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Ein- und mehrphasige Frequenz- und Phasenwandlergruppe Die Erfindung
bezieht sich auf eine ein- und mehrphasige Gruppe zur Umformung der Frequenz und
der Phase des Stromes eines einphasigen Netzes. In dieser Gruppe wird die Energie
gleichzeitig mechanisch und elektrisch umgeformt, und die Regelung erfolgt durch
eine Regelung ihrer Geschwindigkeit.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Gruppe der genannten Art zeigt in schematischer
Darstellung Abb. i der Zeichnung, während inAbb. 2 dieRegelanordnung der Gruppe
dargestellt ist.
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Nach Abb. i l)este'ht die Gruppe gemäß der Erfindung aus einem Mehrphasenmotor
M irgendeiner bekannten Bauart mit umschaltbaren Polzahlen, d.li. mit veränderlicher
Geschwindigkeit, der als Generator arbeiten kann und mechanisch auf der Welle eines
Ein-Dreiphasen-Frequenzwandlers C angeordnet ist. Die Primärwicklung P1, P2 dieses
Wandlers C ist mit dem Einphasennetz U mit normaler Frequenz f1 verbunden, während
die Sekundärwicklung S die Form eines Rotors hat, der mit veränderlicher Geschwindigkeit
umläuft. Diese, Sekundärwicklung umfaßt eine normale Mehr-, phasenwicklung A.
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Der Wandler C besitzt auch einen zusätzlichen Leerlaufrotor y bekannter
Art, der eine geeignete Wicklung e trägt. Dieser Zwischenrotor kann auf der Welle
des Hauptrotors S in dem Luftspalt frei umlaufen. Die Wicklung e kann durch die
Schleifringe B2 mit Gleichstrom gespeist werden. Mit Hilfe von parallel geschalteten
Kreisen kann sie gleichzeitig die Aufgabe einer Erregerwicklung
und
einer Dämpfungswicklung für das umgekehrte Feld erfüllen. Die Wicklung e kann auch
in anderer an sich bekannter Weise gewickelt werden oder auch eine oder mehrere
Kurzschlu$wicklungen umfassen, die als Dämpfer wirken.
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Der Zwischenrotor r läuft synchron mit einem der beiden Drehfelder,
in welche sich das durch den von U gelieferten Einphasenstrom erzeugte Wechselfeld
auflösen kann. Der Hauptrotor S kann sich in umgekehrtem Sinne zu dem nicht gedämpften
Feld oder aber auch in gleichen Sinne mit diesem drehen. Die beiden konzentrischen
Rotor'e r und S sind somit entweder gegenläufig oder gleichläufig. Anden Ringen
B1 der Sekundärwicklung A tritt eine mehrphasige Spannung und eine Frequenz f2 auf,
die von der Drehgeschwindigkeit dieses Teiles abhängen.
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Der Motor M, den man sieh der Einfachheit der Erläuterung halber als
Zweiphasenmotor vorstellen, der jedoch beispielsweise auch eine Dreiphasenwicklung
tragen kann, wird einerseits durch das Einphasennetz U und andererseits durch die
zweite freie Phase P2 des Stators des'Frequenzwand'lers C gespeist, der ebenfalls
zunächst zweiphasig gedacht sei.
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Beim Anlauf wird zunächst der Hilfsrotor r des Frequenzwandlers C
in Bewegung gesetzt, so daß in dem Stator eine Zweiphasenspannung auftritt. Der
Motor M kann alsdann durch Schluß des Schalters i gespeist werden und anlaufen.
Der Stator des Frequenzwandlers C liefert dabei einen Teil der für den Motor erforderlichen
elektrischen Leistung, wie dies weiter unten erläutert werden wird.
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Der Motor M kann ein Kollektormotor mit veränderlicher Geschwindigkeit,
ein Motor mit Schleifringläufer oder mit Kurzschlußanker, und zwar mit einer oder
mehreren umschaltbaren Polzahlen sein.
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Man kann auch einen Motor mit einer oder mehreren genau konstanten
oder synchronen Geschwindigkeiten verwenden, der dann den Frequenzwandler wieder
mit veränderlicher Geschwindigkeit mittels einer magnetischen, mechanischen oder
hydraulischen Kupplung bekannter Bauart antreibt. Die magnetische Kupplung kann
eine Sekundärwicklung besitzen, und in diese Sekundärwicklung kann eine Maschine
geeigneter Bauart, z. B. eine Kollektormaschine o. dgl., eingeschaltet sein,
um
unter Benutzung einer der bei Asynchronmotoren verwendeten Schaltungen
die Schlupfenergie wiederzugewinnen.
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Man kann auch einen Kaskadenmotor mit einem zweiten Motor vorsehen,
wobei die beiden Motoren für eine oder zwei umschaltbare Polzahlen eingerichtet
sein können. Auf diese Weise ist es möglich, mit Leichtigkeit mehrere Arbeitsgeschwindigkeiten
zu erhalten, die den folgenden Schaltungen entsprechen: Hauptmotor allein mit jeder
Polzahl, zwei Motoren in Kaskadenschaltung bei jeder beliebigen Polpaarzahl, Kaskadenmotor
allein bei jeder beliebigen Polpaarzahl. Diese Schaltungen können. unmittelbar oder
unter Vermittlung eines an den Klemmen des Frequenzwandlers C liegeedlen Transformators
gespeist werden.
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Man kann auch, ohne den Rahmen der Erfindung damit zu verlassen, einen
Asynchronmotor vorsehen, und zwar entweder in Verbindung mit einer Kollektormaschine
bekannter Art, die stufenlos oder stufenweise eine Geschwindigkeitsänderung ohne
Energieverlust durch Schiebewiderstände ermöglicht, oder in Verbindung mit einem
Einankerumformer, so daß man eine Kraemergruppe erhält, oder in Verbindung mit einem
Motor mit doppeltem Läufer mit innerer oder durch Zusammenschaltung bewirkter Kaskadenschaltung,
woraus sich in Wirklichkeit zwei Motoren ergeben, von denen jeder eine oder mehrere
Polaritäten hat.
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Der Motor M kann auch ein Einphasenmotor beliebiger Bauart sein, dessen
Stator nur mit dem Einphasennetz in Verbindung steht.
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In allen diesen Fällen kann man die an sich bekannten Kombinationen
benutzen, die den übergang von einer Polarität zur anderen erleichtern.
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Der Betrieb der Gruppe geht in folgender Weise vor sich: Wenn die
beiden Läufer r und S in entgegengesetzten Richtungen umlaufen, so erhält man zwischen
den Frequenzen f1 des Netzes U und f2 der Sekundärwicklung A des Wandlers C die
folgende Beziehung:
Hierin ist p1 die Polpaarzahl des Frequenzwandlers C und p2 die gerade benutzte
Polpaarzahl des Motors M (wenn er polumschaltbar ausgeführt ist).
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Wenn der Rotor S stillsteht, so ist die Frequenz f2 gleich der Speisefrequenz
f, des Stators. Mit wachsender Geschwindigkeit steigt die Frequenz f2 an, wie dies
in einem gewöhnlichen Induktionswandler der Fall ist.
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Sieht man von der durch den Stator des Wandlers C auf den Motor M
übertragenen Leistung ab, so erhält man:
Hierin ist P, die Belastung der Sekundärwicklung S, und P," die von dem Motor mechanisch
gelieferte Leistung.
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Es ist die Gesamtleistung PS = P, + P"" wobei P, die
unmittelbar in dem Wandler C umgeformte Leistung ist.
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Es sei bemerkt, daß die Mehrphasenspannung von gleicher Frequenz wie
diejenige des Speisenetzes an den Klemmen des Stators entweder direkt oder unter
Vermittlung eines Transformators abgenommen werden kann, wenn die Sekundärwicklung
des Wandlers C offen ist und der Zwischenläufer synchron läuft.
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Man kann auch zeitweise eine Frequenz f2 erhalten, die unterhalb der
Primärfrequenz f 1 liegt, indem der Rotor S im gleichen Sinne angetrieben wird wie
der Zwischenrotor r. In diesem Falle liefert der Hauptrotor S des Wandlers C die
Gesamtheit der Belastung der Sekundärwicklung und
eine zusätzliche
Leistung atft die Welle, die durch den Motor M wieder dem Netz zugeführt wird.
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Wie Abb. t zeigt, tragen die Ständer der Maschinen M und C Zweiphasenwicklungen
dl, d2 und p1, p2. Die Phasen dl und p1 liegen an dem Netz U.
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Die Phase I'2 des Frequenzwandlers wird dazu benutzt, um dem Hilfsrotor
y nach einem bekannten Verfahren (Induktivität, Kapazität, Widerstand usw.) in Bewegung
zu setzen.
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Sobald der Hilfsrotor synchronisiert ist, wird die Wicklung p2 mittels
des Schalters i mit der Wicklung d2 verbunden, wodurch eine Zweiphasenspeisung des
Ständers des Motors M gesichert ist.
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Der Motor wird dann wie ein gewöhnlicher Motor mit Schleifringen b
und einem Schleifringläufer s und einem an die Rotorwicklung a angeschlossenen äußeren
Widerstand Rh angelassen. Dieser Widerstand kann dazu benutzt werden, um die Arbeitsgeschwindigkeit
im Betrieb zu verändern.
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Sobald der Rotor des Motors M umläuft, tritt an den Schleifringen
B, der Wicklung A des Rotors S des Frequenzwandlers C eine Frequenz f2 auf, die
von der Netzfrequenz f1 verschieden ist. Sie kann kleiner oder größer sein, je nachdem,
ob der Rotor S in gleichem oder entgegengesetztem Sinne umläuft wie der Hilfsrotor
r.
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Die Maschine C arbeitet gleichzeitig durch ihre Primär- und ihre Sekundärwicklung
als Phasentransformator, und ihr HauptrotorS arbeitet außerdem als Frequenzwandler.
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Wenn die Frequenz f2 größer ist als f l, so entnimmt der Frequenzwandler
C dem Netz den Bruchteil der Leistung, der durch Induktion von der Frequenz f1 auf
die Frequenz f2 umgewandelt wird, sowie die Leistung, welche über den Schalter i
der Wicklung d2 des Motors M zugeführt wird.
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So ist es beispielsweise möglich, mit einem Frequenzwandler C mit
acht Polen und einem Motor M mit sechs Polen (oder zwei Motoren in Kaskadenschaltung)
mit Geschwindigkeiten von 1500, 750, 50o Umdrehungen je Minute, die folgenden Frequenzen
zu erhalten, die, ausgehend von einem Netz mit 25 bis 5o Perioden, den Synchrongeschwindigkeiten
entsprechen o, 16,6, 83, Zoo, 15o Perioden.
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Die Frequenz 5o erhält man durch Stillsetzung des Hauptrotors S oder
unmittelbare Abnahme am Stator des Wandlers C. Die Zwischenfrequenzen können durch
Einschaltung des Schiebewiderstandes Rh erhalten werden. Wirtschaftliche Frequenzen
sind 50, 83, ioo, 15o Perioden: Der Motor M mit drei Polpaarzahlen kann beispielsweise
in Zweiphasenausführung mit Hilfe von zwei getrennten Wicklungen auf jedem Organ
verwirklicht werden, nämlich einer ersten Zweiphasenwicklung für vier und acht Pole,
mit acht Klemmen und bekannter Schaltung und einer zweiten Zweiphasenwicklung von
verminderterLeistung für zwölf Pole mit vier Klemmen.
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Der Rotor des Motors M kann zur Widerstandsregelung nur mit einer
oder zwei Polpaarzahlen versehen sein, wobei die Wicklung nach einem bekannten Verfahren
bei bestimmten Polpaarzahlen selbsttätig kurzgeschlossen wird.
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Man kann die Wicklungen des Wandlers C und des Motors M auch dreiphasig
wickeln oder zwischen dem Stator des Wandlers C und dem :Motor M einen Phasentransformator
einschalten, um eine der bekannten Schaltungen mit mehreren Polpaarzahlen anzuwenden.
Im Falle der dreiphasigen Wicklung der Statoren kann die zur Speisung der von der
Gruppe gespeisten Dreiphasenmotoren notwendige Frequenz f 1 unmittelbar von dem
Stator des Wandlers C geliefert werden, wobei die Wicklung des Hauptrotors offen
ist.
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Abb.2 zeigt Mittel, mit deren Hilfe die Verlangsamung und Stillsetzung
des Motors M zum Zwecke der Regelung der Frequenz f2 gesteuert werden kann. In dieser
Abbildung ist davon ausgegangen, daß die Ständer von M und C dreiphasig gewickelt
sind. Zunächst wird das Statordrehfeld von 31 mittels des Stromwenders I
umgekehrt und sein Rotorstromkreis s wird über die an die Rotorwicklung a angeschlossenen
Widerstände R geschlossen. Hierdurch erhält man ein regelbares Bremsmoment. Die
Speisephase, die durch den Schalter i an den Frequenzwandler altgeschlossen werden
kann, wird alsdann unterbrochen. Um den Motor vollständig stillzusetzen, wird seine
Statorspannung mittels eines geeigneten Transformators T und eines passenden festen
oder regelbaren Widerstandes an seine Schleifringe b gelegt.
