DE830977C - Ein- und mehrphasige Frequenz- und Phasenwandlergruppe - Google Patents

Ein- und mehrphasige Frequenz- und Phasenwandlergruppe

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DE830977C
DE830977C DEP37025A DEP0037025A DE830977C DE 830977 C DE830977 C DE 830977C DE P37025 A DEP37025 A DE P37025A DE P0037025 A DEP0037025 A DE P0037025A DE 830977 C DE830977 C DE 830977C
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DE
Germany
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motor
phase
stator
rotor
frequency
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Expired
Application number
DEP37025A
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English (en)
Inventor
Louis Galzin
Pierre Letrilliart
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Forges et Ateliers de Constructions Electriques de Jeumont SA
Original Assignee
Forges et Ateliers de Constructions Electriques de Jeumont SA
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K47/00Dynamo-electric converters
    • H02K47/18AC/AC converters
    • H02K47/22Single-armature frequency converters with or without phase-number conversion
    • H02K47/26Single-armature frequency converters with or without phase-number conversion operating as under- or over-synchronously running asynchronous induction machines, e.g. cascade arrangement of asynchronous and synchronous machines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Control Of Multiple Motors (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Description

  • 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.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer Gruppe der genannten Art zeigt in schematischer Darstellung Abb. i der Zeichnung, während inAbb. 2 dieRegelanordnung der Gruppe dargestellt ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Motor M kann auch ein Einphasenmotor beliebiger Bauart sein, dessen Stator nur mit dem Einphasennetz in Verbindung steht.
  • In allen diesen Fällen kann man die an sich bekannten Kombinationen benutzen, die den übergang von einer Polarität zur anderen erleichtern.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • Es ist die Gesamtleistung PS = P, + P"" wobei P, die unmittelbar in dem Wandler C umgeformte Leistung ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Maschine C arbeitet gleichzeitig durch ihre Primär- und ihre Sekundärwicklung als Phasentransformator, und ihr HauptrotorS arbeitet außerdem als Frequenzwandler.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die übrigen Bezugszeichen der Abb. 2 entsprechen denen der Abb.i

Claims (7)

  1. PATENTANSPRLCHE: i. Ein- und mehrphasige Frequenz- und Phasenwandlergruppe, gekennzeichnet durch einen Mehrphasenmotor und einen Frequenzwandler mit doppeltem Rotor, wobei der Stator des Motors mit dem Stator des Frequenz,#vandlers verbunden ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor aus einer einzigen Maschine mit einer oder mehreren umschaltbaren Polpaarzahlen oder aus einer mechanischen oder elektrischen Kaskadenschaltung mit mehreren Motoren mit einer oder mehreren Polpaarzahlen besteht.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsfaktor des Ganzen und die Spannung an den Klemmen des äußeren Stromkreises durch Regelung der Gleichstromerregung des Zwischenrotors des Wandlers verändert werden.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motor mit einer einzigen Geschwindigkeit finit einer Drehzahlregelung bekannter Art Verwendung findet.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelung auf magnetischem Wege unter Wiedergewinnung der Schlupfleistung erfolgt.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator des Antriebsmotors über einen Umschalter mit dem Primärnetzverbundeii und außerdemgegebenenfalls über einen Transformator, über feste oder regelbare Rotorwiderst<inde und einen Umschalter zur Unterbrechung des Stromkreises und Verbindung der l'Viderstände untereinander an die Schleifringe angeschlossen ist.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsung und Stillsetzung des Motors durch Umkehrung des Statordrehfeldes oder durch Einschaltung von Rotorwiderständen oder durch Schluß des den Stator und den Rotor verbindenden Stromkreises bzw. durch Unterbrechung der mit dein Frequenzwandler verbundenen Statorphase erfolgt. B. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel nach Anspruch 6 und 7 auch auf den Frequenz,#vandler Anwendung finden. g. Anwendung der Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei Einphasenstromfahrzeugantrieben zurn Antrieb derselben durch Mehrpliasenmotoren, z. B. Asynchronmotoren, die mit einer Spannung von regelbarer Höhe und Frequenz gespeist werden.
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