DE1241528B

DE1241528B - Arrangement for the operation of mixed current motors

Info

Publication number: DE1241528B
Application number: DES95454A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hermann Harz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-02-15
Filing date: 1965-02-15
Publication date: 1967-06-01
Also published as: JPS4832847B1

Description

Anordnung zum Betrieb von Mischstrommotoren Als Mischstrommotoren bezeichnet man Gleichstrommotoren, z. B. Bahnmotoren, die über Gleichrichter mit einem stark oberwellenhaltigen Gleichstrom gespeist werden. Die wesentliche Aufgabe besteht hierbei darin, das Feld des Motors möglichst oberwellenfrei zu machen, damit in den von den Bürsten kurzgeschlossenen Ankerwindungen keine Flußwechselspannungen erzeugt werden, die Anlaß zu Bürstenfeuer geben. Im Idealfall ist bei einem solchen Motor das Hauptfeld vollkommen geglättet, während das Wendefeld ganz ungedämpft, d. h. entdämpft ist und daher bei beliebiger Kurvenform des Stromes stets die Stromwendespannung aufheben kann.Arrangement for the operation of mixed current motors. B. Railway motors that are fed by rectifiers with a high harmonic content direct current. The main task here is to make the field of the motor as free from harmonics as possible so that no alternating flux voltages are generated in the armature windings short-circuited by the brushes, which would give rise to brush fire. In the ideal case, the main field is completely smoothed in such a motor, while the turning field is completely undamped, i. H. is undamped and can therefore always cancel the commutation voltage with any curve shape of the current.

Ein bekanntes Mittel, um eine sehr weitgehende Glättung des Hauptfeldes zu erzielen, besteht darin, um den Hauptpol eine Kurzschlußwicklung oder Windung zu legen, in der zu jedem Wechselstromanteil des Erregerstromes eine entsprechende Gegendurchflutung erzeugt wird, so daß schließlich ein sehr stark geglättetes Gleichfeld übrigbleibt. Dieses Gleichfeld hat zu Folge, daß an den Ankerklemmen des Motors nahezu eine Gleichspannung auftritt. Die vom Gleichrichter gleichgerichtete Wechselspannung weist dagegen ebenso wie der Strom starke Oberwellen auf. Es ist üblich, dem Gleichrichter Glättungsdrosselspulen nachzuschalten, die diesen Oberwellengehalt weitgehend beseitigen. Nun werden aber diese Glättungsdrosselspulen recht aufwendig, da sie außer dem die Glättung bewirkenden Wechselfluß auch den dem Gleichstromanteil des Stromes entsprechenden Gleichfluß führen müssen, der die Abmessungen der Drosselspule in unerwünschter Weise vergrößert, ohne zur Glättung beizutragen.A well-known means of smoothing the main field to a very large extent to achieve, consists in a short-circuit winding or turn around the main pole to place, in which for each alternating current component of the excitation current a corresponding one Counter-flow is generated, so that finally a very strongly smoothed constant field remains. This constant field has the consequence that at the armature terminals of the motor almost a DC voltage occurs. The AC voltage rectified by the rectifier on the other hand, like the current, has strong harmonics. It is common to use the rectifier Downstream smoothing reactors, which largely eliminate this harmonic content. Now, however, these smoothing reactors are quite expensive, since they also have the The alternating flow effecting smoothing also corresponds to the direct current component of the current Must lead constant flux, which the dimensions of the inductor in undesirable Way enlarged without adding to the smoothness.

