DE2756575C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen stromrichtergespeisten Wechselstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein bekannter stromrichtergespeister Wechselstrommotor dieser Art ist in der DE-AS 12 68 264 beschrieben. Bei diesem Motor mit einer Strang- bzw. Phasenzahl G=8 werden die beiden stromführenden Ventile entgegengesetzter Polarität nicht jeweils gleichzeitig, sondern um den elektrischen Winkel π /G=π/8 versetzt umgeschaltet. Dadurch wird erreicht, daß die Achse der Ankerdurchflutung bei einem vollen Umlauf nicht nur G=8, sondern 2G=16 Sprünge macht, der Motor also 16pulsig arbeitet. Das der Ankerdurchflutung proportionale Drehmoment bewegt sich entsprechend der Pulszahl ruckartig in Umfangsrichtung und weist daher und infolge unterschiedlicher Amplituden eine gewisse Welligkeit auf. Für eine weitere Verdoppelung der Pulszahl wird eine Umschaltung der beiden Stromventile entgegengesetzter Polarität um den elektrischen Winkel π/2G =π/16 versetzt vorgeschlagen, um so einen zweistufigen Stromübergang zwischen den aufeinanderfolgenden Ventilen gleicher Polarität zu erzwingen. Dadurch kann erreicht werden, daß die Ankerdurchflutung nunmehr 4G=32 Sprünge mit weniger unterschiedlichen Amplituden während eines vollen Umlaufs macht und die Drehmomentwelligkeit reduziert wird. Nach wie vor bewegt sich das der Ankerdurchflutung proportionale Drehmoment aber entsprechend der Pulszahl ruckartig in Umfangsrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen stromrichtergespeisten Wechselstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß sich bei geringem Aufwand ein ruckfreies, kontinuierliches Drehmoment äußerst niedriger Welligkeit ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Durch die kontinuierlichen Ventilstromübergänge über eine genügend lange Zeitdauer, die einem Überlappungswinkel U≧π /G entspricht, wird erreicht, daß sich die Achse der Ankerdurchflutung kontinuierlich mit der Drehgeschwindigkeit des Läufers in Umfangsrichtung bewegt. Darüber hinaus reduziert die erfindungsgemäße Vorgabe eines Überlappungswinkels von U<π /G die Amplitudenänderungen der Ankerdurchflutung, wodurch sich auch bei einer Pulszahl m=2G eine sehr geringe Drehmomentwelligkeit ergibt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 (a) das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des stromrichtergespeisten Wechselstrommotors,

Fig. 1 (b) die Strangstrom-Kurvenformen beim Betrieb des Stromrichtermotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 1 (c) die Phasenzusammenhänge von Wechselstrom-Ständerwicklungen nach Fig. 1 (a),

Fig. 2 (a) und 2 (b) jeweils Schnittansichten, die die Verteilung der einzelnen Leiter der Läuferwicklung einer Synchronmaschine für einen stabilen Betrieb als Stromrichtermotor zeigen,

Fig. 2 (c1) die schematische Schnittansicht und 2 (c2) die Schaltung einer geeigneten Läuferwicklung einer Induktionsmaschine für einen stabilen Betrieb als Stromrichtermotor,

Fig. 3 (a) und 3 (b) Zeigerdiagramme zur Darstellung der Funktion des stromrichtergespeisten Wechselstrommotors und der hierfür abgeleiteten Ergebnisse,

Fig. 4 ein Ersatz-Schaltbild zur Darstellung der funktionellen Beziehungen zwischen der Wechselstrom- Ständerwicklung und der Erregerwicklung,

Fig. 5 (a) bis 7 (a) jeweils die Schaltbilder weiterer Ausführungsbeispiele des stromrichtergespeisten Wechselstrommotors und 5 (b) bis 7 (b) jeweils die zugehörigen Strangstrom-Kurvenformen beim Betrieb des Stromrichtermotors gemäß diesen Ausführungsbeispielen,

Fig. 8 (a) und 8 (b) jeweils Detail-Schaltbilder aus Fig. 7 (a),

Fig. 9 (a) bis 9 (c) Diagramme zur Darstellung der Änderungen von Absolutwert und zulässigem Phasenwinkel einer inneren elektromotorischen Kraft unter Einwirkung der Ankerrückwirkung,

Fig. 10 (a) ein Kurvendiagramm der Änderungen von Einschaltwinkel und Überlappungswinkel, die mit dem stromrichtergespeisten Wechselstrommotor erzielt werden, und

Fig. 10 (b) die Kurvenform der in einem Strang des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors induzierten elektromotorischen Kraft.

In den Zeichnungen stellen gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Elemente dar.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 (a) bezeichnen 101 a bis 101 G die G-Stränge einer Wechselstrom-Ständerwicklung, 102 Längsfelderregerwicklungen, 103 Querfelderregerwicklungen, 3 eine Längsfelderregerstromversorgung und 4 eine Querfelderregerstromversorgung.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Fig. 2 (a) und 2 (b) gezeigt, die jeweils Schnittansichten zweier möglicher Leiterverbindungen für die Erregerwicklungen in einem Drehfeldläufer mit zwei Polen zeigen. Die gleichen Ausführungsformen können auch bei einer Außenpolmaschine verwendet werden.

In den Fig. 2 (a) und 2 (b) bezeichnen jeweils 102 F bzw. 102 Längsfelderregerleiter, 103 A bzw. 103 erste Querfelderregerleiter (Kompensationswicklung), 103 B bzw. 103 zweite Querfelderregerleiter (Kommutierungs- oder Stromwendewicklungen) und 105 Leiter eines Dämpferkäfigs.

