DE1221350B

DE1221350B - Arrangement for inserting a slip-frequency voltage or power in the secondary part of an asynchronous machine

Info

Publication number: DE1221350B
Application number: DEL41762A
Authority: DE
Inventors: Hellmut Bittkau
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1962-04-16
Filing date: 1962-04-16
Publication date: 1966-07-21

Description

Anordnung zur Einfügung einer schlupffrequenten Spannung oder Leistung in den Sekundärteil einer Asynchronmaschine Elektrische Asynchronmaschinen laufen im allgemeinen mit fast konstanter Drehzahl. Will man eine verlustarme oder verlustlose Regelungsmöglichkeit erhalten, so muß entweder die Frequenz geändert oder in den Läuferkreis eine schlupffrequente Spannung eingefügt werden. Das erste Verfahren verlegt die Probleme in den speisenden Teil. Vorzugsweise wird dabei ein Umformersatz benötigt, womit aber nichts gewonnen ist. Das andere Verfahren erfordert zur Erzeugung der Schlupfspannung, eine relativ große Drehstrom-Stromwender-Hintermaschine (Schlupfmaschine) mit erheblichem Bürstenverschleiß; es ist außerdem leistungsbeschränkt.Arrangement for inserting a voltage or power at a slip frequency Electric asynchronous machines run in the secondary part of an asynchronous machine generally at an almost constant speed. Do you want a low-loss or lossless one Get control option, either the frequency must be changed or in the A slip-frequency voltage can be inserted into the rotor circuit. The first procedure relocates the problems to the dining area. A converter replacement is preferably used needed, but nothing is gained with it. The other method requires generation the slip voltage, a relatively large three-phase commutator rear machine (slip machine) with considerable brush wear; it is also limited in performance.

Aus diesen Gründen hat sich die drehzahlgeregelte Asynchronmaschine nur dort durchsetzen können, wo eine Drehzahlregelung in nur kleinen Grenzen erforderlich ist. Andererseits hat die Asynchronmaschine auf Grund des einfachen Aufbaues so viele Vorteile, daß immer wieder eine Regelung ihrer Drehzahl und Phasenverschiebung auf einfache Weise und in weiten Grenzen gewünscht wird. Dieses ist besonders dann der Fall, wenn es sich um Asynchronmaschinen großer und größter Leistung handelt.For these reasons, the speed-controlled asynchronous machine can only enforce where speed control is only required within small limits is. On the other hand, the asynchronous machine has so because of the simple structure many advantages that again and again a regulation of their speed and phase shift is desired in a simple manner and within wide limits. This is especially so then the case when it comes to asynchronous machines of great and greatest power.

Es ist dazu nach der deutschen Patentschrift 609 050 eine Anordnung zur Einfügung einer schlupffrequenten Spannung oder Leistung in den Sekundärteil einer in Kaskade mit einer elektromagnetischen Schlupfkupplung und einer Synchronmaschine als Hintermaschine betriebenen Asynchronmaschine bekanntgeworden, bei der ein ein- oder mehrphasiges sekundäres Wechselstromteil der Schlupfkupplung mechanisch und elektrisch mit dem ein- oder mehrphasigen Sekundärteil der Asynchronmaschine und ein durch einen regelbaren Gleichstrom erregtes primäres Gleichstromteil der Schlupfkupplung, das in der Wicklung seines Sekundärteiles Spannungen von Schlupffrequenz induziert, mechanisch mit dem Gleichstromteil der Synchronmaschine verbunden ist, deren Primärteil parallel zu dem der Asynchronmaschine geschaltet ist.For this purpose, according to German patent specification 609 050, an arrangement for inserting a slip-frequency voltage or power into the secondary part of an asynchronous machine operated in cascade with an electromagnetic slip clutch and a synchronous machine as the rear machine has become known, in which a single or multi-phase secondary alternating current part of the slip clutch is mechanically and electrically with the single or multi-phase secondary part of the asynchronous machine and a primary direct current part of the slip clutch, which is excited by a controllable direct current and which induces voltages of slip frequency in the winding of its secondary part, is mechanically connected to the direct current part of the synchronous machine, the primary part of which is connected in parallel to that of the asynchronous machine is.

