DE1012680B

DE1012680B - Arrangement for converting single-phase to multi-phase current of the same frequency and vice versa

Info

Publication number: DE1012680B
Application number: DES50061A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hermann Harz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1956-08-23
Filing date: 1956-08-23
Publication date: 1957-07-25

Description

Anordnung zur Umformung von Einphasen- in Mehrphasenstrom gleicher Frequenz und umgekehrt Die Hauptpatentanmeldung bezieht sich auf eine Anordnung zur Umformung von Einphasen- in Mehrphasenstrom gleicher Frequenz und umgekehrt in einer umlaufenden Synchron- oder Asynchronmaschine, in deren Ständerwicklung durch ihre Erregung ein Mehrphasenspannungssystem erzeugt wird, das die in gleichem Sinne umlaufende Drehfeldkomponente der von außen zugeführten Einphasenspannung kompensiert. Hierbei sind z. B. die drei Phasenanfänge der Ständerwicklung an das Drehstromnetz angeschlossen, während an zwei miteinander verbundene Phasenenden der eine Pol des Einphasennetzes und an das Ende der dritten Phase. der andere Pol des Einphasennetzes angeschlossen ist. Die Erfindung befaßt sich mit einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens der Hauptpatentanmeldung. Gemäß der Erfindung wird als umlaufende Maschine zur Phasenumformung eine Asynchronmaschine mit Kurzschlußläufer verwendet, deren Erregerstrombedarf durch Kondensatoren gedeckt ist. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit, für den Umformer Schleifringe und Bürsten verwenden zu müssen, was insofern einen Vorteil mit sich bringt, als diese Teile einem natürlichen Verschleiß unterliegen und Wartung erfordern. Da der bei Belastung in der Ständerwicklung entstehende Strombelag entgegen der Drehrichtung des Läufers umläuft und von der Kurzschlußwicklung des Läufers wirksam abgedämpft wird, brauchen die zur Erregung der Asynchronmaschine vorgesehenen Kondensatoren nur für die Leerlaufblindleistung bemessen zu werden.Arrangement for converting single-phase to multiphase current of the same type Frequency and vice versa The main patent application relates to an arrangement for converting single-phase to multi-phase currents of the same frequency and vice versa in a rotating synchronous or asynchronous machine, in its stator winding by their excitation a polyphase voltage system is generated, which is the same Meaning of the rotating field component of the externally supplied single-phase voltage compensated. Here are z. B. the three phase beginnings of the stator winding to the Three-phase network connected while at two interconnected phase ends one pole of the single-phase network and at the end of the third phase. the other pole of the single-phase network is connected. The invention is concerned with another Design of the inventive concept of the main patent application. According to the invention an asynchronous machine with squirrel cage rotor is used as a rotating machine for phase conversion used, the excitation current requirement of which is covered by capacitors. This does not apply the need to use slip rings and brushes for the converter, which has an advantage in that these parts are subject to natural wear subject to and require maintenance. Since the load in the stator winding is generated Current coating runs against the direction of rotation of the rotor and from the short-circuit winding of the rotor is effectively damped, they need to excite the asynchronous machine intended capacitors to be rated only for the idle reactive power.

In den Fig. 1 bis 4 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben. In Fig. 1 ist die Asynchroninaschine 17, die einen Kurzgchlußläufer aufweist, mit den Phasenanfängen U, V, W an das Drehstromnetz RST angeschlossen. Die beiden Phasenenden Y, Z sind miteinander verbunden und an die Klemme T' des Einphasennetzes R'T' geführt. Das Ende X der dritten Phase der Ständerwicklung der Asynchronmaschine 17 ist an die Klemme R' des Einphasennetzes angeschlossen. Die Asynchronmaschine 17 wird von dem vom Einphasennetz R'T' gespeisten Motor 9 angetrieben, der zweckmäßig als Kurzschlußläufer gleicher Polzahl ausgebildet ist. Parallel zu den drei Phasen U-X, V-Y und W-Z sind die drei Kondensatoren C1, C2 und C3 geschaltet. Diese Kondensatoren sind so bemessen, daß sich die Asynchronmaschine 17 bei ihrer Nenndrehzahl auf eine Spannung erregt, die gleich der des Drehstromnetzes RST, z. B, gleich 380 Volt ist.In FIGS. 1 to 4, exemplary embodiments of the invention are shown. In Fig. 1, the asynchronous machine 17, which has a short-circuit rotor, is with the phase beginnings U, V, W connected to the three-phase network RST. The two ends of the phase Y, Z are connected to one another and led to the terminal T 'of the single-phase network R'T'. The end X of the third phase of the stator winding of the asynchronous machine 17 is on the terminal R 'of the single-phase network is connected. The asynchronous machine 17 is of driven by the motor 9 fed by the single-phase network R'T ', which is expediently a squirrel-cage rotor the same number of poles is formed. In parallel with the three phases U-X, V-Y and W-Z are the three capacitors C1, C2 and C3 are switched. These capacitors are dimensioned so that the asynchronous machine 17 is excited to a voltage at its nominal speed, the same as that of the three-phase network RST, z. B, equals 380 volts.

Ist der Betrag der Spannung des Einphasennetzes R'T' gleich der dreifachen Phasenspannung des Drehstromnetzes RST, also beispielsweise gleich 660 Volt, so ergibt sich das in Fig. 2 dargestellte Spannungsbild das dem in Fig. 3 der Hauptpatentanmeldung dargestellten Spannungsbild entspricht. Zur Erläuterung dieses Spannungsbildes sei zunächst angenommen, daß das Einphasennetz R'T' abgeschaltet ist und die drei Klemmen X, Y, Z zu einem Sternpunkt vereinigt sind, während die drei Kondensatoren C1, C2 und C3 parallel zu den betreffenden Wicklungen geschaltet bleiben. Da sich die Asynchronmaschine 17 dann wie ein kondensatorerregter Asynchrongenerator auf ihre Nennspannung, z. B. 380 Volt, erregt, würde bei Linkslauf der Maschine 17 der Spannungsstern U'VW entstehen. Wird die Klemme X vom Sternpunkt abgetrennt, so bleibt die Spannung X'-U' in der gleichen Lage wie zuvor bestehen. Wird jetzt zwischen die Klemmen X und Y, Z die Spannung des Einphasennetzes T'R' geschaltet, so wird die Klemme X auf das Potential der Klemme R', z. B. 660 Volt, gehoben. Da die Spannung X-U ihre Größe und Richtung beibehält, nimmt die Klemme U gegenüber dem Nullpunkt T'ZY ein Potential von beispielsweise 660 - 220 = 440 Volt an. Die Endpunkte der beiden anderen Spannungszeiger bleiben unverändert. Das Spannungsdreieck UVW läuft jetzt mit der verketteten Spannung von beispielsweise 380 Volt im Uhrzeigersinne um.If the value of the voltage of the single-phase network R'T 'is equal to three times Phase voltage of the three-phase network RST, that is to say, for example, equal to 660 volts, see above the result is the stress pattern shown in FIG. 2 that of FIG. 3 of the main patent application corresponds to the stress pattern shown. To explain this tension picture let initially assumed that the single-phase network R'T 'and the three terminals are switched off X, Y, Z are combined to form a star point, while the three capacitors C1, C2 and C3 remain connected in parallel with the relevant windings. Since the asynchronous machine 17 then like a capacitor-excited asynchronous generator to its nominal voltage, z. B. 380 volts, energized, the counterclockwise rotation of the machine 17 would be the voltage star U'VW develop. If terminal X is disconnected from the star point, the voltage X'-U 'remains exist in the same position as before. Is now between the terminals X and Y, Z the voltage of the single-phase network T'R 'is switched, then the terminal X is connected to the Potential of terminal R ', e.g. B. 660 volts, raised. Because the voltage X-U is its size and maintains direction, the terminal U takes a potential with respect to the zero point T'ZY for example 660 - 220 = 440 volts. The end points of the other two voltage vectors stay unchanged. The voltage triangle UVW now runs with the linked voltage of, for example, 380 volts clockwise.

Kommt jetzt unter dem Einfluß einer Belastung im Drehstromnetz RST ein Strom zustande, so läuft der diesem Strom entsprechende Strombelag im Ständeder Asynchronmaschine 17 mit nahezu doppelter Netzfrequenz entgegen dem Läufer um und wird von diesem völlig abgedämpft. Diese Abdämpfung ist beim Kurzschlußläufer, wie ihn die Erfindung vorsieht, besonders wirksam, da seine Käfigwicklung für den vollen Ständerstrombelag bemessen ist. Da Spannungswelle und Stromwelle im Ständer der Maschine 17 mit doppelter Netzfrequenz gegeneinander umlaufen, werden innerhalb einer Periode der Netzfrequenz Spannung und Strom zweimal gleichphasig und zweimal gegenphasig, d. h., innerhalb einer Periode arbeitet die Maschine 17 zweimal motorisch und zweimal generatorisch. Dies wirkt sich in der Weise aus, daß der Anker der Maschine 17 innerhalb einer Periode zweimal voreilt und zweimal zurückbleibt; er wirkt dadurch als Energiespeicher und kann die vom Einphasennetz RT' unstetig gelieferte Energie stetig an das Drehstromnetz RST weitergeben. Der Antriebsmotor 9 braucht hierbei außer der kleinen Verlustleistung der Asynchronmaschine 17 keine Leistung abzugeben.Now comes under the influence of a load in the three-phase network RST If a current is established, the current layer corresponding to this current runs in the stand Asynchronous machine 17 with almost double the network frequency against the rotor and is from this completely dampened. This damping is in squirrel cage like the invention provides, particularly effective, since its cage winding for the full stator current load is sized. Since voltage wave and current wave in the stator of the machine 17 with double Network frequency circulate against each other, are within one period of the network frequency Voltage and current twice in phase and twice out of phase, d. i.e., within one period, the machine 17 operates twice as a motor and twice as a generator. This has the effect that the armature of the machine 17 within a Period leads twice and lags twice; it acts as an energy store and can continuously supply the energy supplied by the single-phase network RT 'to the three-phase network Pass on RST. The drive motor 9 needs here in addition to the small power loss the asynchronous machine 17 to deliver no power.

Wie leicht zu erkennen ist, stimmen Einphasenleistung und Drehstromleistung überein. Bezeichnet EPh die Spannung je Phase der Asynchronmaschine 17 und J den Strom je Phase, so ist die Leistung auf der Einphasenseite gleich 3 ₧ EPh ₧ J; der gleiche Ausdruck gilt für die Leistung auf der Drehstromseite, wenn man von der Erregerleistung des Umformers absieht, die auf andere Weise, nämlich durch die Kondensatoren C1, C2 und C3, gedeckt wird.As is easy to see, single-phase power and three-phase power are correct match. EPh denotes the voltage per phase of the asynchronous machine 17 and J den Current per phase, the power on the single-phase side is equal to 3 ₧ EPh ₧ J; the same expression applies to the power on the three-phase side if one disregards the excitation power of the converter, which is done in another way, namely is covered by the capacitors C1, C2 and C3.

Bei dem in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Asynchronmaschine 13 über die als Phasenumformer arbeitende Asynchronmaschine 17 mit symmetrischem Drehstrom gespeist und arbeitet als Motor oder als Generator, je nachdem, ob die mit 12 bezeichnete Maschine eine Arbeitsmaschine oder eine Kraftmaschine ist. Damit die für die Erregung der Asynchronmaschine 13 erforderliche Blindleistung nicht die Asynchronmaschine 17 belastet, sind für die Erregung der Asynchronmaschine 13 die zusätzlichen Kondensatoren C1 bis C6 vorgesehen.In the embodiment shown in FIG. 3, the asynchronous machine 13 via the asynchronous machine 17 working as a phase converter with symmetrical Three-phase current supplied and works as a motor or a generator, depending on whether the machine designated by 12 is a work machine or a prime mover. In order to the reactive power required for exciting the asynchronous machine 13 is not the asynchronous machine 17 is loaded for the excitation of the asynchronous machine 13 the additional capacitors C1 to C6 are provided.

