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Mehrphasiger Frequenzwandler auf der Grundlage gleichstromvormagnetisierter
Drosselspulen Die Erfindung bezieht sich auf mehrphasige Frequenzwandler auf der
Grundlage gleichstromvormagnetisierter -Drosselspulen in paarweiser Anordnung, insbesondere
auf sogenannte Epstein-Joly-Wandler, wie sie zuerst von E p s t e i n und J o 1
y angegeben wurden. Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines derartigen magnetischen
Frequenzwandlers in einphasiger Ausführung. Er besteht aus zwei magnetisch getrennten
Transformatoren 1 und 2 mit je einer Primärwicklung 3 bzw. 4, je einer Sekundär-oder
Lastwicklung 5 bzw. 6 sowie je einer Gleichstromvormagnetisierungswicklung 7 bzw.
B. Die Primärwicklungen 3 und 4 sind in bezug auf die Vormagnetisierungswicklungen
7 und 8 gegensinnig geschaltet, so daß die beiden Transformatoren 1 und 2 abwechselnd
in den verschiedenen Wechselstromhalbwellen gesättigt werden. Wird an die Primärwicklungen
3, 4 eine Wechselstromquelle und an die Vormagnetisierungswicklungen 7, 8 eine Gleichstromquelle
angeschlossen, so ergibt sich an den Sekundärwicklungen 5, 6 eine Spannung doppelter
Frequenz.
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Die Erfindung besteht darin, einen mehrphasigen Frequenzwandler auf
der Grundlage gleichstromvormagnetisierter Drosselspulen in paarweiser Anordnung,
wobei die Drosseln jedes Paares eine getrennte Vormagnetisierung besitzen, derart
aufzubauen, daß die Vormagnetisierung zum Erzeugen eines Frequenzgemisches aus gewandelter
und nicht gewandelter Frequenz mit in den Grenzen Null bis Unendlich veränderbarem
Mischungsverhältnis in an sich bekannter Weise einstellbar unsymmetrisch ist.
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Es sind Frequenzwandler bekannt, bei denen die Drosseln eines Paares
jeweils eine getrennte Vormagnetisierung besitzen. Diese Maßnahme dient zur Erhöhung
der Stabilität der Frequenzwandlung. Eine verschiedene Einstellung der Vormagnetisierung
oder eine Wahl ihrer Größe ist nicht vorgesehen. Demgegenüber dient beim Erfindungsgegenstand
die unsymmetrische Vormagnetisierung unmittelbar dem Zweck, die Frequenzwandlung
und Erzeugung eines bestimmten Frequenzgemisches zu ermöglichen.
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Es sind auch vormagnetisierte Stelldrosseln, unter anderem in paarweiser
Anordnung, bekannt, die einstellbar unsymmetrisch magnetisiert werden können. Bei
diesen bekannten Stelldrosseln dient die unsymmetrische Vormagnetisierung dazu,
eine stufenartige Spannungssteuerung herbeizuführen. Ferner ist es bekannt, in einem
Leitungszuge je einen Zu-und Absatztransformator anzuordnen, die nach Wahl durch
Gleichstromvormagnetisierung wirksam gemacht werden. Hier ist jedoch keine eigentliche
Paarwirkung vorhanden, denn für die unsymmetrische Vormagnetisierung eines Drosselpaares
ist es charakteristisch, daß die beiden Drosseln abwechselnd je eine Halbwelle der
Wechselspannung aufnehmen, und zwar wegen der unsymmetrischen Vormagnetisierung
in verschiedener Weise.
