DE582686C - Einrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom veraenderlicher Frequenz - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
21. AUGUST 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVl 582686 KLASSE 21 d² GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche Vom 12. Oktober 1926 ab

DieVerwendungvonmehrphasigemWechselstrom veränderlicher Frequenz (Wandelfrequenz) und regelbarer Spannung bietet für Antriebe, deren Umlaufzahl in beliebigen Grenzen verlustlos und feinstufig geregelt werden soll, den Vorteil, daß der Antriebsmotor die einfachste Form eines Asynchronmotors mit Käfiganker erhalten und dabei in jedem Belastungszustand unter den wirtschaftlichsten Verhältnissen arbeiten kann. Das Verfahren wird noch weiter vervollkommnet, wenn die Frequenz des Betriebsstromes neben der willkürlichen Regelung noch selbsttätig von dem Belastungszustand des gespeisten Motors beeinflußt wird, so daß sich mit wachsender Stromaufnahme des Motors die Frequenz verringert und umgekehrt; der Asynchronmotor nimmt alsdann Belastungsschwankungen nachgiebig auf, wie dies in den hauptsächlichsten Verwendungsfällen, z. B. beim Fahrzeugantrieb, erwünscht ist.

Was die Erzeugung des Wandelfrequenzstromes anbetrifft, so gelten die Betrachtungen darüber sinngemäß für Einphasenwie für Mehrphasenstrom. Da für die Nutzanwendung dieser in erster Linie in Betracht kommt, ist den weiteren Darlegungen die Erzeugung von Drehstrom veränderlicher Frequenz zugrunde gelegt.

Zur wirtschaftlichen Erzeugung von, Wandelfrequenzströmen bei regelbarer Spannung ist die Benutzung von Stromwendermaschinen bekannt, in denen ein mit veränderlicher Geschwindigkeit umlaufendes Drehfeld induzierend wirkt, während die Maschine selbst mit unveränderlicher Drehzahl angetrieben wird. Das umlaufende Erregerfeld muß wiederum durch einen Wandelfrequenzstrom erzeugt werden. Es ist bekannt, daß man diesen entweder dem Ständer oder — über Schleifringe oder über die Stromwenderbürsten — dem Läufer der Hauptmaschine zuführen kann, wobei seine Frequenz je nachdem im gleichen oder entgegengesetzten Sinne verändert wird wie die des zu ■ erzeugenden Stromes. Die ursprüngliche Gewinnung eines Wandelfrequenzstromes ist aber mit bekannten Mitteln umständlich und unwirtschaftlich; denn letzten Endes braucht man stets eine mit veränderlicher Drehzahl arbeitende Synchronmaschine, zu deren Antrieb wiederum ein regelbarer Motor und zu deren Erregung eine Gleichstromquelle nötig sind. Bestenfalls können die Synchronmaschine und ihr Antriebsmotor zu einem immerhin verwickelten Umformer vereinigt werden. Bekannt ist ferner das Verfahren, zwecks Verkleinerung der vorerwähnten unvorteilhaften Hilfseinrichtungen den mit diesen erzeugten Wandelfrequenzstrom zunächst zur Erregung einer größeren, mit der Hauptmaschine synchron arbeitenden Hilfsmaschine von gleicher Bauart wie diese, also einer Drehfeldmaschine mit Stromwender, zu benutzen, die dann ihrerseits den Erregerstrom für den

Ständer oder den Läufer der Hauptmaschine liefert. Ihre Regelung hat je nachdem in verschiedenem Sinne zu erfolgen.