Durch die Erfindung kann man diesen Nachteil beseitigen, indem bei Mischstrommotoren, bei denen durch besondere Mittel (z. B. Kurzschlußwindungen auf den Hauptpolen) das Erregerfeld weitgehend geglättet a und gedämpft und das Wendefeld entdämpft ist, die Glättungsdrosselspule im Gleichstromkreis ganz weggelassen und dafür eine Drosselspule im Wechselstromkreis des Gleichrichters vorgesehen wird. Diese Drosselspule im Wechselstromkreis nimmt den Unterschied zwischen der sinusförmiaen Netzspannung und der nahezu geglätteten Gleichspannung des Motors auf, so daß auf der Wechselstromseite des Gleichrichters eine nahezu rechteckige Wechselspannung auftritt, wie sie für den vorliegenden Fall erwünscht ist. Bei Mischstromniot ren mit oder ohne Glättungsdrossel im Gleichstromkreis sind zwar auf Grund der normalerweise vorhandenen Speisetransformatoren bzw. auf Grund zusätzlicher Schalttransduktoren an sich bereits induktive Widerstände ün Wechselstromkreis der Gleichrichter vorhanden. Diese Induktivitäten reichen aber nicht aus, um den Energieinhalt zu speichern, den die Drosselspule im vorliegenden Fall aufnehmen muß, um die Wellenunterschiede auszugleichen.With the invention you can eliminate this disadvantage by at Mixed current motors, in which by special means (e.g. short-circuit windings the main poles) the excitation field largely smoothed a and attenuated and the turning field is undamped, the smoothing inductor in the DC circuit is completely omitted and a choke coil is provided in the AC circuit of the rectifier for this purpose. This choke coil in the AC circuit takes the difference between the sinusförmiaen Mains voltage and the almost smooth DC voltage of the motor, so that on the AC side of the rectifier is a nearly square-wave AC voltage occurs as it is desired for the present case. With mixed flow nozzles with or without smoothing choke in the DC circuit are due to the normally existing supply transformers or due to additional switching transducers Already inductive resistances in the AC circuit of the rectifier are present. However, these inductances are not sufficient to store the energy content, which the choke coil in the present case has to accommodate in order to compensate for the wave differences balance.

Die Drossel im Wechselstromkreis hat noch den besonderen Vorteil, daß sie von beiden Halbwellen des Stromes und der Spannung ausgenutzt wird und kein Gleichstromglied enthält, so daß sie gegenüber der Drossel ün Gleichstromkreis wesentlich kleinere Abmessungen erhält.The choke in the AC circuit also has the particular advantage that it is used by both half-waves of the current and the voltage and no Contains direct current element, so that it is essential compared to the choke ün direct current circuit gets smaller dimensions.

An Hand der Zeichnungen soll das Wesen der Erfindung näher erläutert werden.The essence of the invention is to be explained in more detail with reference to the drawings will.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Nfischstrombahnmotor mit Kompensationswicklung 2, zu dessen Reihenschluß-Erregerwicklung 3 gleichachsig eine kurzgeschlossene Wicklung 4 angebracht ist. Der Motor wird über den Gleichrichter 5 gespeist, der wechselstromseitig über die Drosselspule 6 an den mit Anzapfungen und Stufenschaltern versehenen Umspanner 7 angeschlossen ist, der am Einphasenwechselstromnetz 8 liegt.In Fig. 1, 1 a Nfischstrombahnmotor with compensation winding 2 to the series excitation winding 3 denotes a short-circuited coaxial coil 4 is attached. The motor is fed via the rectifier 5 , which is connected on the alternating current side via the choke coil 6 to the transformer 7, which is provided with taps and tap changers and which is connected to the single-phase alternating current network 8 .

Die Anordnung wirkt folgendermaßen: Der dem Netz 8 über den Umspanner 7 entnommene und über die Drosselspule 6 dem Gleichrichter 5 zugeführte Strom.T. ist auch nach der Gleichrichtung noch sehr stark wellig (vgl. J2 in F i g. 2 a). Der vom Wechselstromanteil in der Reihenschlußerregerwicklung erzeugte Wechselfluß wird von der Kurzschlußwicklung 4 fast völlig abgedämpft, so daß sich in der l= im Erregerwicklung nahezu ein Gleichfluß 0 (F i g. 2 a) ausbildet.The arrangement works as follows: The current drawn from the network 8 via the transformer 7 and fed to the rectifier 5 via the choke coil 6. is still very strongly wavy even after rectification (cf. J2 in FIG. 2 a). The alternating flux generated by the alternating current component in the series excitation winding is almost completely attenuated by the short-circuit winding 4, so that almost a direct flux 0 ( FIG. 2 a) is formed in the field winding.

