DE2641530C2

DE2641530C2 - Device for generating single or multi-phase alternating voltage with an induction machine operating in generator mode

Info

Publication number: DE2641530C2
Application number: DE19762641530
Authority: DE
Inventors: David James Elmhurst Ill. Gritter; George Henry Mount Prospect Ill. Studtmann
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1975-09-15
Filing date: 1976-09-15
Publication date: 1985-11-14
Also published as: DE2641530A1; FR2324157A1; JPS624958B2; AU502602B2; JPS5236713A; AU1682276A; GB1528877A; FR2324157B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen ein- oder mehrphasiger Wechselspannung mit einer im Generatorbetrieb arbeitenden Induktionsmaschine mit den Im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmalen.The invention relates to a device for generating single or multi-phase alternating voltage with an im Generator operation working induction machine with the preamble of claim 1 cited Features.

Bei der bekannten Einrichtung (US-PS 38 29 758), von der die Erfindung ausgeht, wird der Blindleistungsbedarf für das Magnetfeld dadurch gedeckt, daß die Blindenergie periodisch von einer Phase der Induktionsmaschine auf eine andere Phase umgeschaltet wird. Damit kann auf besondere Maßnahmen, wie eine Kondensatorbatterie, für die Erzeugung des Blindstroms zur Magnetisierung verzichtet werden. Beim Umschalten findet zwangsläufig ein periodisches Kurzschließen der Phasenspannung statt. Anhand der Fig. 1 und 2 Ist die Wirkungsweise der bekannten Einrichtung im Anschluß an die folgenden Ausführungen näher erläutert.In the known device (US-PS 38 29 758), from which the invention is based, the reactive power requirement for the magnetic field covered by the fact that the reactive energy periodically from a phase of the induction machine is switched to another phase. This means that special measures, such as a capacitor battery, for generating the reactive current for magnetization can be dispensed with. When switching finds Inevitably, a periodic short-circuiting of the phase voltage takes place. 1 and 2 is the Operation of the known device explained in more detail in connection with the following explanations.

Auch bei einer anderen bekannten Schaltungsanordnung (US-PS 38 32 625) wird der Blindleistungsbedarf für die Erregung eines Asynchrongenerators von einem Frequenz"mformer gedeckt, wobei die Halbleiterschalter des Frequenzumformers so angesteuert werden, daß der Frequenzumformer eine kapazitive Blindlast mit einem voreilenden Leistungsfaktor darstellt.In another known circuit arrangement (US-PS 38 32 625) the reactive power requirement for the excitation of an asynchronous generator is covered by a frequency mformer, the semiconductor switches of the Frequency converter are controlled so that the frequency converter has a capacitive reactive load with a represents leading power factor.

DIs der Erfindung zugrunde Hegende Aufgabe Ist darin zu sehen, eine einfach aufgebaute Einrichtung zu entwerfen, die den Asynchrongenerator ausschließlich durch Kurzschließen seiner Wicklungen erregt.The object underlying the invention is to be seen in providing a simply structured device design that excites the asynchronous generator solely by short-circuiting its windings.

Die genannte Aufgabe Ist mit den Im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmalen gelöst.The stated task is with the features listed in the characterizing part of claim 1 solved.

Erfindungsgemäß kann die Induktionsmaschine die nötige Blindleistung erzeugen, wenn zu einem bestlmmten Zeltpunkt des Verlaufs der Phasenspannung und während einer bestimmten Zeltdauer jeweils eine Phasenspannung kurzgeschlossen wird. Die Kurzschlußdauer Ist von der angeschlossenen Last abhängig und verlängert I] sich mit steigender Belastung. Auf diese Weise kann ein Teil der den Generator antreibenden mechanischenAccording to the invention, the induction machine can generate the necessary reactive power if at a certain point Point of the phase voltage curve and a phase voltage during a certain period of time is short-circuited. The short circuit duration depends on the connected load and is longer I] with increasing exposure. In this way, some of the mechanical

t Energie In elektrische Feldenergie umgewandelt werden. Die Anzahl der an die Wicklungen der Induktlonsma- t Energy can be converted into electrical field energy. The number of times connected to the windings of the inductor

% schlne angeschlossenen Schalter läßt sich verringern. Ferner läßt sich die Schaltungsanordnung zur Regelung % connected switch can be reduced. Furthermore, the circuit arrangement can be used for regulation

|| f>5 der Induktionsmaschine wesentlich vereinfachen.|| f> 5 simplify the induction machine considerably.

' Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt'Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing. It shows

;; Flg. 1 ein vereinfachtes Schaltbild des aus der US-PS 38 29 758 bekannten Umrichters mit Induktlons-;; Flg. 1 is a simplified circuit diagram of the converter known from US-PS 38 29 758 with Induktlons-

Fig. 2 ein Schaubild zur Erläuterung der Betriebsweise der Schalter des Umrichters in Fig. 1, den Schaltzu-.;\ stand der Induktionsmaschine zu einem bestimmten Zeitpunkt,Fig. 2 is a diagram for explaining the mode of operation of the switches of the converter in Fig. 1, the switching to -.; \ was the induction machine at a certain point in time,

v' F i g. 4 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiel? der Erfindung,v 'F i g. 4 shows a simplified illustration of an exemplary embodiment? the invention,

r F1 g. 5,6 vereinfachte Ersatzschaltbilder,r F1 g. 5.6 simplified equivalent circuit diagrams,

Fig. 7 eine vereinfachte physikalische Darstellung einer zweiphasigen Induktionsmaschine,7 shows a simplified physical representation of a two-phase induction machine,

:_;. Flg. 8 eine weitere Vereinfachung des Ersatzschaltbildes, das in Fig. 6 gezeigt 1st,: _; . Flg. 8 a further simplification of the equivalent circuit diagram shown in FIG. 6,

Flg. 9 eine Darstellung der Ströme und Spannungen beim Kurzschließen der Anschlüsse der Wicklungen,Flg. 9 shows the currents and voltages when short-circuiting the connections of the windings,

Fig. 10 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild, das zusammen mit den Flg. 5 bis 8 zum Verständnis der Grund- : i züge der vorliegenden Erfindung von Nutzen 1st,Fig. 10 is a simplified equivalent circuit diagram, which together with Flg. 5 to 8 to understand the basic : i features of the present invention are useful,

Fig. 11 ein Ersatzschaltbild zusammen mit einem Analogrechner,11 shows an equivalent circuit diagram together with an analog computer,

; Fig. 12 eine vereinfachte Darstellung einer dreiphasigen Maschine mit zwei Isolierten Wicklungen,; 12 shows a simplified representation of a three-phase machine with two insulated windings,

. Fig. 13 und 14 vereinfachte Blockschaltbilder von Schaltanordnungen für eine einphasige Induktionsmaschine, . 13 and 14 simplified block diagrams of switching arrangements for a single-phase induction machine,

Flg. ISA, 15B und 15C vereinfachte Darstellungen eines Ausführungsbeispiels einer dreiphasigen Schaltungsanordnung, ·/ Fig. 16 ein Blockschaltbild einer dreiphasigen Schaltungsanordnung,Flg. ISA, 15B and 15C simplified representations of an embodiment of a three-phase circuit arrangement, / Fig. 16 is a block diagram of a three-phase circuit arrangement,

Flg. 17A bis 17D schematische Teilschaltbilder zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 16 gezeigten Schaltungsanordnung.Flg. 17A to 17D are schematic partial circuit diagrams for explaining the mode of operation of those shown in FIG Circuit arrangement.

In der US-Patentschrift Nr. 38 29 758 wird beschrieben, wie ein Umrichter als Schaltersystem bei der Rezirku- -. _: lation der reaktiven Energie einer Induktionsmaschine, die als Generator arbeitet, verwendet werden kann.In US Pat. No. 38 29 758 it is described how a converter is used as a switch system in the recirculation -. _: lation of the reactive energy of an induction machine working as a generator can be used.

% Fig. 1 Ist eine allgemeine Darstellung eines solchen Systems, bei dem ein dreiphasiger inverter 20 Energie % Fig. 1 is a general representation of such a system, in which a three-phase inverter 20 energy

; · einem dreiphasigen Generator 21 zuführt, der einzelne Phasenwäcklungen, die als A, B und C tazeichnet sind,; A three-phase generator 21 feeds the individual phase vibrations, which are drawn as A, B and C ,

? · und die Anschlüsse 22, 23 und 24 besitzt. Der Inverter ist verallgemeinert dargestellt; er enthält sechs Schalter? · And has connections 22, 23 and 24. The inverter is shown in a generalized way; it contains six switches

'fi AX bis Cl. Eine Geichspannung der Grö3s E Hegt an den Leitern 25, 26. Der Inverter liefert eine dreiphasige 'fi AX to Cl. A DC voltage of the size E is present on the conductors 25, 26. The inverter supplies a three-phase

fs Ausgangsspannung über die Leiter 27, 28 und 29 in bekannter Weise. Fig.2 zeigt die Zeiten, In denen diefs output voltage across conductors 27, 28 and 29 in a known manner. Fig.2 shows the times when the

Iff jeweiligen Inverterschalter geschlossen sind, über zwei Perlodrn hinweg. Wie dargestellt, ist der Schalter Al If the respective inverter switches are closed, over two Perlodrn. As shown, the switch Al

::: während der ersten 180° in jeder Periode geschlossen; der Schalter Al Ist während der folgenden 180° In jeder::: closed during the first 180 ° of each period; the switch Al is during the following 180 ° In each

bj Periode geschlossen. Der Schalter Bl wird zunächst bei 120° geschlossen und bleibt bis zum 300°-Punktbj period closed. The switch B1 is initially closed at 120 ° and remains up to the 300 ° point

ff geschlossen. Auf diese Weise sind in der ersten Periode zwischen den Zeiten zwischen 120° und 180° die Schal-ff closed. In this way, in the first period between the times between 120 ° and 180 °, the switching

1 ter Al, 51 und C2 geschlossen.1st Al, 51 and C2 closed.

