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Verfahren zum Betrieb von Wechselstrommaschinen Es ist bei Stromversorgungsanlagen
allgemein bekannt, Energiespeicher z. B. in Form von Schwungmassen oder Reservebatterien
zu verwenden. Sie erfüllen in derartigen Anlagen eine Pufferfunktion.
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Es sind bereits Wechselrichter bekannt, mit denen es möglich ist,
aus einer Gleichstromquelle sowohl Wechselstrom- als auch Drehstrommotoren zu betreiben.
Dabei kann auch der Blindstrom der Wechselstrommotoren geliefert oder Energie aus
dem Wechselstrommotor in die Gleichspannungsquelle zurückgeliefert werden. Derartige
Wechselrichter können selbstgesteuert mit künstlicher Kommutierungsspannung und
mit Blindleistungsventilen, d. h. in Antiparallelschaltung arbeiten. Bei
derartigen Antrieben tritt das Problem auf, daß bei Laststößen, beim Anfahren oder
beim plötzlichen Abbremsen des Motors die Gleichspannungsquelle erhebliche momentane
Leistung abzugeben bzw. rückwärts aufzunehmen hat. Derartige Laststöße und Energierichtungswechsel
können nicht immer auf wirtschaftliche Weise von der Gleichstromquelle zur Verfügung
gestellt werden. Beispielsweise kann keine Energie,-rücklieferung stattfinden, wenn
die Gleichstromquelle aus einem Ventilgleichrichter besteht, der von einem Wechselstrom-
oder Drehstromnetz gespeist wird.
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Es ist bereits ferner bekannt, über einen Gleichrichter eine Gleichspannung
zu erzeugen, die über einen in der Frequenz veränderlichen Wechselrichtcr eine Wechselstrommaschine
speist.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Wechselstrommaschinen,
insbesondere von Asynchronmaschinen aus einer Wechselstromquelle. Erfindungsgemäß
wird über einen Gleichrichter eine Gleichspannung erzeugt, die über einen selbstgeführten,
in der Frequenz veränderlichen Wechselrichter mit Blindstrom- bzw. Rückarbeitungsventilen
die Wechselstrommaschine speist, wobei auf der Gleichstromseite parallel zum Wechselrichter
ein Energiespeicher vorgesehen ist, dessen Ladewiderstand durch steuerbare Halbleiter
geregelt wird.
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Eine Erfindung wird in der Kombination der vorstehenden, zum Teil
bekannten Merkmale gesehen. Nach dem Verfahren wird die Gleichspannungsquelle, die
schließlich die gesamte Energie für den Antrieb liefern muß, von Laststößen und
von vorübergehenden Rückströmen entlastet. Dazu kommt, daß bei vorübergehendem Ausfall
der Gleichstromquelle der Antrieb eine, zeitlang aus dem Energiespeicher weiter
betrieben werden kann.
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Die Erfindung en-nöglicht es vorteilhafterweise, daß über eine Tastschaltung,
wie später näher erläutert wird, in Zusammenarbeit mit dem vorgesehenen Energiespeicher
Energie aus dem Läuferkreis des Asynchronmotors aufgenommen werden kann, ohne daß
dieselbe in das Netz zurückgeführt werden muß. Die erwähnte Tastschaltung ermöglicht
es ferner, auf schnellwirkende Weise den Rotorstrom des Motors auf gewünschte Werte
zu regeln. Auch ist es möglich, irn Falle einer Gegenstrombremsung einen großen
Teil der Energie zurückzugewinnen.
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Mit einer weiteren Tastschaltung läßt sich, wie ebenfalls noch näher
erläutert wird, der Ladezustand des vorgesehenen Speichers regulieren, beispielsweise
so, daß weder ein überladen stattfindet noch daß bei vorübergehender Anforderung
hoher Energie das Wechsel, oder Drehstromnetz mit Stromspitzen belastet wird. Die
gleiche Tastschaltung ermöglicht es weiterhin auch, einen vorgesehenen Gleichrichter
stets mit voller Aussteuerung zu fahren, unabhängig vom Ladezustand des vorgesehenen
Speichers und unabhängig von der Höhe der Spannung am Wechsel- oder Drehstromnetz,
da die Tastschaltung die Schwankungen dieser beiden Spannungen auszugleichen vermag.
