DE203675C - - Google Patents

Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

■ ■- M 203675 ~ KLASSE 207. GRUPPE^ M-O

Anwendung dieser Einrichtung.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 19. November 1907 ab.

Die Verwendung von synchron laufenden Phasenumformern -in Einphasennetzen, um mit Hilfe der hierdurch erzeugten phasenverschobenen ' Ströme mehrphasige Motoren, betreiben zu können; ist schon mehrfach vorgeschlagen" worden.

Das Prinzip des Phasenumformers ist durch die Arbeiten von Ferraris und Arno bekannt geworden (vgl. z. B. E. T. Z. 1896,

S. 348). Die Genannten und auch andere haben auch vorgeschlagen, den Phasenumformer für Bahnzwecke zu benutzen, und zwar entweder zum Anlassen von Einphasenmotoren oder auch zum dauernden Betrieb von Mehrphasenmotoren bei Zuführung von Einphasenstrom zum Fahrzeug. Im letzteren Falle werden also die Vorteile des einphasigen Fahrleitungsnetzes mit den Vorteilen der Drehstrommotoren als Fahrzeugmotoren vereinigt.

Mit den bis jetzt vorgeschlagenen Systemen dieser Art ist es schwierig, eine gleichförmige Verteilung der Belastung auf die verschiedenen Phasen des Mehrphasensystems zu erzielen; ferner kann eine vom Phasenumformer verursachte große Phasenverschiebung im Einphasennetze nicht vermieden werden.

Die Erfindung bezweckt nun, die genannten. Übelstände nach Möglichkeit zu beseitigen, und besteht in der Verwendung eines Phasen-Umformers, der durch seine Verbindung mit besonderen Compoundtransformatoren eine gleichförmige Verteilung der Belastung auf 35

die verschiedenen Phasen bewirkt. Durch die Compoundierung des Phasenumformers wird ferner der Vorteil erreicht, daß die von dem Einphasennetze aufgenommenen wattlosen Ströme vollständig oder zum wesentlichen Teil kompensiert werden können.

Die Erfindung bezweckt ferner, durch besondere Ausführung des Phasenumfofmers (Anpassung des Kupferquerschnittes, der Wicklungszahl und der Winkel zwischen den Phasen des Umformers) sowie durch eine besondere Erregung des Umformers, gemäß welcher der Erregerstrom lediglich von den wattlosen Strömen des Umformers. abhängig ist, eine bessere Ausnutzung des Umformers in elektrischer Hinsicht zu erzielen, wie unten näher beschrieben ist.

In seiner einfachsten Form besteht der Phasenumformer bekanntlich aus einer mehrphasigen Induktionsmaschine mit stillstehender Primärwicklung und umlaufender Sekundärwicklung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in einigen Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine Einrichtung für Eisenbahnbetrieb, bei welcher der Phasenumformer mit einer gewöhnlichen dreiphasigen Wicklung versehen ist, Fig. 2 eine besondere Ausführungsform der Bleche, aus denen der Läuferkern des Phasenumformers zusammengesetzt wird, Fig. 3 einen anderen, gleichfalls dreiphasig gewickelten Umformer

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mit einer besonderen Anordnung _ von Compoundtransformatoren, Fig. 4 eine dritte Ausführungsform mit Compoundierung, bei wel-,, eher der· Einphasenstrom in Zweiphasenstrom umgesetzt wird, und Fig. 5 einen nach der

■ . Erfindung eingerichteten Phasenumformer, bei dem die Scott sehe Schaltung verwendet ist, deren Anwendung auf Schaltungen mit Phasenumformern an sich auch bereits durch Feγιο rar is und Arno bekannt geworden ist.

