DE2305251A1

DE2305251A1 - Asynchronmaschine zur erzeugung von wechsel- bzw. gleichspannungen

Info

Publication number: DE2305251A1
Application number: DE19732305251
Authority: DE
Inventors: George H Studtmann
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1972-02-02
Filing date: 1973-02-02
Publication date: 1973-08-09
Also published as: IT978732B; CH579846A5; DE2305251B2; JPS4887325A; FR2170087B1; SE402193B; AU5140473A; GB1414378A; US3829758A; FR2170087A1; CA1003041A; NL7301367A; JPS6014600B2

Description

Asynchronmaschine zur Erzeugung von Wechsel- bzw. Gleichspannungen

Die Erfindung betrifft eine Asynchronmaschine zur Erzeugung von Wechsel- bzw. Gleichspannungen.

Asynchronmaschinen werden seit langem als Motoren sowie auch als Generatoren eingesetzt, da sie zu den einfachsten und dauerhaftesten Maschinen mit Drehantrieb gehören. Bei entsprechender Erregung arbeitet sie als Generator, wenn sie mit einer Drehzahl betrieben wird, die über der Synchrondrehzahl liegt. Üblicherweise bedeutet dies, daß eine externe Versorgung oder Kondensatorbatterie an den Generator gekoppelt werden muß, um den notwendigen Kreis für die Blindenergie zu schaffen und damit es der Maschine zu ermöglichen, als Generator zu arbeiten. Dem Fachmann ist bekannt, daß ein Asynchrongenerator weder seine eigene Blindfeldenergie noch eine andere Energie an eine Blindlast abgeben kann. Somit sorgt bei einer induktiven Last eine Kondensator-

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batterie für die entsprechende Verbesserung des Leistungsfaktors. Eine externe Versorgungsquelle kann auch den vom Asynchrongenerator gebrauchten nacheilenden Strom liefern. An sich kann der Asynchrongenerator keine Blindenergie abgeben, die von einer unabhängigen Quelle hergeleitet werden muß. Dies gilt auch für die Erregung seines eigenen Feldes, da auch diese Energie von einer Außenquelle kommen muß.

Die Hauptschwierigkeit bei den bekannten Asynchronmaschinen besteht darin, daß sie im allgemeinen unter Berücksichtigung des mechanischen Eingangs oder Antriebs und der Resonanzfrequenz, die durch die Induktivität der Maschine und der externen Kapazität oder durch die Frequenz der externen Versorgungsquelle bestimmt ist, auf eine Betriebsdrehzahl beschränkt sind. Somit kann diese Anlage an sich nicht einwandfrei bei verschiedenen Drehzahlen arbeiten.

j Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Anlage mit einer Asynchronmaschine zu schaffen, die mit veränderlichen Drehzahlen und veränderlichen Lasten betrieben werden kann, wobei un- ^: geachtet der Drehzahl- und Laständerungen entweder die Ausgangs-• frequenz oder die Ausgangsspannung konstantgeregelt wird. Ferner soll erfindungsgemäß eine Anlage geschaffen werden, die bei verhältnismäßig hohen Drehzahlen arbeiten kann und keine Kollektor- ! ringe oder eine Kommutatoranordnung braucht. Schließlich be-, zweckt die Erfindung eine Anlage zu schaffen, die steuerbare Ausgangswechsel- bzw. Gleichspannungen abgibt.

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Die erfindungsgemäße Energieübertragungsanlage dient zur Abgabe von Ausgangswechsel- bzw. Gleichspannungen. Die Anlage umfaßt eine Asynchronmaschine mit einer mechanischen Antriebswelle und einer Anzahl von Ausgangsleitungen zur Abgabe einer Ausgangswechselspannung. Eine Schaltung, die aus einer einfachen Anordnung von Schalter mit Batterie bestehen kann, ist zur Abgabe einer Erregerspannung vorgesehen, damit die Asynchronmaschine während des Anlaufens auferregt werden kann. Ferner ist auch eine Einrichtung vorgesehen, um die Antriebswelle der Asynchronmaschine in Drehungen zu versetzen.

Die Erfindung umfaßt eine Schaltanordnung, welche periodisch eine Kapazität auf zeitlich verzahnter Grundlage an die Ausgangswicklungen der Asynchronmaschine ankoppelt. Eine hierfür geeignete Schaltanordnung besteht aus einem Wechselrichter in Brückenanordnung, der periodisch wie ein normaler Wechselrichter umgeschaltet wird, um die Zeitdauer zu regeln, für welche die Kapazität an die Asynchronmaschine angekoppelt wird. Obwohl nachfolgend der Begriff "Wechselrichter" oder "Wechselrichtergruppe" zur Beschreibung der Stromkreise der Schalteinrichtung verwendet wird, sei betont,daß diese Schaltung nicht eigentlich eine Gleichspannung in eine Wech-

selspannung umsetzt, sondern als Schaltvorrichtung dient. ^!

