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Anordnung zur Umformung von Einphasen- in Mehrphasenstrom gleicher
Frequenz und umgekehrt Die Hauptpatentanmeldung bezieht sich auf eine Anordnung
zur Umformung von Einphasen- in Mehrphasenstrom gleicher Frequenz und umgekehrt
in einer umlaufenden Synchron- oder Asynchronmaschine, in deren Ständerwicklung
durch ihre Erregung ein Mehrphasenspannungssystem erzeugt wird, das die in gleichem
Sinne umlaufende Drehfeldkomponente der von außen zugeführten Einphasenspannung
kompensiert. Hierbei sind z. B. die drei Phasenanfänge der Ständerwicklung an das
Drehstromnetz angeschlossen, während an zwei miteinander verbundene Phasenenden
der eine Pol des Einphasennetzes und an das Ende der dritten Phase. der andere Pol
des Einphasennetzes angeschlossen ist. Die Erfindung befaßt sich mit einer weiteren
Ausgestaltung des Erfindungsgedankens der Hauptpatentanmeldung. Gemäß der Erfindung
wird als umlaufende Maschine zur Phasenumformung eine Asynchronmaschine mit Kurzschlußläufer
verwendet, deren Erregerstrombedarf durch Kondensatoren gedeckt ist. Hierdurch entfällt
die Notwendigkeit, für den Umformer Schleifringe und Bürsten verwenden zu müssen,
was insofern einen Vorteil mit sich bringt, als diese Teile einem natürlichen Verschleiß
unterliegen und Wartung erfordern. Da der bei Belastung in der Ständerwicklung entstehende
Strombelag entgegen der Drehrichtung des Läufers umläuft und von der Kurzschlußwicklung
des Läufers wirksam abgedämpft wird, brauchen die zur Erregung der Asynchronmaschine
vorgesehenen Kondensatoren nur für die Leerlaufblindleistung bemessen zu werden.
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In den Fig. 1 bis 4 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben.
In Fig. 1 ist die Asynchroninaschine 17, die einen Kurzgchlußläufer aufweist, mit
den Phasenanfängen U, V, W an das Drehstromnetz RST angeschlossen. Die beiden Phasenenden
Y, Z sind miteinander verbunden und an die Klemme T' des Einphasennetzes R'T' geführt.
Das Ende X der dritten Phase der Ständerwicklung der Asynchronmaschine 17 ist an
die Klemme R' des Einphasennetzes angeschlossen. Die Asynchronmaschine 17 wird von
dem vom Einphasennetz R'T' gespeisten Motor 9 angetrieben, der zweckmäßig als Kurzschlußläufer
gleicher Polzahl ausgebildet ist. Parallel zu den drei Phasen U-X, V-Y und W-Z sind
die drei Kondensatoren C1, C2 und C3 geschaltet. Diese Kondensatoren sind so bemessen,
daß sich die Asynchronmaschine 17 bei ihrer Nenndrehzahl auf eine Spannung erregt,
die gleich der des Drehstromnetzes RST, z. B, gleich 380 Volt ist.
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Ist der Betrag der Spannung des Einphasennetzes R'T' gleich der dreifachen
Phasenspannung des Drehstromnetzes RST, also beispielsweise gleich 660 Volt, so
ergibt sich das in Fig. 2 dargestellte Spannungsbild das dem in Fig. 3 der Hauptpatentanmeldung
dargestellten Spannungsbild entspricht. Zur Erläuterung dieses Spannungsbildes sei
zunächst angenommen, daß das Einphasennetz R'T' abgeschaltet ist und die drei Klemmen
X, Y, Z zu einem Sternpunkt vereinigt sind, während die drei Kondensatoren C1, C2
und C3 parallel zu den betreffenden Wicklungen geschaltet bleiben. Da sich die Asynchronmaschine
17 dann wie ein kondensatorerregter Asynchrongenerator auf ihre Nennspannung, z.
B. 380 Volt, erregt, würde bei Linkslauf der Maschine 17 der Spannungsstern U'VW
entstehen. Wird die Klemme X vom Sternpunkt abgetrennt, so bleibt die Spannung X'-U'
in der gleichen Lage wie zuvor bestehen. Wird jetzt zwischen die Klemmen X und Y,
Z die Spannung des Einphasennetzes T'R' geschaltet, so wird die Klemme X auf das
Potential der Klemme R', z. B. 660 Volt, gehoben. Da die Spannung X-U ihre Größe
und Richtung beibehält, nimmt die Klemme U gegenüber dem Nullpunkt T'ZY ein Potential
von beispielsweise 660 - 220 = 440 Volt an. Die Endpunkte der beiden anderen Spannungszeiger
bleiben unverändert. Das Spannungsdreieck UVW läuft jetzt mit der verketteten Spannung
von beispielsweise 380 Volt im Uhrzeigersinne um.
