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Einanker-Gleichpol-Frequenzumformer Die Erfindung betrifft einen als
synchronen Gleichpol-Einankerumformer ausgebildeten Frequenzumformer.
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Solche auch als Reaktionsfrequenzumformer bezeichnete Maschinen haben
allgemein im Ständer neben einer ein- oder mehrphasigen, meistens zweipoligen, auch
Primärwicklung genannten Motorwicklung, eine ein- oder mehrphasige Sekundärwicklung
von höherer Polzahl als die Primärwicklung, während der Läufer als Reaktionsläufer
ausgebildet ist, der durch das primär erzeugte Drehfeld entsprechend der Polzahl
der Motorwicklung synchron umläuft. Hierdurch wird bei geeigneter Läuferausbildung
in der Sekundärwicklung eine Spannung vom Vielfachen der Primärfrequenz induziert,
die sich aus dem Verhältnis der Polzahlen von Sekundär- zur Primärwicklung ergibt.
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Solche bekannten Ausführungen zeigen beispielsweise schematisch für
das Frequenzverhältnis 1: 4 die Abb. 1. und 2, wobei übersichtshalber die Wicklungen
nur für eine Phase eingezeichnet sind. Hierbei stellt S in Abb. 1 das Ständerpaket
mit einer zweipoligen Primärwicklung 1 und einer achtpoligen Sekundärwicklung II
mit den Einzelspulen a, b, c, d dar. Der Läufer L hat der Sekundärpolzahl
angepaßte Aussparungen 1, 2 und 3. Er bedeckt im Luftspalt drei Achtel
der primären Polteilung und enthält die für den Anlauf notwendigen Käfigstäbe K.
Die durch die zweipolige Primärwicklung hervorgerufenen magnetischen Kraftlinien
bilden entsprechend der im Augenblick angenommenen magnetischen Flußachse FA auf
den einzelnen Teilen des Reaktionsläufers die mit n und s bezeichnete Polarität
aus. In Abb. 2 ist eine weitere, bekannte Läuferform für einen Reaktionsfrequenzumformer
dargestellt mit den gemäß Abb. 1 gleichsinnigen Bezeichnungen. Dieser gleichfalls
für das Frequenzverhältnis 1:4 ausgebildete Läufer besteht abweichend von der in
Abb. 1 gezeigten Ausführung aus den beiden Läuferteilen L1 und L., die durch ein
aus unmagnetischem Werkstoff ausgebildetes Verbindungsstück u zusammengehalten werden.
Bei dieser Läuferform werden im Luftspalt vier Achtel der primären Polteilung bedeckt.
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Frequenzumformer der beschriebenen Art haben den Nachteil, daß sie
einen ungewöhnlich hohen Abfall der Sekundärspannung zwischen Leerlauf und Vollast
aufweisen, wodurch ihre Verwendbarkeit nur auf einen verhältnismäßig engen Anwendungsbereich
begrenzt ist. Genauere Untersuchungen zeigen, daß der größte Spannungsverlustanteü
durch das Nacheilen der Rotorachse hinter der Flußachse, also in dem Polradverschiebungswinkel
zwischen Rotor- und Flußachse hervorgerufen wird, der bekanntlich im Leerlauf gleich
Null ist, aber mit zunehmender Belastung wie bei einer Synchronmaschine sich vergrößert,
bis sie schließlich außer Tritt fällt. Die Ursache hierfür liegt in dem Querfeld
0Q, das infolge des Belastungsstroms in der Sekundärwicklung entsteht und gemäß
Abb. 3 mit dem Längsfluß OL den Gesamtfluß 0 ausbildet bzw. den Gesamtfluß 0 in
(1)L = 0 - sin a und Oq = 0 - cos a aufspaltet, wobei a der Polradverschiebungswinkel
ist. Hierdurch eilt OL und damit auch die Polradach.se RA hinter dem Gesamtfluß
um den Winkel a nach, und auf die Sekundärwicklung wirkt nur noch der Flußanteil
0 - sin a induzierend. Im Leerlauf ist OQ = 0 und somit auch a = 0
und 0 = OL, d. h., Polradachse RA und Flußachse FA decken sich.