Bei Drehung des Ankers in diesem Gleichfeld entsteht eine Gleichspannung U, die z. B. bei gleichbleibender Drehzahl dem Fluß 0 verhältnisgleich ist. Daher muß auch der Gleichrichter auf der Gleichstromseite eine ihr entgegengesetzt gerichtete Spannung aufbringen, die auf der Wechselstromseite des Gleichrichters als Wechselspannung U., von Rechteckform auftritt (vgl. F i g. 2 b). Da andererseits vom Umspanner 7 eine sinusförinige Wechselspannung U C C geliefert wird, muß der Spannungsunterschied UD zwischen den beiden Spannungen von der Drosselspule 6 aufgebracht werden (vgl. F i g. 2 b und 2 c) In F i g. 2 c ist diese Spannung UD an der Drosselspule noch einmal besonders dargestellt. Wie man daraus erkennt, müssen die positiven und die negativen Spannungs-Zeit-Flächen einander gleich sein, wenn die Drosselspule ihre Aufgabe als Energiespeicher erfüllen soff. Unter dem Einfluß dieser von der Sinusforin abweichenden Spannungskurve wird auch der Strom nicht mehr eine reine Sinusform aufweisen, doch spielt dies für das Feld im Motor selbst keine Rolle, da die Kurzschlußwicklung 4 stets alle Oberwellen des Stromes abdämpft, so daß im Motor fast nur ein Gleichfeld besteht. Damit erreicht man aber eine gute Ausnutzung des Motors. Da der Strom der Integralkurve der Spannung entspricht, sind außerdem die Abweichungen des Stromes von der Sinusform wesentlich geringer als bei der Spannungskurve. Aus F i g. 2 d kann man erkennen, wie wenig die Kurvenform des Stromes J, und damit auch des Stromes J2 trotz des verzerrten Spannungsabfalles UD an der Drosselspule von der Sinusform abweicht. Man kann wie bei Gleichstrom mit einem zeitlich gleichbleibenden Fluß or, rechnen, der dem Höchstwert 0, bei Wechselstrom enstpricht. Geht man zunächst von der Sinusform des Stromes J2 aus, die auch in Wirklichkeit nicht sehr stark davon abweicht, so ist für das Drehmoment nur sein Mittelwert J2 . - 2/7v wirksam. Man erhält daher für das Drehmoment md == Oci - 12.-2/7r-Nun ist der Effektivwert von J, J2eff # f2./Y2 (2) oder 12 - = J2 -11 Da f2"ff dem Strom fc, bei reinem Gleichstrombetrieb gleich sein muß, erhält man für das Drehmoment Md '»G.f2-ff-V2-2/n OC. -0,9 , Jlg'0,9 = MdC, (3) Man erreicht demnach auf diese Weise 90%, der Ausnutzung eines mit reinem Gleichstrom gespeisten Motors.When the armature rotates in this DC field, a DC voltage U is generated which z. B. at constant speed the flow 0 is proportional. Therefore, the rectifier must also apply a voltage in the opposite direction on the direct current side, which occurs on the alternating current side of the rectifier as an alternating voltage U., of rectangular shape (cf. FIG. 2 b). On the other hand, since the transformer 7 supplies a sinusoidal alternating voltage U C C , the voltage difference UD between the two voltages must be applied by the choke coil 6 (see FIG. 2 b and 2 c) in FIG. 2 c, this voltage UD at the choke coil is shown again in a special way. As can be seen from this, the positive and negative voltage-time areas must be equal to each other if the choke coil is to fulfill its task as an energy store. Under the influence of this voltage curve deviating from the sinusoidal shape, the current will no longer have a pure sinusoidal shape, but this does not matter for the field in the motor itself, since the short-circuit winding 4 always dampens all harmonics of the current, so that in the motor there is almost only one Constant field exists. However, this achieves a good utilization of the engine. Since the current of the integral curve corresponds to the voltage, the deviations of the current from the sinusoidal shape are also significantly smaller than in the case of the voltage curve. From Fig. 2 d you can see how little the curve shape of the current J, and thus also of the current J2, deviates from the sinusoidal shape despite the distorted voltage drop UD at the choke coil. As with direct current, one can count on a flow or, constant over time, which corresponds to the maximum value 0, with alternating current. If one starts with the sinusoidal shape of the current J2 , which in reality does not deviate very much from it, then only its mean value J2 is for the torque. - 2 / 7v effective. One therefore obtains for the torque md == Oci - 12.-2 / 7r-Now the effective value of J, J2eff # f2./Y2 (2) or 12 - = J2 -11 Da f2 "ff is the current fc, at must be equal to pure direct current operation, one obtains for the torque Md '»G.f2-ff-V2-2 / n OC. -0.9 , Jlg'0.9 = MdC, (3) One thus reaches 90 %, the utilization of a motor fed with pure direct current.