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Kommt jetzt unter dem Einfluß einer Belastung im Drehstromnetz RST
ein Strom zustande, so läuft der diesem Strom entsprechende Strombelag im Ständeder
Asynchronmaschine
17 mit nahezu doppelter Netzfrequenz entgegen dem Läufer um und wird von diesem
völlig abgedämpft. Diese Abdämpfung ist beim Kurzschlußläufer, wie ihn die Erfindung
vorsieht, besonders wirksam, da seine Käfigwicklung für den vollen Ständerstrombelag
bemessen ist. Da Spannungswelle und Stromwelle im Ständer der Maschine 17 mit doppelter
Netzfrequenz gegeneinander umlaufen, werden innerhalb einer Periode der Netzfrequenz
Spannung und Strom zweimal gleichphasig und zweimal gegenphasig, d. h., innerhalb
einer Periode arbeitet die Maschine 17 zweimal motorisch und zweimal generatorisch.
Dies wirkt sich in der Weise aus, daß der Anker der Maschine 17 innerhalb einer
Periode zweimal voreilt und zweimal zurückbleibt; er wirkt dadurch als Energiespeicher
und kann die vom Einphasennetz RT' unstetig gelieferte Energie stetig an das Drehstromnetz
RST weitergeben. Der Antriebsmotor 9 braucht hierbei außer der kleinen Verlustleistung
der Asynchronmaschine 17 keine Leistung abzugeben.
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Wie leicht zu erkennen ist, stimmen Einphasenleistung und Drehstromleistung
überein. Bezeichnet EPh die Spannung je Phase der Asynchronmaschine 17 und J den
Strom je Phase, so ist die Leistung auf der Einphasenseite gleich 3 ₧ EPh
₧ J; der gleiche Ausdruck gilt für die Leistung auf der Drehstromseite, wenn
man von der Erregerleistung des Umformers absieht, die auf andere Weise, nämlich
durch die Kondensatoren C1, C2 und C3, gedeckt wird.
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Bei dem in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Asynchronmaschine
13 über die als Phasenumformer arbeitende Asynchronmaschine 17 mit symmetrischem
Drehstrom gespeist und arbeitet als Motor oder als Generator, je nachdem, ob die
mit 12 bezeichnete Maschine eine Arbeitsmaschine oder eine Kraftmaschine ist. Damit
die für die Erregung der Asynchronmaschine 13 erforderliche Blindleistung nicht
die Asynchronmaschine 17 belastet, sind für die Erregung der Asynchronmaschine 13
die zusätzlichen Kondensatoren C1 bis C6 vorgesehen.
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Der Phasenumformer gemäß der Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft
dazu verwenden, den aus einer Einphasenfahrleitung entnommenen Wechselstrom in Mehrphasenstrom
umzuformen, mit dem dann über Gleichrichter die Gleichstromfahrmotoren eines elektrischen
Triebfahrzeuges gespeist werden. Um die den Fahrmotoren zugeführte Gleichspannung
regeln zu können, wird der Umformer gemäß der Erfindung an die mit Anzapfungen versehene
Zweitwicklung eines Umspanners einer Einphasenlokomotive angeschlossen. Ein Ausführungsbeispiel
hierfür ist in der Fig. 4 wiedergegeben. Die Erstwicklung des Umspanners Tr wird
von der Einphasenfahrleitung 14 gespeist. An die Anzapfungen der Zweitwicklung dieses
Umspanners ist über den Stufenwähler 15 die Phase U-X der Asynchronmaschine 17 angeschlossen.
Abweichend vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist hierbei die Phase U-X in die beiden
parallelen Zweige U1-X1 und U2-X2 aufgeteilt. An die Drehstromseite der Asynchronmaschine
17 ist die Gleichrichteranordnung Gl angeschlossen, die den den Fahrmotoren M zugeführten
Strom gleichrichtet. Zur Erregung der Asynchronmaschine 17 dienen die Kondensatoren
C11, C12, C2 und C3. Durch die Aufteilung der Phase U-X in die beiden parallelen
Zweige wird erreicht, daß stromlos von einer Anzapfung des Umspanners Tr auf eine
benachbarte geschaltet werden kann.. Die Gleichrichterzweige der Gleichrichteranordnung
Gl verhindern einen Kurzschluß, wenn die beiden Arme des Stufenwählers 15 an benachbarten
Anzapfungen angreifen. Die Asynchronmaschine 17 wird vom Motor 9 angetrieben, der
aus der Zweitwicklung des Umspanners Tr gespeist wird.
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Phasenumformer gemäß der Erfindung eignen sich auch vorzüglich für
die Speisung der Hilfsantriebe von Einphasentriebfahrzeugen, beispielsweise Lüftern,
Verdichtern usw. Da der Phasenumformer gemäß der Erfindung einen symmetrischen Drehstrom
abgibt, können für die Hilfsantriebe gewöhnliche Drehstrommotoren verwendet werden.