M; Wenn die Maschine 21 ohne elektrische Last arbeitet, sind beide Schalter Al und fll geschlossen. Das Ersatzes schaltbild für die Maschinenwicklungen Ist in Fig.2 gezeigt. Die Wicklungen A und B sind durch einen Kurz-M; When the machine 21 operates without electrical load, both of the switches Al and fll closed. The compensation circuit for the machine windings is shown in Fig. 2. The windings A and B are connected by a short

i| schluß zwischen den Anschlüssen 22 und 23 miteinander verbunden. Bei diesem lastfreien Zustand ist deri | circuit between the terminals 22 and 23 connected to each other. In this unencumbered state, the

t Anschluß 24 offen. Das Diagramm von Fig. 2 zeigt, daß dieser Kurzschluß alle 60° »wandert« und zwei andere t port 24 open. The diagram of Fig. 2 shows that this short circuit "wanders" every 60 ° and two others

ί · Maschinenwicklungen überbrückt. Dies legt nahe, daß die in Fig. 1 gezeigten sechs Schalter des Inverters 20ί · Machine windings bridged. This suggests that the six switches of the inverter 20 shown in FIG

l_: von nur drei Schaltern ersetzt werden können, die in Flg.4 gezeigt sind und die aufeinanderfolgend alle 60° l _: can be replaced by only three switches, which are shown in Flg.4 and which are consecutive every 60 °

ψ geschlossen werden, als Funktion von Signalen, die sie von einem Steuerkreis 3s empfangen. Dies führt zu ψ are closed as a function of signals received from a control circuit for 3s. this leads to

j£ einer Verringerung der Anzahl von Bauteilen für die Anordnung zur Speisung der Maschine und zu einerj £ a reduction in the number of components for the arrangement for powering the machine and to one

v' Untersuchung des wirklichen Energieumwandlungsprozesses. v ' Investigation of the real energy conversion process.

;/. Wie erläutert Ist es bekannt, daß der Inverterkrels, wie er allgemein In Flg. 1 gezeigt ist, im Effekt die reak-; /. As explained, it is known that the inverter circuit, as it is generally shown in Flg. 1 is shown, in effect the react-

[;■; tlve Energie der Maschine rezirkuliert und so für die erforderliche Erregung sorgt. Die Rezlrkulation der Ener-[; ■; tlve energy of the machine is recirculated and thus provides the necessary excitation. The recirculation of energy

ί gle, die in dem genannten Patent beschrieben ist, ist ein Mittel, das Feld des Induktionsgenerators aufrechtzuer-ί gle, which is described in the said patent, is a means of maintaining the field of the induction generator.

■''„; halten. Es scheint nun, daß ein weitere Phänomen existiert: Das Feld wird aufrechterhalten, da der Inverter als■ '' "; keep. It now appears that another phenomenon exists: the field is sustained because the inverter acts as a

' , periodischer Kurzschluß wirkt. Ein solcher Kurzschluß bremst die Maschine und verursacht eine Energieum-', periodic short circuit acts. Such a short circuit brakes the machine and causes an energy reversal

:' wandlung oder -übertragung aus mechanischer Energie in elektrische Energie. Etwas von dieser Energie wird in : ' Conversion or transfer of mechanical energy into electrical energy. Some of this energy is in

j. Wärme umgesetzt; ein Teil geht in das elektrische Feld. Zur genaueren Betrachtung dieser Energieumwandlungj. Heat converted; part goes into the electric field. For a closer look at this energy conversion

- ist an diesem Punkte von Nutzen, ein Ersatzschaltbild für die Maschine zu entwickeln und zu erläutern. Dadurch wird bessere Einsicht in den Energieumwandlungsprozeß gewonnen.- At this point it is useful to develop and explain an equivalent circuit diagram for the machine. This gives better insight into the energy conversion process.

Das Ersatzschaltbild einer zweiphasigen Maschine, wie es In Flg. 5 gezeigt Ist, stellt die verschiedenen Großen dar, die sich auf den Stator beziehen. Beide Schalkreise stellen das Ersatzschaltbild einer zweiphasigen so Maschine dar, wobei die Wicklungen relativ zueinander um 90° phasenverschoben sind. Der obere Schaltkreis stellt eine erste Wicklung A dar, die um eine vorgegebene Hauptachse gewickelt Ist. Der untere Schaltkreis stel!? ^: die zweite Wicklung B dar, die auf eine Querachse senkrecht zur Hauptwicklung A liegt. HintergrundmaterialThe equivalent circuit diagram of a two-phase machine, as shown in Flg. 5 illustrates the various sizes related to the stator. Both switching circuits represent the equivalent circuit diagram of a two-phase machine, with the windings being phase-shifted by 90 ° relative to one another. The upper circuit represents a first winding A , which is wound around a given main axis. The lower circuit stel !? ^{: represents} the second winding B , which lies on a transverse axis perpendicular to the main winding A. Background material

bezüglich solcher Ersatzschaltbilder kann Im Artikel von 15. C. Stanley »An Analysis of the Induction Machine« ■ ' In AIEE Transactions, Band 57 (1938), Selten 751-757 oder dem Aufsatz von C. V. Jones mit dem Titel »Thewith regard to such equivalent circuit diagrams, in the article by 15. C. Stanley "An Analysis of the Induction Machine" In AIEE Transactions, Volume 57 (1938), Selten 751-757 or the essay by C. V. Jones entitled “The

[ Unified Theory of Electrical Machines« gefunden werden. Die Gegeninduktivität zwischen Stator und Rotor Ist [ Unified Theory of Electrical Machines "can be found. The mutual inductance between stator and rotor is

■' im Mittelpunkt von jedem Phasenwicklungsdiagramm dargestellt. Die Statorgrößen sind mit dem Index 5 und■ 'shown at the center of each phase winding diagram. The stator sizes are with the index 5 and

: die Rotorwerte mit dem Index r bezeichnet. Beispielswelse bedeutet R₅ den Widerstand des Stators; die mit: the rotor values are denoted by the index r . For example, R _{5 means} the resistance of the stator; with

.. L₁-M bezeichnete Induktivität stellt die Induktivität des Stators minus d'e Gegeninduktivität dar. Der erste.. L ₁ -M designated inductance represents the inductance of the stator minus d'e mutual inductance. The first

·'■■ Spannungsgenerator erzeugt eine Spannung, die gleich der Gegeninduktivität mal dem Strom i_b, mal ddrldi, der· '■■ The voltage generator generates a voltage that is equal to the mutual inductance times the current i _b , times ddrldi, der

- augenblicklichen Winkelgeschwindigkeit des Rotors, 1st. Wenn keine Beschleunigung oder Verzögerung j vorliegt, wird der Term dßr/df natürlich eine Konstante. Dasselbe gilt für den anderen Term, wenn dia Wlnkel-¹ geschwindigkeit der Maschine konstant 1st. Dieses Ersatzschaltbild 1st für viele Rechnungen ausreichend. Es Ist - instantaneous angular velocity of the rotor, 1st. In the absence of acceleration or deceleration j, the term db r / df naturally becomes a constant. The same applies to the other term if dia Wlnkel- 1st constant speed of the machine. ¹ This equivalent circuit diagram is sufficient for many calculations. It is

jedoch nützlich, bestimmte Annahmen zu machen, welche diesen Schaltkreis vereinfachen und zu einer Anordnung führen, welche die grundlegende Betrachtung der Wechselwirkung zwischen den Phasenkreisen erleichtert. Hierzu wurde ein vereinfachtes Ersatzschallbild für eine zwelphaslge Maschine entwickelt; dieses Ist In Flg. 6 gezeigt.
Um zu diesem Schaltkreis zu gelangen, wurden bestimmte Annahmen gemacht. Zunächst wurde der Wider-however useful in making certain assumptions which will simplify this circuit and result in an arrangement which will facilitate the fundamental consideration of the interaction between the phase circles. For this purpose, a simplified equivalent sound pattern for a two-phase machine was developed; this is in Flg. 6 shown.
In order to arrive at this circuit certain assumptions were made. First of all, the

