DE871337C - Elektrische Umformermaschine - Google Patents

Elektrische Umformermaschine

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DE871337C
DE871337C DES23733A DES0023733A DE871337C DE 871337 C DE871337 C DE 871337C DE S23733 A DES23733 A DE S23733A DE S0023733 A DES0023733 A DE S0023733A DE 871337 C DE871337 C DE 871337C
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DE
Germany
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winding
pole
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phase
pole pairs
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Expired
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DES23733A
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English (en)
Inventor
Wilhelm Dipl-Ing Dr Leukert
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K47/00Dynamo-electric converters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)

Description

  • Elektrische Umformermaschine Es sind bereits elektrische Maschinen vorgeschlagen worden, die zwei oder mehr getrennte Arbeitswicklungen mit zugehörigen Erregersystemen besitzen, deren Polpaarzahlen sich wie z : 2 : q. : ... : 2 n verhalten, wobei n eine ganze Zahl bedeutet. Durch diese Bemessung wird erreicht, daß die einzelnen Wicklungen zwar für das zugehörige Feld einen möglichst großen Wicklungsfaktor, für die fremden Felder dagegen den Wicklungsfaktor o aufweisen, so daß sie von den fremden Feldern nicht beeinflußt werden können. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der gleiche Gedanke mit Vorteil auch für den Bau elektrischer Umformermaschinen Verwendung finden kann, und zwar kann er sowohl bei Gleichstrom-Gleichstrom-Umformern als auch bei Wechselstrom-Gleichstrom- oder Perioden- bzw. Phasenumformern angewandt werden.
  • Gemäß der Erfindung erhalten somit elektrische Umformermaschinen zwei oder mehr getrennte Arbeitswicklungen mit zugehörigem Erregersystem, wobei sich die Polpaarzahlen der einzelnen Wicklungen wie z : 2 : q. : ... : 2 n verhalten.
  • Die Erfindung soll durch die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert .werden. Sie ist aber keineswegs auf diese Beispiele beschränkt, sondern in verschiedenen Abwandlungen vielseitig anwendbar. Insbesondere können die Polpaarzahlen der Wicklungen unter Berücksichtigung des gegenseitigen Verhältnisses beliebig geändert werden, wobei es auch bei den einzelnen Beispielen, mit Ausnahme der Periodenumformer, in der Regel beliebig ist, welche der Wicklungen mit der höheren und welche mit der niedrigen Polpaarzahl ausgeführt sind.
  • In Fig. r der Zeichnung ist zunächst ein Doppelfeld-Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer gemäß der Erfindung gezeigt. Dieser Umformer besitzt im Anker eine normale, beispielsweise vierpolige, in Stern geschaltete Dreiphasenwellenwicklung, der der Dreh- Strom wie bei den bekannten Einankerumformern über drei Schleifringe x zugeführt wird. Das zugehörige Polsystem besteht aus vier Polen 2; deren Erregung über den Regler 3 eingestellt werden kann. In den gleichen Ankernuten, die die Drehstromwieldung enthalten, ist nun gemäß der Erfindung eine zweipolige Gleichstromwicklung eingelegt, die an einen Kommutator q. geführt ist. Das zugehörige zweipolige Erreger-System wird dadurch geschaffen, daß je zwei aufeinanderfolgende Pole der für den Drehstromteil erforderlichen vier Pole durch eine besondere Erregerwicklung 5 mit gleicher Polarität erregt und damit magnetisch parallel geschaltet werden. Durch den Regler 6 .kann diese Erregung des zweipoligen Systems und damit die am Kommutator zwischen den Bürsten abgegebene Gleichspannung beliebig von o bis zürn vollen Wert eingeregelt werden. Die Maschine kann ebenso wie normale Gleichstrommaschinen mit zwischen den Hauptpolen angeordneten Wendepolen ausgerüstet werden; ebenso kann eine Kompensationswicklung vorgesehen werden. Diese Teile sind jedoch in der Zeichnung nicht angedeutet, um die Übersichtlichkeit nicht zu beeinträchtigen.
  • Da der Anlauf einer derartigen Umformermaschine in den meisten Fällen von der Drehstromseite aus vorgenommen werden wird, empfiehlt es sich, sie noch mit einem Anlaufkäfig 7 im Polsystem zu versehen.