Dadurch werden also eine Asynchronmaschine und eine Synchronmaschine, welche vorzugsweise an demselben Netz liegen, über eine elektromagnetische Schlupfkupplung läuferseitig mechanisch verbunden. Im Betrieb werden durch die Drehzahldifferenz der beiden Läufer der Asynchron- bzw. der Synchronmaschine im Sekundärteil der Schlupfkupplung Spannungen von Schlupffrequenz induziert, welche von diesem in den Läuferkreis der Asynchronmaschine eingespeist werden. Dabei dient die Synchronmaschine zugleich als Hintennaschine und gibt die Schlupfenergie an das Netz zurück oder nimmt sie aus dem Netz auf, je nachdem ob unter- oder übersynchron gefahren wird. Dabei sind die Synchronmaschine und die Schlupfkupplung kleiner auszulegen als die Asynchronmaschine, da sie nur die Schlupfleistung entsprechend dem geforderten Schlupfbereich der Asynchronmaschine zur Verfügung zu stellen bzw. aufzunehmen brauchen. Ändert man den Phasenwinkel einer eingefügten Schlupfspannung, dann beeinflußt man bekanntlich den Leistungsfaktor der Asynchroninaschine. Dies wird bei der bekannten Anordnung dadurch erreicht, daß der Läufer der Synchronmaschine oder der Primärteil der Schlupfkupplung mit einer zwei- oder mehrsträngigen Wicklung ausgebildet sind. Dabei müssen dann die Stränge so geschaltet werden, daß sie mit gleich oder verschieden großen oder verschieden gerichteten Strömen gespeist werden können. Die sich dabei für die Erregung ergebende Resultierende, deren Richtung durch ein verschieden großes Stromdurchflutungsverhältnis variiert wird, wird dadurch also auf rein elektrischem Wege erreicht.As a result, an asynchronous machine and a synchronous machine, which are preferably connected to the same network, are mechanically connected on the rotor side via an electromagnetic slip clutch. During operation, the difference in speed between the two rotors of the asynchronous or synchronous machine in the secondary part of the slip clutch induces slip frequency voltages which are fed into the asynchronous machine's rotor circuit. The synchronous machine also serves as a rear machine and returns the slip energy to the network or absorbs it from the network, depending on whether it is driven under or over synchronously. The synchronous machine and the slip clutch are to be designed to be smaller than the asynchronous machine, since they only need to provide or absorb the slip power corresponding to the required slip range of the asynchronous machine. If the phase angle of an inserted slip voltage is changed, it is known that the power factor of the asynchronous machine is influenced. This is achieved in the known arrangement in that the rotor of the synchronous machine or the primary part of the slip clutch are designed with a two-strand or multi-strand winding. In this case, the strands must then be switched so that they can be fed with currents of the same or different sizes or with differently directed currents. The resulting resultant for the excitation, the direction of which is varied by a different current flow ratio, is thus achieved in a purely electrical way.

