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Synchroner Frequenzumformer in Gleichpolbauart, insbesondere für die
Umformung von 50periodigem Drehstrom in 162/3periodigen Einphasenstrom und umgekehrt
Zur Versorgung von Bahnnetzen für 162/s Hz aus dem Landesnetz für 50' Hz können
bekanntlich Motorgeneratoren Anwendung finden, wobei die höchstmögliche Betriebsdrehzahl
des Umformers 1000 Umdrehungen je Minute beträgt. Sodann ist die Drehstrommaschine
sechspolig und die Einphasenmaschine zweipolig. Wie man sieht, ist mithin der maschinelle
Baustoffaufwand nicht unbeträchtlich, auch muß die Einphasenmaschine einen Volltrommelläufer
erhalten, dessen Käfigwicklung noch zu keiner befriedigenden konstruktiven Lösung
geführt hat und des öfteren zu Störungen Anlaß gibt. Sind des weiteren das Drehstromnetz
und das Einphasennetz selbständig, so muß zumindest einer von den beiden Ständern
des Motorgenerators vierdrehbar ausgeführt werden, oder es muß eines der beiden
Polräder Spaltpole besitzen, welche zumeist auf die Einphasenmaschine entfallen.
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Eine Frequenzumformung von Einphasenstrom von 162/s Hz in Drehstrom
mit 50 Hz muß dann vorgenommen werden, wenn man auf Lokomotiven für 162/s Hz für
die Hilfsbetriebe normale Kurzschlußläufermotoren verwenden will; auch hier erhält
man für die höchstmögliche Drehzahl 1000 Umdrehungen je Minute. Während nun das
primäre Netz 162/3 Hz hat, ist hier das sekundäre 50-Hz-Drehstromnetz unselbständig,
da es nur Verbraucher speist und daher nicht synchronisiert werden muß. Man könnte
auch hier die Frequenzumformung durch einen Motorgenerator vornehmen, doch wäre
der Aufwand für diesen Hilfsumformer gegenüber dem Hilfsantrieb mit Direktmotoren
für 162/s Hz zu groß. Nun läßt sich aber durch die Erfindung die Frequenzumformung
durch einen kollektorlosen. Einmaschinenumformer mit besserem Wirkungsgrad auf einfache
und gleich betriebssichere Art wie mit dem Motorgenerator durchführen, wobei auch
an Baustoffaufwand gespart werden kann.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen synchronen Frequenzumformer in
Gleichpolbauart, insbesondere für die Umformung von 50periodigem Drehstrom in 162/3periodigen
Einphasenstrom und umgekehrt, dessen Ständer und Läufer aus zwei die Erregerwicklungen
einschließenden Teilen bestehen. Erfindungsgemäß sind die beiden Läuferteile hinsichtlich
der Zahl und Form ihrer Pole gleich ausgeführt und um 180° elektrisch .gegeneinander
verdreht. Derartige Synchronmaschinen unipolarer Bauart sind für Mittelfrequenzgeneratoren
üblich. Bei dem Frequenzumformer nach der Erfindung hat der Ständer zweierlei induzierte
Wicklungen, welche entsprechend ihrer Frequenz mit verschiedener Polpaarzahl ausgeführt
sind. Die mit geringerer Polpaarzahl ist in Fig.1 mit E bezeichnet, sie durchläuft
beide Teilpakete. Die Wicklung mit höherer Polpaarzahl, mithin die höher frequente,
kann entweder auf beide Teilpakete aufgeteilt sein, für diesen Fäll ist sie in Fig.
1 mit D2 bezeichnet, oder sie kann ebenfalls beide Teilpakete durchlaufen, wie es
die Variante Dz' in Fig. 1 darstellt. Hierbei können die induzierten Wicklungen
beliebig für Drehstromanschluß oder einphasigen Anschluß vorgesehen werden. Liegt
ein einphasiger Anschlüß vor, so erhält der Läufer zur Abdämpfung der gegenlaufenden
Einphasenkomponente einen Dämpfungsring, welcher in Fig. 1 mit K bezeichnet ist.
Die induzierten Wicklungen können des weiteren entweder in gemeinsamen Nuten oder
in getrennten Nuten der Ständerpakete eingelegt werden; auf den diesbezüglichen
Unterschied in der Wirkungsweise soll noch hingewiesen werden. Für die Erregung
des Maschinenfeldes 0 dienen die beiden Magnetisierungsspulen M, welche in der Maschinenmitte
angeordnet sind.
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Die Läuferbleche sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel für n =
1000 U/min, wie man aus der Querschnktzeichnung der Fig. 1 entnehmen kann, auf sechs
Segmente 1, 2, 3, 4, 5 und 6 unterteilt und in schwalbenschwanzförmigen Nuten der
Welle verkeilt.
