DE2818663A1

DE2818663A1 - Umlaufender frequenzwandler

Info

Publication number: DE2818663A1
Application number: DE19782818663
Authority: DE
Inventors: Fujio Ishikawa; Zenkichi Tsuchiya
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 1977-04-27
Filing date: 1978-04-27
Publication date: 1978-11-02
Also published as: CA1104645A; US4155114A; DE2818663C2; GB1578496A; JPS53133722A; FR2389266A1; FR2389266B1

Description

Umlaufender Frequenzwandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen umlaufenden Frequenzwandler vom Typ einer Synchronmaschine zum Umwandeln der Frequenz einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung dreifacher Frequenz.

Als Frequenzwandler, die aus einer Eingangsspannung bestimmter Frequenz eine Ausgangsspannung mit demgegenüber dreifacher Frequenz bilden, sind sogenannte statische Umformer bekannt, die Halbleiterelemente verwenden} es sind aber auch umlaufende Frequenzwandler bekannt, die das Motor-Generatorprinzip verwenden.

Für den Einsatz als Frequenzwandler geringer Leistung, insbesondere für Baustellen u.dgl., haben sich besonders die letztgenannten durchgesetzt, da sie billig und robust sind.

Die üblichen umlaufenden Frequenzwandler basieren im allgemeinen auf dem Prinzip, das ein Wechselstrommotor einen Wechselstromgenerator antreibt. Dies hat jedoch den Nachteil, daß zwei vollständige Maschinen mit Kernen, Schleifringen u.dgl. benötigt werden.

Es ist auch schon ein umlaufender Frequenzwandler vom Typ einer Synchronmaschine bekanntgeworden, der nur einen einzigen Kern aufweist. Ein solcher Frequenzwandler ist relativ kompakt und ist aufgrund seines einfachen Aufbaus robust und weitgehend wartungsfrei. Ein solcher Frequenzwandler wirft jedoch insofern ein Problem auf, als die Bedingungen zur Erzeugung eines magnetischen Flusses der dreifachen Frequenz sehr sorgfältig analysiert werden müssen. Andernfalls wird das Gewicht der Maschine sehr groß und die Maschine daher teuer.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzwandler vom Typ einer Synchronmaschine mit einem einzigen Kern anzugeben, der eine dreifache Ausgangsfrequenz mit hoher Leistung bei kompaktem, billigem Aufbau und weitgehender Wartungsfreiheit liefert.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine besondere Gestaltung des Rotorkerns der Maschine, wie sie für verschiedene Maschinentypen in den Patentansprüchen angegeben ist.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die obere Hälfte eines erfindungsgemäßen Frequenzwandlers;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Frequenzwandler nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Abwicklung im Bereich des Luftspaltes am Pol des Rotors, und

Fig. k einen Querschnitt durch den Frequenzwandler zur Erläuterung des Belastungsfalles.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand einer wechselstromerregten Synchronmaschine im Detail nachfolgend erläutert werden,

Fig. 1 zeigt nur die obere Hälfte der Maschine. Der Stator 1 hat im wesentlichen die gleiche Gestalt wie der einer üblichen Induktions- oder Synchronmaschine mit der Ausnahme, daß hier zwei Wicklungen vorhanden sind, deren Polzahl sich wie 1s3 verhält.

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Die eine Wicklung, die hier mit 2 bezeichnet ist, hat die geringere Anzahl von Polen, und zwar hier nur zwei Pole, während die andere Wicklung 3 insgesamt sechs Pole aufweist. Mit k ist ein Rotorkern bezeichnet, 5 ist eine Dämpfungswicklung, 6 eine Welle, die mittels Kugellagern 7 im Stator drehbar gelagert ist.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Frequenzwandler. Die Wicklungen 2 und 3 sind, wie ersichtlich, in einer Nut 8 untergebracht, die im Stator 1 ausgebildet ist. Zur Vereinfachung der Darstellung ist hier nur eine Nut 8 eingezeichnet, es ist jedoch in Wirklichkeit eine Vielzahl solcher Nuten vorhanden. Mit 9 ist ein Schlitz bezeichnet, der im Rotorkern ausgebildet ist, um den magnetischen Widerstand in Querrichtung zum magnetischen Weg zu vergrößern.

Fig. 3 zeigt abgewickelt den Luftspalt der Maschine, Dabei ist hier ein Zustand dargestellt, in dem das Zentrum der magnetomotorischen Kraftachse der Primärwicklung 2 mit dem Zentrum eines Rotorpoles k zusammenfällt. Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der magnetomotorischen Kraftwelle 10 längs des Luftspaltes, die von der Primärwicklung 2 hervorgerufen wird, einer magnetischen Raumflußwelle 11, wie sie jeweils von der magnetomotorischen Kraftwelle 10 erzeugt wird, einer Grundwelle des magnetischen Flusses 12 und einer dritten Harmonischen 13 der der magnetischen Flußwelle, welch letztere in der magnetischen Raumflußwelle 11 eingeschlossen sind, auf der einen Seite, und der Gestalt der magnetischen Polfläche am Rotorkern k zur Erzeugung der magnetischen Raumflußwelle 11 der dargestellten Form auf der anderen Seite.

In der Praxis enthält die magnetische Raumflußwelle 11 noch mehr höhere Harmonische der magnetischen Flußwellen, als hier dargestellt ist. Diese höheren Harmonischen können jedoch so

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klein gemacht werden, daß ihr Einfluß auf die Generatoreigenschaften vernachlässigt werden können. Dies hängt von der Gestalt der magnetischen Polfläche ab, wie später noch erläutert wird. Aus diesem Grunde sind in Fig. 3 die höheren Harmonischen der magnetischen Flußwelle nicht dargestellt, die Darstellung ist auf die dritte Harmonische beschränkt.

Mit 1 _1f 1 ρ und 1 sind die Luftspaltlängen bezeichnet, d_oh_o die Abstände zwischen dem Rotorpol und dem Stator am Zentrum des Rotorpols sowie an Stellen, die um —— bzw. "¹^T" von jenem Zentrum entfernt sind. Mit β und .~L ist hier das Verhältnis der Längen des Polwinkels (ß~oder <&?) gegen die Polteilung bezeichnet, die hier durch fi" repräsentiert wird (s. Fig. 3).

Wenn man die Primärwicklung 2 an ein mehrphasiges Wechselstromnetz anschließt, dann wird von der Primärwicklung die magnetomotorische Kraftwelle 10 und von dieser die magnetische Raumflußwelle 11 erzeugt. Die Grundwelle 12 des magnetischen Flusses, die in der magnetischen Raumflußwelle 11 enthalten ist, treibt den Frequenzwandler als wechselstromerregten Synchronmotor an.

Wenn es gewünscht wird, eine höhere Motorleistungsabgabe zu erzielen, ist es günstig, die Grundwelle 12 des magnetischen Flusses größer zu machen. Wenn jedoch gewünscht wird, die Leistung der dreifachen Frequenz höher zu machen, dann muß die dritte Harmonische 13 der magnetischen Flußwelle größer gemacht werden. Wenn jedoch die dritte Harmonische 13 der magnetischen Flußwelle zu groß wird, dann wird die Grundwelle 12 des magnetischen Flusses zu klein. Hierdurch wird die Motorabgabeleistung zu gering, was wiederum auch eine Herabsetzung der Leistung dreifacher Frequenz zur Folge hat.

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ORIGINAL INSPECTED

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Die Amplitude B der magnetischen Raumflußwelle 10, d.h. die Amplitude B der Grundwelle 12 und die Amplitude B„ der dritten Harmonischen 13 müssen festgelegt werden, nachdem man die oben erwähnten Gesamtcharakteristika sorgfältig geprüft hat.

Die Gestalt der magnetischen Raumflußwelle 11 kann dadurch beeinflußt werden, daß man den Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor längs des Polwinkels in passender Weise gestaltet. Dies bedeutet, daß die Gestalt der magnetischen Raum— flußwelle von der Form des Magnetpols des Rotors abhängig ist, wenn man die Permeabilität des Kerns mit unendlich annimmt.

Im Zusammenhang mit üblichen Wechselstromgeneratoren sind die verschiedensten Untersuchungen durchgeführt worden, die eine Unterdrückung der dritten Harmonischen der magnetischen Flußwelle zum Ziel hatten. Im Gegensatz dazu besteht hier die besondere Aufgabe darin, auf ökonomische Weise die dritte Harmonische der magnetischen Flußwelle zu erzeugen. Es ist daher hervorzuheben, daß hier nicht nur gute Generatoreigenschaften, sondern auch gute Motoreigenschaften verlangt werden müssen.

Gemäß der Erfindung ergeben sich die wirtschaftlichsten Verhältnisse, wenn die folgende Bedingung 1 erfüllt ist»

Bedingung 1

Der Grund dafür, da die obige Bedingung 1 einen gewissen Bereich beinhaltet, liegt darin, daß die exakte Festlegung von der jeweiligen Ausführungsart einer solchen elektrischen Maschine abhängt. Mit anderen Worten, die Ausführungsart einer elektrischen Maschine wird von der Anzahl der Nuten im

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ORlGfNAL INSPECTED

= o,6 ... o,7

= 0,4 ... 0,3

Stator, der Anzahl der Windungen der Primär- und Sekundärwicklung USW₀ bestimmt, die sich in Stufen ändern können, und diese Parameter müssen zusammen mit der Tatsache berücksichtigt werden, daß für die Spannungsreglung des Generators, die von der Art der Generatorbelastung abhängt, Freiheitsgrade zur Verfügung stehen müssen. Aus diesem Grunde kann die oben genannte Bedingung 1 nicht als ganz bestimmter Festwert angegeben werden, sondern nur als gewisser Bereich.

Um unter der oben genannten Bedingung 1 wirtschaftlich eine Spannung dreifacher Frequenz an der Sekundärwicklung zu erhalten, muß weiterhin die folgende Bedingung 2 erfüllt werden:

<k = o,55 ... o,42 "s

S Bedingung 2 /3 = 0,36 ... 0,28 j

Bei einem Frequenzwandler, der von einer wechselstromerregten Synchronmaschine Gebrauch macht, sollte weiterhin die folgende Bedingung 3 eingehalten werden:

I/l _ 1 C OO ⁴N.

g2' g1 1,5 ... 2,2 >

T Bedingung 3 1 /l ₁ = 8 ... 12 J

Die oben genannten Bedingungen sind am Beispiel einer wechselstromerregten Synchronmaschine angegeben, deren Sekundärwicklung eine Spannung dreifacher Frequenz abgibt.

Bei einem Frequenzwandler vom Typ einer normalen Synchronmaschine, einer Klauenpol- oder einer Induktionssynchronmaschine mit einer Gleichstromerregerwicklung hat jedoch magnetomotorische Kraft längs des Luftspalts am Polbogen eine quadratische Wellenform«, Obgleich bei solchen Maschinen die Bedingungen 1 und 2 aufrecht-

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erhalten werden können, sollte die Bedingung 3 durch die folgende Bedingung 4 ersetzt werden:

= 1,8 ... 2,5

Bedingung k

Die Gestalt des Rotorpoles, d_oh. die Veränderung des Luftspaltes längs des Polbogens, ausgehend vom Polzentrum zu den Punkten ~— und ~2~ ^^s* vorzugsweise derart, daß eine geeignete Kurvenform zur Unterdrückung der Erzeugung höherer Harmonischer als der dritten Harmonischen erzeugt wird.

Die vorstehende Beschreibung wurde an einem Fall gegeben, in welchem das Zentrum der magnetomotorischen Kraft der Primärwicklung mit dem Zentrum des Rotorpoles zusammenfällto Dieser Zustand ergibt sich nur im Idealfall, wenn die Generatorbelastung Null ist. Ist jedoch eine endliche Last an den Generator angeschlossen, dann eilt das Zentrum des Rotorpoles um einen Winkel 0 dem Zentrum der primären magnetomotorischen Kraft hinterher, wie es in Fig. k dargestellt ist_o

Sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklung sind mehrphasige Wicklungen, Fig. 4 zeigt jedoch nur jeweils eine Wicklung in einer magnetomotorischen Kraftachse.

In einem solchen Fall, in welchem an den Generator eine Last angeschlossen ist, zerlegt sich die von der Primärwicklung erzeugte magnetomotorische Kraft 16 in eine Komponente 14, die in die Achse des Rotorzentrums fällt, und in eine Komponente mit einer Phasendifferenz von —U , die quer zur Zentrumsachse des Rotorpoles verläuft. Dementsprechend müssen die magnetischen Raumflußwellen, die Grundwellen und die dritten Harmonischen der

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Grundwellen, die von den magnetomotorisclien Kräften jeder Komponente erzeugt werden, in die Betrachtungen einbezogen werden.

Bezüglich der quer zur Rotorpolachse verlaufenden Komponente wird, da ihr Zentrum mit einem Mittelpunkt des Rotorpoles zusammenfällt, die Luftspaltlänge im magnetischen Weg sehr groß. Da außerdem im Rotorkern Spalte vorgesehen sind, können die Grundwelle des magnetischen Flusses und ihre dritte Harmonische, die in Querrichtung erzeugt werden, so klein gemacht werden, daß sie gegenüber den Flußwellen, die von der in Rotorpolachse verlaufenden Komponente erzeugt werden, vernachlässigbar sind. Bei der Gestaltung des Rotorpoles ist es daher ausreichend, wenn nur die in seiner Achsrichtung verlaufenden Komponenten beachtet werden.

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INSPECTED

Claims

Ansprüche

/ 1 · !umlauf ender Frequenzwandler vom wechselstromerregten ^— Synchronmaschinentyp, bestehend aus einem Stator mit einer mehrphasigen Wicklung als Primärwicklung und einer weiteren mehrphasigen Wicklung mit gegenüber der Primärwicklung dreifacher Polzahl als Sekundärwicklung, einem Rotorkern mit mehreren vorstehenden Polen, deren Anzahl gleich der Polzahl der Primärwicklung ist, wobei die Primärwicklung an ein mehrphasiges Wechselstromnetz angeschlossen ist und so die Maschine als Synchronmotor antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkern nach den folgenden Bedingungen dimensioniert ist t

Bedingung 1

worin: B₁ = Amplitude der magnetischen Fluß-Grundwelle

B_ = Amplitude der 3· Harmonischen der magnetischen Fluß-Grundwelie

B = Amplitude der magnetischen Spaltflußwelle

ORIGINAL INSPECTED

MÜNCHEN: TELEFON (O89) 225585 KABEL: PROPINDUS -TELEX O524244

BERLIN: TELEFON (O3O) 8312O88 KABEL: PROPINDUS · TELEX O184O57

b Ί ö ei R

β =

worin: (\ =

β =

0,55 ο.ο 0,42 0,36 ... 0,28

Bedingung 2

Verhältnis zwischen der Breite GjC^) des vorstehenden Poles und der Polteilung ( 1i") des Ro t ο r ke ms

Verhältnis zwischen der Breite (Ji^) zwischen den Mittelpunkten der Pole einerseits und der Polteilung ( /l") des Rotorkerns

1,5 ... 2,2 8 ... 12

Bedingung 3

worin: £ = Länge des Luftspaltes in der Mitte des

Poles

D = Länge des Luftspaltes am Pol bei der Breite /3'^*

(? „ = Länge des Luftspaltes an den Rändern des Poles.
2. Umlaufender Frequenzwandler vom Typ einer Klauenpolmaschine oder Induktor-Synchronmaschine, bestehend aus einem Stator mit einer mehrphasigen Wicklung als Primärwicklung und einer weiteren mehrphasigen Wicklung mit gegenüber der Primärwicklung dreifacher Polzahl als Sekundärwicklung, einem Rotorkern mit mehreren vorstehenden Polen, deren Anzahl gleich der Polzahl der Primärwicklung ist, wobei die Primärwicklung an ein mehrphasiges Wechselstromnetz angeschlossen ist und so die Maschine als Synchronmotor antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkern nach den folgenden Bedingungen dimensioniert ist:

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ORIGINAL INSPECTED

B„/B_d

= 0,6 ... o,7

= 0,4 ..ο 0,3

Bedingung 1

worin: B₁ = Amplitude der magnetischen Fluß-Grundwelle

Amplitude der 3» Harmonischen der magnetischen Pluß-Grundwelie

B = Amplitude der magnetischen Spaltflußwelle

worin:

öl

0,55 ... 0,42 °»36 „.. 0,28

Bedingung 2

β =

Verhältnis zwischen der Breite (ό-^) des vorstehenden Poles und der Polteilung (1^) des Rotorkerns

Verhältnis zwischen der Breite (ßT) zwischen den Mittelpunkten der Pole einerseits und der Polteilung (^) des Rotorkerns

in: (L

1,8 ... 2,5

¹⁸ — ²⁵

Bedingung h

Länge des Luftspaltes in der Mitte des Poles

^des Luftspaltes am Pol bei der

Breite β"Π*

Länge des Luftspaltes an den Rändern des Poles.

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ο Umlaufender Frequenzwandler vom Typ einer gewöhnlichen Synchronmaschine mit vorstehenden Polen, bestehend aus einem Stator mit einer mehrphasigen Wicklung als Primärwicklung und einer weiteren mehrphasigen Wicklung mit gegenüber der Primärwicklung dreifacher Polzahl als Sekundärwicklung, einem Rotorkern mit mehreren vorstehenden Polen, deren Anzahl gleich der Polzahl der Primärwicklung ist, wobei die Primärwicklung an ein mehrphasiges Wechselstromnetz angeschlossen ist und so die Maschine als Synchronmotor antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkern nach den folgenden Bedingungen dimensioniert ist:

B₁Zb₃ = o,6 ... o,7 ^BJ^B* = °»⁴ ··· °»3

Bedingung 1

worin: B- = Amplitude der magnetischen Fluß-Grundwelle

= Amplitude der 3» Harmonischen der magnetischen Fluß-Grundwelie

= Amplitude der magnetischen Spaltflußwelle

worin:

Bedingung 2

^- = 0,55 ... 0,42 /3 = 0,36 ... 0,28

(A. = Verhältnis zwischen der Breite (<ji.T~) des

vorstehenden Poles und der Polteilung ( /T*) des Rotorkerns

j? = Verhältnis zwischen der Breite (/37/*) zwischen den Mittelpunkten der Pole einerseits und der Polteilung (¹Z^) des Rotorkerns

Bedingung 4

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worin: / ₁ = Länge des Luftspaltes in der Mitte des

Poles

^p = Länge des Luftspaltes am Pol bei der Breite β Τ

H „ = Länge des Luftspaltes an den Rändern des Poles.

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