Die Erfindung umfaßt eine Schalteinrichtung, die wie ein statischer Wechselrichter oder eine Wechselrichtergruppe geschaltet ist. Die Schalteinrichtung besitzt eine Anzahl von Ausgangsklemmen, die an die Ausgangsleitungen der Asynchronmaschine gekoppelt sind, sowie eine Anzahl weiterer Klemmen, die mit einem Kondensa-

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tor verbunden sind. Für Mehrphasenanlagen, bei welchen die Schalteinrichtung den Fluß der Blindenergie periodisch von einer Phase der Asynchronmaschine auf die andere umleitet, ist der Kondensator nicht erforderlich. Ferner besitzt die Schalteinrichtung auch eine Anzahl von Halbleiterschaltern wie Thyristoren oder Transistoren, an denen SchaLtsignale zur Steuerung der Schaltfrequenz anliegen. Ein Oszillator mit logischer Schaltung regelt die Funktion der Halbleiterschalter in der Schalteinrichtung sowie auch die Frequenz oder die Amplitude der von der Energie-Übertragungsanlage abgegebenen Ausgangswechselspannung.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. In den Zeichnungen, in weiden gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile kennzeichnen, ist:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer bekannten wechselrichtergesteuerten Asynchronmaschine;

Fig. 2 ein Kurvenbild;

Fig. 3 sind Ersatzschaltbilder;
und 4

Fig. 5 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise von Asynchronmaschinen;

Fig. 6 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Energieübertragungsanlage;

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Fig. 7 der Stromlaufplan eines Wechselrichters für die zeitgesteuerte Zuschaltung des Kondensators zur Asynchronmaschine;

Fig. 8 das Blockschaltbild, teilweise als Schemazeichnung ausgeführt, zur Darstellung einer anderen Anordnung der erfindungsgemäßen Anlage;

Fig. 9 das Blockschaltbild einer Steuerung, die in Verbindung mit der Erfindung eingesetzt wird.

Es ist allgemein bekannt, wie die in Fig. 1 gezeigte einfache Anlage geschaltet ist. Wenn die Asynchronmaschine 10 als Motor betrieben wird, dann gibt sie Ausgangsenergie über die Welle 11 an

ab

eine entsprechende mechanische Last (nicht gezeigt)/. Die elektrische Erregung für den Motor gelangt an diesen vom Wechselrichter 20 über die Leitungen 13 und 14, wobei eine Batterie oder eine andere geeignete Gleichspannungsquelle den Wechselrichter über die Leitungen 60 und 61 mit Gleichspannung versorgt. Wenn die Bauteile des Inverters 20 feste Werte besitzen, dann liegt die \

Frequenz der über die Leitungen 13 und 14 zugeführten Ausgangs- i spannung auf der Bezugsfrequenz <1>_ο· Die Winkelgeschwindigkeit \ des Drehfeldes der Maschine 10 besitzt diese Frequenz GJ₀· Um das erforderliche Drehmoment für eine gegebene Last aufzubauen, dreht sich der Rotor der Maschine 10 mit der Frequenz Co_r» die niedriger ist als die Drehzahl oo₀ des Drehfeldes. Wenn sich die Last Null annähert, dann nähert sich die Drehzahl des Rotors der des Drehfeldes an, und der Schlupfwert wird verringert. Der be-

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- 6 kannte Ausdruck für den Schlupf s eines Asynchronmotors lautet:

^{s =} Tj₀" ~ · Wenn beispielsweise die Aus gangs spannung des

Wechselrichters 60 Hz beträgt und. die Welle 11 einen zweipoligen Asynchronmotor 10 sich mit 57 U/min dreht, dann beträgt der Schlupf 0,05 oder 5 %. Der Rotor läuft etwas langsamer als das Feld, und die Größe dieser Differenz erhöht sich, wenn die Belastung des Motors vergrößert wird, um ein entsprechend wachsendes Drehmoment abzugeben.

Fig. 2 zeigt die verschiedenen Kennlinien einer als Motor laufenden Asynchronmaschine. Die Kurven sind geglättet. Die Ausgangsspannung erhöht sich linear bis zur Grunddrehzahl und bleibt dann oberhalb der Grunddrehzahl konstant. Unterhalb der Grunddrehzahl kann die Maschine ein durch die gestrichelte Linie angegebenes Drehmoment mit konstantem Pegel erzeugen. Oberhalb der Grunddreh- ; zahl fällt das Drehmoment bei sich vergrößernder Drehzahl ab,doch der Strom bleibt konstant. Unter diesen Bedingungen ist die Ausj gangsspannung der Asynchronmaschine gleich ihrer Eingangsspannung. Oberhalb der Grunddrehzahl ist die Spannung konstant und unterhalb dieser Drehzahl nimmt die Spannung gleichzeitig mit der Frequenz ab. Wie gezeigt, bleibt das Verhältnis zwischen Spannung : und Frequenz (V/f-K) von der Grundrehzahl bis Null konstant. Hier- ! bei handelt es sich um allgemeine und bekannte Eigenschaften

ί eines Asynchronmotors.

i
Die Maschine sei jetzt allgemein als Asynchronmaschine und nicht

[ nur als Motor betrachtet. Wenn die Asynchronmaschine als Motor J in einem gegebenen Drehzahlbereich betrieben werden kann, so kann