stand des Rotors R, mit 0 angenommen. Zusätzlich wird die Streureaktanz mit 0 angenommen. Auf diese Welse Ist L, = H und L, = Xf. Außerdem Ist Im oberen Teil von Flg. 5 zu erkennen, daß der magnetlslerende Strom für die Hauptachse durch i„ + \, und der magnetlslerende Strom für die Querachse i_b + i_t Ist. Dies Ist Im Ersatzschaltbild von Flg. 6 vereinfacht als Magnetisierungstrom /«„ für den Hauptzweig und als im, fur die Querachse gezeigt. Unter diesen Annahmen kann der Schaltkreis wie In Flg. 6 gezeigt dargestellt werden. Die beiden Spannungsgeneratoren stellen die Gegen-EMK der Maschine dar. Jede Gegen-EMK Ist proportional zur augenblicklichen Rotorgeschwindigkeit und außerdem zum Magnetisierungsstrom der entgegengesetzten Phase. D. h : Die Gegen-EMK In der Hauptsache Ist porportlonal zum Magnetisierungsstrom des Querachsenkrelses; die Gegen-EMK In der Querachse Ist proportional zum Magnetisierungsstrom /«„ für die Hauptachse. Die Leistung, die von den Gegen-EMK-Generatoren geliefert wird, bildet die elektrische Ausgangsleistung und damit die mechanische Elngangslelstung der Maschine. Das Drehmoment T laßt sich für diese vereinfachte Anordnung ausdrücken durch:position of the rotor R, assumed to be 0. In addition, the leakage reactance is assumed to be 0. In this way, L, = H and L, = Xf. In addition, in the upper part of Flg. 5 that the magnetizing current for the main axis is through i " + \, and the magnetizing current for the transverse axis is i _b + i _t . This is in the equivalent circuit diagram of Flg. 6 shown in simplified form as magnetizing current for the main branch and as im for the transverse axis. Under these assumptions, the circuit as in Flg. 6 shown. The two voltage generators represent the back EMF of the machine. Each back EMF is proportional to the instantaneous rotor speed and also to the magnetizing current of the opposite phase. That means: The back EMF is mainly proportional to the magnetization current of the Querachsenkrelses; the back EMF in the transverse axis is proportional to the magnetizing current / «“ for the main axis. The power supplied by the back EMF generators forms the electrical output power and thus the mechanical input power of the machine. The torque T can be expressed for this simplified arrangement by:

T = MU_b 1,-i.i,).T = MU _b 1, -ii,).

Dieser Ausdruck reduziert sich auf den üblichen Ausdruck für das Drehmoment, der sich für den herkömmlichen Schaltkreis ergibt, wenn die entsprechenden Ausdrücke für die Ströme eingesetzt werden. Aus diesem Ausdruck ist zu erkennen, daß ein Statorstrom vorliegen muß, wenn die Maschine ein Drehmoment entwickeln soll. Wenn Rotorströme fließen, die Maschine jedoch unbelastet 1st, erzeugt sie kein Drehmoment. Aus diesemThis expression is reduced to the usual expression for the torque that results for the conventional circuit when the corresponding expressions are used for the currents. For this Expression shows that there must be a stator current when the machine is developing torque target. If rotor currents are flowing, but the machine is not under load, it will not generate any torque. For this Ausdruck Ist außerdem zu entnehmen, daß man das Drehmoment als Produkt des Rotorstroms der einen Achse, der mit dem Magetlslerungsstrom der anderen Achse wechselwirkt, betrachten kann. Um die verschiedenen Aspekte des vereinfachten Ersatzschaltbildes und des Drehmomentenausdruckes zu erfassen, 1st es hilfreich, die vereinfachte physikalische Darstellung von Flg. 7 zu betrachten. In dieser Figur ist der Rotor 35 der Induktionsmaschine schematisch Im Querschnitt gezeigt, wobei eineExpression It can also be seen that the torque is the product of the rotor current of the one Axis that interacts with the magnetization current of the other axis can be considered. In order to capture the various aspects of the simplified equivalent circuit diagram and the torque expression, it is helpful, the simplified physical representation of Flg. 7 to look at. In this figure, the rotor 35 of the induction machine is shown schematically in cross section, with one Mehrzahl von Leitern 36 nahe am Umfang des Rotors dargestellt Ist, der sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ω, bewegt. Am leichtesten wird ein vereinfachtes zweiphasiges Syttsm mit balanciertem Sinusbetrieb betrachtet. Eine erste Spannung V₁₁ sei an Wicklung A gelegt und eine zweite Spannung V„ an die Wicklung B gelegt. Diese zweite Spannung eilt der ersten In der Zeit oder In der Phase um 90° nach. Wie In Flg. 7 dargestellt, sind die Magnetislerströme diejenigen, die in Flg. 6 mit ;«„ und i_Ub bezeichnet sind.A plurality of conductors 36 is shown near the periphery of the rotor moving at an angular velocity ω . A simplified two-phase system with balanced sinusoidal operation is most easily considered. A first voltage V ₁₁ is applied to winding A and a second voltage V ″ is applied to winding B. This second voltage lags the first in time or in phase by 90 °. As in Flg. 7, the magnetizer currents are those that are shown in Flg. 6 with; "" and i _{Ub are} designated.

Zunächst sei die Spannung V„ betrachtet. Diese erzeugt einen Fluß *„. Die Leiter 36 drehen sich mit einerFirst of all, consider the voltage V " . This creates a river * ". The conductors 36 rotate with a Winkelgeschwindigkeit durch dieses erste Flußfeld, welche der Rotorgeschwindigkeit ω, entspricht. In derAngular speed through this first flux field, which corresponds to the rotor speed ω. In the Rotorwicklung fließen Wechselströme. Obwohl also die Rotorstangen sich mechanisch bewegen, dreht sich dasAlternating currents flow in the rotor winding. So even though the rotor bars move mechanically, it rotates

. EMK-Muster wie festverbunden mit dem Statorfeld. Auf diese Welse wird In diesen bewegten Leitern eine. EMF pattern as if firmly connected to the stator field. In this way one becomes in these moving ladders

EMK Induziert, deren Polaritäten durch den Inneren Kreis von Polarltätsvorzelchen in der Nähe des Rotors InEMF induced, whose polarities are defined by the inner circle of polarity awnings near the rotor In

FI g. 7 angegeben wird. Die so Induzierte EMK liegt in der Richtung, daß ein Strom auf einem Weg senkrecht zur Querachse zirkulieren möchte. Die Querachse Ist parallel zum Flußvektor Φ₄. Diese EMK Ist In Wirklichkeit die Rück-EMK, die im Ersatzschaltbild von Flg. 6 als V_b' dargestellt 1st. Diese EMK Ist der Spannung entgegengesetzt, die vom Fluß "Pj, der von der Statorspannung V_b herrührt, Induziert wird. In ähnlicher Weise besitzt die EMK, die In den Leitern 36 durch den Fluß <P_b Induziert wird, eine Polarität, wie sie durch den äußerenFI g. 7 is specified. The EMF induced in this way lies in the direction that a current would like to circulate on a path perpendicular to the transverse axis. The transverse axis is parallel to the flux vector Φ ₄ . This EMF is actually the back EMF, which is shown in the equivalent circuit diagram of Flg. 6 is shown as V _b ' . This emf is opposed to the voltage induced by the flux "Pj resulting from the stator voltage V _b . Similarly, the emf induced in conductors 36 by the flux <P _b has a polarity like this through the outer Kreis von Polaritätsvorzeichen In Flg. 7 angegeben wird. Diese EMK versucht einen Strom In einem Weg zirkulieren zu lassen, der senkrecht zur Hauptachse ist. Diese EMK Ist die Rück-EMK V₁,', die Im oberen Teil des Ersatzschaltbildes von FI g. 6 gezeigt Ist; sie wirkt der Spannung, die vom Fluß Φ_α induziert wird, entgegen. Die entsprechenden Rotorströme fließen dann, wie dies von der Differenz der Statorspannung (bezogen auf den Rotor) und der Rück-EMK, dividiert durch den Rotorwiderstand (oder, allgemeiner, die Rotor-ElngangsCircle of polarity signs In Flg. 7 is specified. This EMF tries to circulate a current in a path that is perpendicular to the major axis. This EMF is the back EMF V ₁ , ', which In the upper part of the equivalent circuit diagram of FI g. 6 is shown; it counteracts the voltage induced by the flux Φ _α. The corresponding rotor currents then flow, as shown by the difference between the stator voltage (related to the rotor) and the back EMF, divided by the rotor resistance (or, more generally, the rotor input impedanz) bestimmt ist.impedance) is determined.

Die wichtige Überlegung besteht nun darin, daß zwei Flußsysteme die rechtwinkelig aufeinanderstellen, beim Betrieb des Motors (oder Generators) eine Rolle spielen. Die beiden Flüsse verursachen die »Geschwlndlgkeits«- EMKs, welche die Rück-EMKs der Maschine (V/, K₆O sind. Die Größen der Flüsse sind proportional zu den erregenden Strömen \_Ma und i_Mb. Die Achsen sind aufgrund der Tatsache quergekoppelt, daß die Größe von i_Ua The important consideration is that two flux systems that are perpendicular to each other play a role in the operation of the engine (or generator). The two flows cause the "speed" EMFs, which are the back EMFs of the machine (V /, K ₆ O. The magnitudes of the flows are proportional to the exciting currents \ _Ma and i _Mb . The axes are cross-coupled due to the fact that the size of i _Ua V_b regelt, und daß die Größe von i»_b V₀' regelt. Auf diese Weise kann man iu_a als Feldstrom zur Steueret.^ eines Generators V_b' und den Strom i_Ub als Feldstrom zur Steuerung des Generators V_a' ansehen. V _b regulates, and that the size of i » _b V ₀ ' regulates. In this way one can see iu _a as a field current for controlling a generator V _b ' and the current i _Ub as a field current for controlling the generator V _a ' .

