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Elektrische Maschine mit einem Läufer, einem mit Mehr-
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phasenwicklung versehenen Ständer und einer auf eine andere Phasenzahl
schaltenden Umschalteinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische
Maschine mit einem Läufer, einem mit Mehrphasenwicklung versehenen Ständer und einer
auf eine andere Phasenzahl bei gleichbleibender oder veränderlicher Frequenz und/oder
Amplitude schaltenden Umschalteinrichtung.
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Für die vielfaltigsten Zwecke werden drehzahlveränderliche Antriebe
Mit Drehstrommotoren benötigt. Um die Drehzahländerung verlustarm durchführen zu
können, ist es erforderlich, daß die Motoren mit Drehstrom veränderlicher Frequenz
und veränderlicher Spannungsamplitude gespeist werden.
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Letzteres kann mit Hilfe von rotierenden Umformern oder statischen
Umrichtern realisiert werden.
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Einen besonderen Anwendungsfall für derartige Antriebe stellen dieselelektrische
Lokomotiven mit Drehstrom-Fahrmotoren dar, bei denen es erforderlich ist, daß über
einen weiten Geschwindigkeitsbereich mit konstanter Zugkraft bzw. mit konstanter
Leistung gefahren werden kann. Dazu müssen die Drehstrom-Fahrmotoren mit variabler
Frequenz und variabler Spannung versorgt werden. Zwischen der Drehzahl der Fahrmotoren
und der Drehzahl des Dieselmotors soll dabei keine direkte Beziehung bestehen, so
daß die Dieseldrehzahl den Anforderungen nach einem optimalen Gesamtwirkungsgrad
oder entsprechend anderer übergeordneter Gesichtspunkte (Geräusch, Abgase) eingestellt
werden kann.
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Bei dieselelektrischen Lokomotiven mit Drehstrom-Fahrmotoren ist es
bekannt (siehe beispielsweise Glasers Annalen 95, 1971 Nr. 7/8 Seite 213 bis 222,
W. Teich "Elektrische Übertragung für Diesel- und Gasturbinenfahrzeuge mit Umrichter
und Asynchronmotoren"), r zur Erfüllung dieser Erfordernisse, die durch den vom
Dieselmotor angetriebenen Hauptgenerator erzeugte konstante Dreiphasenspannung zunächst
gleichzurichten (Gleichstromzwischenkreis) und dann, mit Hilfe eines statischen
Wechselrichters mit Zwangskommutierung, in eine frequenz- und amplitudenmäßig veränderliche
Dreiphasenspannung umzuwandeln, welche dann zur Speisung der Fahrmotoren zur Verfügung
steht.
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Diese Technik ist aufwendig, die dafür erforderlichen Komponenten:
- Gleichrichter mit Glei chstromzwis chenkreis (Stützkondensator, Glättungsdrossel)
- Wechselrichter mit Rommutlerungseinrlchtungen sind schwer und benötigen viel Einbauraum.
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Bei einer weiter bekannten elektrischen Maschine (DT-AS 1 960 162)
wird das Erzeugen einer variablen Drehzahl bei fester Frequenz dadurch erreicht,
daß ein rotierender, fremd angetriebener und an Schleifringe angeschlossener Bürstensatz
auf einem feststehenden und mit einer Ständerwicklung verbundenen Kommutator schleift.