Im wesentlichen besteht also eine derartige Anordnung aus der Asynchronmaschine und dem Regelsatz, letzterer bestehend aus einer elektromagnetischen Schlupfkupplung und einer Synchronmaschine. Dieser Regelsatz ist in seinen beiden Einzelteilen wohl relativ kleiner auslegbar als die zu regelnde Asynchronmaschine. Er verbleibt jedoch als Ganzes noch etwa in der Größenordnung der Asynchronmaschine selbst. Außerdem sind beide Maschinen des Regelsatzes in der Herstellung nicht so einfach wie die zu regelnde Asynchronmaschine. Für den Betrieb dieser beiden Maschinen gilt außerdem als nachteilig, daß sie mit Schleifringen und Bürsten ausgelegt werden müssen, d. h. einer ständigen Wartung bedürfen. Zwar sind nach der deutschen Patentschrift 826 769 ähnliche Anordnungen auch ohne Schleifringe und Bürsten bekanntgeworden. Hierbei erfolgt die Regelung der Drehzahl und der Schlupfleistung der Asynchronmaschine durch eine mechanisch bewirkte Veränderung des Winkels zwischen Ständer- und Polfeld bei der elektromagnetischen Schlupfkupplung und/ oder Synchronmaschine. Abgesehen davon, daß diese Verdrehung des an sich feststehenden, den jeweiligen Primärteil tragenden, Ständers erheblichen mechanischen Aufwand verlangt und daher gebaute Ausführungen auch nicht bekanntgeworden sind, werden dabei die Ständerwicklungen der Asynchromnaschine über die der als Hintermaschine wirkenden Synchronmaschine, also in Reihe, und außerdem gegebenenfalls über einen Spartransformator an das Netz gelegt. Eine wesentliche Verlangsamung der Regelvorgänge ist naturgemäß die Folge.Such an arrangement essentially consists of the asynchronous machine and the rule set, the latter consisting of an electromagnetic slip clutch and a synchronous machine. This rule set can be interpreted in its two individual parts to be relatively smaller than the asynchronous machine to be controlled. As a whole, however, it remains roughly the same size as the asynchronous machine itself. In addition, both machines of the rule set are not as easy to manufacture as the asynchronous machine to be controlled. For the operation of these two machines is also considered to be disadvantageous that they have to be designed with slip rings and brushes, i. H. require constant maintenance. According to German patent specification 826 769, similar arrangements without slip rings and brushes have become known. The speed and the slip power of the asynchronous machine are regulated by a mechanically induced change in the angle between the stator field and pole field in the electromagnetic slip clutch and / or synchronous machine. Apart from the fact that this rotation of the stator, which is stationary and carries the respective primary part, requires considerable mechanical effort and therefore built designs have not become known, the stator windings of the asynchronous machine are thereby over the synchronous machine acting as the rear machine, so in series, and also possibly connected to the network via an autotransformer. Naturally, the result is a significant slowdown in the control processes.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen rasch wirkenden Regelsatz in vereinfachter Maschinenausführung anzuregen.The object of the invention is to provide a rapidly acting set of rules in a simplified manner To stimulate machine execution.

Das Erfindungsproblem wird bei einer Anordnung zur Einfügung einer schlupffrequenten Spannung oder Leistung in den Sekundärteil einer in Kaskade mit einer elektromagnetischen Schlupfkupplung und einer Synchronmaschine als Hintermaschine betriebenen Asynchronmaschine, bei der ein ein- oder mehrphasiges sekundäres Wechselstromteil der Schlupfkupplung mechanisch und elektrisch mit dem ein- oder mehrphasigen Sekundärteil der Asynchronmaschine und ein durch einen regelbaren Gleichstrom erregtes primäres Gleichstromteil der Schlupfkupplung, das in der Wicklung seines Sekundärteiles Spannungen von Schlupffrequenz induziert, mechanisch mit dem Gleichstromteil der Synchromnaschine verbunden ist, deren Primärteil parallel zum Primärteil der Asynchronmaschine geschaltet ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schlupfkupplung und die Synchronmaschine Gleichstromteile mit feststehender Gleichstromerregerwicklung sowie mechanisch miteinander gekuppelte Klauenpolläufer mit Wechselpolen aufweisen und die Synchronmaschine außerdem mit einem Primärteil mit feststehender Wechsel- oder Drehstromwicklung versehen ist. In Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Klauenpolläufer der Schlupfkupplung und der Synchronmaschine zu einem DoppeRäufer, also zu einem einzigen Bauteil, zusammengefaßt sind und weiterhin, daß die Klauenpolläufer als Außenläufer ausgebildet sind.The problem of the invention arises with an arrangement for inserting a voltage or power in the secondary part of a cascade with an electromagnetic slip clutch and a synchronous machine as the rear machine operated asynchronous machine, in which a single or multi-phase secondary alternating current part the slip clutch mechanically and electrically with the single or multi-phase secondary part the asynchronous machine and a primary excited by a controllable direct current DC part of the slip clutch that generates voltages in the winding of its secondary part Induced by slip frequency, mechanically with the DC part of the synchromesh machine is connected, the primary part of which is connected in parallel to the primary part of the asynchronous machine is solved according to the invention in that the slip clutch and the synchronous machine DC parts with fixed DC excitation winding and mechanically with each other Have coupled claw pole rotors with alternating poles and the synchronous machine as well provided with a primary part with a fixed alternating or three-phase winding is. In a further development of the subject matter of the invention, it is proposed that the Claw pole rotor of the slip clutch and the synchronous machine to a double rotor, thus are combined into a single component, and furthermore that the claw pole runners are designed as an external rotor.

