliary phase, an ohmic resistance is also possible with a single-phase connection a flawless start-up in synchronism is possible. But must just before reaching the synchronous speed, the auxiliary phase can be switched off, which is done with the help of a Centrifugal switch or a relay can be made automatically.

Der Leistungsfaktor des Frequenzumformers bewegt sich bei geeigneter Bemessung innerhalb der Grenzen der Modellgröße eines Asynchronmotors. Will man diesen auf cos c=1 verbessern, so ist dies auf wirtschaftliche Weise durch Kondensatoren auf der höherfrequenten Seite des Frequenzumformers nach Fig.2 zu erzwingen. Wird der Frequenzumformer von der höherfrequenten Seite aus betrieben, so empfiehlt es sich, die Kondensatoren auf die niederfrequente Seite zu geben. Im allgemeinen ist es aber vorteilhafter, den Frequenzumformer von der niederfrequenten Seite aus zu betreiben, da dann sein Leistungsfaktor besser ist.The power factor of the frequency converter moves with a suitable one Dimensioning within the limits of the model size of an asynchronous motor. Do you want improve this to cos c = 1, this is done in an economical way by means of capacitors to force on the higher frequency side of the frequency converter according to Fig.2. Will If the frequency converter is operated from the higher-frequency side, it is recommended to put the capacitors on the low-frequency side. In general is but it is more advantageous to use the frequency converter from the low-frequency side operate, because then its power factor is better.

Der Frequenzumformer nach der Erfindung eignet sich also besonders für die Umformung eines niederfrequenten Stromes in einen höherfrequenten Strom. So läßt sich der Frequenzumformer insbesondere für elektrische Antriebe verwenden, welche mit höheren Drehzahlen als n = 300 U/min betrieben werden müsbsen und für die lediglich ein Netz mit 50 Hz zur Verfügung steht. In diesem Fall ist der Frequenzumformer vorteilhaft für die Umformung von 50 Hz auf 150 Hz auszulegen.The frequency converter according to the invention is therefore particularly suitable for converting a low-frequency current into a higher-frequency current. The frequency converter can be used especially for electrical drives, which must be operated at speeds higher than n = 300 rpm and for which is only available in a 50 Hz network. In this case the frequency converter is advantageous for converting from 50 Hz to 150 Hz.

Weiterhin ist die Verwendung des Frequenzumformers besonders günstig für Lokomotiven, welche aus der Fahrleitung mit Einphasenstrom von 162/3 Hz gespeist werden. Mit Hilfe des Frequenzumformers läßt sich auf diesen Lokomotiven in einfacher Weise ein Drehstromhilfsnetz von 50 Hz schaffen, um die Hilfsbetriebe, beispielsweise Lüfter od. dgl., anzutreiben. Dann können auf der Lokomotive die bisher für die Hilfsbetriebe verwendeten einphasigen Kollektormotoren durch wirtschaftlichere und betriebssichere Drehstromkurzschlußläufermotoren ersetzt werden.Furthermore, the use of the frequency converter is particularly favorable for locomotives that are fed from the contact line with single-phase current of 162/3 Hz will. With the help of the frequency converter can be on these locomotives in a simple Way to create a three-phase auxiliary network of 50 Hz to the auxiliaries, for example Fan or the like. To drive. Then you can use the locomotive for the Auxiliaries used single-phase collector motors through more economical and reliable three-phase squirrel cage motors are replaced.

Der Frequenzumformer eignet sich auch besonders gut zur Umformung von Drehstrom mit 50 Hz auf Einphasenstrom mit 150 Hz für Lichtbogenschweißmaschinen; denn mit höherer Frequenz wird die Lichtbogenhaltung leichter, und das Regelorgan für die Schweißstromstärke, beispielsweise eine Drosselspule mit veränderlichem Luftspalt, läßt sich bei der höheren Frequenz konstruktiv kleiner und somit leichter bauen.The frequency converter is also particularly suitable for conversion from three-phase current with 50 Hz to single-phase current with 150 Hz for arc welding machines; for the higher the frequency, the arc hold becomes easier, and so does the regulating organ for the welding current strength, for example a choke coil with variable Air gap, can be structurally smaller and therefore lighter at the higher frequency build.

Schließlich ist die Umformung von Drehstrom mit 50 Hz auf Einphasenstrom höherer Frequenz mit dem Frequenzumformer auch in der Regeltechnik zur Speisung von Magnetreglern von wirtschaftlicher Bedeutung. Ein besonders für diesen Verwendungszweck geeignetes Ausführungsbeispiel des Frequenzumformers ist in der Fig. 3 wiedergegeben. Mittels des in dieser Figur gezeigten Frequenzumformers ist eine Umformung von Drehstrom mit 50 Hz auf Einphasenstrom mit 800 Hz möglich. Entsprechend der zweipoligen Grundwelle des Induktionsfeldes im Luftspalt ist der Läufer mit den beiden Ausnehmungen A versehen. Der hierdurch erreichte Unterschied zwischen dem magnetischen Längswiderstand und dem magnetischen Querwiderstand für die Grundwelle bewirkt das Reaktionsdrehmoment, welches den Läufer im Synchronismus hält. Die Läufernuten, in welchen die Käfigstäbe K untergebracht sind, bestimmen in ihrer Zahl die sekundäre Frequenz. Während also in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1, welches für eine Freqrenzumformung im Verhältnis 1 :3 vorgesehen ist, die das Reaktionsdrehmoment hervorrufenden Ausnehmungen und die die entsprechende Oberwelle hervorrufende Zahnung des Läufereisens zusammenfallen, sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 3, welches für eine Frequenzumformung im Verhältnis 1 : 16 vorgesehen ist, die das Reaktionsdrehmoment erzeugenden Ausnehmungen und die die Oberwelle erzeugende Zahnung (Läufernuten) voneinander verschieden.Finally, there is the conversion from three-phase current with 50 Hz to single-phase current higher frequency with the frequency converter also in the control technology for the supply of magnetic regulators of economic importance. A special one for this purpose a suitable embodiment of the frequency converter is shown in FIG. The frequency converter shown in this figure converts three-phase current with 50 Hz on single-phase current with 800 Hz possible. According to the two-pole fundamental wave of the induction field in the air gap, the runner is provided with the two recesses A. The resulting difference between the longitudinal magnetic resistance and the magnetic transverse resistance for the fundamental wave causes the reaction torque, which keeps the runner in synchronism. The runner grooves in which the cage bars K, determine the number of the secondary frequency. So while in the embodiment of FIG. 1, which is for a frequency conversion in relation to 1: 3 is provided, the recesses causing the reaction torque and the teeth of the rotor that cause the corresponding harmonic coincide, are in the embodiment of FIG. 3, which for a frequency conversion in the ratio 1: 16 is provided, the recesses and the reaction torque generating the toothing (rotor slots) generating the harmonic is different from one another.