Ein vergrößerter Ausschnitt (i) der Kompensationswicklung ist in der Fig. 2 (a) gezeigt, wobei die Kompensationsleiter 103 A in Nuten 106 untergebracht sind und die Dämpferleiter 105 in Rundnuten in den Zahnköpfen 107 eingelegt sind, während der freie Raum 106′ im unteren Teil der Nuten für die Kompensationswicklung als Luftkanal verwendet werden kann. Es ist natürlich auch möglich, weniger tiefe Nuten ohne einen freien Raum auszubilden.

Ein vergrößerter Ausschnitt (ii) für den Grenzbereich zwischen der Längsfelderregerwicklung, der Kompensationswicklung und der Kommutierungswicklung ist in Fig. 2 (a) gezeigt, wobei die Kommutierungs-Leiter 103 B bzw. 103 unterhalb der Längsfelderreger-Leiter 102 F bzw. 102 oder unterhalb der Kompensations-Leiter 103 A bzw. 103 untergebracht sind. Wenn die Wechselstrom-Ständerwicklung viele Stränge besitzt, kann die Leiterzone für die einzelne Strangwicklung schmal sein, weshalb abhängig von der Strangzahl der Wechselstrom-Ständerwicklung auch die Zonenbreite der Kommutierungswicklung, d. h. der Zonenwinkel R 103 B, klein sein kann. In diesem Fall können die Kommutierungs- Leiter 103 B bzw. 103 in die Nuten für die Längsfelderreger- Leiter 102 F bzw. 102 miteingelegt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das in seiner Funktion der Ausführung mit Kommutierungswicklungen 103 B nach Fig. 2 (a) gleichwertig ist, ist in Fig. 2 (b) gezeigt, wobei die Kompensations-Leiter 103 bzw. über den größten Teil des Umfangs oder über den ganzen Umfang verteilt sind und die Längsfelderreger-Leiter 102 F bzw. 102 bereichsweise in den unteren Teil gemeinsamer Nuten eingelegt sind. Diese Ausführungsform entspricht der Ausführungsform nach Fig. 2 (a) mit dem Unterschied, daß die Längsfelderreger- Leiter 102 F und die Kommutierungs-Leiter 103 B hinsichtlich ihrer Lage innerhalb der Nuten vertauscht sind. Die Äquivalenz beider Ausführungsformen ergibt sich daraus, daß die aus den Kommutierungs-Leitern 103 B und den Kompensations- Leitern 103 A zusammengefaßte Wicklung über den größten Teil des Umfangs verteilt ist. Wenn die Kompensationswicklung über den größten Teil des Umfangs oder über den ganzen Umfang verteilt ist, kann sie mit kleiner mittlerer Windungslänge als Schleifenwicklung oder mit konzentrischen Spulen ausgeführt werden.

Die Wechselstromwicklung 101 bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 (oder den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 5 bis 7) kann eine Ständerwicklung sowohl einer Synchronmaschine als auch einer Schleifringläufer-Induktionsmaschine sein.

Im letzteren Fall hat die Schleifringläufer-Wicklung die Funktion der Erregerwicklungen, ihre Ausbildung ist in den Fig. 2 (c1) und 2 (c2) gezeigt. Demgemäß kann die mehrphasige Schleifringläufer-Wicklung 110 drei Stränge U, V und W haben und mittels einer Drehstromversorgung 111 erregt werden (vorzugsweise wird die Drehstromerregerwicklung im Läufer untergebracht, so daß die Wechselstrom-Ständerwicklung viele Stränge enthalten kann). Die Fig. 2 (c1) zeigt die entsprechende Wicklungsverteilung, die Fig. 2 (c2) die zugehörige Schaltung.

Bei der Schleifringläufer-Induktionsmaschine werden der Läuferwicklung Wechselströme so zugeführt, daß ihre Durchflutung diejenige der Ständerwicklungs-Wechselströme ausgleicht (siehe Fig. 1 und Fig. 5 bis 7).

Die Läufer-Wechselströme entsprechen dann dem Ankerrückwirkungs- Kompensationsstrom bei der Synchronmaschine, wobei die Schleifringläuferwicklungen 110 die Funktion der Querfelderregerwicklungen 103 der Synchronmaschine ausüben.

Die Schleifringläufer-Induktionsmaschine ist als stromrichtergespeister Wechselstrommotor geeignet, da die in der Wechselstrom-Ständerwicklung 101 induzierten Spannungen und die dort fließenden Ströme stabil sind.

Der erfindungsgemäße Stromrichtermotor hat vorzugsweise die vorstehend genannten Erregereinrichtungen (Gleichstromerregung bei der Synchronmaschine oder Drehstromerregung bei der Schleifringläufer-Induktionsmaschine).

Nachstehend wird die Strom-Umschaltung bzw. Stromwendung in der Ständerwicklung bei dem Ausführungsbeispiel des Stromrichtermotors nach Fig. 1 erläutert.

Nach Fig. 1 sind die einzelnen Stränge 101 a bis 101 G der Ständerwicklung vorteilhaft an Wechselstromanschlüsse a, bis g, von Einzelphasen-Wechselrichtereinheiten 21 a bis 21 G angeschlossen, während die Gleichstromanschlüsse der Wechselrichtereinheiten vorteilhaft in Reihe geschaltet werden, da dadurch die Gleichspannungswelligkeit zwischen den Gesamt-Gleichstromanschlüssen gering ist, was für hohe Spannung und große Leistungsfähigkeit zweckdienlich ist. Wenn die Phasen- bzw. Strangzahl G groß ist oder die Kompensationswicklung 103 direkt in den Gleichstromkreis eingeschaltet wird, erübrigt sich unter Umständen sogar die Gleichstromdrossel 23. Die Gleichstromversorgung besteht aus Gleichrichtereinheiten 22 a und 22 b sowie aus zwei Sekundärwicklungen 401, 402 und einer Primärwicklung 410 eines Gleichrichter-Transformators. Damit wird ein zwölfpulsiger Gleichrichterbetrieb erreicht.