Der Bürstensatz läuft dabei zum Läufer mit einer festen Drehzahldifferenz um, wodurch
im Ständer ein Drehfeld mit steuerbarer Umlauffrequenz erzeugt wird, welches mit
der gewünschten Geschwindigkeit und Richtung umläuft. Aufgrund der stetigen Relativbewegung
zwischen dem rotierenden Bürstenläufer und dem fest angeordneten Kommutator ist
diese Konstruktion verschleissbehaftet, Außerdem wirken auf den rotierenden Bürstensatz
erhebliche, durch Zentrifugalkraft bedingte Störkräfte, welche die Kommutierung
beeinträchtigen.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, demgegenüber eine prinzipiell und'konstruktiv
neuartige weitgehend verschleissfreie elektriache Maschine zu schaffen, welche bei
einfachem Aufbau vielseitig verwendbar und leicht unterschiedlichen Verhältnissen,
wie etwa unterschiedlichen Phasenzahlen, anpassbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer elektrischen Maschine
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Umschalteinrichtung mit der wahlweise
als Generator mit veränderbarer Frequenz und veränderbarer Spannungsamplitude bei
im wesentlichen unveränderlicher Drehzahl oder als Motor mit veränderlicher Drehzahl
bei fester Frequenz und Amplitude des Speisenetzes betreibbaren Maschine baulich
vereint und als maschinenfestes Bauteil unmittelbar an die Ständerwicklung angeschlossen
ist.
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Die dadurch geschaffene sowohl als Generator als auch als Motor verwendbare
elektrische Maschine enthält bereits die Umschalteinrichtung in Baueinheit mit dem
Ständer und kann so bei der Lösung verschiedener Antriebsprobleme der Drehstrom-Antriebstechnik
direkt eingesetzt werden.
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Ein Anwendungsgebiet sind insbesondere dieselelektrische Lokomotiven
mit Drehstrom-Fahrmotoren, wobei die als Hauptgenerator dienende elektrische Maschine
gemäß Erfindung unmittelbar drei uml120° versetzte Wechselspannungen von einstellbarer
Frequenz und Spannung erzeugt. Dieses erlaubt einen Fahrbetrieb mit guter Leistungsübertragung
vom Dieselmotor auf die Antriebsräder, unabhängig von dem Verhältnis Lokgeschwindigkeit/Dieseldrehzahl.
Im Bremsbetrieb kann diese, als Hauptgenerator eingesetzte elektrische Maschine
in den Motorbetrieb übergehen und so die von den Fahrmotoren abgegebene elektrische
Leistung dem Dieselmotor übertragen, welche dann, bei gedrosselter Kraftstoffzufuhr,
als ZMotorbremse arbeitet.
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Neben der Verwendungsmöglichkeit als Hauptgenerator auf DE-Lokomotiven
mit Drehstromfahrmotoren kann die Maschine gemäß Erfindung auch auf anderen Gebieten
der Antriebstechnik vorteilhaft eingesetzt werden. Insbesondere dort, wo veränderliche
Drehzahlen und/oder Zwei- bzw. Vierquadrantenbetrieb bei großen Leistungen gefordert
werden (z.B. Walzwerkantriebe, Fördertechnik u.a.).
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Die mit der Maschine baulich vereinte Urrschalteinrichtung gewährleistet
die Verbindung der Hauptanschlüsse der Maschine mit den Wicklungsenden der Ständerwicklung
in einer bestimnten zeitlichen Reihenfolge. Die von der Anzahl der Ständerwicklungen,
deren räumlichen Anordnungen, der Maschinendrehzahl sowie dem Fluß in der Maschine
bestinmrte Phasenzahl, Frequenz und Spannungsamplitude können mit Hilfe der Umschalteinrichtung
verlustarm verändert werden.
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In vorteilhafter Weise ist die Frequenz sowie die Amplitude der Generatorausgangsspannung
bei fester Drehzahl und konstanter Erregung von Null bis wenigstens zur Phasenspannungsfrequenz
bzw. Phasenspannung veränderbar. Dadurch eignet sich die Maschine insbesondere als
Hauptgenerator für dieselelektri sche Lokomotiven mit Drhstrcx:r-F ahriotoren.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung umfaßt die Umschalteinrichtung
eine Vielzahl von mittels einer Steuereinrichtung zu bestimmten Zeitpunkten und
in bestimmter Reihenfolge zündbaren und durch natürliche Kommutierung löschbaren
Thyristoren.