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Gegenüber diesen bekannten Einrichtungen wird durch die Erfindung
erreicht, daß der Frequenzwandler entweder nur eine Spannung der gewandelten oder
nur eine Spannung der nicht gewandelten Frequenz oder jedes beliebige Mischungsverhältnis
dieser beiden Spannungen abgeben kann. Das Mischungsverhältnis kann zwischen- Null
und Unendlich gewählt werden. Je nach dem vorgesehenen Verwendungszweck und den
dabei gestellten Anforderungen kann das Mischungsverhältnis des Frequenzgemisches
stetig oder auch unstetig veränderbar sein.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 2 ein dreiphasiges
Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Frequenzwandler nach Fig. 2 besteht aus drei
einphasigen Frequenzwandlern 11, 12 und 13, die jeweils aus zwei magnetisch getrennten
Transformatoren ähnlich der Einheit nach Fig. 1 aufgebaut sind. Die Primärwicklungen
der Frequenzwandler sind gegensinnig in Reihe geschaltet und in Dreieckschaltung
an drei Klemmen R1, S1, T1 zum Anschluß an ein Drehstromnetz geführt. Die Sekundärwicklungen
5 und 6 der einzelnen Frequenzwandler 11 bis 13 liegen unmittelbar in Reihe und
bilden ebenfalls eine Dreieckschaltung. R2, S2 und T2 sind die Au,#;-gangsklemmen.
Von ihnen führen die Ausgangsklemmen S2 und T2 über einen Vierpol 14 in Brückenschaltung
an einen nicht mit dargestellten und an die Klemmen T3, S3, R3 anzuschließenden
Verbraucher. Die einzelnen Brückenzweige des Vierpols bestehen
beispielsweise
aus Parallelresonanzkreisen 15, 16, 17 und 18, von denen die gegenüberliegenden
Resonanzkreise 15 und 17 mit je einem Kondensator 19 bzw. 20 in Reihe geschaltet
sind und die gegenüberliegenden Resonanzkreise 16 und 18 mit je einer Drosselspule
21 bzw. 22 in Reihe- liegen. Die einander entsprechenden Drosselspulen in gegenüberliegenden
Brückenzweigen können gemeinsame Eisenkerne haben. Die Brückenzweige des Vierpols
14 sind im übrigen derart bemessen, daß die gegenüberliegenden Zweige jeweils nur
eine der Spannungen des erzeugten Frequenzgemisches durchlassen.
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Das Frequenzgemisch an den Klemmen T3, S3, R3 wird durch eine unsymmetrische
Vormagnetisierung erzeugt. Die gesamten Vormagnetisierungswicklungen 7 und 8 der
Frequenzwandler 11 bis 13 sind hierzu in an sich bekannter Weise in zwei getrennte
Vormagnetisierungsstrompfade von gleicher Bemessung zusammengefaßt, von denen der
eine Strompfad die Anschlüsse T11 und T'i und der andere die Anschlüsse T12 und
h2' aufweist. In die beiden Vormagnetisierungsstrompfade sind von jedem Transformatorpaar
die Vormagnetisierungswicklungen nur eines Transformators eingeschaltet. Die unsymmetrische
Vormagnetisierung kann Bekannterweise durch Verändern des Stromes in dem einen und/oder
dem anderen Vormagnetisierungsstrompfad erfolgen.
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Die Wirkungsweise des Frequenzwandlers nach Fig. 2 ist wie folgt:
Bei Anschluß der Primärklemmen R1, S1, T1 an ein Dreiphasennetz heben sich bei symmetrischer
Belastung in den V ormagnetisierungspfaden T11, Tli und T12, T12 die induzierten
Spannungen bis zur 3. Harmonischen auf. In den beiden Vormagnetisierungsstrompfaden
mögen die GleichströmeJ,,1 bzw. J12 fließen. Ist 1,,1=J"2, so verhält sich der Frequenzwandler
wie ein gewöhnlicher Frequenzverdoppler. An den Klemmen R2, S2, 7'2 treten dann
nur Spannungen doppelter Frequenz auf. Ist J"1=0 und 1" hinreichend groß, um die
durch den Vormagnetisierungsstrompfad L'2, T12 erregten Transformatoren vollständig
zu sättigen, so wird auf die Sekundärklemmen R2, S2, T2 die volle Primärspannung
im Verhältnis der Wicklungszahlen übertragen. Ist J11 =J"2=0, so wird gar keine
Spannung übertragen.