Wenn die diagonal gegenüberliegenden Stromventile einer Einzelphasen-Wechselrichtereinheit gleichzeitig eingeschaltet werden, ist die Umschalthäufigkeit m für einen Zyklus bzw. die Pulszahl m=2G, und zwar für den Fall, daß dieMehrphasenwicklung eine Phasendifferenz von 2π /G hat und die Phasenzahl G ungerade ist [Fig. 1 (c) (i)] oder für den Fall, daß die Mehrphasenwicklung eine Phasendifferenz von π /G hat und die Phasenzahl G gerade ist [Fig. 1 (c) (ii)].

Falls die Mehrphasenwicklung eine Phasendifferenz von 2π /G hat und die Phasenzahl G geradzahlig ist, erfolgt eine gemeinsame Umschaltung gegenphasiger Stränge, wodurch die Pulszahl m=G wird.

Wenn die diagonal gegenüberliegenden Stromventile einer Einzelphasen-Wechselrichtereinheit um ungefähr π/2G (bzw. π /G ) versetzt eingeschaltet werden, ergibt sich die doppelte Pulszahl.

Nachstehend wird der Fall erläutert, daß die Mehrphasenwicklung eine Phasendifferenz von 2f /G hat und die Phasenzahl G ungerade ist, wobei die Einschaltung der diagonal gegenüberliegenden Stromventile gleichzeitig erfolgen soll.

Die Strangstrom-Kurvenformen beim Betrieb des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors sind in Fig. 1 (b) gezeigt, in der ia den Phasenstrom im ersten Strang, ib den Phasenstrom im zweiten Strang und ix den Phasenstrom im x-ten Strang bezeichnen.

Zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase sowie zwischen den benachbarten Phasen ergibt sich die Phasendifferenz von 2π /G. Die x-te Phase ist die Phase mit gerader Phasennummer, die gegenüber der ersten Phase die größte Phasenverschiebung aufweist (z. B. die 4. Phase im Fall von fünf Phasen). Die x-te Phase wird auf Gegenpolarität zur ersten Phase umgeschaltet, nachdem die erste Phase eingeschaltet worden ist.

Wenn der Umschalt-Überlappungswinkel U gerade 2π /m ist, wobei m=2G die Pulszahl bezeichnet, so ergibt sich die durch die gestrichelte Linie dargestellte Kurvenform. Dies ist die Grenzbedingung für das Überlappen zweier Ventilströme während einer Umschaltung. Wenn der Umschalt-Überlappungswinkel durch den kritischen oder Grenz-Überlappungswinkel gegeben ist, bewegt sich die Spitze des Zeigers für die durch die in den einzelnen Strängen der Ständerwicklung fließenden Mehrphasen-Wechselströme elektromotorisch entwickelte Drehkraft entlang den Sehnen , , . . . in Fig. 3 (a). Das Anhalten an den Punkten i bis stellt den Grenzzustand dar.

Beim kritischen Überlappungswinkel (U=2π /m) erfolgt die Verschiebung der Zeigerspitze von einem Scheitel des m- Ecks zum benachbarten Scheitel in der Zeit U/Kp/m (wobei die durchschnittliche Winkelgeschwindigkeit bezeichnet). Die erforderliche Zeit U/ ist gleich der Umschaltperiode 2π/m, wodurch die Bewegung der elektromagnetischen Drehkraft ruckfrei und gleichmäßig ist, so daß infolgedessen die Drehmomentwelligkeit beachtlich gering wird.

Im Vergleich zum herkömmlichen Betrieb mit U«2π /m ist sie beim kritischen Überlappungswinkel auf ungefähr 1/m bis 2/m verringert (wobei die Auswirkung bei größeren Umschaltzeiten höher ist). Die momentane Drehgeschwindigkeit ω′ der von der Wechselstrom-Ständerwicklung erzeugten elektromagnetischen Drehkraft ist in der Nähe des kritischen Überlappungswinkels (oder darüber) im wesentlichen gleichförmig (d. h. die Welligkeit von ω′ ist klein oder verschwindet ganz), wodurch eine kontinuierliche Drehung (ohne Anhalten) erfolgt und die Drehmomentwelligkeit unabhängig vom Leistungsfaktor und vom Einschaltphasenwinkel konstant und gering ist.

Die Drehmomentwelligkeit wird selbst dann auf ungefähr die Hälfte verringert, wenn im Vergleich zum herkömmlichen Betrieb mit U«2f /m der Überlappungswinkel U ungefähr π/m ist (d. h. ungefähr die Hälfte des kritischen Überlappungswinkels ist).

Wenn im Betrieb der Überlappungswinkel U größer als der kritische Überlappungswinkel (U≧π /m) ist, ergeben sich die in Fig. 1 (b) durch die ausgezogenen Linien dargestellten Strangstrom-Kurvenformen, bei denen die Umschaltung unter Überlappung mehrerer Strangströme folgt. U (2) bezeichnet den Bereich zweifacher Überlappung, während U (1) den Bereich einfacher Überlappung bezeichnet. Im Betrieb ist der geometrische Ort der von der Wechselstrom-Ständerwicklung erzeugten elektromotorischen Drehkraft ein 2m-Eck nach Fig. 3 (b), so daß die Zeigerspitze von nicht über die ursprünglichen Scheitel , bis läuft und die Ecken durch überschneidende Sehnen , bis entfallen. Demgemäß wird die Drehmomentwelligkeit weiter verringert, so daß bei m=10 [entsprechend G=5 Phasen nach Fig. 1 (c) (i) mit einer Phasendifferenz von 72°] praktisch keine Drehmomentwelligkeit mehr feststellbar ist.

