DE646781C

DE646781C - Voltage, frequency and phase number converter for electric vehicle drives

Info

Publication number: DE646781C
Application number: DEK130228D
Authority: DE
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Priority date: 1933-05-24
Filing date: 1933-05-24
Publication date: 1937-06-22

Description

Die Verwendung des Wechselstromes von 50 Hertz in der Oberleitung elektrischer Bahnen ist nur möglich, wenn dieser Wechselstrom irgendwie in eine für die Fahrmotoren brauchbare Stromart umgewandelt wird, sofern nicht besondere Motoren entwickelt werden. Die nachfolgend beschriebene Erfindung ermöglicht es, auf der Lokomotive in nur einer einzigen Maschine die erforderliche Umformung von Spannung, Frequenz und Phasenzahl vorzunehmen, so daß entweder normale Gleichstrom- oder Drehstrommotoren als Fahrmo'toren verwendet werden können, wobei die Regelung der Fahrgeschwindigkeit verlustlos erfolgen kann.The use of alternating current of 50 Hertz in the overhead line of electric railways is only possible if this alternating current is somehow converted into a type of current that can be used for the traction motors, provided that no special motors are developed. The invention described below enables the necessary forming to be carried out on the locomotive in just one single machine of voltage, frequency and number of phases, so that either normal DC or three-phase motors as Driving motors can be used, with the regulation of the driving speed can be done without loss.

Gegenstand der Erfindung ist eine Ineinander schachtelung von Wechselstrominduktionsmotor und Kommutatormaschine, die nach Art der Einankerumformer weitgehende Ausnutzung des aktiven Materials gestattet. An einem Kommutator kann in an sich bekannter Weise durch Änderung der Stellung und Geschwindigkeit von beweglich angeordneten Bürsten die Frequenz und Höhe der abgenommenen Spannung-verändert werden. Bekannt sind ähnliche Umformer, jedoch mit unveränderlichen Bürstenwinkeln und damit ohne die Spannungsregelung durch Bürstenverschiebung. Ferner ist im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand bekannt, daß Bürsten in die Richtung der Resultierenden der Felder zweier verdrehbarer Induktionsständer gebracht werden, um den durch Veränderung der Phasenlage zweier Felder geregelten Spannungswert abzugreifen, wobei die Verdrehung der Bürsten Folge und nicht Zweck der induktiven Spannungsregelung ist. Die Spannungsregelung durch Bürstenverschiebung wird erfindungsgemäß durch eine besondere Art der Kompensation verbessert, die sowohl strom- als auch spannungsabhängig ist. Die Stromabhängigkeit wird in bekannter Weise erzielt, während die Spannungsabhängigkeit durch die Veränderung des wirksamen Kompensationsflusses durch Veränderung des Lüftspaltes oder der Polflächen bewirkt wird.The invention relates to a nesting of AC induction motors and commutator machine, which allows extensive utilization of the active material in the manner of a single armature converter. On a commutator can be arranged in a known manner by changing the position and speed of movable Brushing the frequency and level of the voltage-taken can be changed. Similar converters are known, but with unchangeable brush angles and thus without the voltage regulation through brush displacement. Furthermore, in contrast to the Subject of the invention known that brushes in the direction of the resultant of the fields two rotatable induction stands are brought to the regulated by changing the phase position of two fields To tap the voltage value, the twisting of the brushes being a consequence and not a purpose the inductive voltage regulation. The voltage regulation through brush displacement is improved according to the invention by a special type of compensation that is both current and voltage dependent is. The current dependence is achieved in a known manner, while the voltage dependence by changing the effective compensation flow by changing the air gap or the pole faces is effected.

Bei der Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom genügt- eine Verdrehung der Bürsten um 90 elektrische Grade, um von Null auf den Höchstwert zu gelangen.When converting alternating current into direct current, it is sufficient to turn the Brush 90 electrical degrees to go from zero to maximum.

Die Umformung von Wechselstrom in Drehstrom von veränderlicher. Spannung und Frequenz bei gleichbleibendem Verhältnis dieser Größen erfolgt durch- Verdrehung der Bürsten gegenüber den Polen mit veränderlicher Winkelgeschwindigkeit, wobei die Höhe der abgenommenen Spannung durch die Größe des veränderlichen aktiven Eisenquerschnittes geregelt wird.The conversion of alternating current into three-phase current of variable. Tension and Frequency with a constant ratio of these quantities is carried out by twisting the Brushes opposite the poles with a variable angular velocity, the amount of tension being reduced by the Size of the variable active iron cross-section is regulated.