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Ein bekanntes Mittel zur Verringerung dieses Polradverschiebungswinkels
besteht darin, im Kraftlinienweg des Querflusses möglichst große magnetische Widerstände
einzubauen. Abb. 4 zeigt an einem Beispiel eine solche Ausführung für einen Läufer
gemäß Abb. 1, bei dem die Welle von dem Läuferblech magnetisch getrennt ist, beispielsweise
durch eine Büchse B aus unmagnetischem Material, und bei dem weiterhin die zusätzlichen
Trennschlitze S1 und S2 so angeordnet sind, daß sie mit den Kraftlinien des Längsflusses
(-bL parallellaufend für diesen kleinen, wohl aber für den Querfluß OQ einen hohen
Widerstand bedeuten. Bei einer unmagnetischen oder vom Blechpaket magnetisch getrennten
Welle ist dies für ein zweipoliges Feld immer der Fall, wenn die Richtung dieser
Trennschlitze etwa auf oder entlang der Polradachse verläuft.
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Die gleichen Auswirkungen wie das Auftreten des Querfeldes ruft zusätzlich
auch die starke Schwächung und Verzerrung des zweipoligen Längsflusses hervor,
wie
sie durch die in den Abb. 1 und 2 gezeichneten Aussparungen 1, 2 und 3 im Feldverlauf
des Längsflusses verursacht wird, so daß der spezifische Polradverschiebungswinkel
sehr groß wird, eine Eigenschaft der üblichen Reaktionsfrequenzumformer, die als
weiche Drehmomentcharakteristik bezeichnet wird.
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Durch die Erfindung wird angestrebt, diese Schwächung des zweipoligen
Längsflusses durch eine weitgehende Eisenbedeckung im Luftpaltumfang zu beseitigen,
um so einem normalen Reaktionsläufer mit seiner hinsichtlich Polradverschiebungswinkel
wesentlich größeren Härte möglichst nahe zu kommen. Erfindungsgemäß wird das Ständer-
und Läuferpaket axial in zwei Hälften aufgeteilt, die durch einen Zwischenraum magnetisch
voneinander getrennt sind, in welchem die relative Lage der Sekundärwicklung zur
Primärwicklungsachse in der einen Hälfte um eine sekundäre Polteilung gegenüber
der anderen Hälfte geändert ist, und die beiden Läuferpakete, bezogen auf die Primärwicklungssache,
um eine primärer Polteilung gegeneinander verdreht sind.
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Diese Ausführung sei beispielsweise an Hand der Abb. 5 näher erläutert.
S" und Sb sind die beiden längs des Luftspaltes abgewickelten Ständerhälften, die
durch den Zwischenraum Z voneinander getrennt sind, 1 und 1', 2 und 2' usw., die
in einer Flucht liegenden Ständernuten beider Hälften. Es handele sich beispielsweise
um einen Ausschnitt aus einer 24-nutigen Maschine mit einer zweipoligen Primär-
und einer achtpoligen Sekundärwicklung. Die sekundäre Polteilung entspricht demnach
Nuten je Pol, um welche Nutenzahl die achtpolige Wicklung I1 im Ständerteil Sb gegenüber
der zweipoligen im Ständerten S" versetzt werden soll, während die zweipolige Primärwicklung
in beiden Teilen unversetzt bleibt. Während also die zweipolige Wicklung I in den
Nuten 1-1', 2-2' usw. verläuft, wird die achtpolige Wicklung II von Nut 1 im Ständerteil
SU nach Nut 4' im Ständerteil Sb, entsprechend von Nut 2 nach 5' usw., also immer
um drei Nuten am Umfang versetzt, eingelegt. Hiermit ist die achtpolige Wicklungsachse