Beim Betrieb mit großem Überlappungswinkel ist ein System mit Einzelphasen-Stromspeiseeinheiten wie das System mit gleichstromseitig in Reihe geschalteten Einzelphasen- Wechselrichtereinheiten oder das System mit Direktumrichtereinheiten mit Einzelphasenausgang gemäß der Darstellung in Fig. 1 sehr wirkungsvoll.

Es könen aber auch sowohl Einweg-Einzelphasen-Wechselrichter (bei denen jeweils ein Halbwellenstrom über die Hälfte einer Wechselstrom-Strangwicklung mit Mittelanzapfung geführt wird) als auch Einzelphasen-Brückenschaltungen verwendet werden. Wenn für jeden einzelnen Strang eine Einzelphasen-Stromspeiseeinheit verwendet wird, kann der zulässige Überlappungswinkel im Prinzip bis zum Doppelten des elektrischen Winkels für die Phasendifferenz betragen, wodurch leicht der kritische oder ein größerer Überlappungswinkel erzielt werden kann.

Bei den in Fig. 2 gezeigten Erregereinrichtungen wird eine hohe Stabilisierung des Überlappungswinkels der Ventilströme erreicht, wobei unterschiedliche Kompensationsbedingungen dafür maßgebend sind, daß der kritische Überlappungswinkel erreicht wird und auch ein stabiler Betrieb bei Überschreitung des kritischen Überlappungswinkels möglich ist (überkritische Überlappung).

Für die Annäherung des Überlappungswinkels an den kritischen oder Grenz-Überlappungswinkel oder die Überschreitung des kritischen Überlappungswinkels können beim Stromrichtermotor fünf grundsätzliche Verfahren in Betracht gezogen werden:

Das erste Verfahren besteht darin, eine proportional zum Ständerstrom gespeiste Erregervorrichtung wie Kompensations-, Reihenschlußerreger- und Kommutierungswicklungen oder Schleifringläuferwicklungen von Induktionsmaschinen vorzusehen.

Das zweite Verfahren besteht in der Erhöhung der Strang- oder Phasenzahl (wodurch der kritische Überlappungswinkel klein wird).

Das dritte Verfahren besteht in einer Erhöhung der Ständer- Streuung bzw. in einer Anbringung von äußeren Wechselstromdrosseln 40 a bis 40 g gemäß der Darstellung in Fig. 1 (a).

Das vierte Verfahren besteht in einer Erhöhung der Streuung der Längsfelderregerwicklung 102 oder im Anbringen einer äußeren Gleichstromdrossel 30.

Das fünfte Verfahren beruht auf der Anbringung von Dämpferleitern 105.

Zur Erhöhung der Längsfeld-Streuung werden vorzugsweise die Längsfelderreger-Leiter 102 F und 102 in Nuten eingelegt, die tiefer sind als diejenigen für die Querfeld- Kompensations-Leiter 103 A, 103 , 103, Diese Ausführungsform ist in Fig. 2 (b) gezeigt.

Zur Erläuterung des dritten und des vierten Verfahrens ist in Fig. 4 ein Ersatzschaltbild gezeigt, das die räumliche Beziehung zwischen der Wechselstrom- Ständerwicklung und den Felderregerwicklungen im Läufer, d. h. das magnetische Kopplungsverhältnis, während der Kommutierung darstellt, wobei cc die Kommutierungs- oder Umschaltmaschine bezeichnet und (γ-ω t) die momentane Verdrehung der magnetischen Achsen (deren Absolutwert abnimmt) bezeichnet. Durch die Kopplung wird die Kommutierungsinduktivität der Ständerwicklung groß und steigert den Überlappungswinkel auch dann, wenn die Erregerwicklungs- Kurzschlußinduktivität groß ist oder eine hohe Induktivität im Wechselstrom-Ständerkreis vorhanden ist. Die Steigerung des Überlappungswinkels verursacht keinen Kommutierungs- oder Umschaltausfall, sondern wird durch die Kompensationswicklungen 103 A, 103 B bzw. 110 kompensiert, was eher vorteilhaft für die Stabilisierung eines großen Überlappungswinkels ist. Ein kleiner Kompensationsfehler (Fehler beim magnetischen Kommutierungsfluß) macht sich nämlich bei einem kleinen Überlappungswinkel (d. h. bei einer kleinen Kommutierungsinduktivität) relativ stärker bemerkbar, und Schwankungen des Überlappungswinkels haben in diesem Fall eine größere Empfindlichkeit hinsichtlich einer Instabilität zur Folge. Die prinzipiellen Beziehungen sind nicht einfach und werden hier nicht im einzelnen beschrieben, da sie nicht nur die Grundlagen von herkömmlichen Stromrichterschaltungen, sondern auch die prinzipiellen Erscheinungen im Inneren von rotierenden Maschinen betreffen.

Folgende Umstände sind hervorzuheben: Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors wird im Gegensatz zur herkömmlichen Ansicht keine Verminderung des Überlappungswinkels angestrebt. Die bisher übliche geringe Streuinduktivität ist zu empfindlich gegenüber einer Änderung der Kompensation, wodurch eine Instabilität bei Annäherung an das Ziel der Erfindung (nämlich die Überschreitung des kritischen Überlappungswinkels) auftreten kann.

