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Transformatorisch erregter Stromrichter-
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Synchronmotor Die Erfindung bezieht sich auf einen trarsforrlatorisch
erregten Stromrichter-Synchronmoter mit einer Drehstromwicklung im Ständer und Erreger-
und Dämpferwicklungen im Läufer, bei dem die Erregerleistung über eine besondere
Primärwicklung im Ständer auf eine besondere rotierende Sekundärwicklung im Läufer
betragen wird, die über eine Gleichrichterbrücke mit der Erregerwicklung verbunden
ist.
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Stromrichter-Synchronmotoren mit transfermatorischer Erregung sind
zum Beispiel aus der Zeitschrift "Proceedings IEE" Vol. 125 (1978) Nr. 8, S. 754
bis 760 bekannt geworden. Zur Übertragung der Erregerleistung werden dort Einphasentransformatoren
mit einer oder mehreren Sekundärwicklungen eingesetzt, wobei mehreren elektrisch
versetzten Sekundärwicklungen der Vorzug gegeben wird.
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Nachteilig bei dieser Version ist, daß auf einen Lä.ngsddmp
fer
verzichtet werden muß, wodurch diese Art von Stromrichter-Synchronmotoren aus Kommutierungsgründen
nicht für sehr große Leistungen und Drehzahlen in Frage kommt.
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AufgaSe der Erfindung ist es, einen solchen Stromrichter-Synchronmotor
auch für größere Leistungen und Drehzahlen, wie sie beim Traktionsbetrieb von Vollbahnen
vorkommen, einsatzfähig zu machen, wobei Bauvolumen und Preis gegenüber der bei
Vollbahnen z.Zt. vorherrschenden Technik mit Asynchronmotoren und Phasenfolgewechselrichter
vergleichbar werden sollen.
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Diese Aufgabe wird für einen Stromrichter-Synchronmotor der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß für die Übertragung der Erregerleistung magnetisch
von den Motorwicklungen entkoppelte Drehstrom-Transformatorwicklungen Verwendung
finden, die innerhalb der Nuten für die Motorwicklungen mit untergebracht sind.
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Die Drehstromwicklungen des Drehstromtransformators stellen gegenüber
verwendeten Wicklungen in Einphasentechnik keine besonderen Fremdkörper mehr dar,
sie lassen sich relativ leicht in den vorhandenen Nuten unterbringen und verbessern
die Maschine im gewünschten Sinne.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind im Läufer mit in Nuten verteilter
Feldwicklung die Dämpfer- und Transformator-Sekundärwicklung als Zweischichtwicklungen
verschiedener Polzahl untergebracht. Dabei können vorteilhaft auch die Spulen der
Dämpfer- und Transformatorwicklung abwechselnd nebeneinander in denselhen Nuten
des Läufers untergebracht sein. Günstig ist weiterhin, daß bei nur wenig voneinander
verschiedenen Polzahlen von Dämpferwicklung und Transformator-Sekundärwicklung die
Spulen der Wicklung mit der kleineren Polzahl durch Schrittverkürzung auf die Größe
der Spulen
mit der größeren Polzahl gebracht sind. Zweckmäßig kann
eine Anordnung sein, bei der die Dämpfer- und Transformator-Sekundärwicklungen als
Schleifenwicklung mit Spulen gleicher Weite ausgeführt sind. Zweckmäßig ist auch
eine Ausführung, bei der die Dämpfer- und Transformator-Sekundärwicklungen als Wellenwicklung
ausgeführt sind. In beiden Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Spulenenden der Dämpferwicklung
und Transformator-Sekundärwicklung auf gegenüberliegenden Läuferseiten herausgeführt
sind. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Ansprüchen entnehmbar.
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Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung
im nachstehenden näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltung des erfindungsgemäßen Motors, Fig.
2 eine Anordnung der Spulen im Läufer mit Dämpfer- und Transformatorwicklung als
Zweischichtwicklung, Fig. 3 die Dämpfer- und Transformatorwicklung nach Fig. 2 mit
ihren Stirnverbindungen, Fig. 4 das Wicklungsschema eines Dämpferwicklungsstranges
im Läufer, ausgeführt als Schleifenwicklung, Fig. 5 das Wicklungsschema eines Transformatorwicklungsstranges
im Läufer, ausgeführt als Schleifenwicklung, Fig. 6 einen Querschnitt durch den
oberen Teil einer Nut mit Anordnung der Wicklungen, Fig. 7 das Wicklungsschema für
einen Dämpferwicklungsstrang im Läufer, ausgeführt als Wellenwicklung,
Fig.