In Fig. ι sind I, II, III die drei Phasen der Ständerwicklung S des als Phas'enumformer dienenden Induktionsmotors, welcher mit einem lamellierten Eisenkern versehen ist;

15Γ ist ein Compoundtransformator mit drei Phasen C₁, C_n und C₁₁₁, während Q die in sich kurzgeschlossene Lauf er wicklung des als Phasen umformer dienenden Induktionsmotors ist. W ist eine zweite Wicklung auf demselben Läufer. Sie ist mit einem Kommutator (nicht dargestellt) versehen, auf dem die Bürsten B liegen. Der Stromabnehmer ist mit t, der Einphasenstrom führende Fahrdraht mit t¹, und die Schienen sind mit r bezeichnet.

Wie aus dem Schema ersichtlich, wird der Strom des Einphasennetzes t^l, r zwei Phasen der Ständerwicklung S zugeführt, und zwar den Phasen I und II. Die Klemmen sämtlicher Phasen I, II und III sind mit den

.30 Anschlüssen 1, 2 und 3 der die Lokomotive antreibenden Dreiphasenmotoren verbunden. Ein Teil des zugeführten einphasigen Stromes fließt durch die Leitungen 1 und 2 unmittelbar zu den Motoren. Der übrige Teil durchläuft die Phasen I und II des Phasenumformers und ruft ein Drehmoment hervor. Durch die Einwirkung der Ströme in der. kurzgeschlossenen Wicklung Q des Läufers wird in bekannter Weise Energie von den Phasen I und II nach der Phase III übertragen, welch letztere daher — abgesehen von den Verlusten — denselben Energiebetrag in entsprechend verschobener Phase erzeugt und dadurch den in der Leitung 3 erforderlichen Strom an die Motoren liefern kann.

Die zweite geschlossene Wicklung W am Läufer des Phasenumformers ist mittels des Kommutators, der Bürsten B und der Leitungen I₁, I₂ und Z₃ mit der Mehrphasenwicklung des Ständers verbunden. Zu diesem Zwecke sind an geeigneten Stellen der Ständer wicklung S Anschlüsse x, y, ζ vorgesehen.

Die Maschine wird derart erregt, daß kein wattloser Strom von der Linie bei Leerlauf abgenommen wird.

Da die Antriebsmotoren im allgemeinen große Luftzwischenräume zwischen Ständer und Läufer aufweisen und stark phasenverschobene Ströme aufnehmen, wird die An-Ordnung derart ausgeführt, daß die Spannung des mehrphasigen Magnetisierungsstromes je nach der Größe und-Art der Belastung selbsttätig geregelt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß der Magnetisierungsstrom von einem Compoundtransformator T geliefert wird, welcher mit der Mehrphasenwicklung des Ständers verbunden ist.

Auf diese Weise ist es möglich, die Spannung des Mehrphasennetzes entweder konstant zu halten oder sie bei zunehmender Belastung zu steigern, während der phasenverschobene Strom, welcher der einphasigen Stromquelle entnommen wird, auf einen sehr kleinen Wert herabgesetzt wird.

Statt für den Phasenumformer eine geschlossene Wicklung W mit Kommutator zu verwenden, kann man den Läufer mit einer gewöhnlichen Feldwicklung versehen, die in einer kleinen Anzahl größerer Nuten verlegt wird. Fig. 2 stellt eine Ansicht des Läufer- 8 ο bleches dar; der Läufer ist für die Kurzschluß wicklung Q mit gewöhnlichen Nuten α wie der Läufer eines gewöhnlichen Induktionsmotors mit Kürzschlußwicklung versehen. Außer diesen Nuten α sind einige große Nuten b vorgesehen, in welche die genannte Feldwicklung verlegt wird. Diese Feldwicklung, welche mit Schleifringen versehen wird, wird mittels eines Gleichstromes oder eines Wechselstromes niedriger Frequenz erregt. Dieser Erregerstrom wird einer kleinen besonderen, zweckmäßig mit dem Phasenumformer unmittelbar gekuppelten Erregerdynamo entnommen. Diese neuartige Anordnung zur Erregung verwandelt den Phasenumformer in. eine praktisch verwendbare Maschine, welche besonders für Eisenbahnbetrieb geeignet ist.