Die vorhergehende Analyse kann nun bei der Betrachtung angewandt werden, wie das Feld eines Induktionsgenerators durch periodisches Kurzschließen aufrechterhalten wird. Hierzu wird zuerst eine Maschine betrachtet, bei der bereits ein Fluß vorliegt. Die Gleichungen werden für die jeweils im Spiel kommenden Spannungen undThe previous analysis can now be applied in considering how the field of an induction generator is maintained by periodic shorting. For this purpose, a machine is first considered, where there is already a flow. The equations are for the voltages and voltages involved in each case Ströme entwickelt. Danach wird gezeigt, daß ein periodischer Kurzschluß der Anschlüsse zur Aufrechterhaltung des Feldes verwendet werden kann. Hierzu können die quergekoppelten Schaltkreise, die In Flg. 6 dargestellt sind, weiter vereinfacht werden. Indem der Rotorwiderstand vernachlässigt wird. Dadurch ergibt sich das Ersatzschaltbild von F i g. 8. Die charakteristischen Gleichungen, welche diese Schaltkreise beschreiben, lassen sich leicht in folgender Form verifizieren:Currents developed. It is then shown that periodic shorting of the terminals can be used to maintain the field. For this purpose, the cross-coupled circuits, the In Flg. 6, can be further simplified. By neglecting the rotor resistance. This results in the equivalent circuit diagram of FIG. 8. The characteristic equations describing these circuits can easily be verified in the following form:

^ + (ω,Ρ I₁₁. = 0 dt² ^ + (ω, Ρ I _11. = 0 dt ²

undand

« =^ + (O>r? iu_b = 0« = ^ + (O> r? Iu _b = 0

ii dt² German ²

Diese Gleichungen haben bekannterweise die LösungenThese equations are known to have the solutions

iiu„ = h sin O)A j mit Zm₂ = 0
i.M_b ** L cos ωΑ I bei / = 0 iiu "= h sin O) A j with Zm ₂ = 0
iM _b ** L cos ωΑ I at / = 0

Die Klemmenspannung wird gefunden als
Va = Im. ■ JvMa The terminal voltage is found as
Va = Im. ■ JvMa

Diese Lösungen zeigen, daß sinusartige Klemmenspannungen mit der Frequenz ω, erzeugt werden, wenn sich der Rotor mit einer Winkelgeschwindigkeit ω, dreht und ein Strom anfänglich Im Rotor Induziert Ist. Während die Widerstände von Rotor und Stator beibehalten und In den Gleichungen berücksichtigt werden, hätte sich als Lösung eine gedämpfte sinusartige Spannung ergeben.These solutions show that sinusoidal terminal voltages with the frequency ω are generated when the rotor rotates at an angular velocity ω and a current is initially induced in the rotor. While maintaining the resistances of the rotor and stator and taking them into account in the equations, the solution would have been a damped sinusoidal voltage.

Die Lösungen der Gleichungen, die oben gezeigt sind, können verifiziert werden, Indem die Maschine aus einem herkömmlichen Stromnetz oder durch remanente Magnetisierung der Maschine erregt wird. Die genaue Methode, wie die anfängliche Erregung beim Starten des Systems erzielt wird, Ist für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung· Nach der Anterregung wird die Erregung entfernt und die .Spannung an den Anschlüssen beobachtet. Gedämpfte Sinusspannungen, die In der Phase um 90" voneinander verschoben sind (bei einer zweiphaslgen Maschine) und eine Frequenz von ω, besitzen, wurden beobachtet. Wenn also die Maschine einmal erregt Ist, Ist ein Fluß Im Rotor »eingefangen«. Dieser Fluß nimmt mit der Zelt aufgrund von Verlusten ab. Um einen Generatorbetrieb zu erzielen, muß auf irgendeine Welse der Rotorfluß wieder ergänzt werden, zumindest periodisch.The solutions to the equations shown above can be verified by energizing the machine from a conventional power grid or by remanent magnetization of the machine. The exact method by which the initial excitation is achieved when the system is started is not relevant to the present invention. After the initial excitation, the excitation is removed and the voltage at the terminals is observed. Attenuated sinusoidal voltages which are phase shifted by 90 "from each other (in a two-phase machine) and have a frequency of ω, have been observed. So once the machine is excited, a flux is" trapped "in the rotor. This flux decreases with the tent due to losses.In order to achieve a generator operation, the rotor flux has to be replenished in some way, at least periodically.

Eine Art, wie periodisch der Fluß wieder ergänzt werden kann. Ist das periodische Kurzschließen der Maschlnenanschlüsse, wie dies anhand der Flg. 9 erläutert werden wird. Dort werden die Ströme i»_a und iu_b durch die Kurven 40, 41 dargestellt; die Spannungen V₀' und V_b sind durch die Kurven 42 und 43 dargestellt. Die ersten 90° jeder Kurve liegen Im Intervall /1; die folgenden Intervalle ti, /3 und r4 stellen den Rest eines Operationszyklus dar. Wenn, wie in Fig. 10 gezeigt, die Anschlüsse der A-Phasenwlcklung zu einer Zelt kurzgeschlossen werden. In welcher der Strom /^₀ gleich einem Spitzenwert Ist (der als ein bestimmter Wert I₀ bezeichnet 1st), w'i beispielsweise zu Beginn des Intervalls ti oder zu Beginn des Intervalls /4 in Flg. 9, dann wirf der Strom, der In der Induktivität ra„ fließt, festgehalten (idealerweise beim Wert /o), wie dies durch gestrichelte Linie 44 am Anfang des Intervalls ti In der Kurve 40 gezeigt Ist. Auch die Spannung V_b wird festgehalten, wie dies durch die gestrichelte Linie 45 dargestellt 1st, da diese Spannung proprotlonal zu /«„ Ist. Der Strom i_Mb wird eine lineare Rampe (gestrichelte Linie 45), wie dies am Anfang des Intervalls ti in Kurve 41 gezeigt 1st, anstelle der natürlichen gedämpften Sinuskurve zu folgen. Auch die Spannung V„' Ist eine Rampe, wie dies durch die gestrichelte Linie 46 dargestellt Ist, da diese Spannung proportional zum Strom iux 1st.A way in which the flow can be replenished periodically. Is the periodic short-circuiting of the machine connections, as shown in Flg. 9 will be explained. There the currents i » _a and iu _{b are represented} by the curves 40, 41; the voltages V ₀ ' and V _b are represented by curves 42 and 43. The first 90 ° of each curve are in the interval / 1; the following intervals ti, / 3 and r4 represent the remainder of one cycle of operation. When, as shown in Fig. 10, the terminals of the A-phase coil are short-circuited into a tent. In which the current / ^ _{0 is} equal to a peak value (which is referred to as a certain value I ₀ ), w'i for example at the beginning of the interval ti or at the beginning of the interval / 4 in Flg. 9, then the current flowing in the inductance ra "is held (ideally at the value / o), as is shown by the dashed line 44 at the beginning of the interval ti in the curve 40. The voltage V _b is also retained, as shown by the dashed line 45, since this voltage is proprotlonal to / "". The current i _Mb will follow a linear ramp (dashed line 45) as shown at the beginning of the interval ti in curve 41, instead of following the natural damped sinusoid. The voltage V "' is also a ramp, as shown by the dashed line 46, since this voltage is proportional to the current iux 1st.

Während der Intervalle ti und f4 fließt Energie In die Gegeninduktivität M_b der Querachse. Diese Energie beträgt zu einem bestimmten Zeitpunkt ein 1/2 Λ/ (iu_b)². Da die lineare Rampe zu einem größeren Strom führt, als er bei dem gedämpften Sinus auftreten würde, fließt dann eine größere Menge Energie in M_b, als dies beim ίο normalen Abfall der Fall wäre, bei dem die Feldenergien bei jedem Viertelzyklus ausgetauscht werden. Diese zusätzliche Energie rührt von der mechanisch der Maschine zugeführten Energie her.During the intervals ti and f4, energy flows into the mutual inductance M _{b of} the transverse axis. At a certain point in time, this energy is 1/2 Λ / (iu _b ) ² . Since the linear ramp leads to a greater current than would occur with the damped sine, a greater amount of energy then flows into M _b than would be the case with the ίο normal drop, in which the field energies are exchanged every quarter cycle. This additional energy comes from the mechanical energy supplied to the machine.

Wenn die mechanische Leistung P während dieses Zeltintervalls errechnet wird, stellt sie sich folgendermaßen dar:If the mechanical power P is calculated during this time interval, it is represented as follows:

Vl.. V» ti t\7 \l Vl .. V » ti t \ 7 \ l II.

P= -tP = -t

Das negative Vorzeichen impliziert, daß ein Bremsmoment die elektrische Erzeugung von Leistung begleitet Die Leistung, die vom Widerstand absorbiert wird, stellt sich heraus alsThe negative sign implies that a braking torque accompanies the electrical generation of power The power absorbed by the resistor turns out to be

und die Leistung P_Mb, die in M_b geht, wird gefunden alsand the power P _Mb going into M _b is found as

P_Mb = MiwrkYt P _Mb = MiwrkYt

Wenn die letzten beiden Gleichungen mit dem Ausdruck für die mechanische Leistung verglichen worden, stellt sich heraus, daß die mechanische Leistung vollständig erfaßt 1st; ein Teil wird in Wärme umgewandelt, und ein Teil wird Im Feld gespeichert. Durch periodisches Kurzschließen der Statoranschlüsse kann also Energie aus mechanischer Eingangsenergie In elektrische Feldenergie umgewandelt werden. Auf diese Welse kann die Maschine Ihr Feld aufrechterhalten, ohne daß von außen für die Speicherung der Energie gesorgt wird.When the last two equations have been compared to the expression for mechanical performance, it turns out that the mechanical performance is fully recorded; a part is converted into heat, and a part is stored in the field. By periodically short-circuiting the stator connections, energy can from mechanical input energy to be converted into electrical field energy. This catfish can Machine maintain your field without the outside being taken care of for the storage of the energy.