Die Welligkeit des Stromes J2 ist für die Stromwendung in keiner Weise nachteilig, weil der Wendepolkreis in bekannter Weise, z. B. durch Blechung der magnetischen Kreise, völlig ungedämpft ist und stets das für die Stromwendung erforderliche Wendefeld bereitstellt. Eine zusätzliche Beanspruchung der Bürsten durch Flußwechselspannungen kann nicht auftreten, weil dies durch die Kurzschlußwicklung 4 verhindert wird. Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 ist die Maschine mit einer Kompensationswicklung 2 ausgeführt, die ein Ankerfeld in der Querachse verhindert. Man kann natürlich auch die Kompensationswicklung weglassen, weil auch dann die Kurzschlußwicklung 4 dafür sorgt, daß sich in der Längsachse kein nennenswertes Wechselfeld ausbilden kann. Zweckmäßig ist es, den ganzen magnetischen Kreis der Maschine zu blechen, einmal mit Rücksicht auf die Forderung nach einem völlig ungedämpften Wendepolkreis, ferner aber auch deswegen, damit sich der für die Erzeugung der Spannungsabfälle in der Kurzschlußwicklung 4 erforderliche kleine Wechselfluß ungehindert ausbilden kann.The ripple of the current J2 is in no way disadvantageous for the current reversal, because the reversing polarity circuit in a known manner, for. B. by lamination of the magnetic circuits, is completely undamped and always provides the turning field required for the current reversal. An additional stress on the brushes due to alternating flux voltages cannot occur because this is prevented by the short-circuit winding 4. In the embodiment of FIG. 1 , the machine is designed with a compensation winding 2, which prevents an armature field in the transverse axis. Of course, the compensation winding can also be omitted, because then the short-circuit winding 4 also ensures that no significant alternating field can develop in the longitudinal axis. It is advisable to sheet the entire magnetic circuit of the machine, once in consideration of the requirement for a completely undamped reversing pole circuit, but also so that the small alternating flux required to generate the voltage drops in the short-circuit winding 4 can develop unhindered.

Eine, wenn auch nicht so weitgehende Glättung des Erregerfeldes - wie durch die Kurzschlußwicklung 4 - erhält man in bekannter Weise durch einen der Reihenschlußerregerwicklung parallelgeschalteten Ohmschen Widerstand. Ferner ist es möglich, die Maschine in bekannter Weise mit Gleichstrom fremd zu erregen und sie auch als Generator zu betreiben; jedoch müssen hierbei die Gleichrichter als gesteuerte Gleichrichter (z. B. als Stromtore) ausgeführt sein. Stets sorgt die Drosselspule 6 dafür, daß auf der Wechselstromseite des Gleichrichters eine fast rechteckförmige Spannung zur Verfügung steht, die ein nahezu reines Gleichfeld in der Maschine zuläßt.Smoothing of the excitation field, even if not so extensive, - as with the short-circuit winding 4 - is obtained in a known manner by an ohmic resistance connected in parallel with the series-circuit excitation winding. It is also possible to excite the machine externally in a known manner with direct current and also to operate it as a generator; however, the rectifiers must be designed as controlled rectifiers (e.g. as current gates). The choke coil 6 always ensures that an almost square-wave voltage is available on the AC side of the rectifier, which allows an almost pure DC field in the machine.

