DE3014352A1

DE3014352A1 - Schaltungsanordnung fuer ein- oder mehrphasige elektrische maschinen

Info

Publication number: DE3014352A1
Application number: DE19803014352
Authority: DE
Inventors: Hans Landhult
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1979-04-20
Filing date: 1980-04-15
Publication date: 1980-10-23
Also published as: AU5741980A; ZA801936B; NL8002170A; BE882846A; SE7903474L; JPS5668269A; BR8002409A; ES490692A0; CA1149456A; FR2454725A1; GB2047485A; ES8101341A1

Description

H.Landhult-2

Dr.Rl/bk

11. April 1980

Schaltungsanordnung für ein- oder mehrphasige elektrische

Maschinen

Die Priorität der Anmeldung Nr, 7903474-0 vom 20.04.1979 in Schweden wird beansprucht. Es gibt eine Vielzahl bekannter Schaltungen, die der Überwachung von Strom oder Spannung und der Ereugung anderer Frequenzen als der des Wechselstromnetzes dienen und die sich dazu der Hilfe von Halbleiterbauelementen wie Dioden, Thyristoren, Triacs und Transistoren bedienen. Die Fähigkeit dieser einem Steuerimpuls unterworfenen Bauteile, die ganze Periode des Wechselstromes oder einen Teil derselben zu verarbeiten, wird dabei ausgenutzt. Beispiele derartiger Schaltungen sind Gleichrichter mit gesteuerten Röhren oder Triacs und antiparallel geschaltete Thyristoren, die zur Regelung des Lichtes oder zur Ingangsetzung von Motoren dienen. Schaltungen dieser Art sind bereits in Lehrbüchern oder

' ■* Veröffentlichungen beschrieben.

Es ist bekannt, daß bei der Anordnung von Wicklungen um einen magnetischen Kreis, wie z.B. einen Einphasen- oder Mehrphasentransformator, in der Sekundärwicklung ein Strom erhalten wird, dessen Stärke von dem Strom in der Primärwicklung und dem Quotienten aus den Windungszahlen der . Sekundär- und der Primärwicklung abhängt. Die Frequenz in der Sekundärwicklung ist dabei die gleiche wie in der Primärwicklung.

Ferner ist bekannt, daß das beim Anschließen einer m..- phasigen elektrischen Maschine an ein m -phasiges Netz ein Drehfeld erhalten wird, das mit der synchronen Geschwindigkeit U₃ rotiert, die durch die Frequenz f des Netzes 0 und die Anzahl der Pole pro

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H»Landhult-2 Wicklungen gemäß der. folgenden Formel· bestimmt ist; ■

Je.nach Bauart kann man den Rotor oder die Maschine,mit der gleichen Geschwindigkeit (synchron) oder mit einem .. Last>-abhängigen Schlupf (asynchron) drehen lassen.. Der. Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , eine integrierte . Kombination aus Halbleiterschaltungen und einem Transfor-1Q mator oder einer elektrischen Maschine anzugeben, die ,mit einer besonderen Wicklung ausgestattet ist '. Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Erfindung.gelöst. , Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unterahsprüchen gekennzeichnet. ... -i ■ ·.--.■··--.--;

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, daß mit,einer minimalen Anzahl von Halbleiterbauelementen und einer auf be— -. . sondere Weise gewickelten Machine andere. Frequenzen, eine -. andere Drehzahl oder eine andere Phasenzahl als die des Wechselstromnetzes auf einfache und damit billige Weise erhalten werden kann.

In^dem man Impulse aus einer der oben genannten Schaltungen, in die^; Primärwicklung eines Transformators eingibt, erhält man in der Sekundärwicklung eine Frequenz, die von der Zahl der Primärwicklungen und der Richtung der eingespeisten Impulse abhängt. Wenn z.B. der positive Teil und der ent-.

sprechende Teil der negativen Halbperiode jeder Stern-

Außenle iterspannuncj
spannung und jeder ' in einem dreiphasigen

System verwendet werden, so kann eine Phasenvervielfachung um den Faktor K, bis zum sechsfachen Wert, in der Sekundärwicklung erhalten werden. Durch Zuordnen einer entsprechenden Zahl derartiger Impulse zu der gleichen Phase oder unterschiedlichen Phasen in einem Vielfachphasensystem (Transformator, Motor) ist es möglich, eine Spannung einer gewünschten