Wenn der Kurzschluß angelegt wird, werfen Strom und Spannung in gewissem Sinne »festgehalten«, bis der Kurzschluß aufgehoben wird. Geschient dies periodisch, führt dies zu einer Verlangsamung der Frequenz des elektrischen Schaltkreises verglichen mit der mechanischen Antriebsfrequenz; das Ergebnis ist das übliche Phänomen des negativen Schlupfs.When the short circuit is applied, throw current and voltage in a sense "held on" until the Short circuit is canceled. If this occurs periodically, it slows down the frequency of the electrical circuit compared to the mechanical drive frequency; the result is the usual Negative slip phenomenon.

Der vollständige Ersatzschaltkreis einer einphasigen Maschine wurde auf den Analogrechner gegeben; dieThe complete equivalent circuit of a single-phase machine was given to the analog computer; the

Ergebnisse (Umwandlung mechanischer Elngangslelstung zur Aufrech»erhaltung des elektrischen Feldes) wurden verifiziert. Flg. 11 zeigt den Schaltkreis, der auf dem Analogrechner verwendet wurde, und auf Flg. 5Results (conversion of mechanical input power to maintain the electrical field) have been verified. Flg. Fig. 11 shows the circuit used on the analog computer and Fig. 5

■j basiert. Der Schaltkreis 39 wurde zugefügt. Er enthält einen Schalter zum Kurzschließen der Anschlüsse der■ j based. Circuit 39 has been added. It contains a switch to short-circuit the connections of the

A-Phase und einen Spannungsbegrenzer mit Zenerdloden. Die Eingangsseite des fl-Wlcklungskrelses Ist wegge- A phase and a voltage limiter with zener diodes. The entry side of the fl-Wlcklungskrelses is gone

5 lassen, da diese Wicklung offengelassen wurde, wenn die A-Phasenwicklung kurzgeschlossen wurde. Der Effekt5 as this winding was left open when the A phase winding was short-circuited. The effect

der Streuinduktivität Ist der, daß der Kurzschluß nicht so effektiv sein kann, well die Streuinduktivität zuThe leakage inductance is that the short circuit may not be as effective as the leakage inductance increases

;i verhindern sucht, daß Energie abfließt. Wenn eine einphasige Maschine bei einer Streuziffer von mehr als unge-; i seeks to prevent energy from flowing away. If a single-phase machine has a scatter factor of more than un-

-ϊ fähr 4% betrüben wird, kann der Betrieb nicht mehr aufrechterhalten werden. Eine Maschine mit einer so nled--ϊ will affect about 4% , the operation can no longer be maintained. A machine with such a nled-

-¹ rlgen Streuinduktlvuät war jedoch gegenwärtig nicht verfügbar. Die Rechenergebnisse für eine einphasige- However, ¹ large leakage inductance was not currently available. The calculation results for a single-phase

ίο Maschine konnten deshalb nicht verifiziert werden. Die Demonstrationen an mehrphasigen Maschinen und dieίο The machine could therefore not be verified. The demonstrations on multi-phase machines and the

* Ergebnisse, die vom Analogrechner erhalten wurden, deuten jedoch an, daß eine einphasige Maschine mit* Results obtained from the analog computer, however, indicate that a single-phase machine with

:i: i Erfolg betrieben werden kann, wenn eine Maschine mit genügend kleiner Streuinduktivität verwendet wird. DerIt can be operated successfully if a machine with a sufficiently small leakage inductance is used. Of the

; Ausdruck »Induktionsmaschine«, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen verwendet wird, schließt also; The expression "induction machine" as used in the following claims thus includes

: sowohl einphasige als auch mehrphasige Maschinen ein.: both single-phase and multi-phase machines.

ΐ.ΐ. 15 Der erfolgreiche Betrieb dreiphasiger Maschinen wurde ohne weiteres erreicht, wie bereits erwähnt wurde. Der15 Successful operation of three-phase machines was easily achieved, as mentioned earlier. Of the

- Grund für diesen erwiesenen Erfolg bei dreiphasigen Maschinen mag darin liegen, daß es hler dreimal so viele- The reason for this proven success with three-phase machines may be that there are three times as many

%% »Kurzschlüsse« oder Ergänzungen des Feldes In jedem Zyklus gibt. Obwohl also die Streuinduktivität die EiTek-"Short circuits" or additions to the field in each cycle there. Although the leakage inductance is the EiTek

.'' tlvltät verringert, reicht der mehrfache Aufbau des Feldes aus. Zusätzlich konnte auch der Betrieb mit zwei. '' tlvltät reduced, the multiple structure of the field is sufficient. In addition, the operation with two

ii; Isolierten Wicklungen einer dreiphasigen Maschine erfolgreich demonstriert werden. Beispielsweise können dieii; Isolated windings of a three-phase machine are successfully demonstrated. For example, the

jj 20 Wicklungen A und B der Maschine 21, die In Fig. 12 gezeigt ist, als die beiden Isolierten Wicklungen verwen-jj 20 windings A and B of machine 21 shown in Fig. 12 as the two isolated windings.

\1\1 det werden.be det.

y Bei Betrachtung von Flg. 9 ist zu erkennen, daß der Kurzschluß der Anschlüsse der Phase A während dery When looking at Flg. 9 it can be seen that the short circuit of the terminals of phase A during the

Perloden ti und /4 dazu führt, daß Energie In das Querfeld B fließt. D. h., sowohl V_b' und iu_b haben während dieser Intervalle dasselbe Vorzeichen. Daher Ist die augenblickliche Leistung positiv oder In das Feld gerichtet. Kurzschluß der Anschlüsse der Phase A während der Intervalle ti und /3 führt zu einem stärkeren Abfall, da i?_{ >V und /a/_a entgegengesetzte Polaritäten besitzen, daher kommt zu dieser Zelt die Energie aus dem Feld heraus.Perloden ti and / 4 leads to the fact that energy flows into the transverse field B. That is, both V _b ' and iu _b have the same sign during these intervals. Hence the instantaneous performance is positive or directed into the field. Short-circuiting the connections of phase A during the intervals ti and / 3 leads to a greater drop, since i? _{ > V and / a / _{a have} opposite polarities, therefore the energy comes out of the field for this tent.

g Das Timing beim Kurzschließen der Anschlüsse Ist daher kritisch.g The timing when shorting the connections is therefore critical.

ij Es versteht sich, daß das System gestartet und auf Geschwindigkeit gebracht werden muß, bevor dieij It will be understood that the system must be started and brought up to speed before the

f Anschlüsse zur Aufrechterhaltung des Feldes kurzgeschlossen werden. Remanente Magnetisierung kannf Connections are short-circuited to maintain the field. Remanent magnetization can

% 30 verwendet werden; beispielsweise können kleine Magnete am Rotor zum Starten befestigt werden. Alternativ K dazu können die Anschlüsse der Maschine beim Starten mit einer Wechselstromquelle verbunden werden; die % 30 are used; for example, small magnets can be attached to the rotor for starting. Alternatively, K, the terminals of the machine can be connected to an AC power source at start-up; the

Jj Stromquelle wird dann vor dem Kurzschließen der Maschinenanschlüsse abgetrennt. Der Fachmann kann ohneJj power source is then disconnected before the machine connections are short-circuited. The skilled person can do without Zweifel andere Anordnungen zum Starten des Systems finden.If you have any doubts, find other arrangements for starting the system.

Das intermittierende Kurzschließen der Anschlüsse zur periodischen Ergänzung des Feldes, das soeben beschrieben wurde, kann auf verschiedene Arten verwirklicht werden. Ein Schalkreis arbeitet mit einem Spannungs-Nullpunktdetektor (Flg. 13). Wie dort gezeigt, nimmt eine Induktionsmaschine 50 mechanische Eingangsenergie über die Welle 51 auf und liefert eine Wechsclausgangsspannung auf den Leitern 52, 53. Diese Spannung wird wiederum über die Leiterpaare 54, 55 und 56, 57 zur Speisung einer geeigneten Last (nicht gezeigt) geleitet.The intermittent short-circuiting of the connections to periodically supplement the field that has just been can be implemented in a number of ways. A switching circuit works with a voltage zero point detector (Fig. 13). As shown there, an induction machine takes 50 mechanical ones Input energy via the shaft 51 and supplies an alternating output voltage on the conductors 52, 53. This Voltage is again applied via the conductor pairs 54, 55 and 56, 57 to supply a suitable load (not shown).

