DE571048C

DE571048C - Synchroner Einankerumformer zur Umformung von Ein- oder Mehrphasenstrom einer Frequenz in solchen anderer Frequenz

Info

Publication number: DE571048C
Application number: DEA56324D
Authority: DE
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1927-12-23
Filing date: 1928-12-23
Publication date: 1933-02-23
Also published as: GB302904A; US1800027A

Description

Die Erfindung betrifft einen als Einankermaschine ausgebildeten Frequenzumformer, der insbesondere zur Erzeugung von Strömen höherer Frequenz verwendet werden kann. Der Frequenzumformer gemäß der Erfindung besitzt nur einen einzigen Ständer und einen einzigen Läufer. Der eine Teil, vorzugsweise der Ständer, ist mit zwei elektrisch voneinander unabhängigen Wechselstromarbeitswicklungen versehen. Die eine dieser Wicklungen, die Motorwicklung, wird mit dem Netz verbunden, so daß der mit ausgeprägten Polen ohne Gleichstromerregung versehene Läufer hochlaufen und die Maschine als synchroner Reaktionsmotor arbeiten kann. Der wattlose Strom erzeugt in den- ausgeprägten Polen des Induktors bei Synchronismus einen gleichgerichteten Kraftfluß. Dieser Kraftfluß erzeugt in der zweiten Wicklung, der Generatorwicklung, F)MKe, genau wie es bei einem Drehfeldwechselstromerzeuger der Fall ist. Dadurch unterscheidet sich die Maschine gemäß der Erfindung von einer mit Gleichstrom erregten Induktormaschine. Die Generatorwicklung hat einen kürzeren Wicklungsschritt und besitzt eine größere Anzahl von Polen als die Motorwicklung. Das Polzahlverhältnis der beiden Wicklungen richtet sich nach der gewünschten Frequenz. Die mit der Maschine gemäß der Erfindung erhaltene höhere Frequenz kann in drei Gruppen eingeteilt werden, in Frequenzen von einem ungeraden Vielfachen der Netzfrequenz (z.B. 3, 5, 7 usw.), in Frequenzen von einem geraden Vielfachen der Netzfrequenz (z. B. 2, 4, 6 usw.) und in Frequenzen von einem nicht ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz (z. B. I¹Z₂, 2¹J₂, 3V2 usw.). Entsprechend können die Frequenzumformer gemäß der Erfindung ebenfalls in drei Gruppen I, II, III eingeteilt werden.

Jede dieser Gruppen von Maschinen erfordert eine etwas andere Anordnung der Induktorpole und der Generatorarbeitswicklung.

Die Erfindung ist in mehreren Ausführungsformen beispielsweise in der Zeichnung veranschaulicht. Es stellt dar Abb. 1 einen Frequenzumformer gemäß der Erfindung der Gruppe I, Abb. 2 eine Erläuterungsskizze zu einer derartigen Maschine, wobei das Frequenzverhältnis 3 ist, Abb. 3 einen Frequenzumformer der Gruppe I mit dem Frequenzverhältnis 5, Abb. 4 eine Erläuterungsskizze für eine Maschine mit dem Frequenzverhältnis 7, Abb. 5 einen Frequenzumformer gemäß

der Erfindung zur Erzeugung der Frequenzen der Gruppe II mit dem Frequenzverhältnis 4, Abb. 6 eine Erläuterungsskizze hierzu, Abb. 7 eine Erläuterungsskizze für einen Frequenz-S umformer der Gruppe III mit dem Frequenzverhältnis 2¹^.

