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Stromrichtermaschine für steuerbare Drehzahlen Es sind kontaktlose
Wechselstrommaschinen (ohne Stromwender und ohne Schleifringe) bekanntgeworden,
die mit Hilfe von Siliziumstromrichtern und einer ruhenden, aus Drosselspulen, Kondensatoren
und weiteren Siliziumstromrichtern bestehenden Löscheinrichtung aus einer Gleichstromquelle
mit steuerbaren Drehzahlen betrieben werden können (vgl. Siemens-Zeitschrift,
1963, S. 660/667- Bystron und Meyer, »Kontaktlose, drehzahlregelbare Umrichtermaschinen
für hohe Drehzahlen«). Diese Löscheinrichtung kann auch für alle Phasen der Maschine
gemeinsam sein (AEG-Mitteilungen, 1964, S. 89 bis 106). Der Aufwand
bei diesen bekannten Lösungen ist jedoch recht beträchtlich, da für den Hauptkreis
außer den steuerbaren Siliziumzellen noch genauso viele ungesteuerte Siliziumzellen
für die übernahme des Blindstromes und des Löschstromes benötigt werden.
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Die vorliegende Erfindung zeigt, wie man bei einer Stromrichtermaschine
unter Verwendung einer gemeinsamen Löscheinrichtung die Zahl der ungesteuerten Siliziumzellen
unabhängig von der Phasenzahl der Wicklung bzw. von der Zahl der Anschlußpunkte
der Wicklung auf zwei beschränken kann und dadurch eine wesentliche Vereinfachung
erhält. Dies wird dadurch erreicht, daß gemäß der Erfindung eine aus zwei ungesteuerten
Stromrichtern bestehende Brücke an die Gleichstromquelle in Sperrrichtung angeschlossen
ist sowie an den Mittelpunkt der Brücke der Sternpunkt der Wicklung angeschlossen
ist und daß die einzelnen Wicklungsstränge in beiden Richtungen Strom (Wechselstrom)
führen. Die Ständerwicklung der Maschine ist also nicht geschlossen ausgeführt,
sondern erhält einen Sternpunkt.
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Neben der Verringerung des Aufwandes und der Vereinfachung der Schaltung
werden auch diese beiden ungesteuerten Siliziumzellen besser ausgenutzt als die
große Anzahl der bisherigen ungesteuerten Zellen, da sie bei jedem Löschvorgang
Strom führen, während dies bisher nur beim Löschen des ihnen zugeordneten Stromrichters
der Fall war. Es ist hierbei wesentlich, daß die einzelnen Wicklungsstränge trotz
der Sternpunktschaltung in beiden Stromrichtungen, d. h. mit Wechselstrom,
gut ausgenutzt werden, während sie bei bekannten Sternpunktschaltungen nur in einer
Richtung Strom führen.
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Einige Ausführungsbeispiele lassen den Erfindungsgedanken besser erkennen.
In F i g. 1 bezeichnet 1 einen Drehstrommotor mit den drei Ständerphasen
2, 3 und 4 und dem Kurzschlußläufer 5. Er wird über eine Stromrichterbrücke,
bestehend aus den Siliziumstromrichtern 6, 7, 8, 9, 10, 11, aus einer Gleichstromquelle
mit dem Pluspol 12 und dem Minuspol 13, so gespeist, daß in ihm ein Drehfeld
entsteht. Die Gleichstromquelle wird über die Stromrichterbrücke 14 aus dem Drehstromnetz
15 gespeist. 16, 17, 18 und 19 bedeuten Drosselspulen und Kondensatoren
zur Glättung des Gleichstromes. Die jeweils stromführenden Stromrichter
6 bis 11 können mit Hilfe einer bekannten Löscheinrichtung stromlos
gemacht werden. Sie besteht aus dem Kondensator 20, den beiden Drosselspulen
21 und 22, den Löschstromrichtern 23 und 24 und den beiden Begrenzungsstromrichtern
25 und 26. Zwischen den beiden Polen 12 und 13 liegen in Sperrichtung
die beiden ungesteuerten Siliziumzellen 27, 28; der Mittelpunkt zwischen
den beiden Zellen ist durch die Leitung 29
mit dem Sternpunkt der Motorwicklung
verbunden.
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Die Anordnung wirkt folgendermaßen: Die Phase 2 führt z. B. den Höchstwert
des Stromes und die Phasen 3 und 4 den halben Höchstwert. Demgemäß sind die
Stromrichter 7, 9 und 11 geöffnet. Der Löschkondensator 20 sei so
geladen, daß der Punkt 30
positiv ist und der Kondensator die mehrfache Gleichspannung
aufweist. Der Ladevorgang auf die mehrfache Gleichspannung vollzieht sich vor dem
Betrieb des Motors durch die beiden Stromrichter 23,
24 unter Mitwirkung der
beiden Drosseln 21, 22. Die beiden Begrenzungsstromrichter 25, 26 sorgen
dafür, daß die Kondensatorspannung einen bestimmten Wert nicht überschreitet: Um
nun die Phase 3 stromlos zu machen, wird der Löschstromrichter 24 freigegeben.