Die zur Erzeugung von Wechselstrom veränderlicher Frequenz dienende Einrichtung wird nach der Erfindung zunächst dadurch vereinfacht, daß die Hauptmaschine zugleich vom Ständer und vom Läufer aus mit den beiden — im allgemeinen verschiedenen—Frequenzen und Spannungen erregt wird, und daß die beiden Erregerspannungen durch ein mit veränderlicher Geschwindigkeit umlaufendes Drehfeld in je einer im Ständer und Läufer einer einzigen Hilfsmaschine angeordneten Phasenwicklung erzeugt werden. Das umlaufende Erregerfeld in der Hilfsmaschine möge zunächst beliebig, z. B. durch Zuführung eines Wandelfrequenzstromes von außen, hergestellt sein. Zwar ist in anderm Zusammenhange die gleichzeitige Erregung einer Maschine vom Ständer und Läufer aus bekannt. Der Zweck ist dabei aber ein anderer und die Ausführung durchweg abweichend und verwickelter, da die beiden Erregerströme der Hauptmaschine nicht aus ein und derselben Hilfsmaschine zugeführt werden. Demgegenüber ist nach der Erfindung jede der vorerwähnten Phasenwicklungen der Hilfsmaschine für sich an die entsprechende, zur Erregung der Hauptmaschine dienende Wicklung der Hauptmaschine angeschlossen. Die Verbindungen gehen also vom Ständer der einen zum Ständer der andern Maschine und entsprechend von Läufer zu Läufer. Für die Stromwenderhauptmaschine ist es gleichgültig, auf welche Weise das Erregerfeld erzeugt wird. Der Vorteil der angegebenen Schaltung besteht jedoch darin, daß man für die Wechselstrom-Erregermaschine keine Verbindung zwischen Ständer und Läufer und demzufolge keinen Stromwender braucht, gegebenenfalls auch eine gegebene Erregerleistung besser ausnutzen kann, da sich Ständer und Läufer in ihrer Wirkung ergänzen.

Bei gleicher Polzahl sind Haupt- und Hilfsmaschine unmittelbar zu kuppeln, und die Verbindungen zwischen ihren Läuferwicklungen können durch die gemeinsame Welle geführt werden, so daß auch Schleifringe zur Stromübertragung zwischen beiden Maschinen entbehrlich sind.

Die grundsätzliche Anordnung ist in Fig. 1 an einem Beispiel schematisch und ohne Rücksicht auf den Schaltsinn der Wicklungen dargestellt. Weggelassen sind der Antriebsmotor, der die unmittelbar gekuppelten Läufer der Haupt- und Hilfsmaschine mit unveränderlicher Drehzahl in Umlauf setzt, der Stromverbraucher und die Einrichtungen zur Erzeugung des Drehfeldes in der Hilfsmaschine und zur Regelung der Erregerfrequenz. Mit f und g sind die Ständer- und Läuferwicklung der Hilfsmaschine bezeichnet, die zur Erzeugung des Erregerstromes für die Hauptmaschine dienen, mit h und I die Arbeitswicklungen im Ständer und Läufer der Hauptmaschine, die an sich der für vorliegenden Zweck bekannten Ausführung mit Stromwender k und Bürsten i entspricht. Wendepole sind nicht mit dargestellt. Man kann zur Erregung der Hauptmaschine besondere Wicklungen verwenden oder, wie nach dem Schaltbild vorgesehen, den Arbeitswicklungen h und I die beiden in f und g erzeugten Frequenzen unmittelbar aufdrücken.

In bekannter Weise könnte die Hauptmaschine mit der in der Wicklung f erzeugten Frequenz für sich vom Ständer aus und mit der in der Wicklung g erzeugten Frequenz im gleichen Sinne vom Läufer aus erregt werden, wobei bei jeder Umlauf zahl des Erregerfeldes die Spannung in der Wicklung h mit der in der Wicklung f und die Spannung in der Wicklung I mit der in der Wicklung g verhältnisgleich bleibt und die Größe dieser Spannungen, damit auch die von der Hauptmaschine gelieferte Klemmenspannung, nur von der Stärke des auf die Wicklungen / und g wirkenden umlaufenden. Erregerfeldes abhängt. Bei der gleichzeitigen Erregung der Hauptmaschine vom Ständer und vom Läufer aus setzen sich die Wirkungen gleichgerichtet zusammen.

