DE615751C - Aus einer einzigen Maschine bestehender synchroner Frequenzwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen aus einer einzigen Maschine bestehenden synchronen Frequenzwandler, der für synchronen Lauf und demzufolge für ein bestimmtes Frequenzverhältnis eingerichtet ist.

Aus einer einzigen Maschine bestehende synchrone Frequenzwandler sind an sich bekannt. Diese bekannten Frequenzwandler haben aber wesentliche Nachteile.

Bei einem dieser bekannten Frequenzwandler müssen beispielsweise in den Nuten des Ständers zwei voneinander isolierte Wicklungen untergebracht werden, was insbesondere bei höheren Frequenzen große Schwierigkeiten bereitet. Zudem weist dieser Frequenzwandler den Nachteil auf, daß der . ganze Ständer, .Joch und Zähne, mit der Frequenz des Primärstromes ummagnetisiert werden muß.

Bei einer anderen Ausführung wurden zur Vermeidung der Flußschwankungen in Zähnen und Joch zwei gegeneinander versetzte Läufer angeordnet. Das bedingt aber eine Vergrößerung der Baulänge der Maschine auf mehr als das Doppelte, ohne daß dadurch die Leistung erhöht wird.

Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt. Gemäß der Erfindung wird der wirksame Primärteil mit Zacken versehen, in denen die Primärwicklung untergebracht wird, und mit Wechselstrom gespeist. Damit arbeitet er im Zusammenhang mit dem mit ausgeprägten Polen versehenen Sekundärteil im Synchronismus als Reaktionsmotor, wobei gleichzeitig das im Sekundärteil entstehende gleichgerichtete Feld durch die Wirkung der Zacken in einer ,in Nuten der ausgeprägten Pole des Sekundärteils angeordneten Wicklung Wechselströme erzeugt. Die Nutteilung dieser Wicklung ist halb so groß wie die Teilung der Zacken des Primärteiles. Die Frequenz des so erzeugten Wechselstromes ist wie bei einer Gleichpolinduktormaschine durch die Drehzahl und die Anzahl der Zacken des Primärteiles bestimmt. Der Frequenzwandler gemäß der Erfindung ist im wesentlichen zur Erzeugung eines verhältnismäßig kleinen Betrages von Wechselstrom mit etwas höherer als der üblichen Frequenz bestimmt, beispielsweise eines ßooperiodigen Wechselstromes aus einem 25periodigen Wechselstrom.

Der Frequenzwandler gemäß der Erfindung wird vorzugsweise als selbstanlaufender Motor ausgeführt, der bei Synchronismus als Reaktionsmotor läuft. Gemäß der Erfindung wird der eine Teil der Ständer und Läufer besitzenden elektrischen Maschine mit einer

primären Erregerwicklung und der andere Teil mit einer Generatorwicklung und außerdem noch mit einer Anlaufwicklung, beispielsweise einer Käfigwicklung, versehen. Die primäre und die sekundäre Wicklung sind für verschiedene Polzahlen gewickelt. Sowohl Ständer als auch Läufer besitzen Zähne bzw. Zacken, so daß die Maschine als Induktormaschine und auch als synchroner ίο ,Reaktionsmotor laufen kann. Die Maschine kann also als wechselstromerregter Motorgenerator bezeichnet werden. Um eine Einwirkung der Käfigwicklung auf die Arbeitswicklung zu vermeiden, muß die Zahl der Induktorzähne in einem bestimmten Verhältnis zu der Zahl der Käfigstäbe stehen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in zwei Ausführungsformen beispielsweise dargestellt. Abb. ι veranschaulicht einen Frequenzwandler gemäß der Erfindung, bei dem der Läufer eine primäre zweipolige Wicklung trägt. Abb. 2 zeigt einen Frequenzwandler, bei dem der Ständer die primäre Wicklung besitzt.