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normalerweise die gleiche Maschine auch als Generator im gleichen Drehzahlbereich betrieben werden, wobei man die gleiche elektrische Ausgangsgröße erhält. Somit müssen Ausgangsspannung und Last oberhalb der Grunddrehzahl so gesteuert werden, daß ein bestimmter Wert und ein bestimmter Strompegel nicht überschritten werden. Dadurch kann die Maschine eine gewünschte konstante Spannung erzeugen. Unterhalb der Grunddrehzahl nimmt die Fähigkeit zur Erzeugung von Spannungen wie vorstehend beschrieben linear ab, wobei die Spannung ebenso abklingend gesteuert werden muß. Unter Berücksichtigung des elektromagnetischen Grundaufbaus sind bei einem gewünschten Drehmoment und bei vorgegebenen Spannungs- und Stromwerten die gleichen Werte erforderlich, unabhängig davon, ob die Maschine als Motor oder Generator arbeitet. Wenn die Maschine als Generator arbeitet, so besteht der Unterschied darin, daß die Richtung des Stromflusses, der vorher vom Wechselrichter zur Maschine verlief, jetzt umgekehrt wird, wobei jetzt der Strom von der Maschine abfließt. Wenn der aus der vorstehenden Gleichung gewonnene Schlupfwert berücksichtigt wird, dann erhält jetzt der Schlupf ein negatives Vorzeichen. Wenn beispielsweise Q noch immer 60 Hz beträgt und U auf 63 Hz erhöht wird, dann beträgt der Schlupf s -51. Mit diesem Schlupf arbeitet die Asynchron-

maschine 10 der Fig. 1 als Generator und gibt eine Wechselspannung auf die Leitungen 13 und 14 ab.

Zur weiteren Erläuterung der wechselweisen Funktionen als Motor und Generator der gleichen Asynchronmaschine werden die Ersatzschaltbilder der Maschine eingeführt. Fig. 3 zeigt ein solches Ersatzschaltbild, bei dem die Spannung V am Magnetisierungszweig X anliegt, d.h. die gemeinsame Induktivität, über welche __R_-

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die Spannung vom Stator an den Rotor übertragen wird. Der Strom I fließt in einen Widerstandszweig, in dem der Rotorwiderstand durch den Ausdruck Ro/s dargestellt ist. Dieser Wirkwiderstand kann weiter in zwei Komponenten zerlegt werden, nämlich R- und R₂ (1-s)/s, wie in Fig. 4 gezeigt. Der Leistungsverlust im ersten Widerstand R₂ stellt die Verluste als Ergebnis des Stromflusses durch den Rotor dar, und der Leistungsverlust im zweiten Wirkwiderstand R₂(1-s)/s stellt den Schenkel für die Energieübertragung dar. Bei der nach dem Ersatzschaltbild angelegten Spannung ist die Größe der Leistungsabgabe des Motors gleich der Größe der in Widerstand R₂(1-s)/s verzehrten Energie.

Wenn der Schlupf s positiv und kleiner als 1 ist, dann ist es offensichtlich, daß das algebraische Vorzeichen des Ausdrucks ebenso positiv ist und damit ist auch die Energieabgabe der Anlage positiv. Wenn sich jedoch die Welle 11 (Fig. 1) schneller dreht als die Frequenz ο , dann wird das Vorzeichen von s negativ und ebenso auch das Vorzeichen des gesamten Ausdrucks R₂(1-s)/s. Dies bedeutet, daß die Energieabgabe dieser Anlage und damit auch das Ausgangsdrehmoment negativ sind. Das heißt, die Asynchronmaschine arbeitet jetzt als Generator, wenn die Anlage Drehmoment braucht und nicht Drehmoment oder Ausgangsenergie abgibt.

Ein Weg zur Untersuchung der Arbeitsweise der Asynchronmaschine beim Wechseln zwischen Motor und Generator ergibt sich aus der Betrachtung, daß die Spannung V(Fign. 3 und 4) stets in der gleichen Richtung angelegt wird. Wenn die Maschine als Motor arbeitet (Fig. 3), dann gelangt der Strom I an die Last. Das heißt, der

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Strom führt ein positives Vorzeichen und der Schlupf s besitzt ebenfalls einen positiven Wert. Wenn jetzt bei der gleichen angelegten Spannung V die Wellendrehzahl plötzlich erhöht wird, dann nimmt der Strom I effektiv ab und kehrt plötzlich seine Richtung um, wobei er in Richtung des Pfeiles der Fig. 4 fließt. Somit bleibt effektiv die Spannung V gleich, doch das algebraische Vorzeichen des Stromes und des Schlupfes s werden umgekehrt, wenn die Maschine von der Arbeitsweise als Motor zur Arbeitsweise als Generator übergeht. Die bei diesem umgekehrten Stromfluß (Fig. 4) im Magnetisierungszweig erforderliche relative Phase der Spannung iX ist in Fig. 5 dargestellt. Die Phase des Stroms I ist hier der der angelegten Spannung V entgegengesetzt, und der den Abfall am gemeinsamen Induktivitätszweig darstellende Vektor ist durch die gestrichelte Linie gezeigt. Trotzdem wird die "Arbeit" durch den Strom ausgeführt, der den reellen Ersatzwert des Widerstandes durchläuft, der um 90° gegen den die Blindenergie darstellenden Vektor iX versetzt ist, gleich ob die Maschine als ^! Motor oder Generator arbeitet. Daher wurde zur Abgabe der erforderlichen Blindstromes bei früheren Anordnungen eine Kondensator-j bank verwendet. Es könnte auch eine Wechselspannungsquelle ver- j wendet werden, doch ist deren Frequenz natürlich im allgemeinen ; festgelegt«

Vor der Betrachtung der erfindungsgemäßen Konstruktion und des erfindungsgemäßen Verfahrens sei bemerkt, daß ein hervorragender Teil der Erfindung in der Analyse und im Verständnis der Grundfunktion einer Asynchronmaschine besteht sowie in der Erkenntnis, daß die Steuerung einer zwischen der Maschine und der Systemkapa-

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zität angeordneten Schalteinrichtung es ermöglicht, daß die gleiche Maschine als Motor und als Generator mit im wesentlichen den gleichen Kennlinien arbeitet. Die Anlage ist durch die Werte der Maschineninduktivitäten und der Systemkapazität, die gewöhnlich feststeht, auf eine bestimmte Frequenz "abgestimmt". Jedoch durch Regelung der Schalteinrichtung kann der tatsächliche Kapazitätswert so verändert werden, daß sich die Frequenz der Ausgangsspannung der Anlage entsprechend ändert.Durch die Regelung der Frequenz der Betätigung der Schalteinrichtung ergibt sich unter Be-, rücksichtigung der Gleichung für den Schlupf eine Regelung für

: oJ_Qf wenn die Abstimmung der Anlage verändert wird. Trotz einer j auf die Drehzahl der Asynchronmaschinenwelle bezogenen Änderung

von Gl. gestattet die Steuerung von ω die Konstruktion einer Anlage, bei welcher sowohl das Vorzeichen als auch die Größe des

; Schlupfes geregelt werden können, wodurch auch die Arbeitsweise der Maschine als Motor und Generator entsprechend gesteuert wird* Durch das Einfügen einer gesteuerten Schalteinrichtung um die Gesamtschaltung zwischen die Maschine und die Kapazität wird ein Mittel zur Regelung eines Gliedes der Gleichung für den Schlupf geschaffen, wodurch die Gesamtanlage gesteuert werden kann. Auf dieser Grundlage werden nun Konstruktion und Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anlage näher erläutert.

In Fig. 6 besitzt die herkömmliche Asynchronmaschine 10 die durch eine gestrichelte Linie dargestellte mechanische Antriebswelle 11. Ein geeigneter Antriebsmotor (nicht gezeigt) sorgt für den Antrieb der Welle 11, Dieser Antriebsmotor kann ein Elektromotor, ein Verbrennungsmtor, eine Turbine odeijfeine beliebige

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andere geeignete Einrichtung zur Drehung der Welle 11 sein. Wenn der Antriebsmotor die Welle 11 dreht, um die Asynchronmaschine 10 als Asynchrongenerator anlaufen zu lassen, dann ist normalerweise eine Einrichtung zur Abgabe einer Erregerspannung für den Start der Anlage erforderlich. Eine Anordnung mit einer Batterie und einem während des Anlaufens geschlossenen Schalter wird nachstehend in Verbindung mit Fig. 7 erläutert. Es ist bekannt, daß der Schalter auch Erregerspannung durch "Überkippen" von in einer Kondensatorbatterie gespeicherten Energie beim Anlaufen abgeben könnte oder auch, daß eine Transformator-Gleichrichteranordnung zur Abgabe der erforderlichen Erregerspannung dienen könnte. Ebenso kann auch bereits die Magnetisierung der Rotorteile ausreichend sein, um für eine interne Anlauferregung ohne Zufuhr von externer Energie zu sorgen wie es vorstehend beschrieben wurde.

Erfindungsgemäß sind die Schalteinrichtung 20 und der Kondensator, 62 (Fig. 6) vorgesehen, um der Asynchronmaschine Blindenergie ein4 Zuspeisen. Die Ausgangsklemmen der Einrichtung 20 sind über die Leitungen 13, 14 und 15 an die Ausgangsklemmen der Asynchronmaschine geführt. Der Kondensator 62 ist an weitere Klemmen der Einrichtung 20 angeschlossen. Wenn ein Wechselrichter als Schalteinrichtung dient, dann können diese zusätzlichen Anschlüsse an Gleichspannungs-Sammeischienen vorgesehen sein. Somit ersetzen die Schalteinrichtung 20 und der Kondensator 62 die üblicherweise bei einem Asynchrongenerator verwendete Kondensatorbatterie

bzw. Wechselspannungsquelle. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ; kann eine Ausgangswechselspannung über die Leitungen 21, 22 und 2Ϊ

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oder eine Ausgangsgleichspannung über die Samme1schienen 24, 25 der Schalteinrichtung geleitet werden. Es können sowohl beide Ausgangsspannungen als auch nur eine von ihnen abgegeben werden.

Die Betriebsfrequenz der Thyristor- oder anderen Halbleiterschalter der Einrichtung 20 wird durch Signale gesteuert, die auf der Leitung 26 vom Oszillator mit logischer Schaltung 27 her anliegen. Der Drehknopf 28 stellt eine Einrichtung zur Veränderung der Frequenz der Taktsignale dar und damit zur Änderung der Schaltfrequenz, um die Wirkkapazität der Einrichtung zu regeln und damit die Amplitude der von der Einrichtung abgegebenen Ausgangsspan- : nung zu steuern. Nach dieser Gesamtdarstellung der Einrichtung \ wird eine detaillierte Beschreibung der Schalteinrichtung 20 in Fig. 7 gegeben.

Die Schalteinrichtung der Fig. 7 umfaßt drei einzelne zwischen die beiden Samme1schienen 60 und 61 geschaltete Phasenkreise. Der erste Phasenkreis ist mit den beiden Thyristoren 30 und 31 bestückt, die mit den Wendefeldwicklungen 32 und 33 einer herkömmlichen Drosselspule in Reihe geschaltet sind. Diekommutierenden Kondensatoren 33 und 35 sowie die Oberlaufdioden 36 und 37 sind zwischen die beiden Sammelschienen 60 und 61 in Reihe geschaltet. Die Leitung 13 ist an die Knotenpunkte zwischen den Kondensatoren 34 und 35, den Drosselwicklungen 32 und 33 und den Dioden 36 und 37 geführt. Natürlich können auch andere Bauteile zum Schutz der dargestellten Schaltung gegen starke Änderungen der Größen dv/dt und: di/dt eingesetzt werden, ohne die Beschsffenheit undtiie Grundfunktion der Arbeitsweise der Einrichtung zu verändern. Der zweite