An sich ist die Verwendung einer elektrischen Maschine mit feststehenden Gleichstromteilen (Erregerteilen) sowie mit Klauenpolläufer mit Wechselpolen, also einer sogenannten K lauenpohnaschine, bei Schlupfkupplungen bekannt. Dabei handelt es sich jedoch nicht um einen Induktionsmotor mit Hintermaschinen in Kaskadenschaltung wie bei der vorliegenden Erfindung, sondern um eine reine mit einem Elektromotor zusammengebaute Schlupfkupplung in Form einer einzigen Klauenpolmaschine, die i also nur als solche wirksam wird. Die in der bekannten Anordnung erzeugten Schlupfspannungen müssen also unter erheblichem Aufwand als Verlustwärine abgeführt werden. Außerdem würden bei einer Zuordnung der bekannten Klauenpohnaschine zu einer i als Hintermaschine arbeitenden, normal ausgeführten Synchronmaschine die Schleifringe und Bürsten verbleiben, welche durch die Erfindung wegfallen sollen. Durch die Anordnung nach der Erfindung wird aber erreicht, daß nicht nur die Schleifringe und Bürsten ganz entfallen, sondern auch daß die Wärmeabführung kein Problem mehr darstellt: Die der Wärmeerzeugung zugrunde liegende Schlupfspannung wird ja im wesentlichen als Energie im Läufer der Asynchronmaschine ausgenutzt. Außerdem ist eine derartig nach der Erfindung ausgebildete Anordnung hinsichtlich des Regelteiles etwa nur halb so groß auszulegen wie die eingangs erwähnte, mit veränderlicher Gleichstromerregung arbeitende bekannte Anordnung mit einer- Hintermaschine. Sie zeichnet sich nämlich besonders durch eine wesentliche Verringerung des Durchmessers, aber auch durch eine kleinere Baulänge aus.Per se is the use of an electrical machine with fixed DC parts (excitation parts), and with the claw pole rotor with alternating poles, that is a so-called K lauenpohnaschine known in slip clutches. However, this is not an induction motor with rear machines in cascade connection as in the present invention, but a pure slip clutch assembled with an electric motor in the form of a single claw pole machine, which is only effective as such. The slip voltages generated in the known arrangement must therefore be dissipated as heat loss with considerable effort. In addition, if the known hoof polishing machine were assigned to a normally designed synchronous machine operating as a rear machine, the slip rings and brushes would remain, which should be omitted by the invention. The arrangement according to the invention not only eliminates the slip rings and brushes, but also eliminates the problem of heat dissipation: the slip voltage on which the heat generation is based is essentially used as energy in the rotor of the asynchronous machine. In addition, such an arrangement according to the invention is to be designed with respect to the control part about half as large as the above-mentioned known arrangement with a rear machine, which operates with variable direct current excitation. It is characterized in particular by a significant reduction in diameter, but also by a smaller overall length.