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In einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Es ist 1 ein Asynchromnotor mit Schleifringläufer und 2 ein
selbstgeführter Drehstromwechselrichter mit veränderlicher Frequenz, der von der
Gleichstromsammelschiene3 gespeist wird. Die Gleichstromsammelschiene
3 wird von einem Gleichrichter 4 als Gleichstromquelle gespeist. Der Gleichrichter
4 bezieht Energie seinerseits von einem Wechsel- oder Drehstromnetz 5. Parallel
-zum Wechselrichter und zur Gleichstromquelle liegt ein Energiespeicher,
z. B. eine Batterie 6. Der Rotor des Asynchronmotors, arbeitet auf einen
Gleichrichter7, welcher seine Gleichstromenergie über eine Tastschaltung, die aus
einer Drossel 8, einer Diode 9 und einer löschbaren
Triode
10 besteht, in steuerbarer Weise auf die Gleichstromsammelschiene
3 liefert. Der Drehstromwechselrichter 2 ist in der Frequenz einstellbar.
Zur Anpassung seiner Spannung an die zur jeweiligen Frequenz gehörende Speisespannung
des Asynchronmotors ist ein Stern-Dreieck-Schalter 11 oder ein anderer, nicht
näher dargestellter Umschalter der Statorwicklung vorgesehen; z. B. ist eine Reihen-Parallelschaltung
von zwei Wicklungshälften möglich. Die Energielieferung vom Gleichrichter 4 kann
durch eine weitere Tastschaltung, bestehend aus der Drossel 12, der Diode
13 und der löschbaren Triode 14, geregelt werden. Stellt man sich vor, daß
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als Wechselspannungsnetz den Fahrdraht einer elektrischen Bahn darstellt,
so ist die dem Verfahren zugrunde liegende Anordnung der Zeichnung das Schaltbild
einer elektrischen Lokomotive mit Asynchronmotoren als Triebmotoren. Ist
5 ein Drehstromnetz, der Gleichrichter 4 müßte dann mehrphasig ausgeführt
werden, so stellt die dem Verfahren zugrunde liegende Anordnung der Zeichnung beispielsweise
einen Walzwerks- oder Förderantrieb mit Asynchronmotoren dar. Das beschriebene,
Verfahren hat eine Reihe von Vorteilen, welche durch die vorgesehenen Tastschaltungen
in Verbindung mit dem Energiespeicher ermöglicht werden. Beispielsweise werden die
beim Anfahren auftretenden Laststöße vom Wechsel- oder Drehspannungsnetz
5 ferngehalten, da beim Anfahren ein Teil der erforderlichen Energie aus
der Batterie 6 entnommen werden kann. Ebenso ermöglicht es dieser
Energiespeicher, über den Gleichrichter 7 und die Tastschaltung
8
bis 10 rückwärts Energie aus dem Läuferkreis des Asynchronmotors
aufzunehmen, ohne daß diese Energie über den Gleichrichter 4 in das Netz zurückgeführt
zu werden braucht. Eine derartige Energierücklieferung kommt in Frage bei schnellem
Ab-
bremsen oder Reversieren des Motors. Die dargestellte Anordnung arbeitet
außerordentlich wirtschaftlich, da an keiner Stelle für einen Regelvorgang Balfastwiderstände
benutzt werden, sondern sämtliche Regelungen erfolgen mit den beiden Tastschaltungen,
mit dem Stem-Dreieck-Schalter 11 und mit der Steuerung des Drehstromwechselrichters
2. Darüber hinaus kann auch der Gleichrichter 7 steuerbar ausgeführt werden,
insbesondere kann er mit Zwangskommutierung ausgestattet werden, so daß er die Blindleistung
des Motors zu liefern vermag.