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und dritte Phasenkreis sind mit dem vorstehend beschriebenen ersten Phasenkreis identisch, und die entsprechenden Bauteile tragen die entsprechenden Kennzeichen aus den Zehnergruppen 40 und 50. Obwohl die in Fig. 7 gezeigte Schalteinrichtung mit der Schaltung eines Dreiphasen-Brückenwechselrichters identisch ist, setzt sie auf den Leitungen 60 und 61 keine Gleichspannung um, um eine Ausgangsspannung auf den Leitungen 13, 14 und 15 abzugeben. Anstattdessen werden die Zeitspannen, während denen der Kondensator 62 über die Leitungen 13-15 an die Induktionswicklungen der Maschine 10 gekoppelt sind, durch die Durchsteuerungsintervalle der Schalter 30, 31, 40, 4t, 50 und 51 geregelt. Diese Regelung der Wirkkapazität ist das vorstehend beschriebene Mittel zur Regelung der Arbeitsweise der Einrichtung.

Die Taktsignale für die Thyristoren 30 und 31 liegen über die Leitungen 26a und 26b her zur Steuerung der Betätigung der Schalter an. Natürlich würde die Leitung 26a in der Praxis aus zwei Leitern bestehen, wobei der andere Leiter zur Abgabe des Ansehaltsignals an die Kathode des Thyristors 30 geführt wäre. Somit stellt die Linie 26 der Fig. 6 in Wiiidichkeit ein Dutzend Leitungen dar, wobei jeweils zwei Leiter für die einzelnen Anschaltsignale eines jeden Thyristors dienen. ;

Der Stromkreis 16 dient zur Abgabe einer Erregerspannung an die Asynchronmaschine während des Anlaufs der Einrichtung. Bei der dargestellten Anordnung ist die Batterie 17 mit dem Schalter 18 in Reihe geschaltet, um diese Erregerspannung nur beim Anlaufen der Einrichtung abzugeben, wobei die als Generator arbeitende

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- 14 Maschine bis etwa zu ihrer Betriebsdrehzahl beschleunigt wird.

Wenn, wie vorstehend beschrieben, die Leitungen 13, 14 und 15 an den Asynchrongenerator angeschlossen sind, dann wird auf den Leitungen 21-23 eine Ausgangswechselspannung erzeugt. Außerdem steht auf den Leitungen 24 und 25 eine Ausgangsgleichspannung zur Verfügung. Damit ist die Vielseitigkeit der neuartigen Einrichtung offensichtlich. Die Gleichspannung auf den Leitungen 24 und 25 : ist eine Wirkspannung. Wenn über die Leitungen 21-23keine Wechselspannung an eine externe Last abgegeben wird, dann durchläuft !nur Blindspannung die Thyristoren des Wechselrichters. Bei einem

j hohen Leistungsfaktor und Hochleistungsmaschinen betragen diese Blindenergie und die Verluste des Gesamtsystems nur einen verhältnismäßig geringen Prozentsatz der Gesamtleistung.

j Für Prüflaufe diente eine für 11OV ausgelegte Maschine als Asynchrongenerator 10. Eine von der Batterie 17 (Fig. 7) gelieferte Spannung von ca. 15 V wurde angelegt, und durch diese Erregerspannung wurde die Maschine auf ihre Nennbetriebsdrehzahl gebracht. Es sei betont, daß dann die gesamte externe Energiezufuhr durch öffnen des Schalters 18 unterbrochen wurde. Die Maj schine von 0,25 PS arbeitete einwandfrei und gab die Nennspannungen, sowohl Gleichspannung als auch Wechselspannung, an einen Lastwiderstand ab. Dann wurde eine zweite Asynchronmaschine an die Leitungen 21-23 angeschlossen und arbeitete mit der durch die erste Maschine abgegebenen Wechselspannung als Motor.

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Fig. 8 zeigt eine andere Anordnung der Asynchronmaschine 10 und des Wechselrichters 20. Hier ist die Welle 11 der Asynchronmaschine

10 mit der den Riemen 70 oder eine andere geeignete mechanische Verbindung an die Welle 71 der Turbine 72 gekuppelte Bei dieser Anordnung ist die Batterie 17 an die Samme1schienen 60 und 61 des Schaltkreises 20 gekoppelt, wenn der Schalter 18 geschlossen ist_e Durch Schließen des Schalters 74 wird die elektrische Last 73 mit der Sammelschiene verbunden.

Für den Betrieb sei nun angenommen, daß die Turbine 72 aus ihrer Ruhelage heraus gestartet werden soll. Zunächst sind die beiden Schalter 18 und 74 wie in der Zeichnung gezeigt unterbrochen. Dann wird der Schalter 18 geschlossen und Gleichspannung gelangt an die Schalteinrichtung 20, die zunächst als Wechselrichter arbeitet,um Wechselspannung über die Sammelleitungen 13, 14 und 15 abzugeben. Dadurch wird die als Motor arbeitende Asynchronmaschine 10 erregt und gibt mechanische Abtriebsenergie in Form der Drehung der Welle

11 ab. Diese Drehbewegung wird über den Riemen 70 aufdie Welle 71 übertragen, um die Turbine 72 zu starten und sie auf ihre Drehzahl zu bringen. Wenn sich die Turbine 72 ihrer normalen Betriebsdrehzahl nähert, beginnt sie selbst zu arbeiten, und der Schalter 18