Auch ist der Aufbau bzw. die Herstellung der erfindungsgemäßen Kaskadenschaltung von Maschinen mit feststehenden Primär- und Sekundärteilen und umlaufenden Klauenpolläufern wesentlich einfacher als im Falle der Verwendung normaler Synchronmaschinen bzw. Schlupfkupplungen. Als weiterer wesentlicher Vorteil kommt hinzu, daß eine derartige Doppelmaschine mit Klauenpolläufer robust ist und nur eine- sehr geringe Erregerleistung erfordert.The structure or production of the cascade circuit according to the invention is also important of machines with fixed primary and secondary parts and rotating claw pole runners much easier than when using normal synchronous machines or Slip clutches. Another major advantage is that such Double machine with claw pole rotor is robust and only has a very low excitation output requires.

Die Anordnung wird an Hand der Zeichnung beschrieben: Die Asynchronmaschine 1 liegt mit ihrer Ständer-Vylicklung 4 am Netz 2, die Wicklung des Läufer 3 ist über die umlaufende Drehfeldwicklung 5 der als Schlupfkupplung wirkenden Klauenpolmaschine 6 kurzgeschlossen. Diese Drehfeldwicklung 5 ist auf der gleichen Welle 7 angeordnet wie die Wicklung des Läufers 3 der Asynchromnaschine 1. In Achsrichtung beiderseits der Drehfeldwicklung 5 ist der mit regelbarem Gleichstrom gespeiste Primärteil (Gleichströmteil) 8 der als Schlupfkupplung wirkenden Klauenpohnaschine 6 angeordnet und dabei aus zwei Ringspulen aufgebaut. Diese Ringspulen sind zusammengeschaltet und liegen über die Zuleitung 9 mit dem darin angeordneten regelbaren Widerstand 10 am Gleichstromnetz 11. Radial außerhalb des umlaufenden Drehstromteils 5 und des feststehenden Gleichstromteils 8 der als Schlupfkupplung wirkenden Klauenpolmaschine 6 ist der Klauenpolläufer 19 angeordnet und starr über den nicht magnetisierbarea Ring 12 mit dem Klauenpolläufer 13 der als Synchronmaschine wirkenden Klauenpolmaschine 14 fest verbunden. Radial innerhalb dieser sind die am Drehstromnetz 2 liegende Drehstromwicklung 15 sowie der Gleichstromteil 16, beide fest§tehend, angeordnet. Letzterer liegt ebenfalls am Gleichstromnetz 11, und zwar über die Zuleitung 17 mit dem darin angeordneten Regelwiderstand 18. Es ist auch möglich, die axial innenliegenden Ringspulen der Primär-bzw. Gleichstromteile 8, 16 wegzulassen.The arrangement is described with reference to the drawing: The asynchronous machine 1 is connected to the network 2 with its stator winding 4, the winding of the rotor 3 is short-circuited via the rotating field winding 5 of the claw-pole machine 6 acting as a slip clutch. This rotating field winding 5 is arranged on the same shaft 7 as the winding of the rotor 3 of the asynchronous machine 1. In the axial direction on both sides of the rotating field winding 5 , the primary part (direct current part) 8 of the claw polishing machine 6, which acts as a slip clutch, is arranged on both sides of the rotating field winding 5 and is made up of two ring coils . These toroidal coils are interconnected and are connected to the direct current network 11 via the supply line 9 with the adjustable resistor 10 located therein. The claw pole rotor 19 is arranged radially outside the rotating three-phase current part 5 and the fixed direct current part 8 of the claw pole machine 6 , which acts as a slip clutch, and is rigidly positioned over the non-magnetizable ring 12 firmly connected to the claw pole rotor 13 of the claw pole machine 14 acting as a synchronous machine. The three-phase winding 15 located on the three-phase network 2 and the direct current part 16, both of which are fixed, are arranged radially within this. The latter is also connected to the direct current network 11, specifically via the feed line 17 with the regulating resistor 18 arranged therein. It is also possible to use the axially inner ring coils of the primary or Omit direct current parts 8, 16 .