Gemäß der vorliegenden Erfindung Ist außerdem ein Schalter 60 vorgesehen und mit den Leitern 52, 53 gekoppelt, der das intermittierende Kurzschließen zu bestimmten Zelten besorgt. Ein NulldurchgangsdeteKtor Ist mit den Leitern 52, 53 jskoppelt und erfaßt die Nulldurchgänge bei jedem Zyklus der Ausgangsspannung auf den Leitern 52, 53. Jedesmal, wenn ein solcher Nulldurchgang entdeckt Ist, wird ein Steuersignal zur ersten Zeltverzögerungsschaltung 62 geleitet. Ein Betätigungssignal wird zum Zündkreis 63 geleitet und regelt die Zeit, zu welcher der Schalter 60 anfänglich geschlossen wird. Vorzugswelse wird ein Verzögerungsschaltkreis 62 vorgesehen, der einstellbar Ist und die Zeitverzögerung zwischen dem Nulldurchgang und dem Schließen des Schalters 60 variiert. Die optimale Zelt, den Kurzschluß einzuleiten, kann nämlich von Maschine zu Maschine variieren.In accordance with the present invention, a switch 60 is also provided and with conductors 52,53 coupled, which provides intermittent short-circuiting to certain tents. A zero crossing detector is couples to conductors 52, 53 and detects the zero crossings on each cycle of the output voltage conductors 52, 53. Whenever such a zero crossing is detected, a control signal becomes the first Tent delay circuit 62 passed. An actuation signal is sent to the ignition circuit 63 and controls the Time at which switch 60 is initially closed. A delay circuit 62 is preferred provided, which is adjustable and the time delay between the zero crossing and the closing of the Switch 60 varies. The optimal tent to initiate the short circuit can be from machine to machine vary.

Außerdem empfängt auch ein Wandler 64 die Ausgangsspannung von den Leitern 54, 55 und erzeugt einIn addition, a converter 64 also receives the output voltage from the conductors 54, 55 and generates a

einziges Ausgangssignal auf der Leitung 65, welches die Amplitude der Ausgangsspannung der Induktionsmaschine anzeigt. Das Signal 65 wird auf einen Eingangsanschluß eines Komparators 66 gegeben, der ein zweites Eingangssignal über eine Leitung 67 vom einstellbaren Arm eines Potentiometers oder einer anderen Bezugsslgnalquelle 68 empfängt. Die Signale auf den Leitungen 65 und 67 werden allgebralsch summiert und ergeben ein Ausgangssignal des Komparators 66, das dann Ober die Leitung 70 auf einen zweiten Zeitverzögerungskreissingle output signal on line 65 which indicates the amplitude of the output voltage of the induction machine. The signal 65 is applied to one input terminal of a comparator 66 which is a second Receives input signal on line 67 from the adjustable arm of a potentiometer or other reference signal source 68. The signals on lines 65 and 67 are allgebrally summed and produced an output signal of the comparator 66, which is then transmitted over the line 70 to a second time delay circuit

71 gegeben wird. Dieser Kreis liefert ein Ausgangssignal, dessen Dauer eine Funktion der Differenz zwischen dem Referenzsignal auf der Leitung 67 und dem tatsächlichen Spannungssignal auf der Leitung 65 Ist. Das sich ergebende Signal des zweiten Zeitverzögerungskreises 71 bestimmt die Zeitdauer, während der der Schalter 60 geschlossen bleibt, nachdem er als Funktion des Signals vom ersten Zeitverzögerungskreis 62 geschlossen wurde. Die Funktion des Zündkreises 63 wird also so beeinflußt, daß der Schalter 60 zur richtigen Zeit und71 is given. This circle provides an output signal whose duration is a function of the difference between the reference signal on line 67 and the actual voltage signal on line 65 is. That I Resulting signal of the second time delay circuit 71 determines the period of time during which the switch 60 remains closed after being closed as a function of the signal from the first time delay circuit 62 became. The function of the ignition circuit 63 is so influenced that the switch 60 at the right time and während der richtigen Zeltdauer betrieben wird. Dadurch werden Variationen der Motorgeschwindigkeit, der elektrischen Last oder anderer Variablen kompensiert. Um so größer die Last ist, um so langer müssen die Kurzschluß-Zeiten sein und um so langsamer muß die elektrische Frequenz sein. Zusätzlich wird der negative Schlupf des Systems größer, wenn die elektrische Frequenz reduziert wird. Der Fachmann kann die Kurzschlußanordnung aus den bekannten Komponenten und Untersystemen, die In Flg. 13 gezeigt sind, ohne weiteresis operated for the correct duration of the tent. This will reduce engine speed variations, the electrical load or other variable compensated. The greater the burden, the longer they have to be Short-circuit times and the slower the electrical frequency must be. In addition, the negative System slippage is greater when the electrical frequency is reduced. The person skilled in the art can make the short-circuit arrangement from the known components and subsystems that are shown in FIG. 13 are shown readily fertigstellen.complete.

Ein weiteres System, mit dem die vorlieger*ie Erfindung verwirklicht werden kann, 1st in Fig. 14 gezeigt. Dieses System stellt allgemein die Frequenz der Kurzschlüsse als Funktion der Lastspannung ein (bei, beispielsweise, einer festen Kurzschlußzeit, die von der »Ein«-Zeltstufe 79 geliefert wird). Wenn die Last erhöht wird.Another system with which the present invention can be practiced is shown in FIG. This system generally sets the frequency of the shorts as a function of the load voltage (with, for example, a fixed short circuit time provided by the "on" stage 79). When the load is increased.

v-Mrd die Frequenz der Ausgangsspannunf; verringert, und damit wird der negative Schlupf größer gemacht. Dies geschieht durch die Veränderung der Spannung vom Wandler 64, die über Leitung 65 an den Komparator 66 bei Erhöhung der Last gelegt wird. Bei gleicher Eingangsreferenzspannung auf der Leitung 67 wird die Spannung am Ausgangsanschluß 70 des !Comparators an den Oszillator 75 gelegt, der spannungsgesteuert sein kann. Dieser Oszillator wiederum erzeugt Impulse und regelt die Betriebsfrequenzen des logischen Schaltkreises 76, s wodurch die Betätigung des Kurzschlußschalters 60 gesteuert wird.v-Mrd is the frequency of the output voltage; is decreased, and thus the negative slip is made larger. This is done by changing the voltage from converter 64, which is applied to comparator 66 via line 65 when the load increases. If the input reference voltage on the line 67 is the same, the voltage at the output terminal 70 of the comparator is applied to the oscillator 75 , which can be voltage-controlled. This oscillator in turn generates pulses and regulates the operating frequencies of the logic circuit 76, s whereby the actuation of the short-circuit switch 60 is controlled.

Die Beschreibung der Flg. 13 und 14 deutet die allgemeine Verwirklichung der vorliegenden Erfindung bei einer einphasigen Induktionsmaschine an. Um ein dreiphasiges System zu betreiben, kann eine Drelschaiteranordnung, wie sie In Flg. ISA gezeigt Ist, vorgesehen werden. Die statischen Schalter 30 bis 32 können jeweils von der Art sein, bei welcher ein Thyristor In eine Dloden-Glelchrlchterbrücke geschaltet ist und eine echte Zweiwegschaltung bewirkt.The description of the Flg. 13 and 14 indicate the general implementation of the present invention in a single phase induction machine. In order to operate a three-phase system, a throttle arrangement as shown in FIG. ISA is shown to be provided. The static switches 30 to 32 can each be of the type in which a thyristor is connected in a diode-rectifier bridge and effects a real two-way circuit.

Ein geeigneter Leistungsschalter ist im US-Patent 39 31 563 beschrieben. Ein weiterer geeigneter Leistungsschalter Ist Im US-Patent 39 64 086 erläutert. Beide Anordnungen können beim in Fig. 15A gezeigten System verwendet werden. Zur Vereinfachung wn Bau und Betrieb eines mehrphasigen Kreises gemäß der vorliegenden Erfindung wird hiernach in Flg. 16 eine detailliertere! Darstellung gegeben.A suitable circuit breaker is described in US Pat. No. 3,931,563. Another suitable circuit breaker Is illustrated in U.S. Patent 3,964,086. Either arrangement can be used in the system shown in FIG. 15A be used. To simplify the construction and operation of a multi-phase circuit according to the present Invention is hereafter in Flg. 16 a more detailed one! Representation given.

Die Flg. ISB und 15C stellen die Schalterschließzelten für die Schalter 30, 31 und 32 über l'/j Operatlcrszyklen dar. Sie zeigen außerdem die sich ergebenden Spannungen, die zwischen den Anschlüssen a, b und c In Flg. 15A erzeugt werden. Aus der Betrachtung dieser beiden Figuren folgt, daß das Schließer, der Schalter in einer Phasenfolge geschieht, die entgegengesetzt derjenigen der Spannungen zwischen den Anschlüssen Ist. Sie treten außerdem mit einer Frequenz auf, die doppelt so groß ist wie diejenige der Spannungen. Jeder Schalter wird Ober 60 elektrische Grad geschlossen; nur ein Schalter wird jeweils zu einer bestimmten Zelt geschlossen. Dies stent In Gegensatz zu den dreiphasigen, sechs Schalter enthaltenden Inverter 20, der In Flg. 1 gezeigt ist. Wie Flg. 2 zeigt, sind üblicherweise drei der sechs Schalter jeweils gleichzeitig geschlossen.The Flg. ISB and 15C represent the switch lock-up tents for switches 30, 31 and 32 over l '/ j operating cycles. They also show the resulting voltages that are applied between terminals a, b and c in Flg. 15A can be generated. From the consideration of these two figures it follows that the normally open contact, the switch occurs in a phase sequence which is opposite to that of the voltages between the terminals. They also occur at a frequency that is twice that of the voltages. Each switch closes above 60 electrical degrees; only one switch is closed at a time for a particular tent. In contrast to the three-phase, six switch-containing inverter 20, the In Flg. 1 is shown. Like Flg. 2 shows, three of the six switches are usually closed at the same time.