Geht man von der grundsätzlichen Erscheinung aus, daß die Stromwendung in einem geschlossenen Kreis durch eine Änderung des Magnetflusses ausgeführt wird, wobei die herkömmliche Betrachtung der Umschalterscheinung infolge innerer elektromotorischer Kräfte nicht berücksichtigt wird, kann man sagen, daß der Absolutwert des magnetischen Flusses der Kompensationswicklung mit wachsendem magnetischen Streufluß der Wechselstrom-Ständerwicklung erhöht wird, wodurch die Empfindlichkeit gegenüber einer Änderung des magnetischen Erregerflusses verringert wird und dieser damit stabilisiert wird.

Die Dämpferleiter 105 nach dem fünften Verfahren verursachen eine Verringerung der Kommutierungsreaktanz, wodurch der Überlappungswinkel verringert wird. Dies erscheint den Absichten beim dritten und vierten Verfahren entgegengesetzt zu sein. Der grundsätzliche Vorgang liegt jedoch darin, daß der magnetische Fluß geändert wird. Die Dämpfungsleiter beeinflussen nur die Kommutierungsimpedanz und haben keinen Einfluß auf die Erhöhung oder die Verringerung des Kompensationsmagnetflusses, d. h., die Dämpferleiter beeinträchtigen den erforderlichen Kompensationsmagnetfluß nur unwesentlich. Demzufolge wird die Empfindlichkeit gegenüber einer Änderung der Kompensation nicht beeinflußt.

Die Dämpferleiter 105 werden zur Verringerung der wechselseitigen Kommutierungs-Beeinflussung, die durch die magnetische Kopplung (Transformatorwirkung) zwischen den Ständersträngen während des Umschaltens verursacht wird, in der Weise vorgesehen, daß die Umschaltung jeden Stranges einphasig und unabhängig erfolgt. Auf diese Weise wird die Unabhängigkeit der einzelnen Phasen verbessert und der Umschalt-Überlappungswinkel einer jeden Phase vergrößert (da der Anteil der Ankerstreuung vergrößert wird), wodurch der Strombelag zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Stromrichtermotors gesteigert werden kann (d. h. die Antriebskraft je Flächeneinheit der Ständerbohrung).

Die Funktion und die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors wurden bisher unter Bezugnahme auf Fig. 2 für ein Ausführungsbeispiel des Motors und der Stromrichter- Schaltung nach Fig. 1 (a) dargestellt. Weitere Ausführungsbeispiele werden im folgenden erläutert. Die Fig. 5 (a) und 6 (a) zeigen jeweils Schaltungen weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors, wobei die Fig. 5 (a) das Ausführungsbeispiel einer Ständerwicklung mit 5 Strängen in Ringschaltung und die Fig. 6 (a) das Ausführungsbeispiel einer Ständerwicklung mit 7 Strängen in Ringschaltung zeigen.

In Fig. 5 (a) sind die Querfelderregerwicklung 103 und die Reihenschluß-Längsfelderregerwicklung 102 b in den Gleichstromeingangskreis geschaltet, wobei die Querfelderregerwicklung 103 eine Polaritätsumschaltvorrichtung 5 zur Umschaltung der Anschlüsse entsprechend der Drehmomentrichtung aufweist. Die Reihenschluß-Längsfelderregerwicklung 102 b ist mit der Querfelderregerwicklung zur Ausübung der Kompensation in der Weise kombiniert, daß im Betrieb die Ankerrückwirkung und der Fehlwinkel zwischen der Kompensationswicklungsachse und der magnetischen Ankerstromachse mittels der Längsfelderregerwicklung 102 b mit wachsendem Einschaltsteuerwinkel der Stromrichterschaltung 21 durch die von der Längsfelderregung verursachte elektromotorische Kraft kompensiert werden.

Die Fig. 6 (a) ist ein Schaltbild einer Ausführungsform mit einem Ankerstromdetektor 6, auf dessen Ausgangssignal die Längsfelderreger-Stromversorgung bzw. Steuervorrichtung 3 für den Feldstrom anspricht (gemäß den Funktionskurven, die durch die ausgezogene Linie oder die gestrichelte Linie für

dargestellt sind, wobei I _fo ein fester Wert und k₁ eine Konstante sind).

Im Falle der Erregung gemäß einer Funktionskurve ist eine Einschaltphasen-Steuereinrichtung 7 zwischen einen Polradlagegeber 1 und eine Einschaltsteuervorrichtung 2 geschaltet (mit der Winkelveränderungsfunktion

k₂=k₁).

Dadurch wird die gleiche Wirkung erzielt wie durch die Kompensationswicklung.

Bei diesem weiteren Ausführungsbeispiel können zur Kompensation unabhängige Reihenschluß-Feldwicklungen verwendet werden, wodurch sich eine beachtliche Stabilisierungswirkung für den Überlappungswinkel ergibt.

Die Strangstrom-Kurvenformen bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 5 (a) und 6 (a) sind in den Fig. 5 (b) und 6 (b) gezeigt. Die positiven Halbwellen ergeben sich durch die Stromventile an der positiven Anschlußseite, während sich die negativen Halbwellen durch die Stromventile an der negativen Anschlußseite ergeben. Die ausgezogenen Linien zeigen den Überlappungszustand fürU<2f /m, während die gestrichelten Linien den Umschaltzustand ohne mehrfache Überlappung zeigen (π /m<U′<2π /m).

Die Fig. 7 (a) zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stromrichterschaltung mit Stromventilen, die eine erste Dreiphasen- Gruppe R₁, S₁, T₁ und eine zweite Dreiphasen-Gruppe R₂, S₂, T₂ bilden. Die Phasendifferenz zwischen den Gruppen hat den elektrischen Winkel von 30°, während die zusammengesetzte Umschalthäufigkeit m für einen Zyklus bzw. die resultierende Pulszahl m=12 ist.

In der Fig. 7 (a) ist eine Ständerwicklung in Ringschaltung mit Anzapfungen gezeigt. Die einzelnen Stränge dieser Wechselstrom-Ständerwicklung können aber auch galvanisch getrennt sein. Für beide Wicklungsgruppen sind getrennte Frequenzwandler 200 a und 200 b vorgesehen, die an die Sekundärwicklungen 401 bzw. 402 des Drehstromversorgungs- oder Gleichrichtertransformators angeschlossen sind. Die Frequenzwandler können sowohl eine Kombination von Gleichrichtern 22 und Wechselrichtern 21 als auch Direktumrichter sein.

Die Schaltung eines Gleichrichters 22 bzw. eines Wechselrichters 21 ist in der Fig. 8 (a) gezeigt, während die Fig. 8 (b) einen Direktumrichter als Frequenzwandler 200 darstellt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 (a) können die gleiche Funktion und die gleichen Ergebnisse wie bei dem Zweiachsen-Reihenschluß-Kompensationswicklungsverfahren nach Fig. 5 (a) erzielt werden. Die jetzige Ausführungsform besitzt eine gesteuerte Querfelderreger- bzw. Kompensationsvorrichtung 4, der ein Ausgangsstrom Ia des Stromdetektors 6 oder 6′ eingegeben wird und die den Querfelderregerstrom Ic abgibt, sowie eine gesteuerte Längsfelderregervorrichtung 3, die den Längsfeldstrom

I _f  (I _f = I _fo + Δ I _f = I _fo + kI _a )

abgibt, der der Summe der konstanten Komponente des Feldstroms I _fo und der zum Ankerstrom proprotionalen Komponente Δ I _f entspricht. Auf diese Weise werden jeweils die Reihenschluß-Komponenten für die Zweiachsen- Erregung erzeugt, um so die zusammengesetzte Kompensation zu erzielen.

Die zugehörigen Strangstrom-Kurvenformen sind in Fig. 7 (b) gezeigt, in der die ausgezogenen Linien den Überlappungszustand für U<2π /m zeigen, während die gestrichelten Linien (nur für die Phase R gezeichnet) den Umschaltzustand für π /m<U′<2π /m zeigen. Hierbei bezeichnet U (1) einen Bereich einfacher Überlappung und U (2) einen Bereich zweifacher Überlappung.

Dies kann bei unterschiedlichen Ausführungsformen der Mehrphasen-Stromrichterschaltungen bewerkstelligt werden. Beispielsweise können in Fig. 1 die Wechselrichtereinheiten 21 a bis 21 G durch die Mehrphasen-Wechselrichtereinheiten gemäß den Fig. 5, 6 und 8 (a) ersetzt werden.

Die Mehrphasen-Ausführungsformen sind für einen stabilen Betrieb bei Annäherung an den kritischen oder Grenz-Überlappungswinkel und mit überkritischem Überlappungswinkel zweckdienlich und bewirken ferner zugleich mit der Steigerung der Umschalthäufigkeit eine Verringerung der Drehmomentwelligkeit.

Beim erfindungsgemäßen Stromrichtermotor wird die Verringerung der Drehmomentwelligkeit dadurch erzielt, daß der Betrieb mit einem Überlappungswinkel U der Ventilströme von mehr als 2π /m erfolgt, wobei m die Umschalthäufigkeit für einen Zyklus oder die Pulszahl der Stromrichterschaltung eines stromrichtergespeisten Wechselstrommotors bezeichnet, die mittels der in der Ständerwicklung erzeugten inneren elektromotorischen Kraft kommutiert wird.

Beim Synchronmotor wird der stabile Betrieb dadurch erzielt, daß Gleichstromwicklungen im Läufer vorgesehen werden, die mittels eines dem Ankerstrom entsprechenden Gleichstroms erregt werden. Der stabile Betrieb kann durch eine Umschalthäufigkeit je Zyklus von mehr als 8 erreicht werden. Dies kann man auf einfache Weise dadurch bewerkstelligen, daß man für jeden Ständerstrang eine Einzelphasen- Speiseeinheit vorsieht. Der stabile Betrieb kann auch mit den anderen beschriebenen Ausführungsbeispielen erreicht werden.

Bei einem herkömmlichen 3strängigen Stromrichtermotor ändert sich der Überlappungswinkel U in Abhängigkeit von der Belastung, während sich die Phasenlage und der Absolutwert der inneren elektromotorischen Kraft durch die Ankerrückwirkung des Motors verändern, wodurch sich die Gegenvorspannungsperiode (zulässiger Winkel γ), die für die Ausschaltung der Stromventile erforderlich ist, merklich verändert und nachteiligerweise der Bereich für einen stabilen Betrieb der Stromrichterschaltung eng ist.

Dieser Umstand wird unter Bezugnahme auf Fig. 9 als Fall der Kommutierung oder Umschaltung zwischen der Phase R und der Phase S erläutert.

Die Umschaltung wird bei einem Einschaltwinkel β (Zündwinkel) relativ zur inneren elektromotorischen Gegenkraft Ea(RS) gemäß der Darstellung in Fig. 9 (a) eingeleitet, wobei der Strom i _R für die Phase R während des Überlappungswinkels U gemäß der Darstellung in Fig. 9 (a) (ii) abgebaut und der Strom i _S für die Phase S aufgebaut wird.

Die positive Spannungsperiode der inneren elektromotorischen Gegenkraft Ea(RS) (negative Spannungsperiode am Stromventil Stromabbau) nach der Umschaltung ist die Gegenvorspannungsperiode (zulässiger oder Toleranzwinkel γ). In Fig. 9 (b) sind die Zeiger der Spannungen an der Ständerwicklung des Synchronmotors gezeigt. Die zusammengesetzte innere elektromotorische Kraft a (elektromotorische Kraft, die dem tatsächlichen Magnetfluß entspricht) ist die vektorielle Summe der durch den Feldstrom I _f verursachten Komponente der inneren elektromotorischen Kraft _f und der Blindspannung jXaa aus den durch den Ankerstrom a verursachten Rückwirkung. In diesem Fall wird eine Phasendifferenz Δβ hervorgerufen, und der Absolutwert der elektromotorischen Kraft Ea ist klein. Wenn der Betrieb mit dem vom Polradlagegeber vorgegebenen Einschaltphasenwinkel b f fortgesetzt wird, wird folglich der Einschaltwinkel β der zusammengesetzten inneren elektromotorischen Kraft Ea verändert [siehe Fig. 9 (a)].

Aufgrund des vorstehend beschriebenen Vorgangs werden gemäß den in Fig. 9 (c) gezeigten Kurven der Einschaltwinkel β und der Überlappungswinkel U in bezug auf den dem Drehmoment entsprechenden Ständerstrom I verändert. Mit steigendem Ständerstrom wird also der zulässige oder Toleranzwinkel γ=β-U vermindert. Der Punkt CL ist der kritische oder Grenz-Kommutierungspunkt. In diesem Fall ist der schraffierte Bereich in Fig. 9 (a) proportional zum Produkt aus einer Kommutierungsinduktivität l _c und dem Ständerstrom I, wodurch der Einschaltwinkel β vermindert und der Überlappungswinkel U beträchtlich vergrößert werden.

Folglich wurde bei einem herkömmlichen 3strängigen Stromrichtermotor angestrebt, den Überlappungswinkel U (bwz. die Kommutierungsinduktivität) so weit wie möglich zu verringern, wobei der zulässige oder Toleranzwinkel γ und der Überlappungswinkel U nicht in einfacher Weise stabilisiert werden konnten.

Bei dem erfindungsgemäßen Stromrichtermotor ist eine Erregereinrichtung vorgesehen, die die magnetomotorische Kraft der Erregerwicklungen (der Feldwicklungen 102, 103 der Synchronmaschine oder der Läuferwicklungen der Schleifringläufer- Induktionsmaschine) zum Ausgleich der magnetomotorischen Kraft der von der Stromrichterschaltung 21 gespeisten Ständerwicklung 101 verändert. Demgemäß werden der Absolutwert der inneren elektromotorischen Kraft Ea und die Phasenverschiebung Δβ gemäß der Beschreibung anhand der Fig. 9 (a) bis 9 (c) nur wenig verringert, wodurch sich auch der Überlappungswinkel U abhängig vom Ständerstrom I nur geringfügig ändert. Das heißt, der Überlappungswinkel U wird stabilisiert, und die Drehmomentwelligkeit wird verringert, so daß ein stabiler Betrieb auch bei einem großen Überlappungswinkel erreicht werden kann.

Wenn im Fall der Synchronmaschine ein zum Ständerstrom I proportionaler Strom in die Querfeldwicklungen 103 A oder 103 B gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 (a) und 2 (b) eingespeist wird, kann mittels dieser Wicklungen eine magnetomotorische Gegenkraft erzeugt werden, die größer als die magnetomotorische Kraft der Ständerwicklung ist.

In diesem Fall kann im Gegensatz zu Fig. 9 (c) eine Steigerung des Einschaltwinkels β in Abhängigkeit vom Ständerstrom I erreicht werden, da bei der Ausführung nach Fig. 2 (a) mittels der Querfeldwicklungen 103 A oder 103 B eine elektromotorische Kraftkomponente mit einer Phasenverzögerung von f/2 gegenüber der elektromotorischen Feldkraft _f hervorgerufen werden und damit eine entgegengesetzte Verschiebung der Phasendifferenz Δβ erzielt werden kann. Dementsprechend ist die Kurve des Einschaltwinkels β abhängig vom Ständerstrom I gemäß Fig. 10 (a) eine Sättigungskurve. Andererseits ist auch die Kurve des Überlappungswinkels U abhängig vom Ständerstrom I gemäß Fig. 10 (a) eine Sättigungskurve (durch die größere magnetomotorische Querfeldkraft ist der Absolutwert der inneren elektromotorischen Kraft geringfügig vergrößert). Als Folge davon ist die Änderung des Toleranzwinkels γ sehr gering und beachtlich gleichförmig, während der Überlappungswinkel U im Schwerlastbereich (Bereich hohen Drehmoments) stabil bzw. gleichförmig ist, wodurch auf einfache Weise ein Betrieb mit U≧2π /m bei sehr kleiner Drehmomentwelligkeit erzielt werden kann. Im Bereich hoher Ströme und Drehmomente (Schwerlastbereich) ist der Überlappungswinkel also groß und stabil, wodurch (gemäß der Beschreibung unter Bezugnahme auf Fig. 3) die Drehmomentwelligkeit verringert werden kann, was weniger Vibrationen zur Folge hat. Durch Anbringen von Erregerwicklungen zum Einspeisen eines dem Ständerstrom entsprechenden Stroms kann daher der Überlappungswinkel stabilisiert und die Drehmomentwelligkeit verringert werden.

Bei einer Synchronmaschine mit Querfelderregerwicklungen im Läufer kann mittels des beim erfindungsgemäßen Stromrichtermotor angewendeten Verfahrens ein großer und stabiler Überlappungswinkel erzielt und der Toleranzwinkel stabilisiert werden, wodurch der Widerspruch zwischen einer Verringerung der Drehmomentwelligkeit und einem stabilen Betrieb (geringere Kommutierungsfehler) überwunden werden kann. Darüber hinaus kann aufgrund eines kleinen Toleranzwinkels (der stabil sein soll) und eines großen Überlappungswinkels die Drehmomentwelligkeit weiter verringert werden. Die Verringerung des Toleranzwinkels γ ergibt eine Annäherung der Phaselage des Stroms a an die Phaselage der inneren elektromotorischen Kraft a [siehe Fig. 9 (b)], wodurch der Leistungsfaktor des Motors verbessert wird sowie die Schwankung der momentanen Dreh-Kraft als Summe der Produkte aus innerer elektromotorischer Kraft und Strangstrom für alle Ständerstränge und damit die Drehmomentwelligkeit verringert werden.

Wenn bei der Synchronmaschine durch Verwendung der Erregervorrichtung mit im wesentlichen zylindrischem Querschnitt gemäß der Darstellung in den Fig. 2 (a) und 2 (b) die Zonenbreite R F der Längsfelderreger-Leiter 102 F kleiner als der elektrische Winkel π/2 ist, hat die magnetische Luftspaltinduktion Trapezkurvenform. Wenn darüber hinaus die Anzahl der Stränge der Ständerwicklung (Ankerwicklung) groß ist, kann die Zonenbreite der einzelnen Strangwicklungen schmal sein, wodurch die elektromotorische Feldkraft E _f in Fig. 10 (b) in einem Strang eine im wesentlichen trapezförmige Kurvenform besitzt. Folglich wird auch das Drehmoment für einen Strang angenähert eine glatte Kurvenform haben, so daß die Welligkeit des resultierenden Drehmoments für alle Stränge gering wird. Darüber hinaus sind der flache Maximalbereich der magnetischen Luftspaltinduktion verbreitert und die mittlere magnetische Luftspaltinduktion erhöht, was zu einem kompakten Aufbau des Motors beiträgt.

Wenn entweder zweite Querfelderregerwicklungen [Kommutierungswicklungen 103 B in Fig. 2 (a)] oder Querfelderregerwicklungen verteilt über den ganzen Umfang [ in Fig. 2 (b)] vorgesehen sind, ergibt sich im Bereich der Längsfelderreger- Leiter 102 F der Kommutierungsmagnetfluß, durch den im Zeitintervall für die Kommutierung die elektromotorische Kommutierungskraft e _c gemäß der Darstellung in Fig. 10 (b) erzeugt wird. Die zusammengesetzte elektromotorische Kraft Ea entspricht folglich der Darstellung durch die gestrichelte Linie. In dem durch die gestrichelte Linie gezeigten Zeitintervall findet unter Überlappung die Kommutierung bzw. Umschaltung statt.

Wenn wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 (b) die Längsfelderreger-Leiter 102 F am Nutgrund der Nuten für die Querfelderreger-Leiter 103 untergebracht werden, ist die Streuinduktivität der Längsfelderregerwicklung erhöht, wodurch die gleiche Funktion und Wirkung erzielt werden wie bei der Ausführungsform mit Serieninduktivitäten 30 zu den Feldwicklungen (beispielsweise in Fig. 4 dargestellt).

Als Folge davon ergibt sich eine Kennlinie des Überlappungswinkels U abhängig vom StänderstromI gemäß der Darstellung in Fig. 10 (a), da hinsichtlich des Ankers und des Kommutierungskreises die Längsfelderregerwicklung bei der Kommutierung als Wechselstromquelle mit hoher Impedanz zu betrachten ist.

Claims (9)

1. Stromrichtergespeister Wechselstrommotor mit einer Ständerwicklung mit mindestens G=5 Strängen und einer Erregerwicklung sowie einer Kompensationswicklung und einer Kommutierungswicklung im Läufer, wobei die Ventile der Stromrichterschaltung unter Überlappung der Ventilströme mittels der in der Ständerwicklung erzeugten inneren elektromotorischen Kraft kommutiert und die zu- und abführenden Ventile um π /G versetzt angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang der Ventilströme kontinuierlich mit einem Überlappungswinkel U<π /G erfolgt.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklung und die Kommutierungswicklung (103) in den Gleichstromzwischenkreis des Stromrichters geschaltet sind.

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromwicklungen (102, 103) mittels eines Gleichstroms erregt sind, der eine Komponente proportional zum Speisestrom der Ständerwicklung (101) besitzt.

4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er Dämpfungsleiter (105) aufweist.

5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichterschaltung den Strängen der Ständerwicklung (101 a bis 101 G ) entsprechende Einzelphasen- Speiseeinheiten (21 a bis 21 G ) aufweist.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelphasen-Speiseeinheiten (21 a bis 21 G ) Brückenstromrichter sind, deren Gleichstromeingangsschlüsse in Reihe geschaltet sind.

7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündwinkel der Stromventile in Abhängigkeit vom Ständerstrom veränderbar gesteuert wird.

8. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (102) tiefer in Nuten (106) sitzt als die Kompensationswicklung und die Kommutierungswicklung (103).

9. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Kompensationswicklung über den ganzen Umfangsbereich verteilt sind.