Der Kondensator entlädt sich nun auf dem Weg 30,
24, 9, 3, 29, 33, 27,
12, 18, 32, 31 und auf einem Parallelweg 11, 4, 29 usw. Die
beiden Phasen 3, 4 und die zugehörigen Stromrichter 9, 11 werden stromlos.
Der Stromrichter 9 kann gesperrt werden, der Stromrichter 1.1 bleibt
offen und beginnt wieder Strom zu führen, sobald der Umladevorgang des Kondensators
20 beendet ist. Der Strom der Phase 2
konnte während der Löschzeit
über 29, 27, 21, 7
weiterfließen. Das Feld im Motor blieb während dieser
Zeit ebenfalls konstant, da die fehlende Durchflutung der Phasen 3 und 4
von der Kurzschlußwicklung des Läufers übernommen wurde; lediglich das kleine Streufeld
der beiden Phasen 3, 4 mußte abgebaut werden, was aber unter dem Einfluß
der großen Löschspannung des Kondensators vor sich gang. Außerdem ist es gar nicht
erforderlich, daß der Strom schlagartig aus -der Phase 3 bzw. 4 verschwindet,
sondern allmählich entsprechend dem Takt der Drehstromfrequenz, wie dies auch beim
normal gespeisten Drehstrommotor der Fall ist. Die Verwendung der Sternpunktzellen
bringt demnach auch in dieser Hinsicht einen Vorteil, indem sie die Stromändeningsvorgänge
in den Wicklungen denen beim normalen Drehstrommotor weitgehend anpaßt.
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Nach Löschen des Stromrichters 9 führen jetzt die Phasen 2
und 4 Strom; das Feld ist um 30' weiter-Clewandert. Nunmehr kann der Stromrichter
6 gezündet werden, und die Phase 4 führt den Höchstwert vom Sternpunkt weg
gerichtet, die beiden Phasen 2, 3
sind mit dem halben Höchstwert beaufschlagt.
Durch Freigabe des Löschstromrichters 23 werden die beiden Stromrichter
6, 7 stromlos auf dem Wege 31, 32,
19, 13, 28, 33, 29, 2,
7 (bzw. 3, 6), 23, 30. Der Stromrichter 7 bleibt gesperrt,
während 6 wieder frei wird, und das Feld hat sich um weitere 30' gedreht.
In dieser Weise gelingt es, dem Feld durch die Steuerung beliebige Drehgeschwindigkeiten
zu geben, denen der kurzgeschlossene Läufer, vermindert um den Schlupf, nachfolgen
muß. Die Spannung muß mit steigender Drehzahl erhöht werden, damit das Feld seinen
Sollwert beibehält. -Die Spannung kann in dieser Weise der Drehzahl angepaßt
werden, daß z. B. die Stromrichterbrücke 14 mit Gittersteuerung versehen wird, oder
es kann der ungesteuerten Brücke ein steuerbarer Umspanner vorgeschaltet werden.
Wenn man die Steuerfrequenz der Stromrichter kleiner macht als die Drehungsfrequenz
des Motors, dann arbeitet dieser als Generator und gibt Leistung ins Netz zurück,
vorausgesetzt, daß man die steuerbare Brücke 14 umpolt oder eine zweite in Gegenparallelschaltung
verwendet. Das die Drehzahl des Motors vorschreibende Steuergerät kann unabhängig
vom Motor aufgestellt werden, da eine besondere Steuerscheibe nicht mit dem Motor
gekuppelt zu werden braucht. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, mit einer einzigen
Anordnung von Siliziumstromrichtern und zugehörigem Löschkreis mehrere Motoren parallel
oder in Reihe geschaltet zu betreiben. F i g. 2 zeigt eine derartige Anordnung.
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Soweit die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind, haben sie
die gleiche Bedeutung wie in F i -. 1. Die beiden parallelgeschalteten Motoren
34, 35 sind in diesem Fall 5phasig, und dementsprechend ist auch die Stromrichterbrücke
ausgeführt. Es sind jedoch wie in F i g. 1 nur zwei Stempunktzellen
27,28
vorhanden, die für die parallelgeschalteten Sternpunkte der beiden Motoren
gemeinsam sind. Bei der bisherigen Technik wären dagegen zehn ungesteuerte Zellen
erforderlich. Die 5phasige Ausführung der Motoren hat einen 10pulsigen Betrieb mit
einer besseren Kurvenform von Strom und Spannung zur Folge. Dies zeigt auch, daß
es vorteilhaft ist, eine ungerade Phasenzahl zu wählen, weil man in Verbindung mit
einer Sternpunktleitung stets die doppelte Pulszahl wie bei einer geraden Phasenzahl
erhält. Man kann nun derartige Anordnungen dazu verwenden, um auf Schienenfahrzeugen
Kurzschlußanker-Induktionsmotoren aus dem Wechselstrombahnnetz zu speisen. In F
i g. 3 bezeichnet 36 einen Einphasen-Stufenumspanner, der den Gleichrichter
14 und die anschließende Anordnung von Siliziumstromrichtern, Drosseln und Kondensatoren
wie in F i g. 1
speist. Angeschlossen sind in Parallelschaltung die vier Bahnmotoren
37, 38, 39, 40 mit Kurzschlußankern. Da alle Motoren die gleiche Spannung
erhalten, konnte es zu ungleicher Stromaufnahme kommen, wenn die Motoren bei unterschiedlicher
Spurkranzabnutzun- unterschiedliche Drehzahlen annehmen. Aus diesem Grund sind vier
Ausgleichswandler 41, 42, 43, 44 vorgesehen, deren Erstwicklungen parallel und deren
Zweitwicklungen in Reihe geschaltet sind. Unterschiedliche Drehzahlen machen sich
dann im Schlupf und in der Spannung der einzelnen Motoren bemerkbar. Natürlich kann
man jedem Motor auch eine eigene Stromrichteranordnung zuordnen.
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Statt als Asynchroninotoren kann man die Motoren auch als Repulsionsmotoren
betreiben, wobei sie das für den Bahnbetrieb so erwünschte Reihenschlußverhalten
bekommen. In F i g. 4 ist ein derartiger Motor 45 angedeutet. Die Läuferwicklung
hat einen Durchmesser- oder Sehnenkurzschluß, durch den die Läuferwicklung eine
ausgesprochene Wicklungsachse erhält. Wird nun in einer Ständerwicklungsachse ein
Wechselfeld erzeugt, so sucht sich der Läufer gleichachsig zum Ständer einzustellen.
Läßt man die Ständerwicklungsachse mit Hilfe der Anordnung von Siliziumstromrichtern,.
Drosseln und Kondensatoren im Motor umlaufen, so eilt der Läufer hinterher. Der
Winkel zwischen Ständer- und Läuferwicklungsachse bestimmt die Größe des Drehmomentes,
das mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Bei der Beharrungsdrehzahl sind Lastmoment
und Motormoment gleich. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen der F i
g. 1 bis 3 mit Asynchronmotoren müssen hier die Stromrichter in Abhängigkeit
von der jeweiligen Stellung des Läufers zum Ständer, z. B. mit Hilfe von Hallgeneratoren
und einer mit Dauermagneten besetzten, auf dem Läufer untergebrachten Steuerscheibe,
gesteuert werden. Durch Drehen der Vorrichtung mit den Hallgeneratoren gegenüber
dem Ständer kann dabei jeder Winkel zwischen Ständer-und Läuferwicklungsachse eingestellt
werden.
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In F i g. 4 bezeichnet 46 diese Steuervorrichtung, von der
der dauernd umlaufende Teil mit dem Läufer gekuppelt ist, während der feststehende
Teil drehbar und stellbar gelagert ist. Im übrigen haben die Bezugszeichen die gleiche
Bedeutung wie in den vorhergehenden Beispielen. Grundsätzlich kann man mit einer
derartigen Maschine auch generatorisch bremsen, wenn man die Ständerwicklungsachse
in eine gegenüber der Läuferachse nacheilende Stellung bringt und gleichzeitig die
Stromrichter von dem zugelassenen Bremsstrom noch zusätzlich steuern läßt. Man kann
hierbei den Winkel zwischen Ständer- und Läuferachse auf einen konstanten günstigsten
Wert, z. B. 1501 el, einstellen. Das gleiche ist auch für den Motorbetrieb
möglich, wenn man auch hier auf einen günstigsten Winkel einstellt und den Strom
auf den gewünschten Wert begrenzt. Statt mit konstanter Netzspannung zu arbeiten,
kann man natürlich auch wie in F i g. 3 mit steuerbarer Spannung arbeiten.
Es ist auch möglich, die Maschine zum Bremsen als
Asynchrongenerator
zu betreiben, wenn man den Läufer durch eine zweite unter 90' und über Schleifringe
hergestellte Kurzschlußachse zu einem Mehrphasenkurzschlußanker macht und die Maschine
wie in den Beispielen nach F i g. 1 bis 3 als Asynchronmaschine betreibt.
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Gibt man schließlich der Maschine ira Läufer eine Gleichstromerregerwicklung,
so erhält man, je nachdem, ob man eine Fremdsteuerung oder eine vom Läufer
betätigte Selbststeuerung wählt, eine Synchron- oder eine Gleichstrommaschine, die
mit Fremderregung, mit lastabhängiger oder auch mit gemischter (lastunabhängiger
und lastabhängiger) Erregung arbeiten kann.