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Frequenz zu erzeugen, die das Vielfache der Frequenz des Wechselstromnetzes darstellt. Der Faktor K kann größer, kleiner oder gleich 1 sein. Dies bedeutet, daß auch Teile der Wechselstromnetzfrequenz erhalten werden können. Wenn in einer m-phasigen Maschine (m = 1, 2, 3 usw.) jede Wicklungsphase so angeordnet ist, daß η parallelgeschaltete Teilwicklungen vorliegen, die die gleiche magnetische Wirkung haben, elektrisch aber voneinander isoliert sind, und wenn die η Wicklungen und die m Phasen mit entsprechend gewählten Impulsen gespeist werden, erhält man ein Drehfeld, das mit einer synchronen Geschwindigkeit dreht und durch die Polzahl der Wicklungen und die durch die Impulse erzeugte Frequenz bestimmt wird. Es ist wichtig, daß die Impulse so eingespeist werden, daß ein symmetrisch wechselnder Magnetfluß entsteht. Das Ergebnis besteht darin, daß die synchrone Geschwindigkeit der Maschine um den Faktor K gegenüber derjenigen verändert ist, die der Polzahl und der Netzfrequenz entspricht.

Die nachstehende Aufzählung zeigt die möglichen Werte für den Faktor K, definiert als die Beziehung zwischen der Frequenz der Sekundärspannung und der Netzfrequenz bei Transformatoren oder als das Verhältnis von tatsächlicher Motordrehzahl, die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung erhalten wird, und der synchronen Drehzahl, erhalten aus der Polzahl des Rotors und der Netzfrequenz. Bei den höchsten K-Werten muß der Zündwinkel groß gewählt werden (150°) und die Möglichkeiten, eine mehrphasige Sekundärspannung zu erhalten, sind beschränkt. Die möglichen K-Werte sind: 6, 5, 4, 3, 1, 0,5, 3/4, 3/5, 1/2 usw..

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren der Zeichnung näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines entsprechend der Erfindung gespeisten Transformators;

Fig, 2 und 3

zeigen den Stromfluß in der Primärwicklung des "* Transformators nach Fig. 1 ; Fig. 4 zeigt einen Drei phasentransformator;

Fig. 5 zeigt den Stromfluß in dem Transformator nach

Fig. 4;
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Fig, 6a und 6b

zeigen eine Schaltung zur Umwandlung eines Breiphasensignals in ein Dreiphasensignal höherer

Frequenz;
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Fig. 7 zeigt die Lage und die Zusammenschaltung der

Primär- und Sekundärwicklungen der in den Fig. 6a und 6b gezeigten Schaltungen;

Fig. 8 zeigt^wie die drei Sekundär-Phasenspannungen aus den Netzspannungsimpulsen bei den Schaltungen nach den Fig. 6a, 6b und 7 entstehen;

Fig, 9 zeigt eine alternative Schaltunganordnung zu der nach Fig. 6a;

Fig. 10 zeigt die Zusammenschaltung der Primär- und Sekundärwicklungen in der Schaltung nach Fig. 9;

Fig. 11 zeigt die in der Schaltung nach Fig. 10 vorliegenden Impulse;

Fig, 12 zeigt die Anordnung der Wicklungen eines Elektromotors ;

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Fig. 13 zeigt die Zusammenschaltung der Wicklungen aus Fig.12;

Fig. 14 zeigt die Impulse in den Wicklungen nach Fig. 13;

"■ - ■--■■■..- .■-■■-.::

Fig. 15 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines dreiphasigen Signals in ein einphasiges Signal;

Fig. 16 zeigt die Impulse in der Schaltung nach Fig. 15;

Fig. 17a und 17b

zeigen eine weitere Schaltung und ihre Zusammenschaltung zur Erzielung einer Anzahl unterschiedlicher Frequenzänderungen;

Fig. 18 und 19

zeigen unterschiedliche Impulse, die in den Schaltungen nach den Fig.. 17a und 17b auftreten, und

Fig. 20 zeigt eine Schaltung zur Frequenzänderung.

Beispiel 1
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, einen alternierenden Magnetfluß dadurch zur erzielen, daß man Stromimpulse in solcher Richtung durch voneinander verschiedene Wicklungen fließen läßt, daß ein Impuls in einer Wicklung und ein anderer Impuls in einer anderen Wicklung einen Magnetfluß der gleichen Stärke in entgegengesetzten Richtungen ergibt.