Die zweipolige Drehstromwicklung D für die Frequenz des selbständigen primären Netzes von 50 Hz ist im Ständer am Nutengrund untergebracht, während die Einphasenwicklung E für 800 Hz an der Nutenöffnung angeordnet ist. Die Einphasenwicklung ist eine Wellenwicklung mit der Spulenweite einer Nutenteilung und läuft am Umfang einmal herum, so daß sich die 50-Hz-Spannungswellen in ihr aufheben. Ebenso heben sich die 800-Hz-Spannungswellen in der primären Drehstromwicklung auf, daher erzeugen die Ausnehmungen A des Läufereisens zur Bildung der feldfreien Zonen in der primären Drehstromwicklung auch keine Oberwellen.The two-pole three-phase winding D for the frequency of the independent primary network of 50 Hz is housed in the stator at the bottom of the slot, while the Single-phase winding E for 800 Hz is arranged at the slot opening. The single phase winding is a wave winding with the spool width of one slot pitch and runs on the circumference once around so that the 50 Hz voltage waves cancel each other out in it. Lift as well the 800 Hz voltage waves are generated in the primary three-phase winding the recesses A of the rotor to form the field-free zones in the primary Three-phase winding also no harmonics.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Synchronous frequency converter in which the winding system for the two different frequencies is arranged in the stand, characterized in that that the rotor of the frequency converter, which does not have an excitation winding, has recesses is provided so that the synchronously revolving under the influence of the reaction torque Runner the waves of the induction field corresponding to the two frequencies in the air gap generated.

2. Synchronous frequency converter according to claim 1, characterized in that that the recesses of the number of poles of the induction field wave with the lower frequency correspond.

3. Synchronous frequency converter according to claim 1 and 2, characterized in that that the induction field wave with the higher frequency due to the shape of the recesses is fixed.

4. Synchronous frequency converter according to claim 1 and 2, characterized that the induction field wave with the higher frequency by an additional toothing of the running iron is set.

5. Synchronous frequency converter according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the winding system of the stator consists of a the only winding that carries both frequencies.

6. Synchronous frequency converter according to one of claims 1 to 4, characterized in that the winding system of the stator consists of two windings assigned to the two frequencies.

7th Synchronous frequency converter according to Claim 6, characterized in that the Winding factor of the winding corresponding to the lower frequency for that of the higher frequency Frequency corresponding wave of the induction field is zero or very small. B.

Synchronous frequency converter according to Claim 6, characterized in that the winding factor the the winding corresponding to the higher frequency for the winding corresponding to the lower frequency Wave of the induction field is zero or very small.

9. Synchronous frequency converter according to claim 1, characterized in that the rotor has a cage winding.

10. Synchronous frequency converter according to claim 1, characterized in that the Phase numbers of the two windings are different.

11. Synchronous frequency converter according to claims 9 and 10, characterized in that one with single-phase self-start used auxiliary phase through a relay or a centrifugal switch before reaching the synchronous speed is switched off.

12. Synchronous frequency converter according to Claim 1, characterized in that in the case of: forming of low-frequency higher frequency current to improve the power factor to the capacitors higher-frequency network side are connected.

13. Synchronous frequency converter according to Claim 1, characterized in that when reshaping from higher frequency to lower frequency Current to improve the power factor capacitors to the low frequency Connected to the network side.

14. Synchronous frequency converter according to one of the claims 1 to 13, characterized by a frequency conversion in a ratio of 1: 3.

15. Synchronous Frequency converter according to Claim 14, characterized in that the one with the harmonic defining teeth coinciding recesses to two thirds of the pole pitch extend.

16. Use of a frequency converter according to claim 14 or 15, which is operated from the lower-frequency side, for electric drives with higher speeds than n = 3000 rpm, for which only a network of 50 Hz is available.

17. Use of a frequency converter according to claim 14 or 15, which is operated from the lower-frequency side, for single-phase 162/3 periodic current fed locomotives to create an auxiliary network of 50 Hz for driving the auxiliaries.

18. Using a frequency converter according to claim 14 or 15, which is operated from the lower-frequency side, for arc welding machines.

19. Use of a synchronous frequency converter @ rs according to any one of claims 1 to 12; which operated from the lower-frequency side is used to supply magnetic regulators.