Durch die Verwendung eines Umformers der obigen Gattung ist es möglich, die Energie als einphasigen Strom den Fahrzeugen zuzuführen und mehrphasige Antriebsmotoren zu verwenden, und. dabei einen bei allen Be lastungen praktisch gleich 1 bleibenden Leistungsfaktor zu erreichen.

Der Phasenumformer kann eine sehr leichte und billige Konstruktion erhalten und mit hoher Geschwindigkeit laufen, da nur 'kleine mechanische Kräfte wirksam sind. Der Kommutator des Läufers erhält immer kleine ~ Abmessungen, weil der Läufer synchron läuft und außerdem mit einer Kurzschlußwicklung versehen ist. Diese beiden Umstände wirken dahin, die Größe des Kommutators zu vermindern, so daß sein Raumbedarf nicht denjenigen der Schleifringe eines gewöhnlichen Induktionsmotors derselben Größe zu überschreiten braucht.

In Fig. ι ist gezeigt, wie Anschlüsse x, y, ζ an der Ständerwicklung vorgesehen werden, um die richtige Spannung für die Magnetisierungswicklung W des Läufers zu erhalten. Bei der praktischen Ausführung kann diese

Einrichtung lediglich bei niedrigeren Spannungen verwendet werden. ' Im allgemeinen ist aber die Spannung der Linie hoch. Um die Verwendung besonderer, die Spannung herabsetzender Transformatoren zu vermeiden, kann

• man - dann mit Vorteil sowohl den Phasen-. umformer als die Antriebsmotoren für diese hohe Spannung wickeln. Für gewöhnlich wird es daher _: notwendig, eine kleine besondere

ίο Hilfswicklung am Ständer für die Erregung des Läufers anzubringen.

Eine solche Einrichtung ist in Fig. 3 dargestellt, in welcher die drei Phasen der Hilfswicklung mit x¹, y¹, z¹ bezeichnet sind.

In dieser Figur weicht die Schaltung des Compoundtransformators von der in Fig. 1 dargestellten ein wenig ab. I, II und III sind die drei - Phasen des Phasenumformers und C₁, C_n und C_n, die Phasen des Compoundtransformators. Wie aus dem Schema ersichtlich, sind die Phasen I und II mit den Phasen C₁ und C_n des Compoundtransformators hintereinander geschaltet, während nach Fig. ι lediglich der den Lokomotivmotoren zugeführte Strom den Compoundtransformator durchfließt.

Wenn die Spannung des Mehrphasenmotors oder . der Mehrphasenmotoren von derjenigen des einphasigen Stromes, welcher dem Wagen oder dem Zuge zugeführt ^:wird, abweichend gewählt werden muß, wird es erforderlich, entweder einen die Spannung herabsetzenden Transformator für den Strom zu verwenden, der dem Phasenumfprmer zugeführt wird, oder auch zwei Ständerwicklungen zu benutzen, von denen eine eine einphasige Wicklung mit Hilfsphase für das Anlassen ist, während die andere eine mehrphasige Wicklung ist, oder eine einzige Mehrphasenwicklung mit An-Schlüssen, wie bei einem Spartransformator, vorzusehen. Es* ist ferner einleuchtend, daß die Wicklungen derart ausgeführt - werden . können, daß einphasiger Strom in symmetrische oder unsymmetrische Ströme beliebiger Art umgesetzt werden kann, sei es, daß sich die Symmetrie auf die Größe oder die Zeitdifferenz der Phasen beziehen soll. Da der Phasenumformer teilweise als Motor, teilweise als Stromerzeuger arbeitet, ist es einleuchtend, daß, wenn alle Phasen bei einem gewissen Belastungszustand mit Wattstrom belastet sind, dies unter anderen Belastungsverhältnissen nicht mehr der Fall ist.

Aus diesem Grunde kann es unter Umständen zweckmäßig sein, die Mehrphasenwicklung mit Rücksicht auf die Zeitdifferenz der Phasen unsymmetrisch auszuführen, um bei voller Last die richtige Verteilung der. Belastung auf die verschiedenen Phasen zu erhalten.

Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, ein mit Rücksicht auf die Größe (Amplitude) der Phasen unsymmetrisches System zu verwenden, um die Größe des Umformers zu vermindern, in welchem Falle jedoch das Drehmoment der Motoren beim Anlauf- vermindert wird. Wenn die Ströme in verschiedenen Teilen der Wicklungen des Phasenumformers sehr ungleich sind, kann es zweckmäßig sein, die verschiedenen Teile der Wicklungen mit Kupfer ungleichen Querschnitts auszuführen.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die genannte unsymmetrische Ausführung hinsichtlich der Zeitdifferenz oder Größe der Phasen oder beide auch dadurch erreicht werden kann, daß entweder die Motorwicklungen oder sowohl die Motor- als auch die Umformerwicklungen unsymmetrisch ausgeführt werden.

Fig. 4 veranschaulicht, wie die Schaltung ausgeführt werden kann, um die Spannung bei Verwendung zweiphasiger Antriebsmotoren zu verringern, t ist auch hier der Stromabnehmer, t¹ der Einphasenstrom führende Fahrdraht und r die Schienen. A-B ist die Phase des Umformers, welche von der einphasigen Stromquelle gespeist wird. B-C ist ein in besonderer Weise angeordneter Trans-' formator, welcher unten näher beschrieben wird.

ι und 2 sind Leitungen, welche Strom an die eine Phase der Ahtriebsmotoren abgeben; die Leitung 2 ist mit einer Anschlußstelle an der Phase A-B verbunden, um die Spannung in entsprechendem Grade zu verringern. E-D ist die andere Phase des Phasenumformers, die stromerzeugende Phase, welche eine genügende Windungszahl hat, um die gewünschte Spannung zu liefern. E-F ist ein Compoundtransformator. 3 und 4 sind Leitungen, welche der zweiten Phase des Antriebsmotors Strom zuführen. Der Magnetisierungsstrom des Läufers des Phasenumformers ist zweiphasig und wird durch ' die Leitungen α und b bzw. c und d zugeführt. Die Spannung der einen •Phase wird in den Wicklungen ft und q und die der anderen Phase in den Wicklungen m und s induziert. Statt Anschlüsse an die Ständerwicklung des Phasenumformers (Fig. 1) für den Erregerstromkreis zu verwenden, wer- im den in Fig. 4 (wie in Fig. 3) besondere Hilfswicklungen, und zwar die Wicklungen ft und m verwendet; die Wicklungen q und s sind die gewöhnlichen Sekundärwicklungen der Compoundtransformatoren.

Die besondere Anordnung des Compoundtransformators in Fig. 4 soll jetzt beschrieben werden. Die Primärwicklung des Transformators B-C wird von dem an die Motoren angeschlossenen Draht 1 in zwei Teile geteilt. Der Wattstrom wird von der Linie sowohl der Phase A-B des Umformers als der Leitung χ

des Motors zugeführt. Durch Wicklung der beiden· Teile des Compoundtransformators in entgegengesetzter Richtung und durch Ausführung der beiden Teile mit einer entsprechenden Windungszahl kann die Selbstinduktion des Wattstromes auf einen sehr unbedeutenden Wert herabgesetzt werden. Bei einer gewissen Windungszahl der beiden Teile kann sogar der Vorteil erreicht werden, daß

ίο der Wattstrom sich so auf die Leitung des Phasenumformers und die des Motors zu verteilen sucht, daß die Selbstinduktion gleich Null wird; es ist daher immer möglich, bis zu einer gewissen Grenze den Wattstrom zu zwingen, sich in der zweckmäßigsten Weise zu verteilen. Auf den wattlosen Strom wirkt dagegen der Compoundtransformator in ganz anderer Weise ein. Der Phasenumformer

'"liefert wattlosen Strom, die Motoren nehmen diesen auf und die Selbstinduktionen würden daher sehr groß ausfallen, wenn die Linie gleichfalls wattlosen Strom liefern würde. Wenn der Linienstrom vor die Spannung verschoben wird, wird die Selbstinduktion des compoundierten Phasenumformers für wattlosen Strom vermindert, und die Compoundierung muß daher derart wirken, daß die Linie voreilende Ströme aufnimmt, wodurch die Spannung aufrechterhalten wird.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Einrichtung wird eine solche Wirkung des Compoundtransformators E-F nicht erreicht. Während der Läufer des Phasenumformers durch die Phase a-b ausschließlich durch wattlosen Strom

'35 magnetisiert, wird, wird die andere Phase c-d sowohl von Wattstrom als auch von wattlosem Strom beeinflußt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 wird die Magnetisierung lediglich durch wattlose Ströme beeinflußt. Hier wird ein die Spannung herabsetzender Transformator T¹ verwendet, was erforderlich ist, wenn die Linienspannung besonders hoch ist.

Das in Fig. 5 dargestellte System ist nach der bekannten Scottschen Schaltung ausgeführt, wobei man lediglich drei nach den Motoren führende Drähte, und zwar die Drähte I, 2, 3 erhält. Die Motorphase des Umformers ist in zwei Teile A-B und C-D geteilt. Diese beiden Teile können eine verschiedene Anzahl Windungen besitzen, und wenn sie von ungleich starken Strömen durchflossen werden, auch verschiedene Querschnitte aufweisen. Zwischen diesen beiden Teilen wird die Primärwicklung eines Compoundtransformators B, K, C eingeschaltet, und an beiden Enden der Phase A-D liegen ähnliche . Wicklungen A, F und D, E, welche einem anderen Compoundtransformator angehören.

Po Die Erregung des Läufers des Phäsenumformers . ist hier wie auch in Fig. 4 zweiphasig. Eine Phase liefert Strom durch a und 5; .die Spannung wird in den Spulen f, -p¹ und q, q¹ erzeugt, welche denselben Zweck haben und in derselben Weise unter dem Einfluß der Compoundtransformatoren wirken, wie bei der Ausführungsform nach · Fig. 4. Der einzige Unterschied ist der, daß die beiden Wicklungen f und q in zwei Teile geteilt sind. .

Der Strorn der anderen Err.egerphase fließt durch die Leitungen c und d und wird in den Wicklungen m und s, entsprechend den in Fig. 4 dargestellten, erzeugt. Die Primärwicklungen B, K und K, C des Compoundtransformator wirken einander und der Wicklung K, G derart entgegen, daß die Wattströme keine Spannung in der Wicklung s induzieren können.

. Zum Anlassen des Phasenumformers wird eine in gewöhnlicher Weise angeordnete Hilfswicklung verwendet. In vielen Fällen kann man auch als. Hilfswicklung diej enige Phase der Mehrphasenwicklung verwenden, welche nicht mit der Einphasenleitung (Fahrleitung) verbunden ist.

Dieser Phasenumformer ist besonders für schweren Eisenbahnverkehr geeignet, wo der mehrphasige Induktionsmotor der zweckmäßigste Antriebsmotor ist. Der Strom wird hierbei der Lokomotive durch einen einzigen Draht bei einem Leitungsfaktor gleich 1 zugeführt. Der Phasenumformer transformiert diesen Strom in Mehrphasenstrom, der dann den Motoren mit konstanter Spannung zügeführt wird. Die Antriebsmotoren besitzen keine Kommutatoren, sondern lediglich Schleifringe. Sie können mit großen Luftzwischenräumen zwischen Ständer und Läufer gebaut werden und vermögen große Überbelastungen auszuhalten. Der selbsterregende Phasenumformer liefert wattlosen Strom und hält die Spannung konstant. Die Motoren können hierdurch gute Dienste unter den schweren BelastungsVerhältnissen leisten, die hier in Frage kommen können.

Bei den bisher beschriebenen Anordnungen gemäß der Erfindung ist vorausgesetzt worden, daß die Antriebsmotoren Mehrphasenmotoren sind und die Phasenumformer zur no dauernden Speisung dieser Motoren dienen. Der Gegenstand der Erfindung kann aber auch dazu verwendet werden, Einphasenantriebsmotoren, die unmittelbar von der Einphasenleitung aus gespeist werden, mittels Phasenumformer anzulassen. Der Phasenumformer soll jedoch auch in diesem Falle weiterlaufen, um die großen wattlosen Ströme zu liefern, welche für einphasige Induktionsmotoren erforderlich sind.

Der Phasenumformer kann in solchem Falle mit bedeutend kleineren Abmessungen wie

sonst ausgeführt werden, weil er nur den Erregerstrom kontinuierlich zu liefern hat; er wird infolgedessen billiger, wogegen der Preis der Kraftmotoren nur unbedeutend vergrößert wird. Beim Anlauf wird der Phasenumformer selbstverständlich überbelastet, weshalb dieses System nur dann geeignet ist, wenn das Anlassen nicht allzuoft vorkommt.

Der Phasenumformer nach dieser Erfindung

ίο ist auch für Kraftübertragungszwecke verwendbar, und zwar mit Vorteil, wenn nur eine geringe Anzahl großer Motoren vorhanden sind, obgleich er auch dann verwendet werden kann, wenn eine größere Anzahl Kleinmotoren angeschlossen sind. Die Motoren werden mehrphasig gewickelt und in einfacher Weise gesteuert, wobei gleichzeitig ihre Nutzleistung vergrößert und ihr Preis vermindert wird.

Claims (6)

Patent-An Sprüche:

1. Einrichtung zur Umformung von Einphasenstrom in Mehrphasenstrom (oder umgekehrt) mit Hilfe eines Phasenumformers, insbesondere für Eisenbahnbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer des Phasenumformers mit einer Feldwicklung (W in Fig. 1) versehen ist, deren Erregerstrom von den die Ständerwicklung (S) des Phasenumformers durchfließenden Strömen bzw. einem Teile derselben, z. B. dem Teile, welcher den Stromverbrauchern (Lokomotivmotoren) zugeführt wird, abhängig ist.

2. Verfahren zur Anwendung der Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der compoundierte Phasenumformer lediglich während der Anlaßperiode Arbeitsströme an die Strom-Verbraucher (Induktionsmotoren), danach aber hauptsächlich nur die für die dann aus dem Netze unmittelbar gespeisten Stromverbraucher erforderlichen wattlosen Ströme liefert.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen des compoundierten Phasenumformers in bezug auf Größe, Zeitdifferenz oder Querschnitt der Drähte oder in mehreren dieser Hinsichten gleichzeitig unsymmetrisch sind, zum Zweck, eine möglichst günstige Belastungsverteilung auf die verschiedenen Phasenwicklungen zu erreichen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenumformer einen lamellierten, mehrphasig bewickelten Ständer und einen Läufer besitzt, welcher einerseits mit einer Kurzschlußwicklung und andererseits mit einer Erregerwicklung versehen ist, und dessen Erregerstromkreis durch den Mehrphasenstromkreis des Phasenumformers induktiv beeinflußt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Feldwicklung des Phasenumformerläufers ganz oder teilweise von den durch den Phasenumformer gelieferten Wattströmen unabhängig ist. .

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Feldwicklung des Phasenumformerläufers mit einer mittels Gleichstrom oder Wechselstrom geringer Frequenz aus einer besonderen, zweckmäßig unmittelbar mit ihm gekuppelten Erregerdynamo bewirkt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.