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Bei geeigneter Wahl der Vormagnetisierungsströme J" 1 und 112 können
dem Frequenzwandler nach Fig. 2 eine Spannung der Grundwelle und eine Spannung der
2. Harmonischen in jedem gewünschten Verhältnis entnommen werden. Die beiden Wechselspannungen
besitzen an den Sekundärklemmen R2, S2 und T2 jedoch entgegengesetzte Phasenfolge.
Zur Erzielung der gleichen Phasenfolge bei beiden Spannungen dient der Vierpol 14,
der für die 2. Harmonische die Klemmen S2, S3 und T2, T3, für die Grundfrequenz
S2, T3 und T" S3 und für die beiden Frequenzen R2, R3 miteinander verbindet.
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Fig. 3 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Frequenzwandlers nach der
Erfindung zur Drehzahlregelung eines Asynchronmotors 30, der beispielsweise mit
einem Kurzschlußläufer ausgerüstet sein kann. In den Netzzuleitungen des Asynchronmotors
30 ist der Frequenzwandler 40 eingeschaltet, der dem nach Fig. 2 gleicht und der
Einfachheit halber schematisch als ein Viereck dargestellt ist, dessen Anschlüsse
R1, Si, T1, R3, S3, T3 sowie T11, T,'1", T2, T12' denen nach Fig.2 entsprechen.
Zum Erzeugen des Vormagnetisierungsgleichstromes dienen zwei ausgangsseitig parallel
geschaltete Ventilanordnungen 31 und 32 in Brückenschaltung. Die Ventilanordnung
31 ist über einen einstellbaren Widerstand 33 und einen Transformator 34 an die
Primärklemmen R1 und S2, also an das speisende Wechselstromnetz, angeschlossen und
erzeugt einen belastungsunabhängigen Vormagnetisierungsanteil. Die Ventilanordnung
32 ist wechselstromseitig an einen ebenfalls einstellbaren Widerstand 35 angeschlossen,
der in eine Phasenzuleitung des Asynchronmotors 30 eingeschaltet ist, so daß der
hiervon entnommene Vormagnetisierungsanteil vom Laststrom des Asynchronmotors 30
abhängt. Da der belastungsabhängige Vormagnetisierungsanteil verhältnismäßig klein
ist, tritt eine unsymmetrische Belastung des Frequenzwandlers 40 nicht auf. Die
gleichzeitige Anwendung einer kleinen konstanten und einer von der Höhe des Verbraucherstromes
abhängigen Gleichstromvormagnetisierung ist bei Frequenzwandlern auf die Grundlage
gleichstromvormagnetisierter Drosselspulen an sich bekannt, um nämlich bei eintretender
sekundärer Belastung eine gewünschte Gleichflußausbildung mit Sicherheit zu erzielen.
Gegebenenfalls kann der belastungsabhängige Vormagnetisierungsanteil jedoch auch
in einer dreiphasigen Schaltung, als symmetrisch, entnommen werden. Der belastungsabhängige
und der unabhängige Vormagnetisierungsanteil werden mit Hilfe der Widerstände 33
und 35 so eingestellt, daß die Ausgangsspannung des Frequenzwandlers 40 bei jedweder
Belastung zwischen Null und Nennlast konstant bleibt.
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Eine besonders einfache und vorteilhafte Regelung des Vormagnetisierungsstromes
in den beiden Vormagnetisierungsstrompfaden T11, Tli und T12, T12 wird bei der Schaltung
nach Fig. 3 dadurch erzielt, daß die Vormagnetisierungsstrompfade in Reihe geschaltet
sind und der eine von ihnen durch einen veränderbaren Nebenschluß überbrückt ist.