Die Wirkungsweise ist folgende: Im Betrieb werden durch die Drehzahldifferenz zwischen dem Läufer 3 der Asynchronmaschine 1 und dem Klauenpolläufer 13 der als Synchromnaschine wirkenden Klauenpolmaschine 14 im über die Wicklung des Läufers 3 kurzgeschlossenen Drehstromteil 5 der als Schlupfkupplung wirkenden Klauenpolmaschine 6 Spannungen von Schlupffrequenz induziert, welche in den Läuferkreis der Asynchronmaschine eingespeist werden.The mode of operation is as follows: During operation, the difference in speed between the rotor 3 of the asynchronous machine 1 and the claw-pole rotor 13 of the claw-pole machine 14 acting as a synchronous machine induces slip frequency voltages in the three -phase current part 5 of the claw-pole machine 6 acting as a slip clutch, which is short-circuited via the winding of the rotor 3 fed into the rotor circuit of the asynchronous machine.

Der Magnetfluß innerhalb der beiden Klauenpolmaschinen 6, 14 nimmt dabei jeweils für sich folgenden Verlauf: Ausgehend von den Gleichstromteilen 8, 16 tritt er über einen Luftspalt in die Klauenpolläufer 19, 13 über und von dort aus über einen weiteren Luftspalt in die Drehstromteile 5, 15, von welchen er über einen Luftspalt zurück in die Klauenpolläufer 19, 13 tritt und von dort über ebenfalls einen Luftspalt endgültig zu den Gleichstromteilen 8, 16 zurück.The magnetic flux within the two claw pole machines 6, 14 takes the following course: Starting from the direct current parts 8, 16 , it passes through an air gap into the claw pole rotors 19, 13 and from there through a further air gap into the three-phase current parts 5, 15 , from which it steps back into the claw pole runners 19, 13 via an air gap and from there finally back to the direct current parts 8, 16 via an air gap.

Man erkennt, daß der Regelsatz dieser Anordnung, insbesondere durch die Zusammenfassung der beiden KlauenpolUlufer 19, 13, zu einem gemeinsamen Doppelläufer, mit sehr kurzer Baulänge ausgebildet ist. Außerdem wird sein Durchmesser durch die Nebeneinanderanordnung der Gleichstromteile 8, 16 und der Drehstromteile 5, 15 ebenfalls erheblich verkleinert. Die sonst bei gleichstromerregten Maschinen üblichen Schleifringe und Bürsten entfallen wegen des Feststehens der Gleichstromteile 8, 16. Insgesamt gesehen, ist die Anordnung gegenüber den bekannten im Aufbau wesentlich vereinfacht und außerdem wartungsfrei.It can be seen that the rule set of this arrangement, in particular by combining the two claw pole runners 19, 13, into a common double rotor, is designed with a very short overall length. In addition, the juxtaposition of the direct current parts 8, 16 and the three-phase current parts 5, 15 also significantly reduces its diameter. The slip rings and brushes otherwise customary in machines with direct current excitation are dispensed with because the direct current parts 8, 16 are stationary. Overall, the arrangement is considerably simplified in structure compared to the known ones and, moreover, is maintenance-free.

Claims

Claims. 1. Arrangement for inserting a slip-frequency voltage or power in the secondary part of an asynchronous machine operated in cascade with an electromagnetic slip clutch and a synchronous machine as the rear machine, in which a single or multi-phase secondary alternating current part of the slip clutch is mechanically and electrically connected to the single or multi-phase secondary part of the Asynchronous machine and a primary direct current part of the slip clutch, which is excited by a controllable direct current and which induces voltages of slip frequency in the winding of its secondary part, is mechanically connected to the direct current part of the synchronous machine, the primary part of which is connected in parallel to the primary part of the asynchronous machine, d a d through g e k enn - that the slip clutch (6) and the synchronous machine (14) have direct current parts with fixed direct current excitation winding (8, 16) and mechanically coupled claw pole rotors with alternating poles (19, 13) and the Synchronous machine is also provided with a primary part with a fixed alternating ”or three-phase winding (15) .

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the two claw pole rotors (13, 19) of the slip clutch (6) and the synchronous machine (14) are combined to form a double rotor. 3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the claw pole runners (13, 19) are designed as external runners.

Considered publications: German Patent Nos. 696 050, 826 769; German interpretative document No. 1 043 482.