Die Anwendung der Erfindung wird an zwei Beispielen erläutert:The application of the invention is illustrated using two examples:

Der Ständer α des in Bild 1 im Längsschnitt dargestellten Umformers trägt gleichzeitig eine Wechselstromwicklung b und eine Gleichstromwicklung c.; letztere ist mit dem feststehenden (hier als Hohlzylinder dargestellten) Kommutator d in der bei Gleich-The stator α of the converter shown in longitudinal section in Figure 1 simultaneously carries an alternating current winding b and a direct current winding c. ; the latter is connected to the fixed commutator d (shown here as a hollow cylinder) in the

Stromwicklungen üblichen Weise verbunden. Der Läufer des Umformers ist unterteilt in ein die Hauptpole tragendes Hauptpolrad e mit Dämpferkäfig, das zur Unterdrückung des gegenläufigen Feldes und zur Regelung des Leistungsfaktors dient, und ein die Wendepole tragendes Nebenpolrad f, das die den Gleichstrom vom Kommutator abnehmenden Bürsten g und die zur Abnahme des Gleichstromes erforderlichen Schleifringe h trägt. Xicht dargestellt ist die Vorrichtung, durch die z. B. durch die hohle Welle des Hauptpoirades das Nebenpolrad um 90 elektrische Grade willkürlich und gleichmäßig zur Abnähme verschiedener Gleichspannungen, deren Wert zwischen Null und einem durch die Wicklung bedingten Höchstwert liegt, verdreht werden kann. Ferner ist nicht dargestellt, wie die Wendepole radial oder axial verschoben werden können, damit bei der Verdrehung des Nebenpolrades gegenüber dem Hauptpolrad bei Abnahme anderer Spannung stets ein die Kommutierung verbesserndes Zusatzfeld erzeugt wird, welches außerdem von dem abgegebenen Strom abhängt.Current windings connected in the usual way. The rotor of the converter is divided into a main pole wheel e carrying the main poles with a damper cage, which is used to suppress the opposing field and regulate the power factor, and a secondary pole wheel f carrying the reversing poles, which is used for the brushes g taking the direct current from the commutator and the one for taking off of the direct current required slip rings h carries. Not shown is the device through which z. B. through the hollow shaft of the Hauptpoirades the secondary pole wheel by 90 electrical degrees arbitrarily and evenly to decrease various DC voltages, the value of which is between zero and a maximum value caused by the winding, can be rotated. Furthermore, it is not shown how the reversing poles can be shifted radially or axially so that when the secondary pole wheel is rotated with respect to the main pole wheel when other voltage decreases, an additional field that improves commutation is always generated, which also depends on the current output.

Der Umformer wird z. B. dadurch in Betrieb gesetzt, daß das mit einer Käfigwicklung versehene Hauptpolrad durch Einschalten einer Kunstphase im Ständer in bekannter Weise angelassen wird. Nachdem der Läufer seine asynchrone Höchstdrehzahl erreicht hat, wird er durch Einschalten der Gleichstromerregerwicklung synchronisiert, so daß die Gleichstromwicklung im Ständer der Maschine von einem Drehfeld induziert wird. Sind die Wendepole des Nebenpolrades f mit den Bürsten g· um 90 elektrische Grade gegenüber dem Hauptpolrad e versetzt, so nehmen die Bürsten g infolge ihres synchronen Laufes stets den Höchstwert der Gleichspannung ab. Werden sie dagegen in die Lage der Hauptpole gedreht, so sinkt die abgenommene Gleichspannung allmählich bis auf Null, so daß die angeschlossenen Gleichstrombahnmotoren verlustlos ohne Schalter, mit Ausnahme der leistungslos schaltenden Fahrtwendeschalter, geregelt werden können.The converter is z. B. is put into operation in that the main pole wheel provided with a cage winding is started in a known manner by switching on an artificial phase in the stator. After the rotor has reached its asynchronous maximum speed, it is synchronized by switching on the DC exciter winding, so that the DC winding is induced in the stator of the machine by a rotating field. If the reversing poles of the secondary pole wheel f with the brushes g are offset by 90 electrical degrees with respect to the main pole wheel e , the brushes g always take the maximum value of the direct voltage from as a result of their synchronous running. If, on the other hand, they are turned into the position of the main poles, the drawn DC voltage gradually sinks to zero, so that the connected DC motors can be regulated without loss without a switch, with the exception of the trip switch that switches without power.