  • Gegenüber allen üblichen, aus zwei getrennten Maschinen bestehenden Motorgeneratoren hat eine solche Umformermaschine gemäß der Erfindung den Vorteil, daß nur zwei Lager sowie nur ein Magnetsystem und nur ein Anker erforderlich sind und daß kein Drehmoment nach außen abgegeben wird. Man benötigt deshalb auch keine schweren Fundamente und Kupplungen und spart an Lägerreibungs-, Ventüations- und Eisenverlusten. Die Kupferverluste werden etwa die gleichen sein wie beim Motorgenerator. Die Eisenabmessungen sind durch das zweipolige System bestimmt. Gegenüber- den bekannten Einankerumformern bringt die Erfindung den Vorteil, daß die Schleifringspannung frei und günstig gewählt werden kann, weil keine Verbindung mit der Gleichstromseite besteht, und daß die Gleichspannung stufenlos geregelt werden kann. Weiter kann die Überlastungsfähigkeit der Maschine durch eine vom Strom .der Gleichstromseite abhängige selbsttätige Kompoundierung sehr groß gemacht werden. Der Leistungsfaktor der Drehstromseite kann über den Regler 3 eingestellt werden.
  • Ein solcher Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer kann mit besonderem Vorteil auch für Umförmerlokomotiven, die mit 5o Hz Einphasenstrom in der Fahrleitung und Gleichstromtriebmotoren arbeiten, verwendet werden. Es ist dann nur erforderlich, die Käfigwicklung 7 im Polsystem für den vollen Inversstrom zu bemessen und die Pole zu lamellieren. Auch für Obüsbetrieb mit Einphasenwechselstrom in der Fährleitung läßt sich die Erfindung vorteilhaft anwenden.
  • Fig. 2 'der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gleichstrom-Gleichstrom-Umformers gemäß der Erfindung, der beispielsweise für einen Obus oder für Vollbahn- oder Abraümlokomotiven, die mit Gleichstrom in der Fahrleitung arbeiten, mit Vorteil Verwendung finden kann. Diese Maschine entspricht im wesentlichen der in der Fig. I gezeigten. An Stelle der dort vorhandenen Dreiphasenwicklung ist hier im Anker eine Gleichstromwicklung vorgesehen, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zweipolig gewählt ist und über die zwei Bürsten =I vom Fahrdraht gespeist wird. Die zweite, in den gleichen Ankernuten angeordnete vierpolige Ankerwicklung ist an einen zweiten Kommutator angeschlossen, der über die zugehörigen vier Bürsten 12 die Gleichspannung für den Triebmotor =5 bzw. die Triebmotoren liefert. Diese Triebmotorenspannung kann über den Regler =3 im Kreise der vierpoligen Erregerwicklung 14 stufenlos geregelt werden. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, däß eine verlustlose Drehzahlregelung der Triebmotoren mit kleinsten Regelapparaten möglich ist. Das Prinzip der Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber die beiden Systeme der Umformermaschine als zwei getrennte Maschinen dargestellt sind.
  • In den folgenden Beispielen werden einige Ausführungen von Umförmermaschinen gemäß der Erfindung gezeigt, die sowohl im Ständer als auch im Läufer mit Drehfeldern arbeiten. Fig. q. stellt einen Phasen- und Periodenumformer dar, der es gestattet, in einer einzigen Maschine beispielsweise I62/3 Hz Einphasenstrom in 5o Hz Drehstrom umzuformen. Eine solche Anordnung hat beispielsweise Bedeutung für i:62/,-Hz-Fahrzeuge, um auf dem Fahrzeug ohne großen Aufwand ein 5o-Hz-Drehstrom-Hilfsnetz für die Hilfsantriebe zu schaffen. Auch in Bahnwerkstätten, die nur an =62/3 Hz angeschlossen sind, kann ein solcher Umformer zur Herstellung eines 5o-Hz-Drehstromnetzes mit Vorteil angewendet werden.
  • Der Ständer des Umformers erhält eine beispielsweise zweipolige Dreiphasenwicklung 2=, die mit zwei Phasen an das Einphasennetz angeschlossen wird, und der Läufer eine zugehörige zweipolige Kurzschlußwicklung 22, die jedoch nicht als Käfigwicklung ausgeführt werden darf. Sie kann zweipolig-zweiphasig oder zweipolig-dreiphasig sein mit getrennt kurzgeschlossenen Einzelsträngen. Man kann auch einzelne kurzgeschlossene Windungen ausführen, die dann den Schritt der Zweipolteilüng haben müssen, damit sie vom vierpoligen Feld nicht beeinflußt werden. Im Ständer ist außerdem noch eine vierpolige Dreiphasenwicklung 23 angeordnet, die mit der zweipoligen Dreiphasenwicldung parallel geschaltet ist. Die zugehörigevierpolige Dreiphasenläuferwicklung ist an drei Schleifringen 25 angeschlossen und dient zur Speisung eines Drehstromnetzes.
  • Wie sich leicht nachweisen läßt, ist die an den Schleifringen auftretende Frequenz V2 einer solchen Anordnung (Kaskade) wenn mit s die Schlüpfung, mit V, die Einphasenfrequenz, mit P1 die Polpaarzahl der Wicklung mit der Frequenz V1 und mit P2 die Polpaarzahl der Wicklung mit der Frequenz V2 bezeichnet wird. Das Pluszeichen gilt, wenn das Feld mit der Polpaarzahl P2 gegenläufig und das Minuszeichen, wenn es mitläufig mit der Läuferumdrehung ist. Für V1 = 16,66, @1 = 1 und P2 = 2 ergibt sich also Für den Anlauf des Umfoimers ist es nur erforderlich, den dreiphasigen Läuferschalter des Belastungsstromkreises und eine der beiden an das Einphasennetz angeschlossenen Zuführungen der vierpoligen Ständerwicklung zu öffnen. Die beiden anderen Phasenstränge der vierpoligen Ständerwicklung wirken dann als Anlaßdrossel für die einphasig gespeiste zweipolige Ständerwicklung. Nach dem Hochlaufen sind der einpolige Ständerschalter und der dreipolige Läuferschalter zu schließen, und der Umformer ist betriebsbereit. Zur Deckung des Blindstrombedarfs wird man vorteilhafterweise parallel zu den Schleifringen auf der 5o-Hz-Seite eine Kondensatorbatterie anschließen.
  • Fig. 5 zeigt eine ähnliche Anordnung mit synchronem Charakter, bei der die Magnetisierungsleistung kompensiert und Blindleistung in beide Netze abgegeben werden kann. Die Maschine besitzt wieder eine zweipolige Dreiphasenständerwicklung 31 mit einer zugehörigen zweipoligen Dreiphasenläuferwicklung 32 sowie eine mit der zweipoligen Wicklung 31 parallel geschaltete vierpolige Dreiphasenständerwicklung 33 mit zugehöriger vierpoliger Läuferwicklung 34, die über die Schleifringe 35 das Drehstromnetz speist. Die Läuferwicklung 32 ist aber hier im Gegensatz zu dem Beispiel nach Fig. 4 nicht kurzgeschlossen, sondern an die Schleifringe 36 geführt, über die sie von der Erregermaschine 37 gespeist wird. Diese Erregermaschine 37 muß dabei mit einer Kompensationswicklungausgerüstet werden. Die SekundärfrequenzV2 ist gegeben durch die Beziehung wobei die gleichen Bezeichnungen gelten wie bei dem Beispiel nach Fig. 4.
  • Fig. 6 zeigt eine andere Ausführung eines Phasen-und Periodenumformers, die zur Umformung von Einphasenstrom 162/g Hz in Drehstrom von 662/g Hz dient. Diese Maschine besitzt wieder zwei parallel geschaltete Dreiphasenständerwicklungen 41 und 43 mit den zugehörigen Läuferwicklungen 42 und 44, wobei die Läuferwicklung 42 wieder kurzgeschlossen ist und die Läuferwicklung 44 zur Speisung des Drehstromnetzes dient. Die Ständerwicklung 43 wird über eine Gleichrichteranordnung 46 mit Gleichstrom erregt, um die erzeugte Drehstromspannung regeln zu können. Die Läuferfrequenz V2 ergibt sich hierbei nach der Beziehung Um 662/g Hz zu erhalten, muß bei @1 = i die Polpaarzahl P2 = 4 gemacht werden.
  • Fig. 7 zeigt eine Umformermaschine gemäß der Erfindung zur asynchronen Umformung von Drehstrom So Hz in Einphasenstrom 162/g Hz. Die an das Drehstromnetz angeschlossene Ständerwicklung 51 wird beispielsweise vierpolig (P1 = 2) ausgeführt. Die zugehörige vierpolige Läuferwicklung 52 ist über drei Schleifringe 53 mit einer zweiten dreiphasigen Ständerwicklung 54 in Reihe geschaltet, die zweipolig (P2 = i) ausgeführt ist. Aus zwei Phasen dieser zweipoligen dreiphasigen Ständerwicklung wird der Einphasenstrom von 162/g Hz entnommen. Die zur zweipoligen Ständerwicklung gehörige zweipolige dreiphasige Läuferwicklung 55 ist über drei Schleifringe 56 an eine Kommutatorhintermaschine 57 angeschlossen, die in einer der bekannten Regelsatzanordnungen geschaltet werden kann. Die beiden Ständer- und Läuferwicklungen liegen wieder in den gleichen Ständer- bzw. Läufernuten.
  • Für die erzeugte Einphasenfrequenz gilt die Beziehung und für die Läuferdrehzahl Bei V1 = So, p1 = 2 und p2 = i ergibt sich und Bei Synchronismus, wenn ist, werden zwei Drittel der Drehstromleistung, die der vierpoligen Ständerwicklung zugeführt wird, in mechanische Leistung umgeformt, die dann von dem über die Kommutatorhintermaschinen erregten zweipoligen System generatorisch über die zweipolige Ständerwicklung an das Einphasennetz abgegeben wird. Das dritte Drittel der Drehstromleistung wird direkt in 162/g periodige Leistung in der vierpoligen Läuferwicklung umgeformt und dem Einphasennetz über die Schleifringe zugeführt.
  • Die Schlupfleistung wird über die Kommutatorhintermaschinen zu- oder abgeführt. Über die Hintermaschinen kann auch die Blindleistungsabgabe und damit die Spannung der Einphasenseite geregelt werden. Dabei wird außerdem eine Blindleistungs- und Spannungsregelung auf der Drehstromseite verursacht, da ein Drittel der im 162/3periodigen System erzeugten Blindleistung auf die Drehstromseite gelangt.
  • Die Erfindung ist, wie erwähnt, nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt. Sie können j e nach Bedarf verschiedentlich abgewandelt werden.
  • Netzkupplungsumformer nach diesem Prinzip der Doppelfeldmaschinen werden einen wesentlich geringeren Aufwand und geringere Verluste aufweisen als die bisher üblichen Motorgeneratoren. Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades und zur weiteren Verringerung des Aufwandes können sie mit Wasserstoffkühlung ausgerüstet werden. Da sie keine Wellendurchführung benötigen, kann durch Betrieb mit erhöhtem Wasserstoffüberdruck (> i kg/cm2) eine besonders hohe Modellausnutzung erreicht werden.

Claims (12)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Elektrische Umformermaschine, dadurch gekennzeichnet, däß sie zwei oder mehr getrennte Arbeitswicklungen mit zugehörigen Erregersystemen besitzt, deren Polpaarzählen sich wie 1:2: q. : ... : 2 n verhalten, wobei n eine ganze Zahl bedeutet.
  2. 2, Elektrische Umformermaschine nach Anspruch i für die Verwendung als Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer, gekennzeichnet durch eine z. B. dreiphasige Wechselstrom-Wellenwicklung und eine Gleichstromwicklung, die in gleichen Ankernuten untergebracht sind und deren Polpaarzahlen sich wie i : 2n oder umgekehrt verhalten, sowie eine der höheren Polpaarzahl entsprechende Anzahl von Erregerpolen im Läufer, wobei je zwei aufeinanderfolgende Pole durch eine zusätzliche Erregerwicklung mit gleicher Polarität erregt und dadurch magnetisch parallel geschaltet sind.
  3. 3. Elektrische Umformermaschine nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Anlaufkäfig im Polsystem. q..
  4. Elektrische Umformermaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole lamelliert sind.
  5. 5: Elektrische Umformermaschine nach Anspruch i als Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer, insbesondere für elektrische Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker in den gleichen Nuten zwei getrennte, an besondere Kommutatoren angeschlossene Ankerwicklungen besitzt, deren Polpaärzahlen sich wie i : 2n verhalten und von denen die eine vom Netz, insbesondere von der Fahrleitung, gespeist wird, während die zweite zur Speisung eines Sekundärnetzes, z. B. von Motoren dient.
  6. 6. Elektrische Umformermäschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorregelung durch Regelung der Erregerspannung für die zweite Wicklung der Umformermaschine erfolgt.
  7. 7. Elektrische Umformermaschine nach Anspruch i als Phasen- 'oder Periodenumformer, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Ständer zwei parallel geschaltete, an das Netz angeschlossene Dreiphäsenwicklungen besitzt, deren Polpaarzahlen sich wie i : 2 n verhalten, während der Läufer zwei mit entsprechenden Polzahlen ausgeführte Dreiphasenwicklungen hat, von denen diejenige größerer Polpaarzahl an Schleifringe angeschlossen ist und zur Speisung des Sekundärnetzes dient.
  8. 8. Elektrische Umformermaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferwicklung kleinerer Polpaarzahl kurzgeschlossen ist. g.
  9. Elektrische Umformermaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferwicklung kleinerer Polpaarzahl von einer Erregermaschine gespeist wird. io.
  10. Elektrische Umformermaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklung größerer Polpaarzahl über eine Gleichrichteranordnung mit Gleichstrom erregt wird. i=.
  11. Elektrische Umformermaschine nach Anspruch r als Phasen- oder Periodenumformer, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Ständer und Läufer je zwei Drehströmwicklungen besitzt, deren Polpaarzahlen sich wie 1: 2 n verhalten, wobei die Ständerwicklung größerer Polpaarzahl vom Netz gespeist wird und die Läuferwicklung größerer Polpaarzahl über Schleifringe mit der Ständerwicklung kleinerer Polpaarzahl, aus der das Sekundärnetz gespeist wird, in Reihe geschaltet ist.
  12. 12. Elektrische Umformermaschine nach Anspruch ii, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferwicklung kleinerer Polpaarzahl über Schleifringe an eine Kommutatorhintermaschine angeschlossen ist.
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