Die Einrichtung kann weiter dadurch ver- ' einfacht und vervollkommnet werden, daß die Erregung der Hilfsmaschine nicht durch Zuführung eines Wandelfrequenzstromes von außen erfolgt, sondern mittels eines mit Gleichstrom erregten Hilfsläufers. Bekannt ist die Verwendung eines solchen Hilfsläufers, der frei drehbar um die Achse des Arbeitsläufers entweder zwischen diesem und dem Ständer oder innerhalb des Arbeitsläufers angeordnet werden kann und den Sitz des umlaufenden Erregerfeldes bildet, bei Einphasenmotoren und bei Periodenumformern mit feststehendem Innenanker. Während er aber in diesen Fällen zur Ausprägung eines zu der von außen zugeführten festen Frequenz synchronen Drehfeldes dient, wird er hier zur beliebigen Einstellung einer in der Maschine neu zu erzeugenden veränderlichen Frequenz benutzt. Man spart durch die Verwendung des Hilfsläufers die besondere Synchronmaschine nebst regelbarem An- 1x5 triebsmotor zur Erzeugung der Wandelfrequenz, braucht also an Hilfseinrichtungen neben der in Rede stehenden Drehfeldmaschine nur noch eine schwache Gleichstromquelle, während die Frequenzregelung in sehr einfacher Weise, nach Bedarf auch in lelbsttätiger Abhängigkeit von der Belastung,

innerhalb der Hilfsmaschine" selbst zu bewerkstelligen ist.

Ein Beispiel für diese Anordnung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Hierin bedeutet α die Gleichstromquelle, die über den Regelwiderstand b, die Bürsten c und Schleifringe d die Erregerwicklung e eines Hilfsläufers speist, der zwischen dem Ständer f und dem Arbeitsläufer g der Hilfsmaschine

ίο frei drehbar um die Welle angeordnet und auch im vorliegenden Falle in bekannter Weise so auszubilden ist, daß er dem Kraftfluß den Durchtritt nur in radialer Richtung gestattet, nicht aber ein Schließen der. Kraftlinien von Pol zu Pol. Das durch die Wicklung e erregte Magnetfeld wirkt also in gleicher Stärke auf den Ständer wie auf den Innenläufer. Die Schaltung und Wirkungsweise der hier angeordneten Wicklungen / und g und die Ausführung der Hauptmaschine ist die gleiche wie nach Fig. 1. Durch Antrieb von außen werden wiederum die gekuppelten Läufer mit den Wicklungen g und / mit unveränderlicher Geschwindigkeit in Umlauf gesetzt. Der Zwischenläufer wird nicht von außen angetrieben; er steht jedoch unter dem Einfluß der Drehmomente, die die in der Ständer- und der Läuferwicklüng der Hilfsmaschine fließenden Ströme mit dem durch die Wicklung e erzeugten Magnetfeld bilden. Da jede der beiden Wicklungen/ und g sich zu dem Zwischenläufer verhält wie die Ankerwicklung eines Stromerzeugers zu dessen Magnetfeld, wirken die entsprechenden Drehmomente den Relativbewegungen zwischen den Wicklungen / und e einerseits sowie den Wicklungen e und g andererseits entgegen, d. h. der Zwischenläufer wird, solange er langsamer als der Läufer g umläuft, vom Läufer g aus beschleunigt und vom Ständer / aus verzögert; es wirkt auf ihn nur der Unterschied beider Drehmomente, die von gleicher Größenordnung sind. Dieser Unterschied kann willkürlich eingestellt werden; in einfachster Weise z. B. "dadurch, daß man bei Auslegung der Maschine im Läufer einen Überschuß von einigen Amperewindungen herstellt und den Standerstrom im Betriebe mittels eines veränderlichen Nebenschluß-Widerstandes abstimmt. Da der frei drehbare Zwischenläufer'schon einem kleinen Drehmomentüberschuß auf der einen oder andern gehorcht, kann man ihn durch das Abstimmen der Drehmomente in jede beliebige Umlaufgeschwindigkeit' versetzen und darin erhalten. Es spielt sich stets ein Gleichgewichtszustand ein. Wird z. B. der Zwischenläufer zunächst dadurch beschleunigt, daß durch Erhöhen des vorerwähnten Neben-Schlußwiderstandes der Strom in der Wicklung/ und damit das zwischen den Wicklungen/!und e' wirkende" verzögernde Drehmoment geschwächt wird, so nimmt bei unveränderter Erregung mit zunehmender Drehzahl des Hilfsläufers e die Spannung in der Wicklung/ und damit der Strom durch den Nebenschluß wieder zu, bis das Drehmoment zwischen den Wicklungen / und e erneut dem zwischen den Wicklungen e und g das Gleichgewicht hält. Auf diese Weise kann man die in der Hilfsmaschine entstehenden Frequenzen und damit die der Hauptmaschine beliebig zwischen annähernd Null und annäherndem Gleichlauf des Hilfsläufers e mit dem Arbeitsläufer g regeln, während durch Ändern der Gleichstromerregung des Hilfsläufers e zunächst die Spannungen in den Wicklungen/ und g, damit die Stärke des Erregerdrehfeldes in der Hauptmaschine und damit deren Klemmenspannung unabhängig von der Frequenz eingestellt werden.