öffnet sich, so daß die Batterie 17 keine Spannung mehr an die Schalteinrichtung 20 abgibt. i

Jetzt fließt die Spannung in der anderen Richtung durch die Einrichtung (Fig. 8). Das heißt, die mechanische Energie der Welle 71 wird über den Riemen 70 auf die Welle 11 übertragen, um die Asynchronmaschine 10 als Generator anzutreiben. Jetzt wird die Betätigung der Schalter der Einrichtung 20 gesteuert, und zwar

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nicht für eine Funktion als Wechselrichter, sondern zur Steuerung des zeitlich verzahnten Anschlusses des Kondensators 62 an die Induktionswicklungen der Maschine 10. Natürlich muß die Turbine genügend Energie abgeben, um die Maschine 10 mindestens ein wenig über ihrer Nenndrehzahl anzutreiben, damit diese als Generator arbeiten kann. Die Einrichtung 20 und der Kondensator 62 ersetzen, wie vorstehend erläutert wurde, die Kondensatorbatterie oder die unabhängige Wechselspannungsquelle. Der Schalter 74 wird geschlossen, um die Verbindung zwischen der elektrischen Last 73 und der GIeichspannungssammelschiene herzustellen, welche die Last 73 mit einer Ausgangsgleichspannung erregt. Somit arbeitet diese Anordnung der Schalteinrichtung 20 und der Asychronmaschine 10 zur Übertragung eines umkehrbaren Energieflusses.

In der allgemeinen Zeichnung der Fig. 6 stellt der Drehknopf ein Mittel zur Regelung der Zündzeiten der Thyristoren oder anderer Halbleiter der Schalteinrichtung 20 dar. Mit dieser Regelung der Arbeitsfrequenz kann die Anlage in wirksamer Weise dauernd als Generator in einen großen Bereich von Antriebsdrehzahlen arbeiten, d.h. in einem großen Drehzahlbereich der Welle 11. Die Systemregäung kann auch ohne Handbedienung wie die Einstellung mit dem Drehknopf 28 durchgeführt werden. Zu diesem Zweck wird anhand der Fig. 9 eine Steuerung zur Regelung der gesamten Anlage erklärt.

Die Frequenz der durch den Oszillator mit logischer Schaltung abgegebenen Taktimpulse wird durch Steuersignale geregelt, die auf den Leitungen 75 und 85 von den beiden Vergleichsstufen 76 und 81 her. anliegen. Die Stufe 76 ist eine Spannungsvergleich-

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schaltung, an der ein auf die Wechselspannung des Asynchrongenerators bezogenes Gleichspannungssignal über die Leitung 77 her anliegt, die über die Gleichrichterstufe 79 mit den Leitungen 13-15 verbunden ist. An der Vergleichsstufe 76 liegt über die Leitung 78 von einen Bezugspotentiometer 80 ein Bezugsspannungssignal an, wobei das Potentiometer zwischen einem Punkt mit positivem Potential und Masse geschaltet ist. Somit ist das Ausgangssignal der Vergleichsstufe 76 eine Funktion der Amplitudenänderungen der Aus-r gangswechselspannung des Asynchrongenerators. ■

Die andere Vergleichsstufe 81 ist eine Stromabtaststufe. Der durch die Wicklung 88 gebildete Stromwandler gibt ein auf die Wechselstrombelastung bezogenes Signal ab. Dieses Signal gelangt über die Leitung 87, den Gleichrichter 82 und die Leitung 83 an die Vergleichsstufe 81. Ein zweites Bezugssignal liegt über die Leitung 86 vom Potentiometer 84 her an, das ebenfalls zwischen einen positive Spannung führenden Punkt und Masse geschaltet ist. Somit ist das Ausgangssignal auf der Leitung 85 eine Funktion der Stromänderungen auf den Wechelstrom-Ausgangsleitungen. Die Spannungsj

; vergleichstufe 76 dient zur normalen Regelung der Taktimpulse auf der Leitung 26. Das Stromsignal auf der Leitung 85 dient zur Ausschaltung der normalen Regelung, wenn ein Fehler oder eine Stromüberlastung auf der Wechselstrom-Ausgangsleitung auftritt.

Die Erfindung kann auch so betrachtet werden, daß sie ein neuartiges und nicht naheliegendes Verfahren zur Erzeugung von Wech- ; sei- bzw. Gleichspannungen darstellt. Dieses Verfahren beinhaltet die Verwendung eines Asynchrongenerators mit einer mechanischen

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- 18 Antriebswelle und einer Anzahl von Ausgangsleitungen sowie den Ein- ' satz eines Schaltkreises in der Form eines statischen Wechselrichters bzw. einer Wechselrichtergruppe, dessen Ausgangsklemmen an die Ausgangsklemmen des Asynchrongenerators geführt sind. Die Gleichspannungssammelschienen des Schaltkreises sind in einer Einphasenanordnung an den Systemkondensator gekoppelt. Zum Anlaufen der Anlage wird die Welle des Asynchrongenerators in Drehungen versetzt, und an diesen wird eine Erregerspannung angelegt, die um etwa eine Größenordnung kleiner ist als der normale Nennspannungspegel. Wenn die Asynchronmaschine sich ihrer Nenndrehzahl annähert, dann wird die Anlaßerregerspannung abgeschaltet. Somit wird nach dem Anlaufen keine elektrische Energie mehr von einer externen Quelle her zugeführt. Anschließend werden Zündimpulse an die Halbleiterschalter im Schaltkreis angelegt, um ihre jeweiligen Ansteuerzeiten zu regeln. Damit wird die an die Maschinenwicklungen

j einer Einphasenvorrichtung angekoppelte Wirkkapazität geregelt; es kann auch damit die Umschaltung der Blindenergie von einer Phasenwicklung der Maschine auf eine andere in einer Mehrphasenanordnung gesteuert werden, wodurch die Amplitude der von der Anlage abgegebenen Ausgangswechselspannung geregelt wird. '

Für die Zwecke der Beschreibung und der zugehörigen Patentansprüche gelten Werte zwischen einem Fünftel bis zum Fünffachen eines Bezugswertes als einer Größenordnung zugeordnet. Das heißt, wenn 115V als Bezugsspannung gelten, dann liegen Spannungen im Bereich zwischen 23 und 575 V in der gleichen Größenordnung. Kleinere oder größere Größenordnungen werden in Schritten von Zehnerpotenzen gerechnet. Das heißt, daß Spannungen, die um

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eine Größenordnung kleiner sind als die Bezugsspannung von 115V, im Bereich zwischen 2,3 und 23 V liegen und solche, die um eine Größenordnung größer sind liegen im Bereich zwischen 575 und 575OV. Jetzt wurde erreicht, daß das Anlaufen leicht mit der Einspeisung einer Erregerspannung von nur 15 V für eine für 11.5 V ausgelegte Maschine durchgeführt werden kann; damit ist die Anlaßspannung um eine Größenordnung kleiner als die übliche Nennspannung der Asynchronmaschine .

Bei einer Einrichtung wie der in Fig. 8 oder 6 gezeigten bietet die automatische Regelung der Schaltfrequenz, die anhand der Fxg.9 erklärt wurde, einen erheblichen Vorteil für die erfindungsgemäiae Anlage. Beispielsweise sorgt bei einer Einrichtung der Fig. 6, bei welcher der Antriäsmotors die Asynchronmaschine 10 als Generator zur Erzeugung einer Ausgangswechselspannung auf den Leitungen 21-23 laufen läßt, die automatische Regelung der Schalteinrichtung 20 dafür, daß die an den Leitungen 21-23 anliegende Ausgangswechselspannung eine konstante Amplitude aufweist und beibehält. Dies bedeutet, daß eine genaue Spannungsregelung vorgenommen werden kann, selbst wenn die Antriebswelle 11 sehr unregelmäßig läuft und erheblichen Drehzahländerungen ausgesetzt ist. Nach einer solch gut geregelten Ausgangsspannung von einer nicht geregelten Antriebswelle wurde seit langem auf dem Gebiet der Stromversorgung gesucht. Die anhand der Fig. 9 erläuterte Einrichtung verwirklicht eine solche gut geregelte Ausgangsspannung, die durch eine unregelmäßige Eingangsquelle erzeugt wird.

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Obwohl die vorstehend beschriebene Anlage mit einem an die Schalteinrichtung gekoppelten Kondensator (Kondensator 62) beschrieben wurde, sei betont, daß der Kondensator nur bei einer Einphasenanlage gebraucht wird. Bei einer Mehrphasenanlage wirkt die gesteuerte Anschaltung der Halbleiter in der Schalteinrichtung zur periodischen Durchsteuerung und Weiterleitung des Blindenergieflusses von einer Phase zur anderen der Asynchronmaschine ohne je-,den zugeschalteten Kondensator.

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Claims

Patentansprüche

enerator zur Erzeugung einer Wechsel- bzw. Gleichspannung mit j einem Kondensator und einer mit einer mechanischen Antriebs- i welle und einer Anzahl von Ausgangsleitungen versehenen Asynchronmaschine zur Abgabe einer Ausgangswechselspannung sowie mit Einrichtungen zur Hocherregung der Asynchronmaschine während des Anlaufens, gekennzeichnet durch einen statischen Wechselrichter (20) mit einer Anzahl von Ausgangsklemmen (gemeinsamer Anschluß zwischen' jedem Spulenpaar 32,33;42,43; und 52, 53), die an die Ausgangsleitungen (13,14,15) der Asynchronmaschine angeschlossen sind, durch zwei weitere mit dem Kondensator (62) verbundene Klemmen (24,25), von denen eine Ausgangsgleichspannung abgegeben werden kann, ferner durch eine Anzahl von Halbleiterschaltern (30,31,40,41,50,51), an welchen Signalje zur Steuerung der Schaltfrequenz der Einrichtung anliegen, sowiejdurch einen Oszillator mit logischer Schaltung (27), welcher! die Ansteuerzeiten der Halbleiterschalter und statischen Wech-

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selrichter (20) regelt und damit auch die Frequenz oder die Amplitude der vom Generator (10) abgegebenen Ausgangswechselspannung.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Auferregung der Asynchronmaschine während des Anlaufens eine Schaltung (16) zur Einspeisung einer Erregerspannung umfaßt, deren Pegel annähernd um eine Größenordnung kleiner ist als der Pegel der normalen Nennspannung der Asynchronmaschine, wenn diese als Generator arbeitet, sowie dadurch, daß diese Erregerspannung dem Asynchrongenerator (10) nur während des Anlaufens zugeführt wird und schließlich dadurch, daß Mittel (z. B. 70) vorgesehen sind, um die Antriebswelle (11) des Asynchrongenerators (10) in Drehungen zu versetzen.
3. Generator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Spannungsvergleichstufe (76) deren Eingangsklemmen sowohl mit den Ausgangsleitungen (über 77, 79) des Asynchrongenerators als auch (über 78) mit einer Bezugsspannungsquelle (80) verbunden sind,

j welche den Betrieb des Oszillators mit logischer Schaltung (27)j regelt, um den Takt der Schaltsignale in der richtigen Rich- I tung zu steuern, damit die Amplitude der Ausgangsspannung der ₍ Anlage konstant gehalten werden kann.
4. Zweiseitig gerichtete Energieübertragungsanlage zur Übertragung von Energie in einer ersten Richtung während des Anlaufens! einer mechanischen Einrichtung (72) mit einer Antriebswelle und zur anschließenden Umkehr der Richtung der Energieübertra-

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gung von der mechanischen Einrichtung an eine elektrische Last (73) mit einem statischen Wechselrichter, der zwei Sammelschienen, eine Anzahl von Ausgangsklemmen sowie eine Anzahl von Halb leiterschaltern besitzt, an welchen Schaltsignale zur Regelung der Ansteuerung der Halbleiterschalter anliegen, ferner mit einem an die Sammelschienen des Wechselrichters angeschlossenen Kondensator, mit einer Asynchronmaschine, die mit einer mechanischen Welle und einer Anzahl von Ausgangsleitungen versehen ist, welche an die Ausgangsklemmen des Wechselrichters geführt sind und schließlich mit einem Mittel (70) zur Ankupplung der Antriebswelle der mechanischen Einrichtung an die mechanische Welle der Asynchronmaschine, gekennzeichnet durch einen ersteu Schalter (18), zur Übertragung von Gleichspannung an die Saramelschienen des Wechselrichters während des Anlaufens der Anlage, damit der Wechselrichter eine Wechselspannung abgeben kann, die zur Erregung der als Motor arbeitenden Asynchron-

maschine dient und mechanische Antriebskraft an die mechani- ! sehe Einrichtung überträgt, um diese auf ihre Nenndrehzahl zu

bringen, sowie durch einen zweiten Schalter (77) zum Schließen j einestelektrischen Stromkreises für die Übertragung von Gleichspannung von den Samme1schienen des Wechselrichters an die elektrische Last, wenn die Asynchronmaschine durch die mechanische Einrichtung angetrieben wird und als Generator arbeitet, der über den Wechselrichter Energie an eine elektrische Last abgibt.
5.Energieübertragungsanlage nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch; einen Oszillator mit logischer Schaltung (27) zur Abgabe von

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Schaltsignalen an die Halbleiterschalter des Wechselrichters (20), durch eine Vergleichsstufe (76) an deren erster Eingangsklemme (über 77, 79) ein Signal anliegt, das sich als Funktion der Amplitude der Spannung an den Ausgangsklemmen der Asynchronmaschine ändert und an deren zweiter Eingangskfemme (über 78) ein Bezugssignal anliegt, ferner durch eine Ausgangsklemme zur Abgabe eines Steuersignals (über 75), das sich als Funktion der Amplitudenänderungen der Ausgangsspannung der Asynchronmaschine ändert, wobei dieses Steuersignal dem Oszillator mit logischer Schaltung (27) zugeführt wird, um die Frequenz der Schaltsignale zu regeln und damit die Amplitude der an den Ausgangsklemmen anliegenden Spannung der Asjrchronmaschine konstant zu halten.
6. Energieübertragungsanlage nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Oszillator mit logischer Schaltung (27) zur Abgabe von SchaltSignalen an die Halbleiterschalter des Wechselrichters (20), durch eine Vergleichsstufe (81), an deren erster Ein- _; j gangsklemme ein Signal (über 83) anliegt, das sich als Funk- ; tion der Amplitude des Stroms in den Samme1schienen des Wech- ! selrichters ändert, und an deren zweiter Eingangsklemme (über 84) ein Bezugssignal anliegt, sowie durch eine Ausgangsklemme : zur Abgabe eines Steuersignals (über 85), das sich als Funk- i

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tion der Amplitudenänderungen des Stroms in den Sammelschienen

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des Wechselrichters ändert, wobei dieses Steuersignal demOszillJa-

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:■ tor mit logischer Schaltung zugeführt wird, um die Frequenz i < _ - " ■ "I

j der Schaltsignale als Funktion des Stroms in den Sammelschienen des Wechselrichters.zu regeln.

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7. Verfahren zur Erzeugung einer Wechsel- bzw. Gleichspannung, gekennzeichnet durch: Die Verwendung einer Asynchronmaschine mit einer mechanischen Antriebswelle und einer Anzahl von Ausgangsleitungen, Verwendung eines Kondensators, Verwendung eines statischen Wechselrichters, Ankopplung der Ausgangs- j klemmen des Wechselrichters an die Ausgangsleitungen der Asynchronmaschine sowie den Anschluß des Kondensators an zwei zusätzliche Klemmen des Wechselrichters, Antrieb der Eingangs- j welle der Asynchronmaschine während des Einspeisens einer Er- i regerspannung, deren Pegel annähernd um eine Größenordnung ■

ι kleiner ist als der Pegel der normalen Betriebsspannung der

Asynchronmaschine, sowie durch Abschalten der AnIauferreger- ; spannung bei annähernd erreichter Nenndrehzahl, so daß keine externe elektrische Energie der Anlage zugeführt wird, wobei die Anschaltzeiten der Halbleiterschalter des Wechselrichters _: gesteuert werden, um die an die Ausgangsleitungen der Asynchron maschine angekoppelte Wirkkapazität zu regeln und damit auch die Amplitude oder Frequenz der durch die Anlage abgegebenen Ausgangsspannung.

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