Die Drosselspule im Wechselstromkreis des Gleichrichters hat noch den weiteren Vorteil, daß durch sie bei kurzzeitiger Unterbrechung der Stromzuführung aus dem Wechselstromnetz, z. B. beim sogenannten Bügelspringen einer Wechselstromlokomotive, der wiederkehrende Strom in seiner Größe begrenzt wird, falls das Feld in der Maschine, das ja von der Kurzschlußwicklung eine Weile gehalten wird, zu weit abgesunken sein sollte.The choke coil in the AC circuit of the rectifier has the further advantage that when the power supply is briefly interrupted from the AC network, eg. B. when so-called jumping an alternating current locomotive, the recurring current is limited in its size, if the field in the machine, which is held by the short-circuit winding for a while, should have sunk too far.

Werden mehrere Motoren in Parallel- oder in Reihenschaltung gefahren, so kann eine für alle Motoren gemeinsame Drosselspule im Wechselstromkreis verwendet werden. Trotzdem kann dabei jedem Motor, wie das meistens üblich ist, sein eigener Gleichrichter zugeordnet werden. In F i g. 1 ist eine derartige Anordnung mit zwei parallelbetriebenen Motoren angedeutet. Mit la bis Sa sind der zweite Motor und sein Gleichrichter bezeichnet. Bei Reihenschaltung sind die Wechselstromanschlüsse der beiden Gleichrichter hintereinandergeschaltet. Durch die gemeinsame Drosselspule kann erheblich an Gewicht gespart werden, ohne daß sich an der Wirkungsweise etwas ändert. Bei Glättung im Gleichstromkreis muß jedem Motor und seinem Gleichrichter eine Glättungsdrosselspule zugeordnet werden. Die Anordnung kann sowohl bei einphasigem als auch bei mehrphasigem Wechselstrom angewendet werden. Unter Umständen kann es auch vorteilhaft sein, die Drosselspule, z. B. mit Hilfe von Anzapfungen, steuerbar zu machen, um eine günstigste Anpassung an die einzelnen Betriebszustände zu erreichen. Man kann ihr z. B. bei kleineren Strömen größere Blindwiderstandswerte geben als bei größeren.If several motors are operated in parallel or in series, a common choke coil for all motors can be used in the AC circuit. Nevertheless, as is usually the case, each motor can be assigned its own rectifier. In Fig. 1 shows such an arrangement with two motors operated in parallel. The second motor and its rectifier are designated by la to Sa. When connected in series, the AC connections of the two rectifiers are connected in series. The common choke coil can save a considerable amount of weight without changing the mode of operation. When smoothing in the DC circuit, a smoothing choke coil must be assigned to each motor and its rectifier. The arrangement can be used with single-phase as well as multi-phase alternating current. Under certain circumstances, it may also be advantageous to use the choke coil, e.g. B. with the help of taps to make controllable in order to achieve a most favorable adaptation to the individual operating conditions. You can z. B. give larger reactance values with smaller currents than with larger ones.

Claims

Claims: 1. Arrangement for the operation of mixed current motors that are operated directly or via transformers from an alternating current network, e.g. B. an AC railway network, fed via a rectifier and provided with means for extensive attenuation of the main field and undamping of the turning field, characterized in that a special choke coil (6) is provided in the AC circuit of the rectifier (5) with the elimination of the smoothing choke coil in the direct current circuit, which absorbs the difference voltage between the AC supply voltage and the armature voltage occurring at the mixed current motor almost as a DC voltage, so that the AC voltage occurring on the AC side of the rectifier has an almost rectangular shape.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that a short-circuit winding coaxial with the excitation winding is accommodated as a means for extensive damping of the main field. 3. Arrangement according to claim 1, characterized in that an Olunscher resistor parallel to the excitation winding is present as the means for damping the main field. 4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the excitation winding is externally excited with direct current as a means for largely damping the main field. 5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the magnetic circuit of the motors is laminated. 6. Arrangement according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the machines are externally excited with direct current and work back as a generator to the network via controlled rectifiers. 7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that when several motors are operated in parallel or in series, a choke coil common to all rectifiers is provided in an alternating current circuit. 8. Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the choke coil, for. B. with the help of winding taps, is controllable. Considered publications: Z, German Patent Specifications Nos. 483 012, 554 912; Elektro Bahnen, 1962, p. 120, and 1963, p. 221, 225, 227; ETZ-A, 1964, p. 201.