In Abb. ι ist 10 der Ständer und 11 der Läufer. Der Läufer ist mit einer zweiphasigen zweipoligen Wicklung versehen, die aus einem Dreileiternetz 14 über die Schleifringe 13 gespeist wird. Die eine Phase ist in der Zeichnung durch ausgezogene Linien der Stirnverbindungen, die andere Phase durch strichpunktierte Linien, die hinteren Stirnverbindungen beider Phasen durch strichlierte Linien gekennzeichnet. Der Läufer besitzt zwölf Zacken, der Ständer vierundzwanzig Zähne, wovon jedoch einige auf entgegenliegenden Seiten fortgelassen sind. Auf diese Weise erhält man zwei ausgeprägte körperliche Pole, die der Maschine ein einem zweipoligen Reaktionsmotor entsprechendes Feld geben. Die Stäbe 15 des Käfigankers dienen im wesentlichen Anlaufzwecken und sind zwischen den Ständerzähnen angeordnet, und zwar so, daß auf zwei Ständerzähne je ein Käfigstab entfällt. Die Ständerzähne sind mit einer entsprechenden Anzahl von in Serie geschalteten Spulen 16 versehen. Die Spulen benachbarter Zähne des Sekundärteiles sind im entgegengesetzten Sinne gewickelt, so daß sich die E. M. Ke der einzelnen Spulen bei der polweisen Reihenschaltung derselben addieren. Sämtliche Spulen eines Hauptpoles haben gegenüber sämtlichen Spulen eines anderen Hauptpoles entgegengesetzten Wicklungssirm. Dadurch entspricht die Wicklung der Generator wicklung einer Gleichpolinduktormaschine. »

Die Arbeitsweise des Frequenzwandlers

ist nun folgende: Der Läufer wird von einer passenden Stromquelle beispielsweise mit 25periodigem Wechselstrom erregt. Die Maschine läuft infolge der sekundären Käfigankerwicklung als Induktionsmotor an. Infolge der oben beschriebenen Anordnung der Pole des Ständers wird der Läufer bis zum Synchronismus beschleunigt, so daß die Maschine im Betriebe synchron als ein zweipoliger Reaktionsmotor mit 1500 UpM läuft. Das zweipolige, in bezug auf den Läufer synchron umlaufende Feld wird daher im Raum stationär, so daß beispielsweise die Zähne auf der rechten Seite des Feldes als Nordpol und die Zähne auf der linken Seite als Südpol aufgefaßt werden können. Der unipolare Fluß wird natürlich in jedem Augenblick den Weg geringsten magnetischen Widerstandes wählen und sich infolgedessen zwischen benachbarten Ständerzähnen nach vorwärts oder rückwärts verschieben, je nach der Stellung der vorbeibewegten Läuferzacken, wodurch in den Zähnen der Pole eine Feldverteilung hervorgerufen wird, die der Feldverteilung in einer Gleichpolinduktormaschine entspricht. Dementsprechend werden in den Ständerspulen Spannungen erzeugt, die genau den Spannungen in der Generatorwicklung einer Gleichpolinduktormaschine entsprechen. Diese Spannungen wechseln stets ihre Richtung mit dem Stellungswechsel der Läuferzacken von einem Ständerzahn zum nächsten. Man erhält daher an den Klemmen 17 einen hochfrequenten Wechselstrom. Im vorliegenden Falle sind sämtliche Ständerspulen in Reihe geschaltet. Es wäre natürlich ebensogut möglich, die Spulen des einen Hauptpoles mit den Spulen des anderen Hauptpoles parallel zu schalten, dann würde man bei entsprechend verringerter Spannung einen entsprechend größeren sekundären Strom erhalten. Bei der dargestellten Ausführungsform erhält man einen ßooperiodigen Wechselstrom. Damit die Verschiebung des Ständerfluß es von einem Zahn zum anderen bei synchroner Drehzahl nur wenig auf die Käfigwicklung einwirkt, ist die bereits oben beschriebene besondere Anordnung der Stäbe 15 in bezug auf die Ständerzähne getroffen. Zwei Ständerzähne treffen auf einen einzigen Käfigstab 15, so daß der von einem Ständerzahn zum anderen sich ver- n₀ schiebende Fluß einen Käfigstab nicht schneidet. Es ist deshalb der durch die Käfigwicklung bewirkte Energieverlust bei synchroner Drehzahl normalerweise äußerst gering. Dabei dient die Käfigwicklung bei synchroner n₅ Drehzahl gleichzeitig als Mittel zur Verhütung eines Außertrittfaliens des Laufers bei plötzlichen Belastungs- oder Spannungsänderungen.

Man erhält also gemäß der Erfindung eine Einrichtung, die einen selbstanlaufenden synchronen Reaktionsmotor mit einer Gleich-

polinduktormaschine vereinigt. Derselbe Magnetfluß, der die synchrone Reaktionsmotorwirkung hervorruft, erzeugt gleichzeitig in der Wicklung 16 den gewünschten hochfrequenten Strom. Das durch die primäre Wicklung erzeugte Feld ist in bezug auf die sekundäre Wicklung stationär und ist mit dem durch Gleichstrom erzeugten Feld einer gewöhnlichen Induktormaschine zu vergleichen. Die Spannung des hochfrequenten Wechselstromes wird infolge reiner Induktorwirkung der Zacken des primären Teils auf den stationären sekundären Fluß erzeugt. Damit ist also gegenüber den bekannten Anordnungen der Vorteil erreicht, daß keine Umrnagnetisierungsverluste auftreten, und daß die Maschine bei gleicher Baugröße über doppelte Leistung abgibt.

In der Ausführungsform der Abb. 2 ist gegenüber der Abb. 1 der Stator mit dem Läufer vertauscht. Der Ständer besitzt also die primäre Wicklung und der Läufer' die sekundäre Wicklung. Im übrigen ist jedoch die Wirkungsweise die gleiche wie bei der Ausführungsform nach Abb. 1.

Der Ständer 18 ist mit einer zweipoligen, zweiphasigen, an einem Dreileiternetz liegenden primären Erregerwicklung 19 versehen. Die Stirnverbindungen der einen Phase sind durch punktierte Linien gekennzeichnet. Der Läufer 20 besitzt zwei ausgeprägte Pole mit Zähnen 21, so daß man also einen zweipoligen synchronen Reaktionsmotorläufer vor sich hat. Unterhalb der Zahnlücke zweier Läuferzähne ist ein Stab 22 einer Anlaufzwecken dienenden Käfigwicklung angeordnet, wobei stets auf zwei Läuferzähne ein Stab 22 und ein Ständerzahn entfällt. Die den hochfrequenten Strom führende Wicklung ist mit 23 bezeichnet und ist genau so gewickelt und geschaltet wie bei der Ausführungsform der Abb. i. Die Wicklung 23 ist über die Schleifringe 24 und die Bürsten 25 mit dem Stromkreis 17 verbunden. Bei dieser Ausführungsform läuft das zweipolige Magnet-' feld um, ist jedoch in bezug auf den synchron umlaufenden Rotor stationär. Die Käfigwicklung dient nur Anlaufzwecken. Es könnten statt dieser Wicklung auch andere Mittel, die ein Anlaufen der Maschine bewirken, vorgesehen" werden. Mit Rücksicht auf gute Anlaufverhältnisse wäre eine mehrphasige primäre Wicklung erwünscht. Sofern man jedoch den sekundären Teil mit einer Repulsionsmotoranlaufwickiung versieht, kann auch eine einphasige primäre Wicklung verwendet werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Aus einer einzigen Maschine bestehender synchroner Frequenzwandler, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Wechselstrom gespeiste, mit Zacken versehene wirksame Primärteil in Verbindung mit den ausgeprägten Polen des Sekundärteiles als Reaktionsmotor arbeitet, während das hierdurch in dem Sekundärteil entstehende gleichgerichtete Feld durch die Wirkung der Zacken in einer in den Nuten der ausgeprägten Pole des Sekundärteiles angeordneten Wicklung Wechselströme erzeugt, wobei die Nutteilung halb so groß wie die Teilung der Zacken des Primärteiles und die Frequenz im

' Sekundärteil wie bei einer Gleichpolmaschine durch die Drehzahl und die Anzahl der Zacken des Primärteiles bestimmt ist.

2. Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Zähne des Sekundärteiles abwechselnd in entgegengesetztem Sinne bewickelt sind, so daß sich die elektromotorischen Kräfte der einzelnen Spulen bei polweiser Reihenschaltung derselben addieren.

3. Frequenzwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulengruppender in den ausgeprägten Polen des Sekundärteiles angeordneten Wicklung hintereinander oder parallel geschaltet sind.

4. Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sekundärteil eine Wicklung für den Anlauf der Maschine angeordnet ist, deren Wickelschritt so gewählt ist, daß sie bei synchronem Lauf des 'Frequenzwandlers stromlos ist.

5. Frequenzwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Käfigwicklung vorgesehen ist, deren Stababstand gleich dem Abstand der Zacken des Primärteiles ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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