Fig. 1 zeigt, daß die positive Halbwelle einen positiven Fluß in der Wicklung A und die negative Halbwelle einen negativen Fluß in der Wicklung B ergibt,

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Fig. 2 zeigt, daß der Strom i plus in der Wicklung A von null T/2 fließt und dabei den nach oben gerichteten positiven Magnetfluß 0+. In Fig. 3 ist gezeigt, wie der Strom i in der Wicklung P von P/2 bis T fließt und den Magnetfluß 0- bewirkt.

Der Durchschnittswert des Magnetflusses während der gesamten Periode entspricht 0. . ·

Beispiel 2

Fig. 4 zeigt eine Zusammenschaltung, in der die Primärwicklung auf einem Transformator in drei getrennte Teilwicklungen aufgeteilt ist, die zwischen die Phasen eines dreiphasigen WechselStromnetzes geschaltet sind. In jeder Teilwicklung liegt ein Paar antiparallel geschalteter Thyristoren mit einem Zünd-• winkel von 120° in Serie. Jedes Thyristorpaar kann durch einen Triac ersetzt sein. Somit werden die Impulse 1 und 4 der Außenleiterspannung ü_R__s an die Wicklung A gelegt. Die Impulse 3 und 6 stammen von der Außenleiterspannung ü_g__T und sind der Wicklung P zugeführt, die Impulse 2 und 5 von der Außenleiterspannung "U™·™ gelangen an die Wicklung C. Wie Fig. 5 zeigt, gelangen die Impulse in der Reihenfolge 1 bis 6 an die Wicklungen A, C, B, A, C, B, wobei jeder zweite Impulsanteil negativ und die anderen Impulsanteile positiv sind. Wie Fig. 5 zeigt, beträgt die Frequenz der Impulse das dreifache der Eingangsfrequenz. Die Frequenz der an der Lastwicklung auftretenden Spannung beträgt deshalb 150 Hz gegenüber der Netzfrequenz von 50 Hz. Bei einer Schaltungsanordnung wie in Fig. 5 ergibt eine dreiphasige Spannung mit der Frequenz f eine einphasige Spannung mit der Frequenz 3f oder einen Magnetfluß im Magnetkreis mit der Frequenz 3f.

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Beispiel 3

In den Schaltungen nach Fig. 6 und 7 wird eine Dreiphasenspannung mit der Frequenz f in eine Dreiphasenspannung -> mit der Frequenz 2f umgeformt. Die Zündwinkel· der Thyristoren betragen 120°. A, B und C sind drei Thyristorbrücken, wobei die Wechselspannung bei 1 und 2 angeschlossen ist und die Gleichspannungsausgänge 3 und 4 mit den Wicklungen verbunden sind. Die Phasen R, S und T des Wehsel-Stromnetzes sind in der in Fig. 6 gezeigten Art angeschlossen. Jede Primärwicklung des Transformators besteht aus zwei Teilwicklungen. Die Wicklungen X1 und X2, Y1 und Y2 sowie Z1 und Z2 sind die jeweiligen Teilwicklungen der Phasen X, Y und Z. Wi, W2 und W3 sind die Sekundärwicklungen.

Wie in Fig. 7 zu sehen, ist der Anschluß A3 der Transistorbrücke A an den Eingang der Wicklung X1 angeschlossen, deren Ausgang mit dem Ausgang der Wicklung Y2 verbunden ist. Der Eingang der Wicklung Y2 ist mit A4 verbunden.

In der gleichen Weise ist der Anschluß P3 der Thyristorbrücke P mit dem Eingang der Wicklung Y1 verbunden, deren Ausgang am Ausgang der Wicklung Z2 liegt, deren Eingang wiederum mit P4 verbunden ist. Die Thyristorbrücke C ist in der gleichen Weise mit der Wicklung Z1 verbunden, die mit der Wicklung X2 verknüpft ist.

Fig. 8 zeigt, wie die dreiphasigen Sekundärspannungen aus den Impulsen der Thyristorbrücken entstehen. Die Frequenz der Sekundärspannungen ist das Doppelte der Netzfrequenz und sie sind gegeneinanderum 120° phasenverschoben.

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Es ist anzumerken, daß alle positiven Impulse von den Wicklungen X1, Y1 und Z1 stammen und alle negativen Impulse von den Wicklungen X2, Y2 und Z2.

Die Thyristorbrücken A, B und C können auch, wie in Fig. gezeigt, in Sternschaltung betrieben werden.

Beispiel 4

Umwandlung eines Dreiphasensystems der Frequenz f in ein Zweiphasensystem der Frequenz 3f.