Flg. 16 zeigt ein dreiphasiges System gemäß der vorliegenden Erfindung. Es enthalt einen dreiphasigen Motor 78, der an einen Erregerkreis angekoppelt ist. Dieser besitzt drei Leistungsschalter 30, 31 und 32. Der Schalter 32 enthalt einen Thyristor 83 oder einen anderen geeigneten Schalter, sowie vier Dioden 84, 85, 86 und 87, die In der üblichen Gleichrichterbrückenanordnung geschaltet sind. In entsprechender Welse enthält der zweite Leistungsschalter 30 einen Thyristor 88 und Dioden 90, 91, 92 und 93. Der dritte Leistungsschalter 31 enthalt den Thyristor 94 und die Dioden 95 bis 98. Zusätzlich finden sich Bauteile, die bei der Kommutatlon der Thyristoren In den entsprechenden Leistungsschaltern Verwendung findet. Eine Induktivität 100 1st In Reihe mit dem Thyristor 83 Im obersten Leistungsschalter 32 gelegt; zusatzliche Induktivitäten 101 und 102 sind In ahnlicher Weise In den anderen Leistungsschaltern eingeschlossen. Drei Kondensatoren 103, 104 und 105 sind, wie dargestellt, mit den Anschlüssen der drei verschiedenen Leistungsschaltern verbunden. Es gibt drei zusätzliche Bauteilepaare, die In der Kommutatlon zusammenwirken. Eine Induktivität 106 und ein Kondensator 107 sind In Reihe zwischen die Mittelpunkte der Leistungsschalter 32 und 30 geschaltet. In ahnlicher Weise sind die Induktivität 108 und der Kondensator 110 In Reihe zwischen die Mittelpunkte der beiden Schalter 30 und 31 geschaltet. Der Kreis, welcher die Induktivität 111 und den Kondensator 112 enthält, Ist In Reihe zwischen die Mittelpunkte der Leisiurigsschäiicr 31 und 32 gelegt. Der Leistungsschalter schaltet Ströme in beiden Richtungen, wenn der Thyristor Im entsprechenden Schalter angesteuert ist. Die Steuersignale werden durch herkömmliche Schaltkreise erzeugt, die allgemein als logischer Kreis 116 dargestellt sind. Dieser wird von einem einstellbaren oder spannungsgesteuc > Oszillator 117 geregelt. Die anderen Komponenten 64, 66 und 68 entsprechen denjenigen, die bereits aru, -. der Fig. 13 und 14 beschrieben wurden.Flg. 16 shows a three phase system in accordance with the present invention. It contains a three-phase motor 78 which is coupled to an excitation circuit. This has three power switches 30, 31 and 32. The switch 32 contains a thyristor 83 or another suitable switch, as well as four diodes 84, 85, 86 and 87, which are connected in the usual rectifier bridge arrangement. Correspondingly, the second power switch 30 contains a thyristor 88 and diodes 90, 91, 92 and 93. The third power switch 31 contains the thyristor 94 and the diodes 95 to 98. In addition, there are components that are used in the commutation of the thyristors in the corresponding Circuit breakers is used. An inductance 100 is placed in series with the thyristor 83 in the uppermost circuit breaker 32 ; additional inductors 101 and 102 are similarly included in the other circuit breakers. As shown, three capacitors 103, 104 and 105 are connected to the terminals of the three different circuit breakers. There are three additional pairs of components that work together in the commutation. An inductance 106 and a capacitor 107 are connected in series between the centers of the power switches 32 and 30 . In a similar manner, the inductance 108 and the capacitor 110 are connected in series between the center points of the two switches 30 and 31 . The circle, which contains the inductance 111 and the capacitor 112 , is laid in series between the center points of the Leisiurigsschäiicr 31 and 32. The circuit breaker switches currents in both directions if the thyristor in the corresponding switch is activated. The control signals are generated by conventional circuitry, shown generally as logic circuit 116 . This is regulated by an adjustable or voltage-controlled oscillator 117 . The other components 64, 66 and 68 correspond to those already aru, -. 13 and 14 have been described.

Wenn der Thyristor 83 im Schalter 32 angesteuert Ist, fließt Strom vom oberen Eingangsanschluß über die Diode 86, den Thyristor 83, die Induktivität 100 und die Diode 87 zum anderen Eingangsanschluß. '.Venn umgekehrt die angelegte Polarität der für die soeben Stromrichtung entgegengesetzt Ist. kann Strom vom unteren Eingangsanschiuß des Schalters 32 über die Diode 85, den Thyrlsicr 83, den Induktor 100 und die Diode 84 zurück zum oberen Eingangsanschluß fließen. Offensichtlich arbeiten die beiden anderen Leistungsschalter 30 und 31 auf ähnliche Weise.When the thyristor 83 in the switch 32 is activated, current flows from the upper input connection via the diode 86, the thyristor 83, the inductance 100 and the diode 87 to the other input connection. If, conversely, the polarity applied is opposite to that for the direction of the current just now. For example, current can flow from the lower input terminal of switch 32 via diode 85, thyrlsicr 83, inductor 100 and diode 84 back to the upper input terminal. Obviously the other two circuit breakers 30 and 31 operate in a similar manner.

Ein Kommutatlonskrels, wie er in Flg. IS gezeigt ist, arbeitet sehr gut, wenn er von der Spannungsquelle durch eine Induktivität Isoliert ist, deren Wert groß verglichen mit dem Wert der Kommutatorkreisinduktivität Ist. Die Streuinduktivität des Induktionsgenerators 1st demzufolge bei der Erhöhung des Wirkungsgrades des in Fig. 16 dargestellten Erregerkreises von Vorteil. Die Induktivitäten 106, 108 und 111 können bei der Betrachtung der Kommutatlonsfunktlon Im wesentlichen ignoriert werden. Die physikalische Größe Ist jeweils relativ klein, verglichen mit den Induktivitäten 100 bis 102. Die Induktivitäten 106, 108 und 111 begrenzen in der Hauptsache die Geschwindigkeit des Stromanstiegs für die entsprechenden Thyristoren 83, 88 und 94, wenn sie angesteuert werden. Die Funktionsweise des Schaltkreises von Fig. 16 laß sich am besten zusammen mit den Darstellungen der Teilkreise in den Flg. I7A bis 17B verstehen. Zunächst sei angenommen, daß der Erreger zu einer Zeit zu arbeiten beginnt, welche dem 60°-Punkt im ersten Zyklus von Fig. 15B entspricht. Die Spannung an den Anschlüssen, die zwischen den Leiters 113, 114 Hegt, ist auf dem Leiter 113 bezüglich zum Leiter 114 positiv. Das Schließen des Schalters in FIg. 15B bedeutet, daß vom logischen Kreis 116 in Fig. 16 ein Signal empfangen wird, welches den Thyristor 83 im Leistungsschalter 32 am 60°-Punkt dieses Operatlonszyklusses ansteuert. Dann fließt Strom vom Leiter 113, wie In Fig. 17A gezeigt, durch die Diode 85 und den durchgesteuerten Thyristor 83 und teilt sich dann auf die Kommutatlonskrelse 106, 107 und 111, 112 auf. Vom Kondensator 107 fließt der Strom durch den Induktor 101 und die Diode 93 zum Leiter 114. Der andere Weg wird durch den Induktor 102 und die Diode 95 zurück zum Leiter 114 geschlossen. Die Kondensatoren 107 und Ü2 werden daher mit den In Fig. 16A angedeuteten Polaritäten aufgeladen.A commutation claw as shown in Flg. IS shown works very well if it is isolated from the voltage source by an inductance whose value is large compared to the value of the commutator circuit inductance. The leakage inductance of the induction generator is therefore advantageous in increasing the efficiency of the excitation circuit shown in FIG. The inductances 106, 108 and 111 can essentially be ignored when considering the commutation function. The physical quantity is each relatively small compared to inductors 100 to 102. Inductors 106, 108 and 111 mainly limit the rate of current increase for the corresponding thyristors 83, 88 and 94 when they are driven. The operation of the circuit of FIG. 16 can best be understood together with the representations of the partial circles in FIGS. Understand I7A through 17B. Assume first that the exciter starts operating at a time corresponding to the 60 ° point in the first cycle of FIG. 15B. The voltage at the connections between the conductors 113, 114 is positive on the conductor 113 with respect to the conductor 114 . Closing the switch in Fig. 15B means that the logic circuit 116 in FIG. 16 receives a signal which controls the thyristor 83 in the power switch 32 at the 60 ° point of this operating cycle. Current then flows from the conductor 113, as shown in FIG. 17A, through the diode 85 and the thyristor 83 , which is turned on, and then divides into the commutation circuits 106, 107 and 111, 112 . From the capacitor 107 the current flows through the inductor 101 and the diode 93 to the conductor 114. The other path is closed by the inductor 102 and the diode 95 back to the conductor 114 . The capacitors 107 and U2 are therefore charged with the polarities indicated in FIG. 16A.