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In einer weiteren zweckm§ßigen Ausgestaltung kann die Umschalteinrichtung
jedoch auch ein elektromechanisches Schaltwerk mit einer Vielzahl gälvanischer und
mittels Nocken betätigbarer Schaltkontakte umfassen. Im Falle eines elektromechanischen
Schaltwerks kann im Generatorbetrieb die Frequenz der Ausgangsspannung die Frequenz
der drehzahlbedingten Phasenspannung übersteigen. Im Motorbetrieb ist die Uberschreitung
der von der Speisefrequenz vorgegebenen Höchstdrehzahl möglich.
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In vorteilhafter Weise sind die Nocken auf einer Nockenwelle angeordnet,
welche durch einen von einer Steuereinrichtung geregelten Hilfsmotor angetrieben
wird. Die Steuerung wird vorzugsweise in Abhängigkeit der Differenz zwischen der
Maschinendrehzahl und der Nockenwellendrehzahl durchgeführt. Die Amplitude der Ausgangsspannung
im Generatorbetrieb ist durch Veränderung der Maschinenerregung einstellbar.
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Die Maschine kann als Ganzes also sowohl durch eine Thyristor Schalteinrichtung
als auch durch ein elektromechanisches zweckmäßigerweise über einen Motor gesteuertes
Schaltwerk betrieben werden. Dabei ist im Falle der Thyristor-Schalteinrichtung
eine im Motor bzw. Generatorbetrieb unterschiedliche Ventilsteuerung erforderlich,
wohingegen die Maschine mit mechanischem Schaltwerk ohne besondere Maßnahme vom
Generatorin den Motorbetrieb übergehen kann und umgekehrt. Wie bereits angegeben,
unterscheiden sich beide Maschinenvarianten noch durch die jeweiligen Frequenz-
bzw. Drehzahlbereiche und zwar dahingehend, daß bei der Thyristormaschine im Generatorbetrieb
die Frequenz der Ausgangsspannung immer unterhalb der (drehzahlbedingten) Phasenspannung
sein muß, und im Mo-Motorbetrieb die Drehzahl der Maschine nicht die von der Speisefrequenz
vorgegebene Höchstdrehzahl überschreiten kann.
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Im Falle der mit mechanischem Schaltwerk ausgerüsteten Maschine entfallen
jedoch diese Einschränkungen.
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Der Kurzschlußläufer sollte vorzugsweise im reinen Motorbetrieb, der
Polradläufer hingegen sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb verwendet werden.
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Die Maschine kann sowohl mit einem Polrad- als auch mit einem Kurzschlußläufer
ausgerüstet werden. Dabei sollte letztere vorzugsweise bei Maschinen verwendet werden,
welche im reinen
Motorbetrieb arbeiten, Polradläufer hingegen vorzugsweise
bei Maschinen, die im Generator- oder im Mehrquadrantenbetrieb arbeiten.
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Die mit der Erfindung weiter erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß einerseits im Generatorbetrieb ein-oder mehrphasige Wechselspannungen
mit variabler Frequenz und Amplitude direkt und drehzahl unabhängig erzeugt werden
können, andererseits, im Motorbetrieb die Maschine an ein frequenz- und spannungsmäßig
festes Drehstromnetz angeschlossen werden kann, wobei die Maschinendrehzahl durch
Steuerung der Drehzahl des Drehfeldes verlustarm verändert werden kann.