Gegenüber den bekannten Umformern, bei denen die Bürstenachse und das Kompensationsfeld verschoben werden, soll bei dieser Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes außer der Verdrehung der Bürsten und Kompensationspole zum Zweck der Abnahme verschiedener Gleichspannungen eine weitere neuartige Einstellung der Kompensationspole vorgenommen werden. Denn bei der Abnahme starker Ströme bei kleinen Spannungen (beim Anlassen der Motoren) wird das Kompensationsfeld in seiner Größe dem Erregerfeld so angepaßt, daß gerade die erforderliche Kompensationsfeldstärke erzielt wird und die Spannimgskurve unter den Bürsten einen Hacheren Verlauf erhält, um die Konimutation zu verbessern: durch den flacheren Verlauf der Feldkurve, der erfindungsgemäß an jeder Stelle des praktisch sinusförmigen .„Hauptfeldes erreicht wird, verringert man nämlich die transformatorische EMK an denjenigen Lamellen des Stromwenders, an-denen jeweils Strom durch die Bürsten abgenommen wird. Hierdurch ist es möglich, die Zahl der Lamellen wesentlich kleiner zu halten und einen entsprechend größeren Fluß pro Pol zuzulassen. Die Kompensationsfeldstärke ist hier also sowohl spannungs- als auch stromabhängig, während die älteren Umformer nur stromabhängige Kompensation aufweisen.Compared to the known converters, in which the brush axis and the compensation field should be shifted, in this embodiment of the subject matter of the invention, apart from the rotation of the brushes and compensation poles Another novel setting of the compensation poles for the purpose of decreasing various DC voltages be made. Because with the decrease of strong currents with low voltages (with Starting the motors) the size of the compensation field is similar to that of the excitation field adapted that just the required compensation field strength is achieved and the The tension curve under the brushes is given a higher course, around the Konimutation to improve: by the flatter course of the field curve, according to the invention every point of the practically sinusoidal “main field” is reached, is reduced namely the transformer emf on those slats of the commutator on which in each case current is taken by the brushes. This makes it possible to determine the number of To keep lamellas much smaller and to allow a correspondingly larger flux per pole. The compensation field strength is therefore both voltage and current dependent, while the older converters only have current-dependent compensation.

Die Anwendung der strom- und spannungsabhängigen Kompensation ist mit den gleichen elektrischen Vorteilen zu erreichen, wenn bei der Ausführungsform nach Bild 1 Läufer und Ständer ihre Rolle tauschen.The application of the current and voltage dependent compensation is with the The same electrical advantages can be achieved if in the embodiment according to Figure 1 Runner and stand swap roles.

Eine grundsätzlich geringfügige Abänderung des eben beschriebenen Umformers genügt, um die Umformung aus Einphasenwechselstrom in Drehstrom mit derart veränderlicher Spannung und Frequenz durchzuführen, daß der Quotient Spannung/Frequenz konstant bleibt (Bild 2). Es ist bekannt, daß in einer als Gleichstromwicklung bekannten Leiteranordnung Vielphasenspannungen entstehen, deren Scheitel durch den Kommutator als Gleichspannung abgenommen werden. Hierauf beruht der folgende Aufbau: Ein Ständer i trägt die Einphasenhochspannungswicklung, während die Gleichstromniederspannungswicklung in den axial verschiebbaren Zwischenständer k verlegt ist. Damit bei der zur Spannungsregelung erforderlichen Verschiebung des Zwischenständers k der Magnetisierungsstrom der Wechselstromhochspannungswicklung praktisch konstant bleibt, ist ein weiterer mit dem Zwischenständer k verbundener wicklungsloser Zwischenständer / vorgesehen, der den magnetischen Fluß schließt, wenn der Zwischenständer k axial aus dem Ständer i herausbewegt wird.A fundamentally slight modification of the converter just described is sufficient to convert from single-phase alternating current to three-phase current with such variable voltage and frequency that the voltage / frequency quotient remains constant (Fig. 2). It is known that in a conductor arrangement known as a direct current winding, multiphase voltages arise, the apexes of which are removed as direct voltage by the commutator. The following structure is based on this: A stator i carries the single-phase high-voltage winding, while the DC low-voltage winding is laid in the axially movable intermediate stator k. Thus, the magnetizing current of the AC high-voltage winding k at the required voltage regulation movement of the intermediate stator remains practically constant, another is connected to the intermediate column k connected winding loose intermediate stand / is provided, which closes the magnetic flux, when the intermediate column k axially moved out of the stand i.

Bekannt ist ein ähnlicher Umformer ohne Spannungsregelung oder mit Regelung durch einen besonderen Spannungstransformator zwischen Frequenztransformator und Verbraucher. Bei Maschinen zur Umwandlung von Mehrphasenstrom in Einphasenstrom von gleichbleibender Frequenz, der zur Speisung von Lichtbogen verwendet wird, hat man bereits Teile des aktiven Eisens zum Zweck der Spannungsregelung verschiebbar angeordnet. Die Vereinigung dieser bekannten Maßnahmen und außerdem die bereits erwähnte iao strom- und spannungsabhängige Kompensationergeben also insgesamt bauliche VorteileA similar converter is known without voltage regulation or with regulation by a special voltage transformer between the frequency transformer and the consumer. In machines for converting multi-phase electricity into single-phase electricity of constant frequency, which is used for supply is used by arcing, one already has parts of the active iron for the purpose of Voltage regulation arranged displaceably. The union of these well-known measures and also the aforementioned iao current and voltage-dependent compensation so overall structural advantages

mit guter Aussicht auf "betriebssichere Kommutation. -with a good prospect of "fail-safe commutation. -

In Bild 2 ist angedeutet, wie man das auch bei dieser Ausführungsform mit synchroner Drehzahl umlaufende Hauptpolrad e irgendwie, z. B. durch die Bunde η der feststehenden Achse mi, in seiner Lage gegenüber dem Ständer i erhält, während das Nebenpolrad / seine Lage zum Zwischenständer k nicht verändert. In Figure 2 it is indicated how the circulating also in this embodiment with synchronous speed Hauptpolrad e somehow z. B. by the collar η of the fixed axis mi, in its position relative to the stator i , while the secondary pole wheel / its position to the intermediate stator k does not change.

Damit an dem (als Hohlkommutator gezeichneten) Kommutator d Drehstrom abgenommen werden kann, sind die Bürsten g um je 120 elektrische Grade auf dem Kommutatorumfang versetzt anzubringen und mit drei< Schleifringen h entsprechend zu verbinden. Das Nebenpolrad f und mit¹ ihm die Bürsten g werden durch einen in der Drehzahl regelbaren Motor 0 (z. B. Repulsionsmotor oder Gleichstromnebenschlußmotor in Leonardschaltung) mit willkürlich veränderlichen Drehzahlen angetrieben. So that three-phase current can be drawn from the commutator d (shown as a hollow commutator) , the brushes g are to be attached to the circumference of the commutator offset by 120 electrical degrees and connected to three slip rings h accordingly. The Nebenpolrad f ¹ and with the brushes him g 0 (z. B. repulsion motor or DC shunt motor in Leonardschaltung) driven by a variable speed motor with the random variable speeds.

Dreht sich der Motor 0 synchron mit dem Hauptpolrad e, so ist die an den Bürsten g abgenommene Frequenz gleich Null, die abgenommene Spannung also eine Gleichspannung. Damit gleichzeitig die Spannung an den Bürsten gleich Null ist, muß bei Synchronlauf der Bürsten der Zwischenständer k ganz aus dem Ständer i herausgezogen werden. Auch hier ist also die bereits beschriebene spannungs- und stromabhängige Kompensation von Vorteil, und zwar um so mehr, als durch geeignete Wahl der Kompensationsfeldstärke die transformatorische EMK praktisch ausgeglichen werden kann, wobei die Feldstärke sowohl von der Größe des Luftspaltes bei radialer Verschiebung der Wendepole als auch von der Größe der Polfläche bei axialer Verschiebung abhängt.If the motor 0 rotates synchronously with the main pole wheel e, the frequency picked up at the brushes g is equal to zero, and the voltage picked up is therefore a direct voltage. So that at the same time the voltage on the brushes is equal to zero, the intermediate stand k must be pulled completely out of the stand i when the brushes run synchronously. Here, too, the voltage and current-dependent compensation already described is advantageous, all the more so as the transformer emf can be practically compensated by a suitable choice of the compensation field strength also depends on the size of the pole face with axial displacement.

Verzögert man den Motor 0 stetig bis zur Drehzahl Null, während man gleichzeitig den Zwischenständer k in den Ständer i zur Hälfte hineinschiebt, so wird an den Bürsten g Drehstrom von Netzfrequenz bei halber größtmöglicher Spannung abgenommen. Beschleunigt man den Motor 0 nunmehr stetig im entgegengesetzten Sinne des Laufes des Hauptpolrades e bis zum absoluten Betrag der synchronen Drehzahl des Hauptpolrades e, so nehmen die Bürsten g an dem Kommutator Drehstrom von doppelter Netzfrequenz bei größtmöglicher Spannung ab. Es können auch andere Vielfache der Netzfrequenz abgenommen werden, nur muß die jeweilige Eintauchtiefe des Zwischenständers entsprechend angepaßt werden.If the motor 0 is continuously decelerated to zero speed while at the same time the intermediate stator k is pushed halfway into the stator i , three-phase current is drawn from the mains frequency at half the maximum voltage at the brushes g. If the motor 0 is now steadily accelerated in the opposite direction of the running of the main pole wheel e up to the absolute value of the synchronous speed of the main pole wheel e, the brushes g on the commutator take three-phase current from twice the mains frequency at the highest possible voltage. Other multiples of the mains frequency can also be used, but the respective immersion depth of the intermediate stand must be adapted accordingly.

Dieser Umformer kann im Lokomotivbetrieb zur Speisung von Drehstrommotoren mit Käfigankern dienen, deren Drehzahl sich ohne Verwendung von Widerständen stetig und verlustlos bei bestmöglichem Leistungsfaktor regeln läßt. Dieser Wechselstrom/ Gleichstromumformer stellt gegenüber dem Kandoumformer und dem Spaltphasenumformer einen erheblichen Fortschritt dar, da letztere praktisch nur in Verbindung mit angezapften Ständerwicklungen verwendet werden können und außerdem eine verlustlose Drehzahlregelung der Fahrmotoren nicht jo möglich ist.This converter can be used in locomotive operation to supply three-phase motors with squirrel cage armatures, the speed of which can be controlled continuously and without loss at the best possible power factor without the use of resistors. This AC / DC to DC converter is facing the Kandoumformer and Spaltphasenumformer represents a significant advance, since the latter can basically only be used in conjunction with the tapped stator windings and also a lossless speed control of the traction motors is not jo possible.

Durch die Erfindung ist der Bau von Umformern möglich geworden, die in der Art des Leonardbetriebes die stufen- und verlustlose Regelung der Fahrgeschwindigkeit von einphasig gespeisten elektrischen Fahrzeugen mit Gleich- oder Mehrphasenstrommotoren gestatten, wobei gleichzeitig der Leistungsfaktor des Einphasennetzes verbessert werden kann.Through the invention, the construction of converters has become possible, which in the type of Leonard operation the stepless and lossless regulation of the driving speed from single-phase allow powered electric vehicles with direct or multi-phase current motors, at the same time the power factor of the single-phase network can be improved.

Nicht unerwähnt sei, daß der Kommutator und die Bürsten der Maschinen, durch Stromrichter in bekannten Schaltungen ersetzt werden können.It should be mentioned that the commutator and the brushes of the machines are made by converters can be replaced in known circuits.

Claims

Patent claims:

1. voltage, frequency and phase number converter for electric vehicle drives, characterized in that its possibly composed of several mutually displaceable parts (i, k, I) existing stator both a single-phase winding and a multi-phase (direct current) - winding carries which the former is connected to the general supply network and the latter is connected to a commutator generally leading to the consumer, while the rotor consists of a main part (e) serving for excitation and power factor control and a current-dependently excited secondary part (f) , the angular position of which is relative to the converted current via slip rings Qi) on the secondary part (/) of the stator decreasing brushes (g) is always unchanged and which can be adjusted to decrease different high DC voltages depending on the voltage taken from the main part.

2. Converter according to claim 1, characterized in that for the conversion of alternating current to three-phase current of the secondary part (f) to rotate the magnet wheel relative to the main part (s) by any angle and with any desired angular velocities and -the multi-phase winding (c) supporting the intermediate support ( k) together with a winding-free auxiliary stand (/) serving to close the power flow within the immovable stand part (i) is to be moved axially (Fig. 2), while for

The auxiliary stand (I) does not need to convert alternating current into direct current and the intermediate stand (k) can be combined with the main stand (Fig. I).

3. Converter according to claim 1 and 2, characterized by the voltage regulation improving both current and voltage-dependent compensation, whose current dependency is known Way achieved, but their voltage dependence by the effective compensation flux influencing change in the size of the air gap or the pole faces is effected.

4. Converter according to claim 1 to 3, characterized in that the air gap between the secondary part (/) of the pole wheel and the stator by radial displacement the reversing pole carried by the secondary pole wheel (/) is adjustable. ao

1 sheet of drawings