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Stromrichtermaschine mit einer über netzgeführte Stromrichter an ein
einphasiges Wechselstromnetz angeschlossenen mehrphasigen Ständerwicklung Es sind
schon mehrere Anordnungen bekanntgeworden, die es ermöglichen, einen Käfigläufer-Drehstrommotor
aus dem Drehstromnetz über Stromrichter mit steuerbaren Drehzahlen zu betreiben.
Dafür werden sowohl direkt- oder netzgeführte Umrichter oder Zwischenkreis- bzw.
selbstgeführte Umrichter verwendet. Bei selbstgeführten Strornrichtermaschinen kann
es unter Umständen Schwierigkeiten beim Anfahren mit dem Zünden und Löschen der
einzelnen steuerbaren Stromrichter bzw. Gefäße in der richtigen Reihenfolge geben.
Diese Schwierigkeiten bestehen bei netzgeführten Stromrichtermaschinen nicht. Andererseits
ist es nicht möglich, netzgeführte Stromrichtermaschinen mit Käfigläufer aus einem
Einphasennetz zu betreiben, weil man mit einem Direktumriähter aus Einphasenstrom
nicht den erforderlichen Drehstrom kleiner Frequenz herstellen kann. Diese Motoren
werden daher mit einem gleichstromerregten Läufer betrieben, was den Nachteil hat,
daß Schleifringe zur Zuführung des Stromes erforderlich sind.
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Hier zeigt die vorliegende Erfindung einen Weg, einen Induktionsmotor
ohne Schleifkontakte über einen netzgeführten Stromrichter steuerbar aus dem Einphasennetz
zu betreiben. Dazu ist bei einer Stromrichtermaschine mit einer über netzgeführte
Stromrichter an ein einphasiges Wechselstromnetz angeschlossenen, mehrphasigen Ständerwicklung,
deren Stromrichter so steuerbar sind, daß die Ständerfeldachse um einen dem Phasenwinkel
entsprechenden Winkel kreisförmig weiterspringt und den Läufer zum Drehen veranlaßt,
erfindungsgemäß der Läufer einachsig kurzgeschlossen. Die Läuferachse versucht sich
dann, wie bei einem Einphasen-Repulsion-Motor, rechtwinklig zur Ständerachse einzustellen,
d. h., der Läufer dreht sich ebenfalls im Sinn der umlaufenden Ständerachse. Der
Motor erhält dabei das bekannte Verhalten von Repulsionsmotoren, d. h. das für den
Bahnbetrieb so erwünschte Reihenschlußverhalten mit großen Anfahrmomenten. Gesteuert
wird wie beim Repulsionsmotor durch Veränderung des Winkels zwischen Ständer- und
Läuferwicklungsachsen, indem die Einphasenspannung durch den Stromrichter entsprechend
der Drehzahl des Läufers an den Wicklungsanschlüssen derStänderwicklungweitergeschaltet
wird. Der gemäß der Erfindung ausgebildete Motor hat also neben den bekannten Vorteilen
eines Repulsionsmotors noch die Vorteile, daß der Läufer weder umlaufende Stromrichter
noch Schleifringe, sondern nur eine kurzgeschlossene Wicklungsachse aufweist, so
daß er sehr einfach herzustellen ist und der ganze Motor völlig ohne offene Kontakte
arbeitet. Er zeichnet sich daher durch besondere Einfachheit sowohl gegenüber den
bisher bekannten Repulsionsmotoren aus, bei denen die Kurzschlußachse durch gesteuerte
Stromrichter im Ständer hergestellt wurde, während der Läufer über Schleifringe
vom Netz gespeist wurde, als auch gegenüber denen, bei denen die Kurzschlußachse
in sehr aufwendiger Weise durch umlaufende Thyristoren im Läufer erzeugt wurde.
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Der Erfindungsgedanke läßt verschiedene Ausführungsformen zu, von
denen einige im folgenden behandelt werden sollen. In F i g. 1 bezeichnen 1, 2 und
3 die drei Phasen eines Drehstrommotors, deren Enden zu einem gemeinsamen Sternpunkt
zusammengeschlossen sind. Der Läufer 4 ist einachsig in Durchmesserstellung kurzgeschlossen.
Die Anfänge der Wicklungsstränge sind über je zwei in Gegenparallelschaltung arbeitende
steuerbare Stromrichter 5, 6 / 7, S / 9, 10 an den einen Pol 11 des Einphasennetzes
angeschlossen, der Sternpunkt an den anderen Pol 12. Zwischen Netz und Motor kann
noch eine Stromwendungsdrosse113 vorgesehen werden, deren drei Wicklungen eine Summendurchflutung
ergibt, die den Stromübergang von einer Wicklungsachse zur anderen erleichtert.
Die Anordnung wirkt folgendermaßen; In der gezeichneten Stellung wird vom einachsigen
Ständerfeld in der Phase 1 im Läufer ein Strom erzeugt, der eine Drehung im Uhrzeigersinn
zur Folge hat, d. h., die Läuferachse sucht sich senkrecht zur Ständerachse einzustellen,
wo die gegenseitige Kopplung, Läuferstrom und Läufermoment zu Null werden. Gibt
man nun die steuerbaren Stromrichter 9 und 10 frei, so bilden beide Wicklungsstränge
1 und 3 eine Durchfiutung aus von der gleichen Richtung wie die des Stranges 2 (vgl.
F i g. 2 b). Die Ständerdurchflutung ist gegenüber F i g. 2 a um 60° e1. im Uhrzeigersinn
weitergewandert, und der Läufer erfährt ein weiteres Drehmoment im gleichen Sinn.
Wird jetzt der Wicklungsstrang 1 gesperrt, so wirkt nur
noch die
Durchflutung des Stranges 3 (vgl. F i g. 2 c), die wieder um 60° e1. weitergewandert
ist. Wird jetzt der Strang 2 zugeschaltet, so wirkt nur noch die Durchflutung des
Stranges 3 (vgl. F i g. 2 c), die wieder um 60° e1. weitergewandert ist. Wird jetzt
der Strang 2 zugeschaltet, so-führen beide Stränge 2 und 3 Strom, und man- -erhält-
eine Durchflutung nach F i g. 2 d, die mit der von F i g. 2 a übereinstimmt. Bei
jedem Steuervorgang springt die StänderdÜrchflutungsachse um 60a -i,-I.-weiter,
und dementsprechend entwickelt der Läufer Drehmomente. Die Stromrichter 5 bis 10
können in der richtigen zeitlichen Reihenfolge durch eine Vorrichtung mit oder ohne
Kontakt gesteuert werdenrdia aus einem mit dem Motor gekuppelten umlaufenden und
einem feststehenden, jedoch .diehbar-gelagerten Teil besteht. Dadurch kann der
-Winkel zwischen Ständer .und Läuferachse (Achsenwinkel), wie bei einem Repulsionsmotor
der Bürstenwinkel, stetig eingestellt werden. An sich ist es möglich, den Motor
an eine konstante Netzspannung zu legen und lediglich durch eine Änderung des Achsenwinkels
stetig anzulassen. Da jedoch hierbei im Netz erhebliche Blindleistung aufträte,
ist @es zweckmäßig, zum Anfahren auf eine höhere Windungszahl umzuschalten, z. B.
durch Reihenschaltung der Wicklungszweige für das Anfahren und Parallelschaltung
im Betrieb. Mit einem entsprechenden Achsenwinkel erreicht man auch bei Reihenschaltung
das volle Feld und das volle Moment. Wenn ein Vorderumspanner vorhanden ist, kann
man auch statt der Wicklungsumschaltung mehrere Anzapfungen am Umspanner vorsehen.
Man kann auch die beim Repulsionsmotor den Bürstenwinket hier den Achsenwinkel auf
einen bestimmten günstigen Wert, z. B. 150° .e1., einstellen und das Anfahren und
die Geschwindigkeit wie beim Einphasenreihenschlußmotor -nur durch einen Stufenschalter
steuern.
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Die Anordnung nach F i g. 1 entspricht einem Weitersehalten der Ständerwicklungsachse
nach 60° e1. F i g. 2 stellt eine Anordnung mit fünf Ständerwicklungssträngen dar,
was einem Weiterschatten der Ständerwicklungsachse nach 36° e1. entspricht. Das
Drehmoment wird dadurch gleichmäßiger. Im Gegensatz zu F i g. 1 ist hier der Läufer
mit einem Sehnenkurzschluß versehen, was eine trapezförmige Durchflutungskurve des
Läufers ergibt. Zu den drei Ständerwicklungssträngen 1, 2, 3 sind noch die Stränge
14 und 15 mit ihren steuerbaren Stromrichtern 16, 17, 18 und 19 dazugekommen.
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F i g. 4 zeigt zwei derartige Motoren 20 und 21 zum Antrieb eines
Fahrzeugs, die über den Stufenumspanner 22 aus dem einphasigen Wechselstrombahnnetz
gespeist werden.
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Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen benötigt man zwar nur eine
kleine Anzahl von steuerbaren Stromrichtern - im Beispiel der F i g. 1 z. B. nur
sechs -, doch ist dabei immer nur ein Teil der Wicklungen eingeschaltet, so daß
die Motoren schlecht ausgenutzt werden. Dies wird vermieden; wenn man die Wicklungsklemmen
der Motoren über je zwei in Gegenparallelschaltung arbeitende steuerbare Stromrichter
an jeden Zoll des Einphasennetzes anschließt, wie .es F i g. 5 zeigt.
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Es bedeutet 23 die Ständerwicklung des Motors, die z. B. in Dreieck-
oder Sternschaltung ausgeführt sein kann, 24 den Läufer mit dem einachsigen Kurzschluß
25, 26, 27 die drei Ständerklemmen, die über je vier steuerbare Stromrichter 28
bis 31, 32 bis 35 und 36 bis 39 an die beiden Pole 11 und 12 des Einphasennetzes
angeschlossen sind. Im dargestellten Zeitaugenblick sei z. B. die Netzphase 11 positiv
und 12 negativ. Der -Strom fließt über den geöffneten steuerbaren Stromrichter 32
zur Klemme 26, von da je zur Hälfte durch zwei Wicklungszweige über die Klemme 25
und den steuerbaren Stromrichter 31 bzw. die Klemme 27 und den steuerbaren Stromrichter
39 zur Netzphase 12 zurück. In der nächsten Halbwelle fließt der Strom in der entgegengesetzten
Richtung über die gleichen Klemmen, Wicklungszweige und Stromrichter, bis sich der
Läufer in Drehung gesetzt hat und andere steuerbare Stromrichter freigegeben bzw.
gesperrt werden. In der gleichen Figur ist noch gezeigt, wie man das vom Läufer
ausgehende Ankerquerfeld, das störende Feldverzerrungen erzeugen kann, durch eine
gesteuerte Kurzschlußachse aufheben kann. 40 bedeutet z. B. eine im Ständer untergebrachte
geschlossene Wicklung mit sechs gleichmäßig verteilten Klemmen 41 bis 46, von denen
je zwei in Durchmesserstellung befindliche, durch sechs paarweise in Gegenparallelschaltung
angeordnete steuerbare Stromrichter 47 bis 52 kurzgeschlossen werden können. In
F i g: 5 sind z. B. die beiden Klemmen 41 und 44 durch die beiden freigegebenen
steuerbaren Stromrichter 49 und 50 kurzgeschlossen, so daß eine durch den Pfeil
angedeutete Querdurchflutung entsteht, die die des Läufers aufhebt. Die Kompensationswicklung
40 kann auch mit der Ständerwicklung 23 zu einer vereinigt werden, die mit entsprechenden
Anzapfungen versehen ist.
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Bei sechsphasiger Ausführung des Ständers würde man auf diese Weise
6 - 4 = 24 steuerbare Stromrichter für den Anschluß an das Netz benötigen. Man kommt
jedoch auch hier mit 12 aus, wenn man nach F i g. 6 von den Wicklungsklemmen abwechselnd
die eine über zwei gegenparallelgeschaltete steuerbare Stromrichter an die eine
Netzphase und die andere an die Netzphase anschließt.
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F i g. 7 entspricht wieder der F i g. 5; es ist lediglich der Sternpunkt
an die Mittelanzapfung eines Sparumspanners geführt, um auf diese Weise die Löschung
und Zündung des Stromes in einer Phase unabhängig von den Strömen in den anderen
Phasen zu machen.
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Wie die Ausführungsbeispiele erkennen lassen; erhält man auf diese
Weise einen zum Anschluß an ein Wechselstrombahnnetz sehr gut geeigneten kontaktlosen
Motor, der die für den Bahnbetrieb so erwünschten Eigenschaften, insbesondere das
Reihenschlußverhalten und das hohe Anfahrmoment, hat. Auch generatorisches Zurückarbeiten
ist möglich, wenn man den Achsenwinkel von der Nullstellung in die dem vorhandenen
Motordrehsinn entgegengesetzte Richtung verstellt. Durch die Steuerung der Stromrichter
kann man dabei den Bremsstrom in der Höhe begrenzen. Als weitere Vorteile kommen
hinzu, daß man keine aufwendigen Kommutierungs-Löscheinrichtungen (Kondensatoren,
steuerbare Stromrichter, usw.) wie bei selbstgeführten Stromrichtermotoren benötigt
und daß das Anfahren gar keine Schwierigkeiten macht.