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Insbesondere im Falle des Einsatzes der Maschine als Hauptgenerator
auf dieselelektrischen Lokomotiven mit Drehstrom-Fahrmotoren bestehen die erfindungsgemäß
erzielten Vorteile darin, daß die üblicherweise zwischen Generator und Fahrmotoren
dazwischengeschalteten Komponenten (wie Gleichrichter, Glättungskreis, Wechselrichter
mit Zwangskommutierung und Glättungsdrosseln) entfallen können. Der Generator gemäß
Erfindung beinhaltet zwar eine Vielphasenmaschine mit integrierter Thyristor- oder
elektromechanischer Umschaltungseinrichtung und ist somit insgesamt größer als ein
herkömmlicher Drehstromgenerator gleicher Leistung. Bedingt jedoch durch die erfindungsgemäß
sich ergebenden Vereinfachungen, besonders durch den Wegfall des Gleichstromzwischenkreises
und des Kommutierungsaufwandes des Wechselrichters, sowie durch den geringen Glättungsaufwand,
ist der Generator gemäß Erfindung wesentlich weniger aufwendig sowie auch leichter
und abmessungsmäßig günstiger als die bisher verwendete Technik der Leistungsübertragung
auf DE-Lokomotiven mit Drehstrom-Fahrmotoren.
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Desgleichen ist der Ausschluß einer über Schleifkontakte realisierten
Umschaltungseinrichtung von Vorteil.
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Die in diesem Fall auftretenden mechanischen Probleme des rotierenden
Bürstensatzes (durch Drehzahländerung verursachte Schwankungen der Bürstenanpreßkraft,
Änderung der auf die einzelnen Bürsten ausgeübten Zentrifugalkraft durch verschleiB-bedingte
Änderung der Bürstenmasse), verursachen erhebliche Kommutierungsprobleme sowie einen
unerwünschten hohen Verschleiß der Umschalteinrichtung.
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Die Ausführung der Umschaltungseinrichtung mit ruhenden Halbleiter-
oder Kontakt-Schaltelementen und die Integrierung der Umschalteinrichtung in die
elektrische Maschine als ein maschinenfester Bestandteil, gewährleistet eine wartungsarme
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wartungsfreie Kommutierung und einen hohen Grad an Kompaktheit.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der
Zeichnung beschrieben. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Schnittansicht der Maschine
mit einer Thyristor-Umschalteinrichtung, Fig. 2 eine Schnittansicht mit elektromechanischer
Umschalteinrichtung, Fig. 3 den Stromlaufplan der Ständerwicklungen und der Thyristor-Ventile
der Umschaltungseinrichtung, Fig. 4 den Stromlaufplan der Ständerwicklungen und
der Kontaktelemente der elektromechanischen Umschalteinrichtung,
Fig.
5 die Spannungsverläufe u=f (t) der Maschine mit Thyristor-Ums chaltungseinrichtung
im Generatorbetrieb, Fig. 6 die Spannungsverläufe der Maschine mit elektromechanischer
Umschalteinrichtung im Generatorbetrieb, Fig. 7 die Spannungsverläufe der Maschine
mit Thyristor-Umschalteinrichtung im Motorbetrieb.
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Gem. den Fig. 1 bis 4 ist die elektrische Maschine als 3-phasige Maschine
mit fremderregtem Polradläufer ausgebildet. Der Läufer 1 ist dabei auf der Welle
2 befestigt und wird über die Schleifringe 3 fremderreat. Der Ständer 4 mit der
12-phasigen Ständerwicklung 5 ist im Maschinengehäuse 6 befestigt. Die Lager 7 für
die Welle 2 befinden sich in zwei Lagerschildern 8, welche mit dem Gehäuse 6 verbunden
sind. Das rechte Lagerschild ist mit gesonderten oeffnungen oder Durchbrüchen versehen,
welche die Verbindung der Wicklungsenden 9 mit der gleichfalls im Gehäuse 6 angeordneten
Umschalteinrichtung 10 bzw. 10' ermöglichen.
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In Fig. 1 besteht die Umschalteinrichtung im wesentlichen aus Thyristoren.
Dabei umfaßt die Umschalteinrichtung auch Künlkörper, welche zweckmäßigerweise von
einem auf der Maschinenwelle 2 befestigten Lüfter 11 gekühlt werden. Die Zündung
der Thyristoren erfolgt von einer Steuereinheit, die gem. Fig. 1 außerhalb der Maschine
angeordnet ist. Die elektrischen HauptanschlUsse der Maschine sind mit R, S, T gekennzeichnet.