Statt zum Abstimmen der Drehmomente innerhalb der Hilfsmaschine einen Nebenschlußwiderstand, wie vorerwähnt, zu benutzen, der auch aus dem Ständer der Hauptmaschine einen Teilstrom entnehmen würde, kann man auch eine Hilfswicklung 0 (Fig. 2) verwenden, in der von einer von der Hauptmaschine her aufgedrückten Spannung ein durch Widerstände m regelbarer, den Hilfsläufer beschleunigender Strom erzeugt wird. In diesem Falle erhält die Wicklung / von vornherein etwas mehr Amperewindungen als die Wicklung g. Auch hiermit spielt sich ein Gleichgewichtszustand von selbst ein, weil sich mit der Umlaufgeschwindigkeit des Hilfsläufers e die Gegenspannung in der Wicklung 0 ändert. Die Verluste in den Widerständen sind in jedem Falle sehr geringfügig, weil damit nur die sehr kleinen Leistungen zu regeln sind, die der Hilfsläufer zu seinem Antrieb erfordert.

Einen weiteren Vorteil gewährt die Verwendung des Hilfsläufers durch die Möglichkeit, die Frequenz in selbsttätige Abhängig- log keit von der Belastung der Hauptmaschine zu setzen. Zu diesem Zwecke kann man z. B. nach Fig. 2 auf dem Ständer der Hilfsmaschine noch eine zweite, aus sehr wenigen Windungen bestehende Hilfswicklung^ anordnen, die vom Hauptstrom durchflossen wird. Ist der Schaltsinn derart, daß der von der Hauptmaschine als Stromerzeuger gelieferte Strom in der Wicklung p ein verzögerndes Drehmoment auf den Hilfsläufer ausübt, so verringert sich z. B. mit zunehmender Belastung der Hauptmaschine die Umlaufzahl des Hilfsläufers e, also die Frequenz. Eine willkürliche Beeinflussung der Frequenz erfolgt daneben mittels des durch den Widerstand m regelbaren Stromes in der Wicklung 0.

Bei Zuführung eines (in dem behandelten Beispiel dreiphasigen) Wechselstromes zu ihren Klemmen wirkt die Hauptmaschine umgekehrt als Motor. Dieser Fall tritt z. B. ein, wenn mit dem von der Einrichtung gespeisten Asynchronmotor eine Nutzbremsung ausgeführt wird, wobei dieser übersynchron arbeiten muß. Die Stromrichtung in der Wicklung £ kehrt sich hierbei um. Damit hierto nach wieder eine Abstimmung der auf den Hilfsläufer wirkenden Drehmomente ermöglicht wird, ist zweckmäßig jetzt auch die Stromrichtung in der Wicklung ο umzukehren. Hierzu kann z. B. in diesem Stromkreise ein Umschalter η vorgesehen werden, mittels dessen man die Phasenwicklung 0 von der Hauptmaschine abtrennen und über einen Widerstand m kurzschließen kann. Da die Spannung dieser Wicklung andernfalls von ao der Hauptmaschine her aufgedrückt war, kehrt sich der Strom jetzt um. Die Frequenzregelung erfolgt in diesem Betriebszustand entsprechend wie zuvor; z. B. wirkt eine Zunahme des Hauptstromes in der Wicklung/) jetzt beschleunigend auf den Hilfsläufer, erhöht also die Frequenz und entlastet damit selbsttätig den übersynchron — als Stromerzeuger —■ arbeitenden Fahrmotor. Der jeweils abzugebenden oder aufzunehmenden Leistung entsprechend ist für jeden Betriebszustand die Spannung mit der Gleichstromerregung des Hilfsläufers e, z. B. mittels des Widerstandes b, zu regeln.

Praktisch geht im allgemeinen die Regelung der Frequenz und der Spannung Hand in Hand. Durch gleichzeitige Einstellung der Widerstände b und m oder gleichwertiger Schaltmittel, die nebst dem Umschalter η in der gebräuchlichen Form eines Fahrschalters vereinigt und, soweit zweckmäßig, in zwangsläufige Abhängigkeit gesetzt werden können, beherrscht man bei dem Asynchronmotor in Fahr- und Bremsschaltung den ganzen Bereich der Drehzahl und des Drehmoments, Man gewinnt somit u. a. noch den neuen Vorteil einer vollkommen regelbaren, dabei sehr einfachen Nutzbremsung.

In geeigneten Fällen kann die Hauptmaschine, die in vorstehenden Darlegungen als Stromerzeuger gedacht war, auch durch einen Umformer dargestellt werden.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom veränderlicher Frequenz, bestehend aus einer mit praktisch gleichbleibender Drehzahl arbeitenden Stromwendermaschirie mit Kompensationswicklung (Hauptmaschine) und einer zu deren Erregung dienenden, mit gleicher oder verhältnisgleicherDrehzahl angetriebenen, von einem mit regelbarer Geschwindigkeit umlaufenden Drehfeld erregten Hilfsmaschine (Wechselstrom - Erregermaschine), dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrom-Erregermaschine' auf dem Ständer undLäufer je eine als offene oder verkettete Phasenwicklung ausgeführte Arbeitswicklung (f, g) trägt, die je für sich an die zur Erregung der Hauptmaschine dienenden Wicklungen (h, I) angeschlossen sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Drehfeldes zwischen Ständer undLäufer oder innerhalb des Läufers der Wechselstrom-Erregermaschine frei drehbar ein mit Gleichstrom erregter Hilfsläufer (e) an sich bekannter Art angeordnet ist, der durch einen Unterschied der Drehmomente in Umlauf versetzt und erhalten wird, welche die Ständer- und Läuferströme der Wechselstrom-Erregermaschine auf das in ihm erzeugte Magnetfeld ausüben.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Hilfsläufer wirkenden Drehmomente mittels eines z. B. durch veränderliche Widerstände (m) für sich regelbaren Teil- oder Hilfsstromes abstimmbar sind, der entweder in der Wechselstrom-Erregermaschine selbst erzeugt oder von der Hauptmaschine abgenommen wird und in einer zu anderm Zweck schon vorhandenen oder einer besondern Hilfswicklung (0) zur Wirkung kommt.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Ständer der Wechselstrom-Erregermaschine eine mit der Ständerarbeitswicklung (/) dieser Maschine gleichartig liegende Hilfswicklung (p) angeordnet und vom Ankerstrom der Hauptmaschine derart durchflossen ist, daß der Hilfsläufer hierdurch ein verzögerndes Dreh- _los moment erfährt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Regelung der Frequenz an der Wechselstrom-Erregermaschine vorgesehene Hilfswicklung (0) wahlweise mit der Hauptmaschine verbunden oder in sich geschlossen werden kann, z. B. mittels eines Umschalters (n).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen