DE613008C - Frequenzumformer oder Mehrfachfrequenzmaschine - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
10. MAI 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Vr 613008 KLASSE 21 d 2 GRUPPE 14oi

Patentiert im Deutschen Reiche vom 27. November 1928 ab

Die Erfindung betrifft eine Maschine zur Frequenzumformung oder eine Mehrfachfrequenzmaschine (Doppelfrequenzgenerator), die eine gemeinsame Maschinenwicklung für die S verschiedenen Frequenzen hat und für verschiedene Frequenzübersetzungsverhältnisse gebaut werden kann.

Erfindungsgemäß werden die Ströme verschiedener Frequenz der gemeinsamen Maschinenwicklung teils über Spannungsteiler, teils ohne Spannungsteilung, d. h. ohne Benutzung der Spannungsteileranzapfungen, zugeführt oder entnommen, wobei die Anschlußpunkte für die eine Frequenz Äquipotentialpunkte für die andere Frequenz sind. Hierbei kann außerdem der Primär- oder Sekundärstrom oder jeder von ihnen transformiert werden. Die Anordnung nach der Erfindung hat anderen bekannten Ausführungen solcher gemeinsamen Maschinenwicklungen gegenüber u. a. den grundsätzlichen Vorteil, daß gewisse Anzapfpunkte innerhalb der Wicklungsphasen wenigstens zum Teil vermieden werden, indem sie aus der Wicklung heraus in gesonderte Spannungsteiler verlegt werden. Die Wicklungen werden dadurch einfacher, da der Wicklungsgang selbst weniger Anzapfungen enthält, als zur Frequenzumformung benötigt werden. Die Spannungsteiler brauchen nicht als gesonderte Apparate ausgeführt zu werden, sondern können mit Transformatoren vereinigt werden, die man ohnedies in der Regel zur betriebsmäßigen Umspannung benötigt und an denen Anzapfungen wesentlich einfacher und betriebssicherer ausführbar sind als an einer Maschinenwicklung. Da man nicht wie bei bekannten Frequenzumformern durch besondere Wicklungsschritte o. dgl. auf Wicklungsanzapfungen Rücksicht nehmen muß, können nach der Erfindung meist normale Wellen-, Schleifen- oder Spulenwicklungen verwendet werden.

Die Schaltbilder Abb. 1 und Abb. 4 und die zugehörigen Vektorbilder Abb. 2, 3 und 5 veranschaulichen das Wesen zweckmäßiger Ausführungsformen der Erfindung für ein Frequenzverhältnis ι : n, wobei η jede beliebige gerade oder ungerade Zahl bedeutet. In Abb. 1 sind a, b und c drei Zweige der beide Frequenzen führenden Wicklung. Diese Wicklung ist z. B. die induzierte Ständerwicklung einer Synchronmaschine, deren umlaufender induzierender Teil (Polrad) zweipolig ist und ein überlagertes 2w-poliges Feld erzeugt. Die Wicklung a, b, c führt somit zugleich die ein-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr. Benno Mengele in Wien,

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fache Frequenz f und die w-fache Frequenz F. Die Wickluhgszweige ά, b und c sind gegeneinander um Winkel versetzt, die gerade Vielfache (das 2 y-fache) der Polteilung

im Bogenmaß gemessen — J für die höhere Frequenz ausmachen. Zum Beispiel sind bei zehnpoliger Anordnung α und b um zwei Polteilungen (Y = ι), α und c oder b und c um

ίο vier Polteilungen (y = 2) versetzt.

Das 2jj.-polige Feld induziert somit in allen Wicklungszweigen zeitlich gleichphasige Spannungen (Vektorbild für die höhere Frequenz F, Abb. 2). Die Punktet und B sind für die höhere (fünffache) Frequenz Äquipotentialpunkte. Zwischen ihnen können also Spannungen von der einfachen Frequenz ungestört abgenommen oder zugeführt werden. Das zweipolige Feld induziert in den Wicklungszweigen α und b zwei Spannungen von der einfachen Frequenz f mit der

gegenseitigen Phasenverschiebung φ = iy — .

Zwischen den Punkten A und B herrscht die entsprechende verkettete Spannung (Vektorbild für die niedere Frequenz Abb. 3). Äquipotentialpunkte für die niedere Frequenz erhält man, indem erfindungsgemäß zwischen A und B ein Spannungsteiler (Drosselspule) d gelegt und der dritte Wicklungszweig mit verminderter Windungszahl ausgestattet wird. Nach Abb. 3 hat für die Drossel der Punkt D gegenüber dem Sternpunkt 0 die Spannung

_B OB-cos-?- —OB-cos-™ . Hat der Wick-2 η

lungszweigc nur die cos ^- -fache Windungszahl der beiden anderen Wicklungszweige a und b, so ist die in ihm induzierte Spannung von niederer Frequenz gleich der Spannung zwischen dem Mittelpunkt D des Spannungsteilers d und dem Sternpunkt 0. Sie hebt diese auf, wenn die Wicklung c verkehrt geschaltet ist, wie gezeichnet. Die Punkte C und D sind daher Äquipoteniialpunkte für die niedere Frequenz. Die zwischen ihnen herrschende Spannung höherer Frequenz ist'

nach Abb. 2 dasli + cos — I-fache der ein-

fachen Phasenspannung von α oder b. Die für die eine Frequenz als Spannungsteiler wirkende Drosselspule d kann, wie an weiteren Ausführungsbeispielen gezeigt wird, zugleich als Transformator für die andere Frequenz ausgebildet sein, für die keine Spannungsteilung stattfindet.

Die Ausführungsform nach den Abb. 4 und 5 unterscheidet sich von der ersten durch Polygonschaltung der Wicklungszweige und Verdoppelung des Wicklungszweiges c< Der Spannungsteiler d ist in das Polygon in Reihe mit den Maschinenwicklungen, der Polygonecke A gegenüberliegend, eingeschaltet. Im Polygonzug folgen abwechselnd eine der Wicklungsphasen α oder b und eine Hälfte C₁ oder C₂ der dritten Phase aufeinander. Für die höhere Frequenz, bei der alle Teilspannungen gleichphasig sind, sind A und Ό Äquipotentialpunkte. Für die niedere Frequenz (Vektorbild Abb. 5) sind B, C und D Äquipotentialpunkte. Die niedere Frequenz f ist also von den Punkten yi und 13 abzunehmen, die höhere Frequenz von den Punkten B und C. Letztere Punkte gehören unmittelbar der Maschinenwicklung an. Sie können mit dem zugehörigen Außenstromkreis auch durch einen Transformator verbunden werden, als dessen Primärwicklung gleich die Spannungsteilerwickluhg d dienen kann. Der Spannungsteiler erhält also eine Sekundärwicklung j. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die höhere Frequenz transformiert wird. Dies erfordert einen kleineren Transformator als die Transformation der niederen Frequenz nach den folgenden Ausführungsbeispielen.

Mit den beschriebenen Schaltungen können mehrere Einphasensysteme gebildet und diese zu einem Mehrphasensystem zusammengeschaltet werden. Abb. 6 zeigt eine Schaltung go für die Umformung von /-(z.B. i6²/₃-) periodischem Einphasenstrom aus 3 /-periodischem (z. B. 5operiodischem) Drehstrom. Der induzierende Teil der Maschine führt zwei- und sechspolige Felder. Jede Drehstromphase des induzierten Teiles enthält ein System z. B. nach Abb. 1, dessen Wicklungszweige a, b und c gegeneinander um gleiche Winkel φ {■=■ zy—) = —

versetzt sind (y = ι, η = 3). Die Windungszahl des verkehrt geschalteten Wicklungszweiges p ist das cos fache, also die Hälfte

der Windungszahl jedes der anderen Zweige α oder b. In Abb. 3 wäre nunmehr der Winkel φ = i2o°. Die i6² _:4-Periodenspannung ist die i,73fache, die So-Periodenspannung die i, 5 fache Spannung eines Wicklungszweiges α oder b.

Die Maschine trägt drei solche Systeme, die um zwei Drittel der Polteilung des sechspoli-

gen Feldes, also um — gegeneinander versetzt sind. Die Punkte C₁, C₂ und C₈ sind zum Sternpunkt des Drehstromsystems verbunden. Die Punkte A₁, B₁, A₂, B₂ und A₃, B_s führen zu je einem Spannungsteiler d_t, d₂ und d_s. Mit deren Mitten sind die drei 50-Periodendrehstromleitungen verbunden. Der Außenstrom- 120 ' kreis von i6²/₃ Perioden ist mit den Spannungsteilerwicklungen transformatorisch ver-

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kettet. Diese Wicklungen bilden die Primärwicklungen je eines Einphasentransformators, deren Sekundärwicklungen S₁, S₂ und s_s in Reihe geschaltet sind. Die resultierende Einphasenspannung setzt sich nach Abb. 7 aus

drei

um

gegeneinander verschobenen

Komponenten zusammen.

Die drei Einphasentransformatoren lassen sich nach Abb. 8 zu einem aus drei Primärwicklungen und einer gemeinsamen Sekundärwicklung ί bestehenden Transformator vereinigen. Damit aber die drei Primärwicklungen entsprechend ihrem gemeinsamen Feld gleichphasige Spannungen führen, wird noch eine Ausgleichsdrosselspule (Ausgleichstransformator) e_x, e_s für die Phasen 1 und 3 hinzugefügt. An ihr halten sich die i6²/₃-periodischen Lastströme das Gleichgewicht, sie erhält also keine i6²/₃-Periodenmagnetisierung.

Die Wicklungen e_t und e_a haben in der Mitte Anzapfungen für zwei Drehstromphasen. Die dritte Drehstromphase wird aus der Trans-

. formatorwicklung d_s unmittelbar entnommen.

Die zusätzlichen Ohmschen und induktiven Widerstände der Ausgleichsdrosselspule belasten nur zwei Drehstromphasen, daher muß durch Einschalten (nicht gezeichneter) zusätzlicher Impedanzen in die dritte Phase die Symmetrie wiederhergestellt werden.

Der Läufer der Maschine hat drei Aufgaben zu erfüllen: 1. Erzeugung des sechspoligen Feldes und Kompensation des 50-Periodenstromes, 2. Erzeugung des zweipoligen Feldes und Kompensation der mitlaufenden Komponente des i6²/₃-Periodenstromes, 3. Dämpfung der gegenlaufenden Komponente des i6²/₃-Periodenstromes. Hierzu kann der Läufer eine zweipolige und eine sechspolige Gleich-Stromerregerwicklung und eine Dämpferwicklung erhalten. Dann ist die Maschine ein Synchron-Synchron-Umformer. Es genügt aber auch eine zweipolige Gleichstromerregerwicklung und ein Dämpferkäfig. Dann läuft die Maschine als Drehstromasynchronmotor und Einphasensynchrongenerator. Die Maschine kann auch als kompensierte Asynchronmaschine geschaltet sein. Eine solche Schaltung der Kompensationswicklung zeigt Abb. 9.

Die Wicklung besteht aus drei zweipoligen Drehstromsystemen mit gemeinsamem, durch die äußere Verbindung angedeutetem Sternpunkt. Die Phasenanfänge sind der Bezifferung entsprechend zu drei Schleifringen geführt, an die z. B. eine Drehstromerregermaschine bekannter Bauart angeschlossen ist." An den Schleifringen tritt die Schlupfspannung des sechspoligen Feldes auf. Außer dieser Kompensationswicklung ist noch die zweipolige Gleichstromerregerwicklung vorhanden. Diese muß in bezug auf das sechspolige Feld den Wicklungsfaktor Null haben, damit sie nicht ,als Dämpferwicklung die Drehstromerregung unterdrückt.

Claims (18)

Patentansprüche:

1. Frequenzumformer oder Mehrfachfrequenzmaschine mit einer gemeinsamen Wicklung für die verschiedenen Frequenzen und diesen zugeordneten, getrennten oder vereinigten Wicklungen verschiedener Polzahl auf einem Induktor, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme verschiedener Frequenz der vorzugsweise als gewöhnliche Wellen-, Schleifen- oder Spulenwicklung ausgeführten gemeinsamen Wicklung teils über Spannungsteiler, teils ohne Spannungsteilung mit oder ohne Transformation derart zugeführt oder entnommen werden, daß die Anschlußpunkte für die eine Frequenz Äquipotentialpunkte für die andere Frequenz sind.

2. Ausführungsform nach Anspruch 1 für ein Frequenzverhältnis 1 : n, gekennzeichnet durch drei um gerade Vielfache (das 2y-fache) der Polteilung für die höhere Frequenz gegeneinander versetzte Wicklungszweige, wovon einer (c) die cos ^Lfache Windungszahl jedes der

übrigen Zweige (a, b) hat.

3. Ausführungsform nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteiler für die Abnahme der einen Frequenz zugleich als Transformatoren für die andere Frequenz ausgebildet sind.

4. Ausführungsform nach den Ansprüchen

ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß je drei Wicklungszweige in Sternschaltung verbunden sind und je einer davon (c) verkehrt angeschlossen ist und solche Windungszahl hat, daß seine Spannung der Spannung zwischen dem Sternpunkt und der Mitte eines zwischen die gegenüberliegenden Wicklungszweige (ß, b) geschalteten Spannungsteilers (d) das Gleichgewicht hält (Abb. 1).

5. Ausfuhrungsform nach den An- n₀ Sprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die höhere Frequenz einerseits von dem oder den Wicklungszweigen (c) mit der geringeren Windungszahl, andererseits am Mittelpunkt von Spannungsteilern (d) zwischen den übrigen Zweigen abgenommen wird.

6. Ausführungsform nach den Ansprüchen ι bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die niedere Frequenz von Wicklungszweigen {μ, b) mit voller Windungszahl in verketteter Schaltung abgenommen wird.

7· Ausführungsform nach den Ansprüchen ι bis 6 zur Umformung im Frequenzverhältnis ι : 3, gekennzeichnet durch drei räumlich symmetrisch gegeneinander versetzte Wicklungsphasen, von denen die eine die halbe Windungszahl hat und verkehrt angeschlossen ist, während die anderen durch einen Spannungsteiler verbunden sind, wobei vorzugsweise die dreifache Frequenz zwischen dem Ende der Wicklungsphase von halber Windungszahl und der Mitte des Spannungsteilers abgenommen wird, während die einfache Frequenz durch Transformation aus den beiden Phasen von voller Windungszahl entnommen wird.

8. Ausführungsform nach den Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gegeneinander versetzten Wicklungszweige und ein oder mehrere Spannungsteiler zu einem Polygon verbunden sind, das für die niedere Frequenz die Summenspannung Null hat und für die höhere Frequenz Äquipotentialpunkte enthält, von denen wenigstens einer auf einem Spannungsteiler liegt.

9. Ausführungsform nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Polygon Wicklungszweige (a, 6) mit voller und Wicklungszweige (C₁, C₂) mit verminderter Windungszahl und einen Spannungsteiler (d) enthält, dessen Mitte (D) mit der gegenüberliegenden Polygonecke (A) für die höhere Frequenz äquipotential ist, während seine Enden Äquipotentialpunkte für die niedere Frequenz sind.

10. Ausführungsform nach Anspruch g, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Wicklungsphase in zwei Hälften (C₁, C₂) unterteilt ist, die abwechselnd mit anderen Wicklungsphasen (a, b) zu einem Polygon geschaltet sind, wobei die niedere Frequenz von der Mitte des in das Polygon eingeschalteten Spannungsteilers (d) und der gegenüberliegenden Polygonecke (A), die höhere Frequenz dagegen durch Transformatoren von den Enden des Spannungsteilers abgenommen wird (Abb. 4).

11. Ausführungsform nach den An-Sprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Frequenz einem Mehrphasensystem zugeführt oder entnommen wird, das für jede Phase ein Wicklungssystem mit einem oder mehreren Wicklungszweigen geringerer Windungszahl und einem oder mehreren Spannungsteilern nach den Ansprüchen 1 bis 10 enthält.

12. Ausführungsform nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstellen für die höhere Frequenz zu einem Mehrphasensystem verkettet und die Anschlußstellen für die niedere Frequenz in einem Einphasenstromkreis parallel oder in Reihe geschaltet sind.

13. Ausführungsform nach den An-Sprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Spannungsteilerwicklungen ein Einphasensekundärstromkreis zur Abnahme der einen Frequenz transformatorisch verkettet ist (Abb. 6,8).

14. Ausführungsform nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteilerwicklungen und die zur Abnahme des Einphasenstromes dienenden Sekundärwicklungen an einem für alle Phasen gemeinsamen Transformator vereinigt sind.

15. Ausführungsform nach Anspruch^ 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteiler mit einem gemeinsamen Transformatorfeld verkettet und durch Ausgleichsdrosselspulen (e) auf gleichphasige Spannungen gebracht sind (Abb. 8).

16. Ausführungsform nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Spannungsteiler (^₂) unmittelbar (bei D₈) an die zugehörige Phase des Mehrphasensystems angeschlossen ist,-während in -die Mitten der anderen Spannungsteiler (d¹, d_s) die Wicklungen (e_t, e_s) einer oder mehrerer Ausgleichsdrosselspulen geschaltet sind, von denen die übrigen Phasen abzweigen.

17. Ausführungsform nach den An-Sprüchen 1 bis i6, gekennzeichnet durch eine vom induzierten Teil aus oder durch eine gesonderte Mehrphasenerregermaschine gespeiste Kompensationswicklung am induzierenden Teil, die für die höhere Frequenz (für die eine Polzahl) eine Kurzschlußwicklung bildet (Abb. 9).

18. Ausführungsform nach den Ansprüchen ι bis 17, gekennzeichnet durch eine Gleichstromerregerwicklung im induzierenden Teil, deren Wicklungsfaktör für die eine Frequenz (für die eine Polzahl) Null ist.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen