DE145434C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Zur Umformung von Wechselströmen in Gleichstrom oder umgekehrt kommen im allgemeinen nur die folgenden drei Anordnungen in Betracht: i. rotierende Umformer in Verbindung mit einem stationären Transformator, 2. Synchronmotor mit einer Gleichstrommaschine gekuppelt und 3. Asynchronmotor mit einer Gleichstrommaschine gekuppelt.

Die erste hat den Nachteil, daß der Umformer von der Wechselstromseite schwer angeht und deswegen besondere Anlaßvorrichtungen erforderlich macht; ferner kann eine funkenfreie Kommutierung des Gleichstromes bei größeren Periodenzahlen des Wechselstromes nur durch reichlic'he Dimensionierung des Umformers erzielt werden. Bei der zweiten Anordnung, wo ein Synchronmotor die Gleichstrommaschine antreibt, ist im allgemeinen auch eine besondere Vorrichtung nötig, um die Motordynamo von der Wechselstromseite anzulassen; ferner müssen beide Maschinen für die volle Leistung des Gesamtaggregates gebaut werden. Die dritte Anordnung mit Asynchronmotor und Gleichstrommaschine hat den Nachteil, daß der aufgenommene Wechselstrom gegenüber der Klemmenspannung phasenverschoben ist.

Durch die Benutzung der im folgenden beschriebenen Wechselstrommaschine als Umformer wird erstens ein leichtes Anlaufen von der Wechselstromseite aus, zweitens Phasengleichheit im Wechselstromnetz und drittens im Verhältnis zu den drei oben angegebenen Umformungsanordnungen eine Materialersparnis erzielt.'

Diese Wechselstrommaschine besteht aus einem gewöhnlichen Asynchronmotor und einem rotierenden Umformer, die beide auf derselben Welle sitzen; die Sekundärwicklung des Asynchronmotors und die Ankerwicklung des rotierenden Umformers sind in Serie geschaltet. Diese Gruppe kann bei entsprechender Dimensionierung der einzelnen Maschinen auch als Wechselstrommotor ohne Phasen-Verschiebung und als Wechselstromgenerator benutzt werden, wie im folgenden gezeigt werden soll.

Auf den beiliegenden Zeichnungen zeigt Fig. ι die Schaltung eines solchen Drehstrom-Gleichstromumformers. S ist die primäre, auf dem Stator gedachte Wicklung des Drehstrommotors, die zur Aufnahme des primär zugeführten Drehstromes dient. Die Phasen dieser Wicklung sind in der Figur in Stern geschaltet, können aber ebensogut in Dreieck verbunden werden. R ist die. Sekundärwicklung des Motors, die in Serie mit der Ankerwicklung des rotierenden Umformers U geschaltet ist. K ist der Kollektor, F die Felderregung, die im Nebenschluß zu der Gleichstrombelastung G des Umformers liegt. W bedeutet den dreiphasigen Anlaßwiderstand, der mittels der Schleifringe s mit der Sekundärwicklung des Drehstrommotors in Verbindung steht. Zunächst sei der Einfachheit halber angenommen, daß der Motor und der Umformer beide dieselbe Polzahl

haben, und daß der Rotor und die Umformerarmatur, die auf derselben Welle sitzen, mit einer Geschwindigkeit umlaufen, welche der halben Periodenzahl des primären Stromes entspricht. Das von dem Primärstrom erzeugte Drehfeld wird relativ zum Rotor mit einer Geschwindigkeit umlaufen, die auch der halben Periodenzahl entspricht und deswegen in der Rotorwicklung eine E. M. K. von der

ίο halben Periodenzahl des Primärstromes induzieren. Diese E. M. K. treibt einen Strom in die Armaturwicklung des Umformers, wodurch in demselben ein Drehfeld entsteht, das mit einer der Tourenzahl entsprechenden Geschwindigkeit relativ zu der Welle umläuft. Ist die Armaturwicklung des Umformers derartig mit der Rotorwicklung verbunden, daß das Drehfeld in der entgegengesetzten Richtung der Welle umläuft, so bleibt dasselbe im Räume still stehen, woraus folgt, daß die Maschine bei dieser Tourenzahl sich wie ein Synchronmotor verhält.

Da sich der Asynchronmotor mit einer Tourenzahl entsprechend der halben Periodenzahl dreht, so wird nur die Hälfte der dem Asynchronmotor zugeführten elektrischen Leistung in mechanische Leistung umgesetzt und durch die Welle auf den Umformer übertragen, während die zweite Hälfte der zugeführten Leistung in die Rotorwicklung übertragen und dadurch dem Umformer in Form elektrischer Leistung' zugeführt wird. Der Asynchronmotor arbeitet also zur Hälfte als Motor und zur Hälfte als Transformator. Der Umformer arbeitet zur Hälfte als Gleichstromgenerator und zur Hälfte als Umformer.

Da die Abmessungen des Asynchronmotors von der primären Periodenzahl und nicht von der Tourenzahl des Rotors abhängen, so wird derselbe theoretisch halb so groß, als wenn er bei der gegebenen Tourenzahl die ganze zugeführte Leistung in mechanische Leistung umsetzen sollte. Der Umformer arbeitet bei einer Periodenzahl gleich der Hälfte der primären, wird somit günstiger in bezug auf Funkenbildung und kann deswegen kleiner bemessen werden als eine gewöhnliche Gleichstrommaschine oder ein gewöhnlicher Umformer.

Hätten der Asynchronmotor und der Umformer nicht dieselbe Polzahl, so würde die Maschine mit einer Geschwindigkeit laufen, die sich zu der primären Periodenzahl verhält wie die Polzahl des Motors zu der Summe der Polzahlen von Motor und Umformer. Hieraus folgt, daß die im Motor in mechanische und elektrische Leistung umgesetzten Energien sich wie die Polzahlen des Motors und des Umformers verhalten. Man hat es somit in der Hand, die Gleichstrommaschine mit der günstigsten Polzahl bauen zu können und dadurch möglichst viel Material zu „sparen.

Wie oben erwähnt, drehen sich bei Synchronismus des Aggregates die beiden Felder des Asynchronmotors, das von dem Statorstrom und das von dem Rotorstrom herrührende, mit derselben Geschwindigkeit, und sowohl das Erregerfeld wie das Armaturfeld des Umformers steht im Räume still. Es ist bekannt, daß die gegenseitige Lage derartiger sich gegenüberstehender Felder von der Belastung der Maschine abhängt, und daß die Felder nur~ durch eine äußere Kraft aus dem Synchronismus gebracht werden können. Die äußere Kraft, die hierzu nötig ist, wird oft die synchronisierende Kraft der Maschine genannt. Tritt nun bei der beschriebenen Maschinengruppe eine äußere Störung auf, so bewirkt diese nicht allein eine gegenseitige Verschiebung der Felder im Umformer, sondern auch eine Verschiebung derjenigen des Asynchronmotors; somit ist auch bei der vorliegenden Maschine eine synchronisierende Kraft vorhanden, die sogar größer sein kann als bei gewöhnlichen Umformern, wo das Armaturfeld nicht recht zur Wirkung kommt.

Was den Anlauf dieser Maschine betrifft, so ist derselbe sehr einfach. Zum Anlassen dient der Widerstand W (Fig. 1), der nach und nach ausgeschaltet wird. Dadurch steigt die Tourenzahl allmählich an. Läßt man nun dieselbe langsam sich der synchronen Tourenzahl nähern, so wird sich bei richtiger Erregung des Umformers der "Synchronismus von selbst einstellen, was an einem Amperemeter im Rotorstromkreis beobachtet werden kann; von jetzt ab läuft die Maschine synchron und der Widerstand W kann kurz geschlossen werden.

Eine zweite Anlaufschaltung ist in Fig. 5 dargestellt und soll später erläutert werden.

In Fig. 2 ist eine ähnliche Anordnung dargestellt, nur mit der Abänderung, daß der Umformer sechsphasig avisgeführt ist, was eine Anlaßvorrichtung mit sechs Schleifringen erfordert.

Fig. 3 zeigt eine Umformermaschine für Zwei- oder Vierphasenanlagen, wobei sowohl Motor als Umformer vierphasig gebaut sind. Übrigens ist zu bemerken, daß die Phasenzahl des Rotors von der Phasenzahl des Stators unabhängig ist, so daß auch die Phasenzahl des Umformers von der Phasenzahl des Primärnetzes unabhängig ist. Da aber ein zweiphasiger Rotor gegenüber einem dreiphasigen Stator oder umgekehrt größere Streuung besitzt, so kann auch die in Fig. 3 a dargestellte Schaltung benutzt werden. Nach dieser wird der Asynchron-

motor teils als Motor und teils als Scottscher Transformator benutzt, indem der primäre Dreiphasenstrom zum Teil in einen sekundären Zweiphasenstrom transformiert wird.

Die beschriebene Anordnung kann nicht allein zur. Umformung von mehrphasigen Strömen, sondern auch zur Umformung von Einphasenströmen in Gleichstrom benutzt

ίο werden, wie in Fig. 4 gezeigt. In dieser Figur stellt S die Arbeitsphase und H die Hilfsphase des Einphasen-Asynchronmotors ..dar. In Serie mit der Hilfsphase kann, wie in Fig. 4 angenommen, eine Spule mit Selbstinduktion L oder ein Kondensator eingeschaltet werden. Die Pole des rotierenden" Umformers U sind mit einem H u t i η L e b 1 a η c' sehen Amortiseur versehen zur Dämpfung der Pulsation des von dem Rotorstrom erzeugten Drehfeldes.

Das synchrone Arbeiten einer solchen Maschine für Einphasenstrom ist bedeutend besser als dasjenige eines gewöhnlichen Einphasenumformers, weil im vorliegenden Fall der Umformer mehrphasig ist und die vom Einphasenstrom herrührenden Pulsationen in der momentanen Leistung fast nur bei der Asynchronmaschine zur Wirkung kommen, wo sie weniger schädlich sind.

Es ist ferner zu bemerken, daß bei dem beschriebenen Umformer eine hohe Primärspannung zuerst in der Asynchronmaschine= transformiert und dann in Gleichstrom umgeformt werden kann; dadurch wird ein besonderer Transformator überflüssig. Das Verhältnis der Wechselstrom- und Gleichstromspannung am Umformer ist dasselbe wie bei gewöhnlichen Umformern.

Die Kompoundierung eines solchen Umformers kann hier in noch einfacherer Weise geschehen als sonst, da die Drosselspulen, die zu diesem Zweck den gewöhnlichen Umformern vorgeschaltet werden, hier überflüssig sind, weil die Asynchronmaschine eine Reaktanz besitzt, welcher bei der Berechnung des Umformers eine passende Größe gegeben werden kann.

Die beschriebene Maschine kann auch als Wechselstrommotor benutzt werden, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Da dieselbe im Betrieb als Synchronmotor läuft, kann leicht Phasengleichheit zwischen dem zugeführteil Strome und der Spannung erzielt werden. Dieser Motor hat aber die Eigenschaft des Asynchronmotors, mit großer Zugkraft anzulaufen. Um die Zugkraft möglichst groß- zu machen, kann die in Fig. 5 dargestellte Anlaßschaltung benutzt werden. Der Anlaßwiderstand W ist hier parallel zu der Ankerwicklung des Umformers geschaltet. Beim Anlassen bleibt der mit der Welle umlaufende Ausschalter Au offen, während der Widerstand W allmählich ausgeschaltet wird. Ist die richtige Tourenzahl erreicht, was durch eine Phasenlampe oder dergl. beobachtet werden kann, so wird der Umformer mittels des Ausschalters Au eingeschaltet und leistet mechanische Arbeit als Synchronmotor. Hierauf wird der Widerstand W geöffnet.

Fig. 6 zeigt die Anwendung eines solchen Motors für mehrphasigen Bahnbetrieb. S stellt die Dreiphasenwicklung des auf dem Boden abgerollten Stators und P die Wicklung des auf dem Wagen befestigten Läufers (Propulseur) dar. Der Umformer U, der sowohl als Synchronmotor wie als Gleichstrommotor arbeiten kann, ist auf die Achse des Wagens festgekeilt oder durch Zahnräder mit derselben verbunden. Beim Anfahren ist der Ausschalter An offen, und durch teilweises Ausschalten der Widerstände W und W₁ wird der Wagen gleichzeitig mittels' Gleichstrom von der Batterie Ac und mittels Drehstrom angelassen. Ist die Geschwindigkeit erreicht, bei welcher die Periodenzahl des im Läufer induzierten Drehstromes mit derjenigen des Ankerstromes des Umformers übereinstimmt, so wird der Ausschalter Au eingeschaltet, der Widerstand W wieder geöffnet und der Wagen läuft,, synchron weiter. Wünscht man dem Wagen eine größere Geschwindigkeit zu geben, so wird der Widerstand W wieder teilweise eingeschaltet und der Ausschalter Au geöffnet. Verkleinert man nun den Widerstand W, so steigt die Geschwindigkeit des Wagens und der Umformer U kann zur Ladung der Batterie Ac benutzt werden.

Aus dem oben erwähnten Vorhandensein einer synchronisierenden Kraft folgt, daß der Umformer auch als Wechselstromerzeugermaschine benutzt werden kann, und zwar arbeitet dieselbe genau wie ein gewöhnlicher Synchrongenerator. Das Vorhandensein der synchronisierenden Kraft rührt von der mechanischen Kupplung der beiden Maschinen her, welche verhindert, daß die Maschinen gegeneinander arbeiten, was sonst der Fall wäre.

Eine solche Anwendung der beschriebenen Maschine zeigt Fig. 7. Sie dient in diesem Falle als Wechselstromerzeuger mit der Asynchronmaschine G als Hauptgenerator und dem Umformer Er als Erregermaschine. Wenn das Feld der Erregermaschine körperliche Pole besitzt, ist die Erregermaschine und somit der ganze Generator selbsterregend. In der Erregermaschine werden Wechselströme von einer Periodenzahl erzeugt, die der Tourenzahl der Erregermaschine proportional ist. Diese Wechselströme erzeugen im Rotor der Asynchronmaschine ein Drehfeld von derselben Periodenzahl. Hieraus folgt, daß die

in dem Stator der Asynchronmaschine induzierten Ströme eine Periodenzahl bekommen, welche der Summe oder der Differenz der Tourenzahl des Rotors und des in ihm erzeugten, relativ zum Rotor sich drehenden ' Feldes proportional ist, je nachdem dieses Drehfeld in der Drehrichtung oder gegen die Drehrichtung des Rotors umläuft. ,.
Was über die Tourenzahl beim Generator

ίο gesagt ist, gilt ebenfalls für die Verwendung der Maschine als Umformer und als Motor. Im allgemeinen wird man bei Generatoren das Drehfeld relativ zum Rotor in der Drehrichtung desselben umlaufen lassen. In einzelnen Fällen dagegen, besonders bei Maschinen großer Leistung und Tourenzahl kann es von Vorteil sein, das Drehfeld relativ zum Rotor entgegen der Drehrichtung desselben umlaufen zu lassen, um eine größere für die Bemessung der Hauptmaschine günstige Polzahl zu erhalten.

Aus dem Vorhergehenden ist leicht ersichtlich, daß die Maschine auch als Perioden- und Phasenzahltransformator anwendbar ist, und daß die Maschine gleichzeitig Wechselströme verschiedener Perioden- und Phasenzahlen erzeugen kann.

Es ist nicht gerade die oben angenommene direkte Kupplung von Asynchronmaschine und Umformer auf derselben Welle erforderlich , sondern die Maschinen können durch Kupplungen, Riemen, Seile, Zahnräder- oder irgend welche Vorrichtungen mechanisch starr oder elastisch miteinander verbunden werden.

Weil die von dem Hauptkraftflusse des Asynchronmotors in Primär- und Sekundärwicklung induzierten E. M. K. K. bei allen Belastungen in einem konstanten Verhältnis zueinander stehen und weil die Klemmspannung an der Primär- und Sekundärwicklung sich nur um den Spannungsabfall in den einzelnen Wicklungen von diesen induzierten elektromotorischen Kräften unterscheidet, so kann die Spannung des von der Maschine als Generator abgegebenen Stromes durch Regelung der dem Rotor zugeführten Spannung geändert werden. Wünscht man an den Statorklemmen der Asynchronmaschine bei allen Belastungen konstante Spannung zu erhalten, so muß also die Rotorspannung (Erregerspannung) bei zunehmender Belastung vergrößert werden.

Die Regelung der Rotorspannung erfolgt durch Regelung des durch die Feldwicklung F des Erregerumformers fließenden Stromes mit Hilfe eines in diese Wicklung eingeschalteten Widerstandes.

Claims (2)

Patent-Ansprüche:

1. Dynamomaschine zur Umformung der Stromart, Phasen- und Periodenzahl, als Generator oder Motor für Gleich- und Wechselstrom verwendbar, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Wirkung einer Asynchronmaschine mit der Ankerwicklung eines mechanisch mit der Asynchronmaschine gekuppelten, selbst erregenden Wechselstrom-Gleichstromumformers nach Art der Kaskadenschaltung in Reihe geschaltet ist.

2. Ausfühpungsform der Maschine nach Anspruch 1 als Motor zum Betrieb elektrischer Fahrzeuge mittels Mehrphasenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß der primäre Teil des Asynchronmotors auf dem Bahnkörper, der sekundäre Teil unter dem Wagen abgewickelt und der Anker des Umformers mit der Achse des Wagens mechanisch gekuppelt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.