Der Phasenumformer gemäß der Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft dazu verwenden, den aus einer Einphasenfahrleitung entnommenen Wechselstrom in Mehrphasenstrom umzuformen, mit dem dann über Gleichrichter die Gleichstromfahrmotoren eines elektrischen Triebfahrzeuges gespeist werden. Um die den Fahrmotoren zugeführte Gleichspannung regeln zu können, wird der Umformer gemäß der Erfindung an die mit Anzapfungen versehene Zweitwicklung eines Umspanners einer Einphasenlokomotive angeschlossen. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in der Fig. 4 wiedergegeben. Die Erstwicklung des Umspanners Tr wird von der Einphasenfahrleitung 14 gespeist. An die Anzapfungen der Zweitwicklung dieses Umspanners ist über den Stufenwähler 15 die Phase U-X der Asynchronmaschine 17 angeschlossen. Abweichend vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist hierbei die Phase U-X in die beiden parallelen Zweige U1-X1 und U2-X2 aufgeteilt. An die Drehstromseite der Asynchronmaschine 17 ist die Gleichrichteranordnung Gl angeschlossen, die den den Fahrmotoren M zugeführten Strom gleichrichtet. Zur Erregung der Asynchronmaschine 17 dienen die Kondensatoren C11, C12, C2 und C3. Durch die Aufteilung der Phase U-X in die beiden parallelen Zweige wird erreicht, daß stromlos von einer Anzapfung des Umspanners Tr auf eine benachbarte geschaltet werden kann.. Die Gleichrichterzweige der Gleichrichteranordnung Gl verhindern einen Kurzschluß, wenn die beiden Arme des Stufenwählers 15 an benachbarten Anzapfungen angreifen. Die Asynchronmaschine 17 wird vom Motor 9 angetrieben, der aus der Zweitwicklung des Umspanners Tr gespeist wird.The phase converter according to the invention can be particularly advantageous to use the alternating current taken from a single-phase contact line into multi-phase current to transform, with which then rectifier the DC traction motors of an electric Traction vehicle are fed. About the DC voltage supplied to the traction motors To be able to regulate, the converter according to the invention is connected to the one provided with taps Second winding of a transformer of a single-phase locomotive connected. An embodiment this is shown in FIG. 4. The initial winding of the transformer Tr is fed by the single-phase contact line 14. At the taps on the secondary winding this one The transformer phase U-X of the asynchronous machine 17 is connected via the step selector 15. In contrast to the exemplary embodiment in FIG. 1, the phase U-X is in the two parallel branches U1-X1 and U2-X2. On the three-phase side of the asynchronous machine 17 is connected to the rectifier arrangement Gl, which is fed to the traction motors M Rectifies electricity. The capacitors are used to excite the asynchronous machine 17 C11, C12, C2 and C3. By dividing the phase U-X into the two parallel Branches is achieved that de-energized from a tap of the transformer Tr to a neighboring can be switched .. The rectifier branches of the rectifier arrangement Gl prevent a short circuit when the two arms of the tap selector 15 on adjacent Attack taps. The asynchronous machine 17 is driven by the motor 9, the is fed from the secondary winding of the transformer Tr.

Phasenumformer gemäß der Erfindung eignen sich auch vorzüglich für die Speisung der Hilfsantriebe von Einphasentriebfahrzeugen, beispielsweise Lüftern, Verdichtern usw. Da der Phasenumformer gemäß der Erfindung einen symmetrischen Drehstrom abgibt, können für die Hilfsantriebe gewöhnliche Drehstrommotoren verwendet werden.Phase converters according to the invention are also ideally suited for the supply of the auxiliary drives of single-phase locomotives, e.g. fans, Compressors, etc. Since the phase converter according to the invention has a symmetrical three-phase current outputs, normal three-phase motors can be used for the auxiliary drives.

Claims

PATENT CLAIMS 1. Arrangement for converting single-phase into multiphase electricity same frequency and vice versa in a rotating asynchronous machine, in whose Stator winding a multi-phase voltage system is generated by its excitation, that is the rotating field component of the externally supplied rotating field in the same sense Single-phase voltage compensated, according to patent application S 39096 VIIIb / 21d2 marked; that the excitation current requirement of those running with squirrel cage Asynchronous machine is covered by capacitors.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the drive power of the phase converter by. a separate drive motor is supplied.

3. Arrangement according to claim 1, wherein the three phase beginnings of the stator winding are connected to the three-phase network, while at two interconnected phase ends one pole of the single-phase network and the other pole of the single-phase network is connected to the end of the third phase is, characterized in that the phase converter to the provided with taps Second winding of a transformer is connected to a single-phase locomotive and the three-phase current supplied by it feeds the traction motors via a rectifier.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the third phase of the phase converter is divided into two parallel branches; with one end to each a step selector ' at the transformer and at its other end to the center tap of the rectifier arrangement connected.

5. Arrangement according to claim 1 or one of the preceding, characterized by using the phase converter to supply three-phase motors on single-phase locomotives from the single-phase network.