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Wenn wir z. B. eine Frequenzumformung von 162/s Hz Einphasenstrom
auf 50' Hz Drehstrom vorerst nur im Leerlauf betrachten wollen, so ist bei
1000 Umdrehungen
je Minute die 162/3-Hz-Wicklung zweipolig
und die 50-Hz-Wicklung sechspolig auszuführen.
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Wenn nun nur eine zweipolige Ausführung für den Läufer in- Frage stehen
würde, dürfen nur die Blechsegmente 1, 2 und 3 auf.der- linken Maschinenhälfte und
des -weiteren die Blechsegmente 4', 5' und 6' auf der rechten Maschinenhälfte magnetischen
Baustoff besitzen, während die Bleche 4, 5, 6 einerseits und andererseits die Bleche
1', 2', 3' aus unmagnetischem Baustoff bestehen müssen. Damit sich der Läufer nicht
unwuchtig verhält, ist des weiteren notwendig, daß beide Blecharten gleiche Fliehkräfte
entwickeln.
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Der Kraftfluß schließt sich mithin im Sinne von nach Fig. 1. Schauen
wir in axialer Richtung auf die Maschine, so erhalten wir von dem Kraftfluß ein
Schattenbild, welches von unten nach oben die Maschine durchsetzt. Reduzieren wir
die aus magnetischem Baustoff bestehenden Läuferlamellen beider Maschinenhälften,
welche für die Spannungserzeugung in Frage stehen, auf eine halbe Maschinenlänge,
so erhalten wir eine fiktive äquivalente Synchronmaschine ohne Pollücken im Läufer
mit dem Polbedeckungsfaktor a = 1, es ist daher die synchrone Reaktanz Xd gleich
Xq.
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In jeder Maschinenhälfte läuft somit bei Drehung des Läufers ein über
dem halben Umfang rechteckförmig verteiltes Feld nach Fig. 2a und 2b um. Als axiales
Schattenbild dieser Feldverteilung, reduziert auf eine Maschinenhälfte, erhalten
wir das ideelle spannungserzeugende Feld mit seinen Induktionen + 2max, - 2min und
- 2max, + 2min nach Fig. 2c. Wir können daher in der zweipoligen Primärwicklung
durch entsprechende Wahl des Sehnungsfaktors, des Zonenfaktors und des Nutenschrägungsfaktors
(oder Läuferschrägungsfaktors) eine einwandfreie sinusförmige Spannung erzeugen.
Diese drei Größen ermöglichen bei entsprechender Wahl auch dann noch die Erzeugung
einer sinusförmigen Spannung, wenn wir z. B. auf der linken -Maschinenhälfte die
magnetischen Bleche 2 durch unmagnetische Bleche ersetzen und das gleiche auf der
rechten Maschinenhälfte mit den Blechen 5' vornehmen. Sodann erhalten wir für das
ideelle, spannungserzeugende Feld eine Induktionsverteilung längs des Umfangs 2
(u) nach Fig. 3. Die Ergiebigkeit der primären (162/s Hz) Spannungswelle wird jetzt
allerdings kleiner sein, da die frühere rechteckförmige Feldverteilung nun. in der
Mitte eine Lücke aufweist. Diese Feldverteilung erzeugt aber in der sekundären sechspoligen
Drehstromwicklung die 50-Hz-Spannungswelle.
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Damit -in der sekundären Wicklung neben dieser 50-Hz-Spannungswelle,
falls sie beide Teilpakete durchsetzt, nicht auch noch die Grundwelle des Feldes
der primären- Wicklung eine Spannung erzeugt, ist es für die sekundäre Drehstromwicklung
des weiteren noch notwendig, daß jeder ihrer Phasenstränge für diese Grundwellenspannung
des Primärfeldes ein in sich geschlossenes Spannungspolygon bildet, so wie es z:
B. von der Dreieckwicklung her bekannt ist, in welcher sich ebenfalls die Gründwellenspannungen
in der Hintereinanderschaltung der drei Phasen auf-'heben, die dritten Oberwellen
aber addieren. Ordnet man hingegen für beide Teilpakete getrennte sekundäre Drehstromwicklungen
D2 nach Fig. 1 an, so wird in diesen keine Spannungswelle, herrührend von der Grundwelle
des Primärfeldes, erzeugt werden.
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Aber auch bei Belastung wird die Ankerrückwirkung die sinüsförmige
Spannungswelle nicht verzerren, wobei allerdings vorausgesetzt wird, daß die gegenlaufende
Komponente der Einphasenamperewindungen der Wicklung E abgedämpft wird. Dies geschieht
nun im Kupferring K, welcher in der Querschnittzeichnung der Fig. 1 in der Läufermitte
zu erkennen ist. Der konstruktive Aufbau des Dampferkäfigs gestaltet sieh demnach
bei dieser Maschinenart besonders einfach.