8 das Wicklungsschema einer Transformatorwicklungsstranges im Läufer, ausgefiihrt
als Wellenwicklung.
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Fig. 1 zeigt die Schaltung für einen von einem Netz konstanter Spannung
und Frequenz über einen Gleichstromzwischenkreis 1 mit Gleichrichterbrücke 3 und
einen Wechselrichter 5 gespeisten Synchronmotor 2. Danach wird über den Gleichstromzwischenkreis
1 und den Wechselrichter 5 die Ständerwicklung 4 des Motors 2 variabel mit Spannung
und Frequenz versorgt, wobei die Thyristoren 6 des Wechselrichters 5 polradwinkelgesteuert
von der Maschine kommutiert werden. Die Erregerwicklung 7 im Läufer 8 des Synchronmotors
2 wird über eine Drehstrom-Gleichrichterbrücke 9 von einem Drehstrom-Transformator
10 gespeist, dessen Sekundärwicklung lOb im Läufer 8 und dessen Primärwicklung 10a
im Ständer des Synchronmotors angeordnet ist. Die Erregerleistung wird als Drehstromleistung
konstanter höherer Frequenz <fE > fN) aber stellbarer Spannung von einem Umrichter
11 bereitgestellt und von dem Drehstrom-Transformator 10 induktiv auf den Läufer
8 übertragen. Mit 13 ist noch eine Dämpferwicklung bezeichnet, die aus kurzgeschlossenen
Dämpferspulen für die Längsachse (13a) und die Querachse (13b) besteht.
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Das Erregerfeld überlagert sich in der Maschine dem Nutzdrehfeld,
was jedoch in Anbetracht der sehr geringen Amplitude ohne Rückwirkungen ist.
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Die Transformatorwicklungen 10a und lOb, die der Transformation der
Erregerleistung dienen, sind von der Ständerwicklung 4 und der Dämpferwicklung 13
des Motors dadurch magnetisch entkoppelt, daß sie z.B. für die doppelte Polzahl
ausgeführt werden. Die Dämpferspulen der Dämpferwicklung 13 werden zweckmäßig mit
der Weite einer Polteilung ausgeführt.
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Um Platz zu sparen, können im Läufer 8 mit in Nuten verteilter Erregerwicklung
7 die Spulen 13a und 13b der Dämpferwicklung 13 und die der Transformator-Sekundärwicklung
10b gemischt werden. Für letztere ergibt sich damit eine Zweischichtwicklung. Bei
der Erregerwicklung 7 ist man dagegen hinsichtlich der Schichtung frei. Fig. 2 zeigt,
wie die verschiedenen Wicklungen im Läufer platzsparend angeordnet werden können.
Die Erreger- oder Feldwicklung 7 ist in herkömmlicher Weise in den Nuten verteilt.
Die Spulen 13a und 13b der Dämpferwicklung 13 und die der Transformator-Sekundärwicklung
lOb sind darüberliegend gemischt angeordnet.
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Aus Fig. 3 ist die Anordnung der Dämpfer- (13) und Transformator-Sekundärwicklungsspulen
(mob) und ihre Verbindung genauer ersichtlich. Den Spulen 13a und 13b der Dämpferwicklung
13 sind dabei die Stirnverbindungen 14 und den Spulen der Transformator-Sekundärwicklung
1Db die Stirnverbindungen 15 zugeordnet.
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Bei Umrichterbetrieb und der dazu erforderlichen Phasenvoreilung des
Ständerstromes wird dem Querdämpfer (Spulen 13b) ein Oberschwingungsstrom eingeprägt,
der ein Mehrfaches des Stromes in den Längsdämpferspulen 13a beträgt. Dieser kann
im Bedarfsfall durch zusätzliche Spulen 16 im Polkernbereich aufgenommen werden.
Dazu wird auf Fig. 2 verwiesen. Diese zusätzlichen Spulen 16 sind mit den darüberliegenden
Dämpferspulen 13b der Querachse wegen der Stromverdrängung und zum Zweck einer gleichmäßigen
Stromverteilung in Reihe zu schalten.
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Da bei Synchronmotoren die Thyristoren natürlich kommutiert werden,
kann die Klemmenspannung wenigstens verdoppelt werden. Hierdurch kann die Ständerwicklung
ohne parallele Kreise, nur mit parallelen Leitern je Spule ausgelegt werden.
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Für einen solchen Fall können die Dämpferwicklung 13 und die
Transformatorwicklung
10, vgl. Fig. 3, mit beliebig verschiedenen Polzahlen ausgeführt werden. Wählt man
Polzahlen, die nur wenig voneinander verschieden sind, so können insgesamt Spulen
gleicher Weite entstehen, wenn die Spulen der Wicklung der kleineren Polzahl, also
der größeren Polteilung, durch Schrittverkürzung auf die Größe der Spulen der anderen
Wicklung verkleinert werden. In diesem Fall kann man somit die Transformatorwicklung
und die Dämpferwicklung im Läufer mit gleichen Spulen bauen.
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In den Fig. 4 und 5 ist dies für den halben Umfang eines 6-poligen
Motors in Schleifenwicklung durchgeführt. Die Dämpferwicklung 13 ist dann auch 6-polig.
In Fig. 4 ist von der Dämpferwicklung 13 der Übersichtlichkeit halber nur einer
der beiden Stränge und zwar die Längsdämpferwicklung 13a über drei Polteilungen
gezeichnet. Mit 17 ist die Achse der Erregerwicklung 7 angedeutet. Alle Pole müssen
in Serie geschaltet sein. Die Wicklung ist zwei-strängig ausgeführt, vgl. auch 13a
und 13b in Fig. 1. Die Spulenbreite beträgt bei 48 Nuten jedoch 6 statt 8 Nutteilungen.
Jeder Strang ist in sich kurzgeschlossen. DieSchaltverbindungen sind mit 18 bezeichnet.
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Fig. 5 zeigt die Transformatorwicklung 10. Sie ist 8-polig.
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Ihre Spulenweite umfaßt bei 48 Nuten ebenfalls 6 Nutteilungen. Diese
Wicklung ist drei-strängig, alle Pole sind in Serie geschaltet. Die Schaltverbindungen
sind mit 19 angegeben. Es ergibt sich scheinbar nur eine Wicklung zusätzlich zur
Erregerwicklung.
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Es ist vorteilhaft, beide Wicklungen, die Dämpferwicklung 13 und die
Transformatorwicklung 10 nebeneinander in dieselben Nuten einzubringen. Dies wird
in Fig. 6 durch die dargestellten Leiterquerschnitte in einer Nut gezeigt.
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Diese Maßnahme bewirkt, daß die Felderregerkurve in feinere
Stufen
unterteilt wird, wodurch die Kommutierungsreaktanzen verkleinert und auch die Transformation
der Erregerleistung verbessert wird.
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Durch die Wicklungsausführung als Schleifenwicklung entstehen zahlreiche
Schaltverbindungen 18 und 19, die fliehkraftsicher verlegt werden müssen. Die Fig.
7 und 8 zeigen die gleichen Wicklungen, jedoch als Wellenwicklung ausgeführt.
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In Fig. 7 ist ein voller Strang der Dämpferwicklung über alle 6 Polteilungen
der Maschine dargestellt. Es werden vorteilhaft hier nur zwei kurze Schaltverbindungen
18 benötigt. Von Nachteil ist gegebenenfalls eine etwas vergrößerte Ausladung der
Spulenköpfe auf einer Seite. Dies muß jedoch nicht zu Behinderungen beim Einbau
und beim Zusammenlöten der Spulen führen, da man die Spulenenden der beiden Wicklungen
auf gegenüberliegenden Ankerseiten herausführen kann. Die Transformatorwicklung
10 in Fig. 8 stellt einen Strang einer 8-poligen Wellenwicklung dar. Sie kann so
in die Nuten eingelegt werden, daß die offenen Spulenenden und somit alle Lötstellen
nach oben zeigen, während die Dämpferwicklung 13 mit den Spulenenden, d.h. den Lötstellen,
nach unten eingebaut wird.
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Die Transformatorwicklung 12 im Ständer ist ebenfalls 8-polig und
drei-phasig, jedoch mit 3 Nuten je Pol und Strang bei 72 Nuten auszuführen. Ihr
Volumen kann sehr gering gehalten werden.