Der einen einzigen Anker aufweisende Frequenzumformer der Abb. 1 hat ein Frequenzverhältnis 3, d. h. er erhöht die aus dem Netz entnommene Frequenz von beispielsweise 60 Perioden auf das Dreifache, also auf 180 Perioden. Der Ständer ist mit einer zweipoligen Wechselstromwicklung 11 (Motorwicklung) versehen. · Diese Wicklung liegt auf dem Grund der Nuten des Ständers. Der Ständer trägt ferner eine sechspolige Generatorwicklung 12, die oberhalb der Motorwicklung ebenfalls in den Nuten des Ständers eingebettet ist. In der Zeichnung sind nur die Stirnverbindungen der einen Stirnseite der Maschine dargestellt. Es sollen damit einphasig verteilte Wicklungen angedeutet werden, wobei die Spulen jeder Wicklung in Reihe geschaltet sind, und zwar so, daß man abwechselnd einen Nord- und einen Südpol erhält. Die Motorwicklung 11 ist zu den Klemmen 13 zum Anschluß an die Speiseleitung und die Generatorwicklung 12 zu den Klemmen 14 zum Anschluß an das mit höherfrequentem Strom zu versorgende Netz geführt. Die eine oder beide dieser Wicklungen können auch mehrphasig sein.' Der Einfachheit halber sind in der Zeichnung jedoch beide Wicklungen einphasig gezeichnet. Der Induktori5 trägt eine Anlauf wicklung 16. Er ist mit ausgeprägten Polen versehen, damit man synchronen Lauf und den gleichgerichteten Fluß erhält. Im vorliegenden Falle ist die verwendete Anlaufwicklung ähnlich den bei Wechselstromkommutatormotoren der Repulsionstype verwendeten Wicklungen. Die Anlauf wicklung 16 ist mit dem Kommutator 17 verbunden, dessen entgegengesetzte Lamellen über Bürsten 18 kurzgeschlossen sind. Bei Verwendung einer mehrphasigen Motorwicklung könnte auch eine Käfigwicklung verwendet werden. Der Läufer besitzt zwei ausgeprägte Pole, die aus mit Polschuhen versehenen Zähnen gebildet sind. Jeder Pol bego steht aus fünf Zähnen. Der gleichgerichtete Fluß erzeugt in der Generatorwicklung 12 eine EMK dreifacher Netzfrequenz, so daß an den Klemmen 14 ein Strom dreifacher Netzfrequenz abgenommen werden kann. Die Wirkungsweise des Frequenzwandlers der Abb. 1 ergibt sich aus der Abb. 2. Der Teil 15 sei der Induktor mit den ausgeprägten Polen N und S. 11 ist die Motorwicklung, 12 die Generatorwicklung des Ständers. Die Breite der Induktorpole ist angenähert gleich der Breite des Durchmessers einer Spule der Generatorwicklung und ein Drittel des Durchmessers einer Spule der Motorwicklung. Zur Vereinfachung sind die Spulen der Generatorwicklung in der Abb. 2 mit i, 2, 3, 4 und 6 bezeichnet. Man sieht aus der Zeichnung, daß die mit geraden Zahlen versehenen Spulen in dem einen Sinne, die Spulen mit ungeraden Zahlen in dem anderen Sinne gewickelt sind. Bewegt sich der Läufer in der Pfeilrichtung, so nimmt der durch die Spule 1 hindurchtretende Kraftfluß ab und der durch die Spule 2 hindurchgehende Fluß zu. Beim Südpol nimmt der Fluß durch die Spule 4 ab und der Fluß durch die Spule 5 zu. Wenn der Fluß des Nordpols und des Südpols entgegengesetzte Richtungen haben, addieren sich die EMKe in den Spulen 1, 2, 4 und 5. Man erhält in zwei Drittel aller Generatorspulen Spannung dreifacher Netzfrequenz.

Soll das Frequenzverhältnis 5 sein, so müssen zehn Generatorspulen vorgesehen werden. Würde man die Konstruktion der Abb. ι beibehalten, so würden sich die wirksamen Läuferpole noch mehr zusammendrängen. Eine für einen Frequenzumformer mit dem Frequenzverhältnis 5 bessere Ausführungsform zeigt die Abb. 3. Bei dieser sind pro Pol der Motorwicklung zwei Induktorpole vorgesehen.

In der Abb. 3 sind mit der Abb. 1 gleichartige Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in der Abb. 1 gekennzeichnet. Die Spulenzahl der Generatorwickiung 12' ist auf zehn vermehrt. Der Läufer 15' ist mit zwei Hilfspolen pro Hauptpol versehen. Die Pole sind mit N und. 6" bezeichnet. Die ausgeprägten Pole des Nordpoles N stehen den in der einen Richtung gewickelten Generatorspulen, die Pole des Südpoles den in der anderen Richtung gewickelten Generatorspulen gegenüber, so daß die EMKe der acht wirksamen Generatorspulen sich addieren. Der an den Klemmen 14 abgenommene Strom besitzt dann fünffache Netzfrequenz.

Die Feldverteilung ist dann so, als ob zwei Hilfspole gleicher Polarität abwechselnd den Polen der Generatorwicklung gegenüberstehen. '

Das gleiche Prinzip kann auch zur Erzeugung noch höherer Frequenzen verwendet werden. Beispielsweise werden bei einem Frequenzverhältnis 7 drei ausgeprägte Pole pro Motorpol verwendet, bei einem Frequenzverhältnis 9 vier Pole pro Motorpol, bei einem Frequenzverhältnis 11 fünf Pole pro Motorpol.

