DE2715366B2 - Elektrische Maschine mit einem Läufer, einem mit einer Mehrphasenwicklung versehenen Ständer und einer mit der Maschine baulich vereinten Kommutierungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche ist aus der DE-AS 19 60 162 bekannt. Bei dieser wird eine variable Drehzahl bei fester Frequenz dadurch erzeugt, daß ein rotierender, durch einen Hilfsmotor angetriebener und an Schleifringe iingrschlossencr Bürstensatz auf einem feststehenden und mit einer Ständerwicklung verbundenen Kommutator schleift.

Die Schaltung der einzelnen Stränge der Ständerwicklung erfolgt hierbei in einer durch den Abgriff des Bürslensatzes vorgegebenen festen Reihenfolge. Dadurch läßt sich bei einer gegebenen Maschinendurchflutung und einer gegebenen Drehzahl die erzeugte Spannungsampliuidc im Generatorbetrieb nicht verändern. Umgekehrt ist im Motorbetrieb die erzeugte Polradgegenspannung der Maschine bei einer vorgegebenen Durchflutung nicht beeinflußbar. Die bekannte Maschine läßt daher eine Anpassung an sich ändernde Betriebsbedingungen ohne gleichzeitige Änderung der Durchflulung nicht zu.

Außerdem treten die von der Gleichstrommaschine her bekannten Kommutiertings- und Vcrschleißproblemc auf. Diese werden noch wesentlich dadurch verstärkt, dali in Folge der hier umlaufenden Bürsten deren Anpreßdruck auf den Kommutator durch die Wirkung der Zentrifugalkräfte störend verändert wird.

Bekannte Direktumrichter (z. B. CH-PS 4 52 679) zur Speisung von Drehstrommotoren dienen in der Regel dem Austausch von Energie zwischen einem Netz mit annähernd konstanter Frequenz und Spannung und einer elektrischen Maschine, die ihrerseits mit variabler Frequenz und Spannung betrieben wird. Die Umschaltung wird dabei im allgemeinen durch Thyristoren bewirkt. Derartige Umrichter sind gesonderte, von den durch sie betriebenen elektrischen Maschinen unabhängige Einheiten. Des weiteren können die in derartigen Umrichtern verwendeten Ventile immer nur in einer Richtung Strom führen. Diese Besonderheit erfordert eine spezielle Schaltung der Ventile einerseits sowie

ίο eine speziell für diese Schaltung ausgelegte Steuerung andererseits. Gleiches gilt für Anordnungen, welche aus einer Drehstrommaschine und einem Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis bestehen (DE-OS 24 13 266). Derartige Anordnungen erfordern einen großen Autwand an elektrischen Bauteilen, wie Halbleiterventilen, Kondensatoren und Drosseln. Zum anderen entstehen durch die doppelte Energieumwandlung »Wechselstrom-Gleichstrom-Wechselstrom« erhöhte Verluste. Mit derartigen indirekten Umrichtern wird der Energieaustausch bei beliebig wählbaren Verhältnissen zwischen Spannungsamplituden und Frequenzen am Eingang und am Ausgang des Umrichters auf Kosten eines erheblich gesteigerten Aufwands und unter Inkaufnahme erhöhter Verluste erreicht.

Ferner ist eine spezielle Antriebsanordnung (DE-PS 10 02 456) bekannt, die einen am Drehstromnetz angeschlossenen sog. Skott-Transformator aufweist, der sekundärseitig ein Einphasennetz erzeugt. Aus diesem Einphasennetz wird ein sog. kommutatorloser Stromrichtermotor in Art eines gewöhnlichen Drehstromsynchronmotors mit Gleichstromerregung, mittels eines Direktumrichters betrieben. Durch die bewirkte Um Wandlung des Dreiphasennetzes in ein Einphasenneiz kommt diese Anordnung mit einer geringeren Anzahl von Halbleiterventilen aus, dies unter Inkaufnahme eines stets für die volle Maschinenleistung auszulegenden und damit schweren und voluminösen Skott-Transformators.

Ferner ist eine über ein Einphasenwechselstromnetz betriebene bürstenlose Stromnclitermaschine (DE-OS 20 47 108) bekannt, welche in An einer ihrem Prinzip nach von der Gattung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch I abweichenden Reluktanz- bzw. Repulsionsmaschine aus einem wicklungslosen Läufer mit ausgeprägten Polen und einem Ständer mit mehreren Ständerwicklungen besteht. Die einzelnen Ständerwicklungen sind an das Einphasenwechselstromnetz über Thyristoren geschaltet, die mittels einer Steuervorrichtung gezündet werden. Durch geeignete Steuerung der Thyristoren können die Drehzahl der Maschine sowie deren Betriebsart, entweder als Motor oder als Generator, eingestellt werden.

Bei einer bekannten kollektorlosen Gleichstrommaschine (DE-OS 2J36 955), bestehend im wesentlichen aus einem permanentmagnetischen Läufer, einer zwei Spulen umfassenden Ständerwicklung sowie einem statischen Kommutator, befinden sich zu einer elektrischen Kommutatorschaltung gehörende elektrische Schaltungselemente im Inneren des Maschinengehäuses. Diese Maschine ist lediglich als Gleichstrommotor betreibbar.

Der Erfindung liegl die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und weitgehend vcrschleißfreier Arbeitsweise, an ein beliebiges Netz direkt, d. h. unter Verzicht auf zusätzliche Energieumformer, anschließbar ist und eine derartige Kommutierung aufweist, daß die Maschine durch Abstimmung

zwischen Drehzahl und Drehmoment einerseits, Frequenz, Spannungsamplitude und Strom andererseits eine universelle Anpassung an unterschiedliche Bietriebs- und Belastungsfälle ermöglicht

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch I gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Mit Ausnahme der Steuereinheit sind also im Gehäuse der erfindungsgemäßen Maschine sämtliche Bauteile einschließlich Kommutierungseinrichtung eingebaut Die zwischen den Hauptanschlüssen und der Ständerwicklung geschaltete Kommutierungseinrichtung ist somit wesentlicher Bestandteil der Maschine, vergleichbar mit dem Kommutator einer Gleichstrommaschine, Hinsichtlich ihrer Funktion und Betriebsweise ist wesentlich, daß die Schaltelemente der Kommutierungseinrichtung in beliebig veränderbarer Reihenfolge geschaltet werden können. Wesentliche Voraussetzung hierfür ist die vereinzelte und voneinander unabhängige Ans'.ei:erbarkeit der Schaltelemente.

Erst dadurch wird es möglich, sämtliche Einflußgrö-Ben zur Festlegung der gewünschten Reihenfolge der Schaltvorgänge und des gewünschten Zeitabstandes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Scha'.tvorgä.igen zu berücksichtigen. Diese, in der Steuereinheit erfaßten und ausgewerteten Einflußgrößen sind insbesondere Spannungsamplitude, Stromamplitude und Frequenz des Netzes an dem die Maschine betrieben wird. Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, sowie Durchflutung und Drehzahl der Maschine. Die elektrische Maschine nach der Erfindung ist damit sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb an ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetzen im Rahmen der nach dem Oberbegriff von Anspruch ! vorgesehenen Betriebszustände universell einsetzbar. Sie ist daher besonders geeignet für die Übertragung großer Leistungen, z. B. als Hauptgenerator auf dieselelektrischen Lokomotiven mit Drehstrom-Fahrmotoren oder auf Schiffen mit Asynchronmotoren für den Schraubenantrieb oder als Antriebsmotor in der Walzwerk- und Fördertechnik.

Im Rahmen der Erfindung wird als Läufer der elektrischen Maschine ein Polradläufer bevorzugt; für Maschinen kleiner und mittlerer Leistung, die vorwiegend als Motor an einem starren Netz betrieben werden, kommen aber auch Kurzschlußläufer infrage.

Bezüglich weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Ansprüche 2 bis 4 verwieser

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfin dung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. I eine schematische Schnittansicht der Maschine mit einer Thyristor-Kopimutierungseinrichtung,

Fig.2 eine Schnittansicht der Maschine mit elektromechaniycher Kommutierungseinrichtung,

Fig. 3 einen vereinfachten Stromlaufplan der Maschine mitThyristor-Kommutierungseinrichking,

Fig. 4 einen vereinfachten Stromlaufplan der Maschine mit elektromcchanischcr Kommuticrungseinrichtung,

Fig. 5 die Spannungsverläufe 1/ = f(t)i\cr Maschine mit Thyrislor-Kommutierungsemrichtung im Generatorbetrieb,

Fig.6 die SpannungsverlMe der Maschine mit clektromechanischcr Kommutierungscinrichtung im Generatorbetrieb,

Fig. 7 die Spannungsverläufe der Maschine mit Thyristor-Kommulierungseinrichtung im Motorbetrieb.

Gem. den Fig. I bis 4 ist die elektrische Maschine als 3-phasige Maschine mit fremderregtem Polradläufcr ausgebildet. Der Läufer 1 ist dabei auf der Welle 2 befestigt und wird über die Schleifringe 3 fremderregt. Der Ständer 4 mit der 12-phasigen Ständerwicklung 5 ist im Maschinengehäuse 6 befestigt. Die Lager 7 für Jie Welle 2 befinden sich in zwei Lagerschildern 8, welche mit dem Gehäuse 6 verbunden sind. Das rechte Lagerschild ist mit Durchbrüchen für die Verbindung der Wicklungsenden 9 mit der gleichfalls im Gehäuse f. angeordneten Kommutierungseinrichtung IO bzw. 10' versehen.

In F i g. 1 besteht die Kommutierungseinrichtung im wesentlichen aus Thyristoren. Dabei umfaßt die Kommutierungseinrichtung auch Kühlkörper, welche zweckmäßigerweise von einem auf der Maschinenwelle 2 befestigten Lüfter 11 gekühlt werden. Die Zündung der Thyristoren erfolgt durch eine Steuereinheit 12, die gem. F i g. 1 außerhalb der Maschine angeordnet ist. Die elektrischen Hauptanschlüsse der Maschine sind mit R, S, Tgekennzeichnet

Gem. Fig.2 ist die Kommutierungseinrichtung 10' aus einer Vielzahl von galvanischen Schaitkontakten aufgebaut, welche über ein N<.jken-Stößel-System betätigt sind. Dabei erfolgt der Antrieb der Nockenwelle durch einen Hilfsmotor 13, dessen Drehzahl über ein (nicht dargestelltes) Stellglied von der Steuereinheit 14 gesteuert wird. Der Aufbau der Mechanik einer derai ligen Kommutierungseinrichtung ist allgemein bekannt z. B. E. Rolf: »Der Kontaktumformer«, Springer Verlag 1957, Kapitel V.

F i g. 3 zeigt die Schaltung einer 3-phasigen Maschine mit 12-phasiger Ständerwicklung (irt\ ... nui) und Thyristor-Kommutierungseinrichtung. Dabei sind die üblichen Schutz- oder Kommutierungsbeschaltungen der Thyristoren /Tl. UR... T12.2.7";nicht dargestellt.

In Fig. 4 ist vereinfacht die Schaltung derselben Maschine, jedoch mit elektromechanischen Schaltelementen (K \.R... K 12.77analogzu Fi g. 3dargestellt.

In F i g. 5 ist der zeitliche Verlauf der Maschinenspannungen einer Maschine mit Thyristor-Kommuiierungseinrichtung dargestellt Die Phasenspannungen (u„,, ... Um 12) sind nur von den hier als konstant angenommenen Werten der Drehzahl und der Erregung des Laufers abhängig. Die stark ausgezogen gezeichnete Ausgangsspannung der Maschine (hier ist nur eine Phase dargestellt), ergibt sich durch Zünden bestimmter Thyristoren zu bestimmten Zeitpurkten durch die Steuerungseinheit. Das Löschen der Thyristoren erfolgt durch natürliche Kommutierung.

Fig. 5 zeigt versciiiedene Möglichkeiten (;i. b. c)dcr Änderung der Frequenz und der Amplitude der Ausgangsspannung bei gleichbleibender Maschinendrehzahl und Erregung.

Fig. 6 zeigt in Analogie zu F i g. 5 verschiedene Spannungsverläufc (a, b. c. d) einer Maschine mit slektromechanischcr Kommutierungseinrichtung.

Zwecks Änderung der Amplitude der Ausgangsspannung ist es hier im Gegensatz zu der mit Thyristoren kommutierlcn Maschine gem. F i g. 5 erforderlich, die Erregung der Maschine zu ändern. Die Ausgangsfrequenz wird durc*¹ die Drehzahl des Nockcn-StöUel-Systems gesteuert.

Im Gegensatz zu der Thyristormaschine können hier auch solche Frequenzen erzeugt werden. Jie über der Frequenz der Phasenspannungen liegen (Fig. 6d). Dies wird durch Umkehr der Drehrichtung der Nockenwelle erzielt.

F i g. 7 stellt den Verlauf der Spannungen für den Fall einer 3-phasigen Thyristormaschine im Motorbetrieb

dar. Dabei bedeuten (/,„ι ... ii_m\2 die Spiinniingen der Stiinclerwieklung der Maschine und iir, ils. iir die Spiinniingen des Drehstromnet/es. Die stark ausgezogenen Kurvenscgmeiite stellen den gezündeten Zustund der Ventile dar. Da die Zündung der Ventile nur im abfallenden Teil drr Netzspannung crfolgl. ist e möglieh, die Vcnltlströme sowie die von der Maschim aufgenommenen (iesamtslrömc kontinuierlich um unabhängig von der Motorendreh/.ahl zu steuern.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   |. Elektrische Maschine mit einem Läufer, einem mit einer Mehrphasenwicklung versehenen Ständer, einer mit der Maschine baulich vereinten, eine Vielzahl von Schaltelementen aufweisenden Kommutierungseinrichtung sowie einer damit zusammenwirkenden Steuereinheit, derart, daß die elektrische Maschine als ein- oder mehrphasiger Wechselstromgenerator mit veränderbarer Frequenz und Spannungsamplitude bei gleichbleibender Drehzahl oder als ein- oder mehrphasiger Wechselstrommotor mit veränderbarer Drehzahl bei gleichbleibender Frequenz und Spannungsamplitude des Speisenetzes betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente zwischen der Ständerwicklung (5) und den Hauptanschlüssen der Maschine feststehend angeordnet und geschaltet sind und daß die Schaltelemente einzeln und unabhängig von Position und/oder Drehzahl des Läufers II), in veränderbarer Reihenfolge und in veränderbarem Zeitabstan«! zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen von der Steuereinheit ansteuerbar sind.
2. 2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente steuerbare Halbleiterventile sind.
3. 3. Elektrische Maschine nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente elektromechanische Schalter sind (Fig. 4).
4. 4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Schalter durch Nucken betätigbar sind (Fi g. 2).