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Bei selbstgeführten Wechselrichtern besteht eine gewisse Schwierigkeit
darin, daß die Amplitude der erzeugten Wechselspannung nicht ohne weiteres regelbar,
sondern durch die speisende Gleichspannung gegeben ist. Nur durch einen zusätzlichen
Aufwand im Wechselrichter würde sich dies vermeiden lassen. Die gezeichnete Anordnung
ermöglicht es, auch mit fester Amplitude der Wechselspannung des Wechsehichters
alle Betriebszustände des Motors zu verwirklichen, ohne daß kurzschlußartige Ströme
auftreten. Zu dem Zweck wird durch den Stern-Dreieck-Schafter oder durch andere
Wicklun-sumschalter die Spannung, die der Asynchroninotor benötigt, der Spannung
und Frequenz des Wechselrichters angepaßt, derart, daß im wesentlichen im Asynchronmotor
bei allen Frequenzen ein konstanter Fluß erregt wird. Beim Anfahren oder beim
Ab-
bremsen kann vorübergehend dieser Fluß dadurch gesteigert werden, daß
mit Hilfe des Schalters 11 dem Motor eine überspannung zugeführt wird. Ebenso
ist es möglich, bei leerlaufendem und schwach- belastetem Motor letzteren über den
Schalter 11 mit Unterspannung zu speisen, um Verluste zu sparen. Die Tastschaltung
8 bis 10 ermöglicht es, auf schnellwirkende Weise den Rotorstrom des
Motors, auf gewünschte Werte zu regeln. Da es sich hierbei um einen Wirkstrom handelt,
wird damit gleichzeitig das Drehmoment des Motors geregelt. Ebenso läßt sich mit
der Tastschaltung 12 bis 14 der Ladezustand der Batterie 6 regulieren, beispielsweise
so, daß sie nicht überladen wird und andererseits auch nicht die Gefahr besteht,
daß sie bei vorübergehender Anforderung hoher Energie das Wechsel- oder Drehstromnetz
5 nicht zu entlasten vermag. Es wird die Größe des Energiespeichers beschränkt
sein können, da bei motorischen Antrieben im allgemeinen die Perioden erhöhter Last
oder Bremsstöße nur kurze Zeit dauern. Die Tastschaltung 12 bis 14 ermöglicht es
auch, den Gleichrichter 4 stets mit voller Aussteuerung zu fahren, und zwar unabhängig
vom Ladezustand der Batterie 6 und der Höhe der Spannung am Wechsel- oder
Drehstromnetz 5, da die Schwankungen dieser beiden Spannungen ohne weiteres
durch die Tastschaltung 12 bis 14 ausgeglichen werden können. Statt der Batterie
6 kann jede andere elektrische Speicheranordnung verwendet werden, welche
sowohl Energie aufzunehmen als auch abzu,-eben gestattet. Beispielsweise kann statt
der Batterie eine Gleichstrommaschine mit einer Schwungmasse verwendet werden.
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Die Umkehrung der Drehrichtung des Motors erfolgt in einfachster Weise
dadurch, daß in der Steuerung des Wechselrichters zwei Phasen vertauscht werden.
Letzteres kann auch zum schnellen Ab-
bremsen des Motors benutzt werden, wie
es von der Gegenstrombremsung her bekannt ist. Die Tastschaltung 8 bis
10 ermöglicht es jedoch, bei dieser Gegenstrombremsung einen großen Teil
der Energie zurückzugewinnen. Ebenso ermöglicht es diese Tastschaltung, beiin Anfahren
den Kurzschlußstrom des Asynchronmotors zu vermeiden und seine Stromaufnahme auf
einstellbare Werte einzuregulieren, beispielsweise derart, daß der Motor mit einem
höheren Drehmoment, das nur wenig unter dem Kippmoment liegt, anfährt. Durch den
Stem-Dreieck-Schalter wird es möglich, beim Anfahren des Motors den Wechselrichter
von hohen Anfahrströmen zu entlasten, indem beispielsweise beim Anfahren der Stator
in Stern geschaltet wird, so daß der Statorstrom verhältnismäßig klein bleibt. Führt
man denWechselrichter mit steuerbaren Halbleiterzellen, beispielsweise steuerbaren
Siliziumzellen, aus, so kann man infolge der kleinen Freiwerdezeit dieser Zellen
die Frequenz des Wechselrichters bis auf mehrere 1000 Elz steigern. Eine
Steigerung der Frequenz über den üblichen Wert von 50 bzw. 60 Hz hinaus
hat zur Folge, daß die Bauleistung des Asynchron-Motors verringert wird, was besonders
bei Fahrzeugmotoren eine Rolle spielt. Benutzt man die Anordnung der Zeichnung für
eine elektrische Lokomotive, so ergibt sich die Möglichkeit, letztere bei jeder
Stromart und jeder Spannung zu betreiben, beispielsweise bei 161/3 oder bei
60 1-1z, da der Gleichrichter 4 ohne großen Aufwand für verschiedene Frequenzen
ausgelegt werden kann. Ist das speisende Netz ein Gleichstromnetz, so kann der Gleichrichter
fortfallen und lediglich mit der Tastschaltung 12 bis 14 der Energiefluß zum Wechsehichter
bzw. zum Energiespeicher
geregelt werden. Eine derartige elektrische
Lokomotive kann einige Zeit auch ohne äußere Energiequelle allein aus der Batterie
6 betrieben werden, was beispielsweise beim übergang von einem Stromsystem
des Fahrdrahtes auf ein anderes oder beim Rangieren von Nutzen ist.