In Fig. 10 ist der obere Transformator über ein antiparallel· geschadet Thyristoren (oder Triacs) in Sternschaltung ausgelegt, während der untere Transformator über antiparallel geschaltet Thyristoren (Triacs) in Dreieckschaltung am Netz liegt. Diese Anordnung hat den Zweck, höhere Frequenzen und eine Phasenverschiebung von 90° der Sekundärspannungen zu erzielen. Der Zündwinkel sollte ca. 120° betragen.

Wie Fig. 11 zeigt, eilen die Impulse an den Wicklungen Y1 um 30° gegenüber den Impulsen an den Wicklungen X1... vor, wenn 360° einer Netzperiode entsprechen. Da die Frequenz auf der Sekundärseite drei^mal höher ist, beträgt der Winkel zwischen den Sekundärspannungen X_c und Yg 90°. Der Vorteil dieser Schaltung ist offensichtlich für die Anwendung bei einem Motor, wenn die zwei Transformatoren nach Fig. 10 durch den Stator eines Zweiphasenmotors ersetzt sind, bei dem jede Phasenwicklung aus drei parallelen Teilwicklungen X1, X2, X3 und Y1,Y2 und Y3 besteht, die räumlich um 90° el.gegeneinander versetzt sind. Nach der Elektromaschinen-Theorie entsteht ein rotierender Fluß, dessen Synchrongeschwindigkeit von der Netzfrequenz und der Polzahl der Statorwicklung abhängt.

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Somit hat der Motor die normalen Startbedingungen wie alle Dreiphasenmotoren.

Beispiel 5
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Motor für 9000 Umdrehungen/min (2 Polpaare, 50 Hz) in Stern- und Dreieckschaltung

Der Motor ist als Zweiphasenmotor gewickelt, mit einer Phasenversetzung von 90 .Jede Phasenwicklung besitzt drei Teilwicklungen X1, X2, X3 bzw. YI, Y2, Y3, die gleichmäßig angeordnet sind.

Fig. 12 zeigt das Wicklungsschema des Motors.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind jeder Phasenwicklung ein Paar antiparallel geschalteter Thyristoren zugeordnet. Der Fluß in jeder Phase ist dann um 90 phasenverschoben. Die Frequenz des Flußes ist dann das Dreifache der Netzfrequenz, was bedeutet, daß das Drehfeld bei 50 Hz mit 9000 Umdrehungen/min und bei60 Hz mit 10 800 Umdrehungen /min rotiert. Die Phasenwicklung X ist in Dreieckschaltung und die Phasenwicklung Y in Sternschaltung angeschlossen, vgl.

Fig. 13. Die Thyristoren werden bei 120 gezündet.

Fig. 14 zeigt die Erzeugung der Impulse in den Phasenwicklungen X und Y. Man sieht, daß die Frequenz der am Motor liegenden Spannung dreimal größer ist als die Netzfrequenz und daß die Impulse an den Phasenwicklungen X und Y um 90 phasenverschoben sind.

Beispiel 6

Symmetrische Belastung eines Dreiphasennetzes mit einer einphasigen Last.

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Nach der Erfindung kann eine tiefere Frequenz dadurch erhalten werden, daß getrennte Teilwicklungen derselben Phase mit Impulsen gespeist werden.

Fig. 15 zeigt, wie drei Paare von antiparallelen Thyristoren (Zündwinkel 120°), die an getrennte Primärwicklungen eines Transformators angeschlossen sind, eine Dreiphasenspannung in eine Einphasenspannung umwandeln. Die Fig. 4 und 5 beschreiben die Schaltungen und das Prinzip der Frequenzvervielfachung mit drei. In Fig. 15 dagegen ist eine Teilwicklung im Vergleich zu Fig. 4 umgekehrt angeschlossen. Diese Teilwicklung muß zur Erzeugung eines höheren Sekundärimpulses eine geringere Anzahl von Windungen haben. Dies führt zu einer Spannung an der Sekundärspule, die mehr der Sinusform angenähert ist. Fig. 15 zeigt das Prinzip.

. Beispiel 7

Allgemeine Schaltungen mit der Möglichkeit die Frequenz zu wählen oder zu regeln.

Wie zuvor erwähnt, besteht das Wesen der Erfindung darin, die Teilwicklungen mit einer entsprechenden Sternspannung oder Außenleiterspannung zu versorgen. Es ist erforderlich, daß die Primärwicklung des Transformators bzw. des Motors eine entsprechende Zahl von Teilwicklungen aufweist. Diese Zahl hängt von der gewünschten Frequenz ab.