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Gem. Fig. 2 ist die Umschalteinrichtung 10' aus einer Vielzahl von
galvanischen Schaltkontakten aufgebaut, welche über ein Nockenwerk bzw. ein Nocken-StõBel-System
betätigbar sind.
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Dabei erfolgt der Antrieb der Nockenwelle über einen Hilfsmotor 13,
dessen Drehzahl wiederum über ein Stellglied gesteuert werden kann. Auch Fig. 2
zeigt eine Ausführungsform, bei der das Stellglied gleichfalls, jedoch nicht notwendigerweise
außerhalb der Maschine angeordnet ist. Der Aufbau der Mechanik der Umschalteinrichtung
ist allgemein bekannt (beispielsweise wird auf E. Rollt Der Rontaktumformer", Springer
Verlag-1957, Kapitel V verwiesen) und braucht deshalb hier nicht mehr erläutert
zu werden.
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Fig. 3 zeigt die Schaltung einer 3-phasigen Maschine gem.
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Erfindung mit 12-phasiger Ständerwicklung und Thyristor-Umschaltungseinrichtung.
Dabei sind ggf. erforderliche Schutz- oder Kommutierungsbeschaltungen der Thyristoren
(T1.1.R...T12.2.T) nicht dargestellt.
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Die Schaltung derselben Maschine nur mit elektromechanischen Kontakteinheiten
(K1.R...K12.T) ist analog zu Fig. 3 in Fig. 4 dargestellt.
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Der zeitliche Verlauf der Maschinenspannungen ist in Fig. 5 angegeben
und zwar für den Fall einer Maschine mit Thyristor-Umschalteinrichtung, Die Phasenspannungen
(uml...uml2) sind nur von der Drehzahl und der Erregung des Läufers abhängig, welche
hier als konstant angenommen sind. Die Stark ausgezogene Ausgangsspannung der Maschine
(hier wird nur eine Phase dargestellt), ergibt sich durch das Zünden bestimmter
Thyristoren zu bestimmten Zeitpunkten durch die Steuerungseinheit. Das Löschen der
Thyristoren erfolgt durch natUrliche
Kommutierung.
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Fig. 5a...c zeigen die Möglichkeit der Xnderung der Frequenz und der
Amplitude der Ausgangsspannung bei gleichbleibender Maschinendrehzahl und Erregung.
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Fig. 6a...d zeigen in Analogie zu Fig. 5 die Spannungen einer Maschine
mit elektromechanischer Umschalteinrichtung.
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Zwecks Änderung der Amplitude der Ausgangsspannung ist es hier im
Gegensatz zu der Thyristormaschine gem. Fig. 5 erforderlich die Erregung der Maschine
zu ändern. Die Ausgangsfrequenz wird durch die Drehzahl des Nockenschaltwerks gesteuert.
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Im Gegensatz zu der Thyristormaschine können hier auch Ausgangsfrequenzen
erzeugt werden, die über der Frequenz der einzelnen Phasenspannungen liegen (Fig.
6d). Letzteres wird zweckmäßigerweise durch Umkehr der Drehrichtung der Nockenwelle
erzielt.
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Fig. 7 stellt den Verlauf der Maschinenspannungen dar, für den Fall
einer 3-phasigen Thyristormaschine im Motorbetrieb.
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Dabei bedeuten uml...uml2 die Phasenspannungen der Maschine bzw. uR,
us, uT die Spannungen des Drehstromnetzes. Die stark ausgezogenen Kurvensegmente
stellen den gezündeten Zustand der Ventile dar. Da die Zündung der Ventile nur im
abfallenden Teil der Netzspannung erfolgt, ist es möglich, die Ventilströme sowie
die von der Maschine aufgenommenen Gesamtströme kontinuierlich und unabhängig von
der Motorendrehzahl zu steuern.
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-Patentansprtche-