Zur Zelt, die von der 120°-Markierung in Fig. 15B angegeben wird, schließt der Schalter 31. Dies bedeutet, daß ein Signal vom logischen Kreis 116 den Thyristor 94 In Fig. 16 durchsteuert und dabei einen StromweeAt the time indicated by the 120 ° marking in FIG. 15B, the switch 31 closes. This means that a signal from the logic circuit 116 controls the thyristor 94 in FIG. 16 and thereby a current path

schließt, wie er in Flg. 17B gezeigt ist. Sobald der Kommutationsstrom auf die Größe des Laststrome; anwächst, wird der Thyristor 83 ausgeschaltet, und der Leitungsweg bleibt so, wie er In Fig. 17B dargestellt ist Die umgekehrte Vorspannung für den Thyristor 83 wird Ober die Induktivität 100 im dargestellten Strompfac entwickelt. Der Kondensator 112 wird entladen; die Polarität der Ladung wird umgekehrt, während der Strom wie dargestellt, fließt. Die Ladung auf dem Kondensator 107 geht auf Null; der Kondensator 110 wird mit dei in der Zeichnung dargestellten Polarität geladen. Wenn man Fig. 16 betrachtet, könnte man meinen, daß dei Strom durch den Kondensator 105 fließen könnte, anstatt durch das gemeinsame Bindeglied 118, wie Ir Fig. 17B gezeigt, zu fließen. Dieser Strom würde jedoch den Kondensator 1Ö5 aufladen und diejenigen Dioden in ROckwärtsrichtung vorspannen, durch welche der Strom fließen muß, wenn der durch den Kondensator 105 verlaufende Stromkreis geschlossen werden soll. Die Ladung an jedem der Kondensatoren 107, 110 und 112 wurde zu der Zeit umgekehrt, als der Strom Im Induktor 100 auf die Größe abnahm, der unmittelbar vor dem Schließen des Schalters 31 floß. Von dieser Zeit an fuhrt der Stromfluß zu einer Überladung auf den Kondensatoren.
Zusätzlich zum Hauptkommutationsstromweg, der in Fig. 17B dargestellt Ist, gibt es keinen abgeschlossenen Stromkreis, auf welchem die Kondensatoren 104 und 105 geladen werden könnte, wie aus Fig. 17C hervorgeht. Die LelU'ogsspannungen haben die rechts In der Figur dargestellten Polaritäten. Es gibt keine Potentialdifferenz zwischen den Leitern 114 und 115 zu dieser Zelt. Die Kondensatoren 104 und 105 laden sich auf die Leitungsspannung mit der dargestellten Polarität auf, laden sich jedoch nicht weiter auf, da die Spannung an der Induktivität 102 festgehalten wirf.closes, as he did in Flg. 17B is shown. Once the commutation current to the size of the load currents; increases, the thyristor 83 is turned off and the conduction path remains as shown in FIG. 17B. The reverse bias for the thyristor 83 is developed across the inductance 100 in the current path shown. The capacitor 112 is discharged; the polarity of the charge is reversed while the current flows as shown. The charge on capacitor 107 goes to zero; the capacitor 110 is charged with the polarity shown in the drawing. Looking at Figure 16, one might think that the current could flow through capacitor 105 rather than through common link 118 as shown in Figure 17B. However, this current would charge the capacitor 105 and reverse bias those diodes through which the current must flow if the circuit through the capacitor 105 is to be completed. The charge on each of capacitors 107, 110 and 112 was reversed at the time the current in inductor 100 decreased to the level that flowed immediately before switch 31 was closed. From this point on, the flow of current leads to an overcharge on the capacitors.
In addition to the main commutation current path illustrated in Figure 17B, there is no closed circuit on which capacitors 104 and 105 could be charged, as shown in Figure 17C. The line voltages have the polarities shown on the right in the figure. There is no potential difference between conductors 114 and 115 to this tent. The capacitors 104 and 105 charge to the line voltage with the polarity shown, but do not charge any further because the voltage is held at the inductance 102 .

Der nächste Kommutationsvorgang findet zu der Zeit statt, die vorn IKT-Funkt im ersten Zyklus In Fig. 15B dargestellt wird. Die Zeichnung zeigt, daß zu dieser Zeit der Schalter 30 geschlossen wirf. Das bedeutet, daß der Thyristor 88 von einem Impuls vom logischen Kreis 116 angesteuert wirf. Dabei wirf der Stromweg, der in FIg. 17D gezeigt wirf, geschlossen. Der Strom, der durch diesen Thyristor fließt, teilt sich auf. Ein Teil geht durch die Serienschaltung 108, 110 und der andere Teil durch die Serienschaltung, welche den Kondensator 107, die Induktivitäten 106, 111 und den Kondensator 112 enthält. An diesem Punkt werfen die Ströme vereinigt und fließen durch die Induktivität 102 und die Diode 95. Anfänglich fließt dieser Strom durch die Diode 97, wo ein Teil durch den Kondensator 104 zurückfließt und dabei diesen Kondensator entlädt. Der Rest fließt 'lurch die Kondensatoren 105 und 103 und erzeugt gleiche, entgegengesetzte Ladungen auf diesen Kondensatoren am Ende des Kommut&tionsvorgangs. Wenn der Kondensator 104 entladen Ist, wirf die Spannung festgehalten. Der Rest des Kommutationsstroms fließt durch die Diode 91 zurück zur Anode des Thyristors 88.The next commutation occurs at the time shown by the ICT function in the first cycle in Figure 15B. The drawing shows that at this time switch 30 is closed. This means that thyristor 88 is triggered by a pulse from logic circuit 116 . The current path, which is shown in Fig. 17D shown throws closed. The current flowing through this thyristor splits up. One part goes through the series circuit 108, 110 and the other part goes through the series circuit which contains the capacitor 107, the inductances 106, 111 and the capacitor 112 . At this point the currents join and flow through inductor 102 and diode 95. Initially, this current flows through diode 97, where some of it flows back through capacitor 104, thereby discharging that capacitor. The remainder flows through capacitors 105 and 103 and generates equal, opposite charges on these capacitors at the end of the commutation process. When capacitor 104 is discharged, hold the voltage. The rest of the commutation current flows through diode 91 back to the anode of thyristor 88.

In den nachfolgenden Ansprüchen bedeutet der Ausdruck »verbunden« eine Gleichstromverbindung zwischen den beiden Komponenten, wobei zwischen diesen beiden Komponenten ein Gleichstromwiderstand im wesentlichen von Null vorliegt. Der Ausdruck »gekoppelt« bedeutet, daß eine funktionale Beziehung zwischen den beiden Bauteilen besteht, wobei möglicherweise andere Elemente zwischen den beiden Komponenten angeordnet sind, die als »gekoppelt« bezeichnet sind.In the following claims the term "connected" means a direct current connection between the two components, with a DC resistance between these two components essentially is zero. The term "coupled" means that there is a functional relationship between the two components, with possibly other elements arranged between the two components that are labeled "coupled".

Hierzu 6 Blatt ZeichnungenIn addition 6 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for generating single or multi-phase alternating voltage with one in generator mode working induction machine, to the windings of which switches are connected to maintain it of the magnetic field in the induction machine are periodically closed and opened and thereby the Briefly short-circuit the windings, characterized in that the connections of the windings, at each of which the phase voltage occurs, at a predetermined point in time of the voltage curve, namely in the interval between the voltage zero crossing and the subsequent voltage maximum for a predetermined, dependent on the size of the load, increasing with increasing load ^ eIt- are permanently short-circuited.

2. Device according to claim 1, characterized in that the switches (30, 31, 32; 60) are actuated by a control circuit (61-79) which has a zero crossing detector (61) connected to the output connections of the induction machine and an ignition circuit (63 ) for the switches.

3. Device according to claim 2, characterized in that between the ignition circuit (63) and the Zero crossing detector (61) a time delay circuit (52) is connected, the beginning of the short-circuit interval delayed by a certain time span compared to the voltage zero crossing.

4. Device according to claim 2 or 3, characterized in that the ignition circuit (63) is another Time delay circuit (71) is connected, which defines the duration of the short-circuit interval.

5. Device according to claim 4, characterized in that the further tent delay circuit (71) is controlled by a Schdtkrels (64-70) which has a comparator (66) which determines the difference between a reference signal and one derived from the phase spasnuiig Forms input signal and determines the duration of the short-circuit interval as a function of the difference signal.

6. Device according to claim 1, characterized in that the switches (30, 31, 32; 60) are actuated by a control circuit which has a logic circuit (76) and an oscillator (75) whose pulse frequency depends on the Ic one Comparator (66) formed difference between a reference signal and a signal derived from the phase voltage is.

7. Device according to claim 6, characterized in that a tent receiver (79) is connected to the switch (30, 31, 32; 60) to determine the duration of the short-circuit interval.

8. Device according to one of claims 1-7, characterized in that the switches (30, 31, 32; 60) JO each have a diode rectifier bridge (84-87) with a thyristor (83) in one bridge diagonal.

9. Device according to claim 8, characterized gekennzelchndet that for each switch (31, 32, 33; 60) a Kommutlerangskrels (10, 106, 14/7; 108, 110; 111, 112) is provided, which consists of the series connection of a capacitor and a choke, the series circuit being connected in each case between two switches at the connection point between the devi thyristor and a choke (100) connected in series with the thyristor.

10. Device according to claim 8 or 9, characterized in that the connections of the thyristors on the diode rectifier bridge are each connected by a capacitor (103, 104, 105).