Eine Reihenschaltung von Vormagnetisierungswicklungen ist an sich bekannt. Je nach
der Einstellung des Widerstandes 36 erhält der Asynchronmotor 30 entweder eine Spannung
von gewandelter Frequenz, eine Spannung von nicht gewandelter Frequenz oder ein
Frequenzgemisch aus beiden Spannungen in beliebig wählbarem Verhältnis. Beträgt
die Frequenz des speisenden Drehstromes beispielsweise 50 Hz und ist der Asynchronmotor
30 einpolig, so läßt sich dieser je nach der Einstellung des Widerstandes 36 in
einem Drehzahlbereich von etwa 3000 bis etwa 6000 U/min betreiben.
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Für einen technisch brauchbaren und wirtschaftlichen Betrieb des Asynchronmotors
ist noch wichtig, daß dieser sowohl in Bezug auf die gewandelte als auch auf die
nichtgewandelte Ausgangsspannung des Frequenzwandlers mit gleicher Induktion betrieben
wird. Der Asynchronmotor darf daher beim Betrieb mit der Grundfrequenz nur mit halber
Spannung betrieben werden. Der Frequenzwandler wird hierzu derartig ausgelegt, daß
die höchsten erzielbaren Beträge der Spannungen von gewandelter und nichtgewandelter
Frequenz sich wie die Frequenzen dieser Spannungen verhalten und daß dieses Verhältnis
in jedes beliebige Ausgangsspannungsgemisch eingeht. Die genannte Induktionsbedingung
wird durch die in Fig. 3 dargestellte Anordnung der beiden '#"ormagnetisierungsstrompfade
T1, Tli und TJ2, T12 von selbst eingehalten, wie sich aus folgendem ergibt: J"1=J12=Jo
sei der zur Übertragung der vollen frequenzgewandelten Ausgangsspannung im Leerlauf
erforderliche Vormagnetisierungsstrom. Besitzen die Vormagnetisierungs- und Sekundärwicklungen
des Frequenzwandlers gleiche Windungszahlen, so wird zur Aufrechterhaltung der Sekundärspannung
bei Belastung
der Vormagnetisierungsstrom um den größten negativen
Wert des Sekundärstromes erhöht.
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J"1=J"2=Jo+max. (-J2) Entsprechend ist bei J" 1= 0 der zur übertragung
der vollen Grundwellenspannung benötigte Vormagnetisierungsstrom J,,2 = 2 Ja -I-
2 max. (- 12)
Der Motor darf aber beim Betrieb mit der nichtgewandelten Frequenz
nur mit halber Spannung betrieben werden. Da die Spannung dem Vormagnetisierungsstrom
vor Erreichen des Höchstwertes angenähert proportional ist, beträgt der notwendige
V ormagnetisierungsstrom wie bei Abgabe der frequenzgewandelten Spannung J" 2=Jo
-h max. (- J2) Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die an Hand der Fig. 2 und
3 beschriebenen Ausführungsbeispiele. Der Yrequenzwandler nach der Erfindung kann
beispielsweise auch in anderer als dreiphasiger Schaltung ausgeführt werden. Die
erfindungsgemäße unsymmetrische Vormagnetisierung kann außerdem bei beliebigen anderen
magnetischen Frequenzwandlern, die nicht nach Art eines Epstein-Joly-Wandlers ausgeführt
sind, z. B. auch bei Frequenzverdreifachern, angewandt werden. Ferner ist die Art
und Weise, in der die Vormagnetisierung des Frequenzwandlers erfolgt, abwandelbar.
Die Anwendung des Frequenzwandlers nach der Erfindung ist nicht auf Asynchronmotoren
beschränkt. Ein anderes Anwendungsgebiet stellen z. B. wechselstrombetriebene mechanische
Schwingungserzeuger dar. Die unsymmetrische Vormagnetisierung kann ferner beim Betrieb
von Drehfeldmotoren verwendet werden, um ein Abbremsen des Motors zu erzielen. Hierzu
wird der Motor entweder mit der gewandelten oder der nichtgewandelten Frequenz betrieben.
Zum Abbremsen wird die Vormagnetisierung derart verändert, daß der Motor zugleich
eine Spannung der jeweils anderen Frequenz mit entgegengesetztem Umlaufsinn erhält.