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Ein Anfahrvorgang könnte schematisch z. B. folgenden Verlauf nehmen:
Das Anfahren geschieht bei niederer Frequenz in Sternschaltung bei etwa doppeltem
Nennstrom, d. h. mehr als doppeltem Nenndrehmoment am Rotor. Es erfolgt im
weiteren Verlauf eine Steigerung der Frequenz bei zwischenzeitlicher Umschaltung
auf Dreieck.
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Bei einer Nutzbremsung wird zunächst in Sternschaltung des Motors
der Wechselrichter auf eine unterhalb der Betriebsfrequenz liegende Frequenz erregt
und mit der bereits näher bezeichneten Tastschaltung im Rotor ein etwa doppelter
Nennstrom eingeregelt. Beim Absinken der Umdrehungszahl wird die Frequenz des Wechselrichters
weiter verringert. Soll im letzten Augenblick noch weiter stark abgebremst werden,
so kann durch Umsteuern des Wechselrichters die Phasenfolge und damit der Umlaufsinn
des Drehfeldes umgekehrt werden, so daß sich wieder ein kräftiges Bremsdrehmoment
auswirken wird.
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Auch Gleichstromerregung des Stators aus einer kleinen Hilfsspannung
kann zum Bremsen - herangezogen werden.
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Die Steuerung bzw. -Regelung des gesamten Antriebes kann mit bekannten
elektronischen Hilfsmitteln verwirklicht werden, insbesondere kann die Steuerung
der Tastschaltung 12 bis 14, des Drehstromwechselrichters 2 und der Tastschaltung
8 bis 10
derart mit der Stellung des Schalters 11 verknüpft
werden, daß sich ein automatischer Betrieb mit vorgegebenen Drehmomenten, Drehrichtungswechsel
usw. ergibt.
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Um bei Trittgrenzüberschreitung oder anderen Störungen des Wechselrichters
Kurzschlüsse zu verhindern, kann ein Schnellschalter 15 vorgesehen werden.
Ähnliche Schutzschalter oder schnell wirkende andersartige Schutzeinrichtungen,
wie beispielsweise Sicherungen, können auch für die Tastschaltungen vorgesehen werden.
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Es ist nach dem beschriebenen Verfahren möglich, aus dem Asynchronmotor
einen Synchronmotor zu machen, indem nämlich der Gleichrichter 7 und die
Elemente der Tastschaltung 8 und 10 derartig umgeschaltet werden,
daß sich eineGleichstromspeisung des Rotors ergibt. Mit der Erregung des Rotors
kann in diesem Fall der Blindleistungsbedarf des Asynchronmotors gedeckt werden.
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Statt des Ausführungsbeispiels mit Asynchronmotoren kann der Grundgedanke
der Erfindung auch bei Antrieben angewendet werden, die andersartige Motoren, beispielsweise
Synchronmotoren, benutzen.
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Es können auch an den Wechselrichter mehrere Asynchronmotoren angeschlossen
werden, die entweder in ihrer Umdrehungszahl mit der Tastschaltung 8 bis
10 auf Gleichlauf oder auf bestimmte gewünschte Lastverteilungen geregelt
werden. Ebenso ist es möglich, an die Gleichstromsammelschiene 3
mehrere Wechselrichter
anzuschließen und mehrere getrennte Motoren von diesen Wechselrichtern zu betreiben,
die ihre Rotorenergie jeder auf die Gleichstromsammelschiene 3 zurückgeben
können.
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Das erfinderische Verfahren eignet sich für alle Arten regelbarer
Antriebe mittlerer und großer Leistung, beispielsweise auch für Triebwagen von Straßenbahnen,
S-Bahnen oder U-Bahnen, ebenso für Grubenlokomotiven, Rangierlokomotiven, unter
Umständen aber auch für Vollbahnlokomotiven. Die elektrische Einrichtung, der Gleichrichter
4, die beiden Tastschaltungen, der Drehstromwechselrichter 2, der Gleichrichter
7 und der Asynchronmotor 1 sind verhältnismäßig so gewichtsarm, daß
unter Umständen das Gewicht einer Speicherbatterie auf dem Triebfahrzeug oder auf
einem Anhänger in Kauf genommen worden kann.