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Zu diesem Zweck sind die Schleifringe b des Motors M mit Hilfe von
-regelbaren Widerständen R mit einem dreipoligen Schalter D mit zwei Arbeitsstellungen
(oder einem Stromwender) verbunden, der in der in Abb. 2 gezeigten rechten Stellung
die Enden dieser Widerstände miteinander verbindet. In seiner linken Stellung verbindet
der Schalter die Widerstände mit den Klemmen des Transformators T, dessen andere
Wicklung an dem Stator d liegt. Der Umschalter 1 ermöglicht es, die Verbindungen
zu kreuzen, die den Stator d des Motors mit der Speiseleitung des Primärnetzes mit
der Primärfrequenz f, und der Spannung U in Verbindung bringen.
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Um den' Motor M zu bremsen, wird das Drehfeld des Stators d mittels
des Stromwenders 1 umgekehrt, während die Widerstände R des Rotors s eingeregelt
werden und der dreipolige Schalter D sich in der rechten Stellung befindet. Bringt
man den Schalter in seine linke Stellung, so wird in den Stromkreis der Schleifringe
b außer den zweckmäßig eingeregelten Widerständen R auch der Transformator T eingeschaltet,
so daß die Spannung des Stators d auf den Rotor übertragen wird. Ferner wird der
Schalter i geöffnet.
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Unter diesen Bedingungen kommt der Motor M zum Stillstand. Um das
Drehmoment, das ihn im Stillstand hält, zu vergrößern, kann man die Widerstände
R verkleinern.
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Die obigen Maßnahmen, die von der Geschwindigkeit, der Spannung und
der Frequenz des
Rotors s abhängen, können durch Schalter durchgeführt
we-den, deren Betätigung beispielsweise durch eine Nockenwelle oder durch Relais
oder durch irgendeine andere Steuervorrichtung erfolgt.
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Wenn die Spannungen des Rotors s und des Stators d gleich sind, so
kann man den Transformator T entbehren und sich allein mit den Widerständen R begnügen,
die regelbar sein oder einen geeigneten festen Wert haben können.
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Das beschriebene Regelungssystem, das für eine beliebige Anzahl von
Phasen verwendbar ist, kann auch auf den Frequenzwandler C Anwendung finden. In
diesem Falle gelangt die elektrische Energie unmittelbar von dem Rotor S zu dem
Stator p, sofern diese beiden Organe in der bei dem Motor M beschriebenen Weise
miteinander elektrisch verbunden sind.
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Die beschriebene Gruppe kann mit Hoch- oder Niederspannung gespeist
werden. Die Energieübertragung ist umkehrbar, und sie kann auch von dem Netz mit
der Frequenz f2 auf das Netz mit der Frequenz f t erfolgen.
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Der beschriebene Frequenz- und Phasenwandler kann insbesondere bei
einphasigem Fahrzeugantrieb zur Speisung von mehrphasigen Asynchronfahrzeugmotoren
beliebiger Bauart mit gewickeltem oder Kurzschlußläufer mit veränderlicher Frequenz
Verwendung finden.
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Diese Motoren treiben die Triebachsen mit einfacher oder doppelter
Untersetzung an. Die praktische Ausführung der Motoren kann beispielsweise durch
Verwendung von Läufern mit beim Anlauf selbsttätig erhöhtem Widerstand, wie z. B.
mit Läufern mit doppelter Kurzschlußwicklung und einergünstigenDrehmoment-Geschwindigkeits-Charakteristik,
erleichtert werden. Die Regelung des Leistungsfaktors kann durch Gleichstromregelung
des Zwischenrotors r des Frequenzwandlers erfolgen. Auf diese Weise kann man Fahrzeugantriebsmotoren
mit großem Luftspalt benutzen, die im Bedarfsfalle mit erhöhter Frequenz gespeist
werden und ihren Kraftfluß beim Anlaufen vergrößern.
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Die übrigen Bezugszeichen der Abb. 2 entsprechen denen der Abb.i