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Nun sind die Wicklungen des Frequenzumformers, falls sie in gemeinsamen
Nuten untergebracht sind, noch mit ihren Streufeldern wechseiseitig verkettet; das
Streufeld der Drehstromwicklung erzeugt in der Einphasenwicklung eine Spannung der
dritten Oberwelle. Bedeckt die Einphasenwicklung jedoch zwei Drittel ihrer Polteilung,
so beträgt ihr Zonenfaktor für die dritte Oberwelle fZ3 = 0, und diese fällt mithin
heraus. In der Drehstromwicklung D2' hingegen kann das Streufeld der Einphasenwicklung
eine Spannung erzeugen, welche sich in allen drei Phasen zeitphasengleich und größengleich
überlagert, sie wird nur gegenüber einem Nulleiter wahrnehmbar sein.
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Der beschriebene Frequenzumformer besitzt Durchgangsleistung; für
diese ist somit kein größerer Erregungsaufwand als im Leerlauf notwendig, wenn man
den Einfluß der Streuspannung vernachlässigt. Wenn man die Erregung jedoch erhöht,
so gibt der Frequenzumformer Blindleistung entweder in das primäre oder in das sekundäre
Netz ab, je nachdem, auf welcher Seite die Blindleistung benötigt wird.
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Der, beschriebene Frequenzumformer ist nur brauchbar, wenn eines der
beiden Netze unselbständig ist. Ist das Drehstromnetz selbständig, so kann der Frequenzumformer
von der Drehstromseite aus anlaufen, wenn er noch einen besonderen Anlaufkäfig erhält.
Die Stäbe dieses Anlaufkäfigs laufen sodann zweckmäßig im Läufer über beide Maschinenhälften
durch und werden durch Kurzschlußringe an den beiden äußeren Stirnflächen verbunden.
Man kann aber auch Polgitter vorsehen; sodann besitzt jede Maschinenhälfte ihren
Käfig, wodurch für die Käfigstäbe jeder Maschinenhälfte zwei Kurzschlußringe notwendig
werden. Die beiden inneren Kurzschlußringe können gegebenenfalls auch durch den
Ring K ersetzt werden. Der Selbstanlauf von der Drehstromseite aus gestaltet sich
dann so wie bei einem asynchronen Kurzschlußläufermotor.
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Ist jedoch die Einphasenseite selbständig und die Drehstromseite unselbständig,
wie es z. B. auf Lokomotiven für 162/s Hz zur Speisung der Hilfsbetriebe gebraucht
wird, so wird man den Frequenzumformer von der Einphasenseite mittels Hilfsphase
anlassen.
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Da die größtmögliche Drehzahl des Frequenzumformers bei primärem Netz
von 162/s Hz 1000 Umdrehungen je Minute beträgt und für die 50-Hz-Drehstromseite
bei sechs Polen somit die Polteilung schon klein ausfällt, macht sich hier die Mittelfrequenzbanart
mit unbewickeltem Läufer günstig bemerkbar, da man Maschinen mit kleinem Durchmesser
erhält.
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Wie man aus der Querschnittzeichnung der Fig. 1 erkennen kann, tritt
durch den magnetischen Zug ein Kräftepaar auf, welches ein Drehmoment bewirkt; das
die Lager der Maschine beansprucht, jedoch keine Unwucht erzeugt. Bei der Frequenzumformung
nach Fig. 1 setzen sich die magnetischen Kräfte über den Lamellen 1 und 3 bzw. 4'
und 6' unter einem Winkel von 120° zusammen, so daß als Resultierende wieder nur
die magnetische Zugkraft, welche einer Lamellenbreite entspricht, wirksam wird.
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Neben der einfachen Läuferkonstruktion und der Möglichkeit, sowohl
für die Einphasenwicklung als auch für die Drehstromwicklung nur die für' ihre Netzfrequenz
entsprechende Spannungswelle an den
Klemmen entnehmen zu können,
hat diese Bauart wegen der geringeren Eisenverluste auch noch den Vorteil des besseren
Wirkungsgrades gegenüber dem Motorgenerator.
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Dient der Frequenzumformer für die Speisung von Hilfsbetrieben auf
Lokomotiven, so kann durch entsprechende Lückenbildung der Pollamellen die Sekundärfrequenz,
mithin das Drehstromhilfsnetz, auch für eine höhere Frequenz als 50 Hz vorgesehen
werden, wodurch sich sodann kleinere Kurzschlußläufermotoren ergeben.