im Ständerteil Sb räumlich um 45° gegenüber der zweipoligen im Ständerteil S" verschoben
oder, auf das achtpolige System bezogen, ist im Ständerteil Sb gegenüber dem Ständerteil
S" eine Phasenverschiebung von 4 - 45 = 180' e1. eingetreten. Wenn im Ständerteil
S" die relative Lage der beiden Wicklungen beispielsweise gleich der in Abb. 1 ist,
so hat sie durch die beschriebene Versetzung der achtpoligen Wicklung die in Abb.6
gezeigten Verhältnisse angenommen; um jetzt hier in dem Ständerteil Sb eine sekundäre
EMK gleicher Phasenlage wie in dem Ständerteil S,, zu erzeugen, muß die zum Ständerteil
Sb gehörige Läuferhälfte Lb um 1.80° verdreht werden, wie das in Abb. 6 gezeigt
ist. Für das zweipolige Drehfeld ist jetzt unter Benutzung der im vorhergehenden
Abschnitt erwähnten Trennschlitze S1 in seiner magnetischen Ausbildung ein Läufer
vorgesehen, der, wie in Abb. 7 a dargestellt, umfangsmäßig den aufeinanderprojizierten
Umrissen der beiden Läuferpakethälften La und Lb entspricht, d. h., man hat
in seiner Auswirkung auf die Primärseite einen Läufer mit
Eisenbedeckung, allerdings halber Gesamtpaketlänge erhalten. Damit ist man aber
der normalen Reaktionsläuferform mit ihrer bedeutend härteren Drehmomentcharakteristik
außerordentlich nahe gekommen. Abb. 7b zeigt für die Läuferform nach Abb. 2, daß
bei sinngemäßer Anwendung magnetisch ein Läufer mit
also mit voller Eisenbedeckung, aber mit halber Gesamtpaketlänge entstanden ist.
Selbstverständlich kann man die Verschiebung der Primär- zur Sekundärwicklung um
eine Sekundärpolteilung im Ständerteil auch dadurch erreichen, daß man in Abb. 5
die Primärwicklung beispielsweise um eine Nut rückwärts in Nut 1-24', 2-1'
usw.
und die Sekundärwicklung dann nur um zwei Nuten vorwärts in Nut 1-3', 2'-4' usw.
verlegt, wodurch gleichfalls eine Gesamtverschiebung von drei Nuten, also einer
Sekundärpolteilung zwischen beiden Wicklungen in den beiden Ständerhälften erreicht
wird. Allerdings muß in diesem Falle gemäß der Verschiebung der zweipoligen Wicklungsphase
im Ständerteil Sb gegenüber dem Ständerteil S" die zugehörige Läuferhälfte Lt, um
den gleichen räumlichen Winkel im gleichen Sinne mehr als 180° gegenüber dem Läuferteil
L" verdreht werden.
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Um einen Frequenzumformer mit nach der Erfindung unterteilten Blechpaketen
bei Inbetriebnahme in Synchronismus zu bringen, genügt es natürlich vollständig,
nur eines der beiden Läuferpakete mit einem Anlaufkäfig auszuführen.
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Durch die mit der beschriebenen Anordnung erzielte Wirkung eines magnetisch
nahezu oder vollkommen zylindrischen Läufers ist es nunmehr auch möglich geworden,
die Sekundärwicklung mit parallelen Stromkreisen auszuführen, da nunmehr in je zwei
gegenüberliegenden Sekundärspulen immer eine nach Größe und Phasenlage gleiche EMK
erzeugt wird; was bei den bekannten Ausführungen mit einem einzigen Paket nicht
der Fall ist und wodurch oftmals Ausführungen als Reaktionsfrequenzumformer, insbesondere
für niedere Sekundärspannungen, gar nicht ausführbar sind.
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Weitere Ausführungsbeispiele für Läufer mit unmagnetisehen Trennschlitzen,
beispielsweise für zehn-und zwölfpolige Sekundärwicklungen zeigen die Abb. 8 und
9.