Abb. 4 stellt eine Erläuterungsskizze für einen Frequenzumformer gemäß der Erfindung mit dem Frequenzverhältnis 7 dar. Die zweipolige Motorwicklung ist mit 11, die

vierpolige Generatorwicklung mit 12 und die Motorpole des Läufers mit JV" und 5" bezeichnet. Auf einen Pol der Motorwicklung treffen stets drei Pole des Induktors. In Abb. 5 ist eine Maschine gemäß der Erfindung der Gruppe II veranschaulicht, wobei das Frequenzverhältnis 4 ist. Die zweipolige Motorwicklung ist mit 11, die achtpolige Generatorwicklung mit 12" bezeichnet. Der Induktor ist in bezug auf die Zahl der Teilpole der Motorpole unsymmetrisch. Der Nordpol besteht aus zwei Teilpolen, der Südpol nur aus einem. Da der Abstand der Nordteilpole bedeutend geringer ist als der Abstand zwischen einem Nordteilpol und dem Südpol, wird der Induktor als Reaktionsmotorläufer synchron umlaufen. Die unsymmetrische Anordnung der Induktorpole kann durch irgendwelche zusätzlichen Schwungmassen ausgeglichen werden. Die Anlaufwicklung für den Läufer ist in der Abb. 5 weggelassen.

In der Abb. 6 ist der Ständer und der Läufer der Abb. 5 in die Ebene abgewickelt. Aus dieser Abbildung ersieht man, daß sich die EMKe in der Generatorwicklung addieren, ferner daß nicht alle Spulen zu gleicher Zeit wirksam sind. Wird der Motorwicklung dieser Maschine oöperiodischer Wechselstrom zugeführt, so erhält man in der Generatorwicklung 24operiodischen Wechselstrom. Das gleiche Schema gilt entsprechend für Maschinen der Gruppe II mit anderem Frequenzverhältnis.

Zusammenfassend gilt für beide Gruppen von Maschinen (I und II) die Regel, daß die Gesamtzahl der Induktorpole pro Motorpolpaar gleich ist dem Frequenzverhältnis minus 1, also beispielsweise für die Maschine der Abb. ι: Anzahl der Induktorpole: 3 — 1=2, und für die Maschine der Abb. 5: 4 — 1 = 3. In Abb. 7 ist eine Maschine der Gruppe III veranschaulicht. Die Maschine besitzt ein Frequenzverhältnis 2Y₂. Die vierpölige Motorwicklung ist mit 11', die zehnpolige Generatorwicklung des Ständers mit 12 und der Induktor mit 15 bezeichnet. Der Induktor besitzt zwei Pole derselben Polarität mit unsymmetrischer räumlicher Verteilung und einen dritten der entgegengesetzten Polarität. Dieser dritte Pol befindet sich in der Mitte des größeren Abstandes der beiden Pole derselben Polarität. In der in der Abb. 7 gezeichneten Stellung des Läufers sind sechs Generatorspulen i, 2,,4, 5, 7· und 8 wirksam. Die induzierte Spannung hat in allen Spulen dieselbe Richtung, so daß sich die einzelnen Beträge zu der genannten hochfrequenten Spannung zueinander addieren.

Für die Anordnung der Abb. 7 gilt ebenfalls die vorerwähnte Regel, daß die Zahl der Pole pro Motorpolpaar gleich ist dem Frequenzverhältnis minus 1.

Der einphasige Frequenzumformer erzeugt unerwünschte höhere Harmonische. Zu deren teilweisep Beseitigung kann die in der Abb. 1 und 3 dargestellte Anlaufwicklung im Lauf als Dämpferwicklung verwendet werden. Zu diesem Zwecke wird die Wicklung in an sich bekannter Weise mit einer Vorrichtung, z. B. einem· Fliehkraftschalter, zum vollständigen Kurzschließen des Kommutators versehen.

Die Neigung zur Bildung von Harmonischen in der Motorwicklung kann dadurch vermindert werden, daß man die Wicklung so verteilt, daß ihr Fluß soweit als möglich eine sinusförmige Gestalt annimmt.

Claims

Patentansprüche:

1. Synchroner Einankerumformer zur Umformung von Ein- oder Mehrphasenstrom einer Frequenz (Z₁) in solchen anderer Frequenz (^₂) mit in demselben wirksamen Eisen angeordneter Motor- und Generatorarbeitswicklung und einem gemeinsamen Induktor mit ausgeprägten Polen, dadurch gekennzeichnet, daß der motorisch wirkende Teil als Reaktionsmotor ausgebildet ist und die Polbreite des Induktors ganz oder angenähert gleich der Polteilung der Arbeitswicldung höherer Frequenz ist, wobei je nach dem Frequenzverhältnis ein oder mehrere nebeneinanderliegende Induktorpole von der Motorarbeitswicklung gleichnamig erregt sind.

2. Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der Pole pro Motorpolpaar gleich

f., . ,

^Jf —ι ist.

3. Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor mit einer Wicklung für ■ den Anlauf des Umformers versehen ist.

4. Frequenzwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einphasig gespeisten Umformern die Anlauf wicklung in gleicher Weise wie bei einem Repulsionsmotor ausgebildet ist und der Kornmutator während des Betriebes durch eine an sich bekannte Vorrichtung kurzgeschlossen ist, so daß die Wicklung als Dämpferwicklung wirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen