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Frequenzwandler Um schnellaufende Drehfeldmotoren (goootourige Motoren)
aus einem normalen Drehstromnetz zu betreiben, ist es bereits vorgeschlagen worden,
zwei (n) gesättigte Drehstrointransformatoren vorzusehen, deren an das Drehstromnetz
angeschlossene Primärwicklungen so geschaltet sind, daß die Grundwellen der Flüsse
in den Transformatoren um
(wobei n die Phasenzahl des Motors ist) versetzt sind, während die in offenem Dreieck
geschalteten Sekundärwicklungen der Transformatoren die Ständerwicklungen des Drehfeldmotors
speisen. Statt eines Drehstromtransformators können auch drei Einphasentransformatoren
verwandt werden. Bei Speisung von Drehstrominduktionsmotoren kann man auch mit zwei
Drehstromtransformatoren auskommen, wenn die Sekundärwicklungen der Transformatoren
in Scottscher Schaltung die Ständerwicklungen des Motors speisen.
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Gemäß der Erfindung werden bei einer derartigen Anordnung zur Frequenzwandlung
mit Hilfe gesättigter Transformatoren zur Erzielung der Sättigung Gleichstromwicklungen
verwendet, und die Größe des die Gleichstromwicklungen durchfließenden Gleichstroines
wird von einer Betriebsgröße abhängig gemacht. Beispielsweise kann man die Höhe
des Gleichstromes von der Verbraucherspannung in der Weise abhängig machen, daß
diese Spannung konstant bleibt. Man kann auch beispielsweise den Vormagnetisierungsstrorn
von der Größe des Sekundärstromes des FreqüeEzwärid1ers abhängig machen, so daß
die Vormagnetisierung um so größer ist, je mehr Ström entnommen wird. Man erreicht
dadu.rcIi, -däß -im Leerlauf, also wenn leine Verbraucher an den Frequenzwandler
angeschlossen= sind, der Frequenzwandler auch keinen, Hohen Magnetisierüngsstrom
vom Primärnetz'? entnimmt, da er nicht gesättigt ist. Es können auch andere Größen.-
zur Beeinflussung der Gleichstromvormagnsierung verwandt werden. Die Regelung der
Gleichstromvor-'magnetisierung kann beispielsweise durch einen Regler erfolgen,
welcher von einer Betriebsgröße abhängig ist und z. B. einen Widerstand im Stromkreis
der Vormagnetisierungswicklung verändert. Man kann aber auch Schaltungen verwenden,
bei denen man ohne bewegliche Kontakte auskommt.
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Gegenüber bekannten Anordnungen zur ungeradzahligen Frequenzvervielfachung,
bei denen zur Änderung der Spannung Anzapfungen
an den Primär-
und Sekundärwicklungen vorgesehen sind, besitzt die Anordnung nach der Erfindung
den Vorteil, daß man zur Änderung der Spannung nur eine verhältnismäßig kleine Leistung
(Gleichstromleistung) zu schalten braucht oder sogar die Anordnung so treffen kann,
wie die folgenden Ausführungsbeispiele zeigen; daß man ohne bewegliche Kontakte
auskommen kann.
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Die Erfindung kann auch angewendet werden bei Anordnungen zur geradzahligen
Frequenzvervielfachung, bei denen die Transformatoren schon Gleichstromwicklungen
besitzen; beispielsweise hat man zwei Einphasentransformatoren vorgesehen, die vom
Gleichfluß im entgegengesetzten Sinne vormagnetisiert werden und bei denen an den
Sekundärwicklungen, die im gleichen Sinne wie die Gleichstromwicklungen geschaltet
sind, die Spannung der doppelten Frequenz abgenommen wird. Erfindungsgemäß wird
nun die Größe des die Gleichstromwicklungen durchfließenden Gleichstromes von einer
Betriebsgröße abhängig gemacht.
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Zur geradzahligen Frequenzvervielfachung ist es bekannt, die Transformatoren
mit Gleichstrom vorzumagnetisieren. Zu diesem Zweck hat man beispielsweise zwei
Einphasentransformatoren vorgesehen, die vom Gleichfluß im entgegengesetzten Sinne
vormagnetisiert werden und bei denen an den Sekundärwicklungen, die im gleichen
Sinne wie die Gleichstromwicklungen geschaltet sind, die Spannung der doppelten
Frequenz abgenominen wird. Auch bei derartigen Anordnungen zur geradzahligen Frequenzvervielfachung;
bei denen schon Gleichstromwicklungen vorhanden sind, kann man erfindungsgemäß die
Größe 'des die Gleichstromwicklungen durchfließenden Gleichstromes von einer Betriebsgröße
abhängig machen.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Fig. z zeigt eine Anordnung, bei welcher Drehstrom von z. B. 5o Perioden
in Drehstrom der dreifachen Frequenz umgewandelt wird. Mit- 13 sind die Sammelschienen
des Drehstromnetzes von So Perioden, finit 14 die Sammelschienen des Drehstromnetzes
von i5o Perioden bezeichnet. Um den Drehstrom in Drehstrom der dreifachen Frequenz
umzuwandeln, sind zwei Sätze von Transformatoren vorgesehen. Der erste Satz besteht
aus den Transformatoren r, 2 und 3, der zweite Satz aus den Transformatoren 4,
5
und 6. Jeder Transformator besitzt einen dreischenkligen Eisenkern, auf
dessen äußeren Schenkeln die Primär- und Sekundärwicklungen aufgebracht sind: Die
Primärwicklungen der Transformatoren i, 2 und 3 sind in Stern, die Primärwicklungen
der Transformatoren 4, 5 und 6 derart in Zickzack geschaltet, daß die Grundwellen
der Flüsse in den Transformatoren 4, 5 und 6 um 30° gegenüber den entsprechenden
Flüssen der Transformatoren i, 2 und 3 versetzt sind. Die Sekundärwicklungen der
Transformatoren i, 2 und 3 sind in offenem Dreieck geschaltet, ebenso auch die Sekundärwicklungen
der Transformatoren 4. 5 und 6. Die Dreieckswicklung der Transformatoren 4, 5 und
6 ist in der Mitte ange zapft und dieser Anzapfpunkt ist mit dem Anfang der Sekundärwicklung
des rechten Transformatorsatzes verbunden. Von dem Ende der Sekundärwicklung des
rechten T ransformätorsatzes und von dem Anfang und dem Ende der Sekundärwicklung
des linken Transformatorsatzes führen die einzelnen Leitungen zu den Sammelschienen
14 des i5o-Perioden-Netzes. Sind die Transformatoren gesättigt, so entsteht in den
beiden Sekundärwicklungen je eine Spannung der dritten Oberwelle. An die Sammelschienen
14 ist im Ausführungsbeispiel ein Drehstrommotor 15 angeschlossen, dessen Ständer
in Stern geschaltet ist, während der Läufer eine Kurzschlußwicklung trägt. Parallel
zur Ständerwicklung liegen Kondensatoren.
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Jeder Transformator, der ohne Vormagnetisierung im ungesättigten Gebiet
arbeitet, besitzt noch eine Gleichstromwicklung 7 bzw. S bzw. g bzw. io bzw. i i
bzw: 1ä. Die Gleichstromwicklung eines jeden Transformators liegt auf dessen Mittelschenkel.
Die Gleichstromwicklungen dienen dazu, die Sättigung der Transformatoren in Abhängigkeit
vom Sekundärstrom zu verändern. Zu diesem Zweck könnte man beispielsweise die Gleichstromwicklungen
in Reihe schalten und von einer konstanten Spannungsquelle aus über einen Widerstand
speisen, der in Abhängigkeit von der Größe des Sekundärstromes finit Hilfe eines
Reglers verändert wird. Man würde dann erreichen, daß nur dann, wend Sekundärstrom
entnommen wird, die Transformatoren vormagnetisiert und damit gesättigt werden.
Im Ausführungsbeispiel ist eine Schaltung angewandt, bei welcher man ohne Regler
mit beweglichen Kontakten auskommt. Zu diesem Zweck sind Stromwandler 22, 23 und
24 vorgesehen, die in den zu den Sammelschienen 14 führenden Leitungen liegen:
All jeden Stromwandler ist eine Gleichrichteranordnung i9 bzw. 2o bzw. 2i
in Graetzscher Schaltung angeschlossen. Diese Gleichrichteranordnungen sind auf
ihrer Gleichstromseite -parallel geschaltet, und an dieser Parallelschaltung liegt
die Reihenschaltung der Gleichstromwicklungen 7; S, 9, io, i i und 12. Die Schaltung
der Wechselstromprimärwicklungen ist, wie aus dem Ausführungsbeispiel hervorgeht,
so getroffen, daß
durch den Mittelschenkel kein Fluß der Grundwelle
hindurchgeht, so daß also. kein Strom der Grundwelle im Gleichstromkreis auftreten
kann. Es ist bei dieser Anordnung, bei welcher die Vormagnetisicrurig von der Höhe
des Verbraucherstromes abhängig ist, vorteilhaft, eine kleine konstante Gleichstromvormagnetisierung
dauernd vorzusehen, um zu erreichen, daß bei eintretender sekundärer Belastung sich
mit Sicherheit der gewünschte Gleichfluß ausbilden kann. Man könnte aber auch bei
Fig. r die Anordnung so treffen, daß ohne Gleichstrom-Vormagnetisierung lediglich
durch die Primärspannung der Transformator schon etwas gesättigt ist. Dann wäre
die konstante Vormagnetisierung zu entbehren. Auch hierbei würde man erreichen,
daß im Leerlauf der aufgenommene Strom nur gering ist.
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In Fig. z sind die beiden Transformatorensätze primärseitig parallel
geschaltet; man kann sie aber auch in Reihe schalten. Man kann auch für beide Transformatorensätze
Zickzackschaltung vorsehen, wobei dann die eine Zickzackschaltung in positivem,
die andere im negativen Sinne um 151' drehend ist.
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In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
bei welchem die Gleichstrornvormagnetisierung von der Höhe der Sekundärspannung
abhängig ist. Soweit die Teile mit denen der Fig. z übereinstimmen, sind dieselben
Bezugszeichen verwendet worden. Im Gegensatz zu der Anordnung nach Fig. r sind bei
der Anordnung nach Fig. 2 die beiden Transformatorensätze primärseitig in Reihe
geschaltet. Auch ist für. alle Transformatoren ein gemeinsamer Eisenkern vorgesehen.
Der Transformatorenkern besitzt zweimal sieben Schenkel. Im Gegensatz zur Anordnung
nach Fig. r ist hier auf jeden bewickelten Schenkel eine Gleichstromwicklung aufgebracht,
die dasselbe Bezugszeichen besitzt wie die entsprechende Gleichstromwicklung des
Transformators in Fig. a, nur mit einem bzw. zwei Strichen versehen. Die Gleichstromwicklungen
sind alle in Reihe geschaltet, und zwar derart, daß in zwei bewickelten benachbarten
Schenkeln der Gleichfluß entgegengesetztes Vorzeichen besitzt. Die Sekundärwicklungen
sind hier auf den beiden siebenten Schenkeln aufgebracht und werden vorn Fluß der
durch drei teilbaren Harmonischen durchsetzt. Man könnte aber auch in offenem Dreieck
geschaltete Sekundärwicklungen auf den ersten sechs Schenkeln vorsehen. Die Sekundärwicklungen
arbeiten in Scottscher Schaltung auf die Sammelschienen 1q.. Um die V ormagnetisierung
jeweils so einzustellen, daß die Sekundärspannung konstant bleibt, könnte man mit
Hilfe eines Spannungsreglers den Vormagnetisierungsstrom verändern. Im Ausführungsbeispiel
ist jedoch eine Anordnung getroffen, bei der ohne besondere Regler mit beweglichen
Kontakten eine konstante Verbraucherspannung erzielt werden kann. Zu' diesem Zweck
wird mittels eines Transformators 30, 3i und eines Gleichrichters 32 an einem Widerstand
33 eine Spannung erzeugt, die proportional der Verbraucherspannung ist. Würde man
lediglich von dieser Spannung die Vormagnetisierungswicklung speisen, so würde man
bei steigender Verbraucherspannung die V ormagnetisierung erhöhen, während sie umgekehrt
bei steigender Verbraucherspannung erniedrigt werden muß. Es ist deshalb im Ausführungsbeispiel
eine Differenzschaltung vorgesehen. Zu diesem Zweck liegt über eine Drosselspule
34 eine gesättigte Drosselspule 35 am Sekundärnetz. Die Spannung an der gesättigten
Drosselspule, die annähernd konstant ist, wird über einen Gleichrichter 36 gleichgerichtet
und einem Widerstand 37 zugeführt. Die an den Widerständen 33 und 37 herrschenden
Spannungen sind gegeneinander geschaltet und speisen die Gleichstromwicklungen der
Transformatoren. Die Bemessung muß dabei so, getroffen werden, daß im Leerlauf die
konstante Spannung am Widerstand 37 die am Widerstand 33 herrschende Spannung überwiegt
und bei fallender Verbraucherspannung eine größere Vormagnetisierung zustande kommt.
Als Vergleichsspannung kann man auch die gleichgerichtete Primärspannung verwenden.
Um eine sehr genaue Konstanthaltung der Spannung zu erzielen, könnte man auch die
Vergleichsspannung am Widerstand 37 derart von der Verbraucherspannung abhängig
machen, daß sie bei abnehmender Verbraucherspannung zunimmt.
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Es ist nicht erforderlich, daß die Spannungen elektrisch gegeneinander
geschaltet sind, sondern man kann auch eine magnetische Differenzbildung vorsehen,
indem man jedem Transformator des Frequenzwandlers zwei getrennte, einander entgegenwirkende
Vortnagnetisierungswicklungen gibt, von denen die eine von der gleichgerichteten
Verbraucherspannung, die andere von der Vergleichsspannung gespeist wird.
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Besonders zweckmäßig ist es, die gleichgerichtete Verbraucherspannung
über einen thermonegativen Widerstand, bei dem in einem gewissen Bereich die Spannung
bei zunehmendem Strom fällt, zur Einwirkung zu bringen. Dieser Widerstand wird dabei
unter Berücksichtigung der übrigen Widerstände des Kreises so gewählt, daß schon
bei einer geringen Abnahme der Netzspannung der von dieser Netzspannung erzeugte
Gleichstrom außerordentlich stark zurückgeht, während eine geringe Zunahme derNetzspannung
einen
starken Anstieg des Gleichstromes zur Folge hat. Ist der thermonegative
Widerstand in seiner Größe gegeben, so müß man, um dies zu erreichen, die anderen
Widerstände des Kreises entsprechend einstellen. Man kann den thermonegativen Widerstand'
beispielsweise bei der Anordnung nach Fig. 2 in Reihe mit der Primärwicklung 3o
des Transformators 30, 31 oder in Reihe mit der Sekundärwicklung 3 r legen.
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Bei den Ausführungsbeispielen heben sich die im Gleichstromkreis auftretenden
Spannungen der Grundwellen auf, weil die Anordnung symmetrisch aufgebaut ist. Man
kann aber auch unsymmetrische Anordnungen verwenden, muß aber dann in den Gleichstromkreis
eine Drosselspule einschalten, um einen Kurzschluß der durch drei teilbaren-Spannungen
zu vermeiden: Eine solche unsymmetrische Schaltung entsteht beispielsweise, wenn
man statt der dreischenkligen Kerne in Fig. z normale zweischenklige Kerne verwendet,
oder wenn man bei der Anordnung nach Fig. :2 die geradahligen Schenkel wegläßt.
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Ein Ausführungsbeispiel zur Uniwandlung von Drehstrom in Drehstrom
der doppelten Frequenz zeigt Fig. 3. Bei der Anordnung nach Fig. 3 sind sechs Transformatoren
4o bis 45 vorgesehen. Die Primärwicklungen je zweier Transformatoren 4o und 41 bzw.
42 und 43 bzw. 44 und 45 sind in Reihe geschaltet. Im Ausführungsbeispiel sind die
Reihenschaltungen in Stern geschaltet. Man könnte aber auch eine Dreieckschaltung
vorsehen. Die Sekundärwicklungen je zweier Transformatoren sind im entgegengesetzten
Sinne in Reihe geschaltet, Die einzelnen Reihenschaltungen sind wieder in Stern
geschaltet. Man kann sie aber auch in Dreieck schalten. Die Sekundärwicklungen sind
an die Sammelschienen 46 des Netzes der doppelten Frequenz angeschlossen. Von dieser
Spannung der doppelten Frequenz können Induktionsmotoren, wie in der Abbildung dargestellt;
gespeist werden.
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Jeder Transformator besitzt eine Gleichstromwicklung 5o bzw. 5r bzw.
5a bzw. 53 bzw. 54 bzw. 55. Alle Gleichstromwicklungen sind in Reihe geschaltet,
so daß in diesen kein Strom der Grundwelle, der zweiten und der dritten Oberwelle
auftreten kann: Im Ausführungsbeispiel werden die Gleichstromwicklungen über einen
Gleichrichter 47 vom Primärstrom gespeist. Diese Anordnung hat, ähnlich wie die
Anordnung nach Fig. r, den Vorteil, daß erst, wenn sekundäre Last abgenommen wird,
die Vormägnetisierung der Transformatoren so weit verstärkt wird, daß eingrößerer
Strom dem Primärnetz entnomrnen wird. Im Ausführungsbeispiel wird lediglich der
Strom einer Phase gleichgerichtet; um Unsymmetrien zu vermeiden, könnte man jedoch
alle drei Primärströme gleichrichten und ihre Summe den Gleichstromwicklungen zuführen.
Man kann auch die in Reihe geschalteten Gleichstromwicklungen 50, 52 und 54 der
oberen Transformatoren parallel zu den in Reihe geschalteten Gleichstromwicklungen
51, 53 und 55 der unteren Transformatoren schalten. Bei der Anordnung nach Fig.
3 ist es möglich, für alle sechs Transformatoren einen gemeinsamen sechsschenkligen
Eisenkern vorzusehen, wobei auf drei Schenkeln die Wicklungen der Transformatoren
40; 42 und 44, auf den anderen drei Schenkeln die Wicklungen der Transformatoren
44 43 und 45 aufgebracht sind. Die Gleichstromwicklungen werden wieder so geschaltet,
daß je zwei zugeordnete Transformatoren 40; 41 bzw. 42, 43 bzw. 44, 45 im entgegengesetzten
Sinne vom Gleichfluß durchsetzt werden. Es ist hierbei kein zusätzlicher Schenkel
erforderlich. Auch bei der Anordnung nach Fig. 3 kann man eine kleine konstante
Gleichstrommagnetisierung vorsehen.
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Man könnte auch beispielsweise bei der Anordnung nach Fig.3 in Abhängigkeit
vorn Sekundärstrom vormagnetisieren und außerdem eine kleine konstante Gleickstrommagnetisierung
vorsehen.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt, bei welchen Drehstrom in Drehstrom einer anderen Frequenz umgewandelt
wird, sondern die Erfindung kann auch angewendet werden bei Umwandlung von Ein-
oder Zweiphasenstronr höherer Frequenz, ebensogut auch wie beispielsweise bei Umwandlung
von Drehstrom in Zweiphäsenstrom der dreifachen Frequenz.