Nachstehend sind einige Beispiele zur Erzielung unterschiedlicher Frequenzen beschrieben, und zwar sowohl höherer als auch niedrigerer Frequenzen als die Frequenz des Wechselstromnetzes. Der MuItiplikationsfaktor K kann eine ganze Zahl sein, wie z.B. 1, 2, 3 usw. oder eine Bruchzahl z.B. 3/2, 3/4, 3/5, 1/2 usw. Das Prinzip wird an zwei Beispielen erläutert.

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Fig. 17 zeigt eine Möglichkeit der Anordnung der Teilwicklungen. Sechs Thyristorbrücken sind an sechs Teilwicklungen angeschlossen. Drei der Thyristorbrücken sollen so angeschlossen sein, daß sie einen positiven Magnetfluß ergeben, und die anderen drei so, daß sie einen negativen Magnetfluß ergeben. Zur Vereinfachung wird ein Einphasentransformator beschrieben. Als Beispiel für zwei unterschiedliche Zündwinkel sind 120 und 60 genannt. Die Tabelle zeigt die Zündfolge der Thyristorbrücken zur Erreichung des gewünschten K'-Wertes.

Zündwinkel	R⁺	Zündfolge	R	8	T⁺	S	K	3
	R⁺	T~ S⁺	R~		T⁺	S⁺	3/2
120°	R⁺	T⁺ S~	R~	T~	s~	1
	R⁺	T⁺ S⁺	R⁺	T⁺	s"	3/4
	R⁺	T⁺ S⁺	R⁺	T⁺	s~	3/5
	R⁺	T⁺ S⁺	R~	S⁺	T~	3/2
	R⁺	s" T⁺	R"	S⁺	T⁺	3/4
60°	R⁺	S⁺ T~	R~	s~	T~	1/2
		S⁺ T⁺
	Beispiel

Bei Verwendung von Thyristorbrücken und Leistungstransistoren einer bestimmten Art läßt sich eine kontinuierlieh variable Frequenz erzielen. Die Wicklung ist-auch hier in zwei Teile getrennt. Der eine Teil ergibt den positiven Magnetlfluß und der andere den negativen Magnetlfuß. Der Transistor wird durch eine Steuerschaltung geschaltet ,die die gewünschte Frequenz ergibt.

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Es ist noch zu erwähnen, daß ein Viel-Phasensystem durch Erzeugung mehrerer Phasen erhalten werden kann.

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Claims

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Patentansprüche

Schaltungsanordnung für ein- oder mehrphasige elektrische Maschinen mit mindestens einer Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung unter Verwendung von Halbleiterbauelementen, über die die Primärwicklung(en). am Netz liegen , gekennzeichnet durch folgende Merkmale: jede. Primärwiddung besteht aus Teilwicklungen mit herausgeführten Anschlüssen und die Teilwicklungen sind über die Halbleiterbauelemente so mit Impulsen aus dem Netz gespeist, daß im magnetischen Kreis der Maschine abwechselnd ein positiver und ein negativer Magnetfluß entsteht und die Sekundärspannung eine Frequenz erhält, die um einen Faktor K (K = 1/2, 3/5, 3/4, 3/2, 1, 2, 3, 4, 5, 6 etc.) von der Netzfrequenz abweicht, wobei der Faktor K vom Zündwinkel der Halbleiterbauelemente abhängig ist.
2. Schaltunganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

andere
net, daß dieselbe oder eine Phasenanzahl und dieselbe oder eine andere Frequenz als die Netzphasenzahl bzw. die Netzfrequenz auf der Sekundärseite der elektrischen-Maschine auftreten.
3. Schaltunganordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Umwandlung eines Drei- in ein Zweiphasensystem zwei Transformatoren verwendet sind, wobei die drei primären Teilwicklungen des einen bzw. des anderen Transformators jeweils über antiparallel geschaltete Thyristoren oder über Triac in Dreieckschaltung bzw. in Sternschaltung an das Dreiphasen-

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netz gelegt sind und die beiden Phasen des Zweiphasensystems an der jeweiligen Sekundärwicklung der beiden Transformatoren abgenommen werden.
4. Schaltunganordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Umwandlung eines Drei- in ein Einphasensystem ein Transformator mit drei primären Teilwicklungen (X1, X2, X3) dient, von denen die mittlere (X2) eine kleinere Windungszahl hat als die beiden anderen und daß die mittlere Teilwicklung (X2) in umgekehrten Sinn Stromdurchflossen ist wie die beiden anderen.

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