DE609701C - Einrichtung zur Umformung von Wechselstrom einer Frequenz in solchen anderer Frequenz - Google Patents

Description

Für die Entnahme von großen Leistungen aus den normalen Überlandnetzen für Bahnzwecke oder zur Kupplung von Netzen mit \'erschiedener Frequenz werden bisher mangels Frequenztransformatoren Motorgeneratoren oder Induktionsumformer verwendet, die ganz oder teilweise auf dem Umwege über mechanische Energie die Frequenzen umformen. Diese Maschinenumformer sind teuer, haben rotierende Wicklungen, großen Platzbedarf und hohe Verluste. Diese Nachteile vermeidet der Frequenzwandler nach der Erfindung, der sich gegenüber bekannten, mit Kommutatoren oder Entladungsgefäßen arts beitenden Frequenzumformern dadurch grundlegend unterscheidet, daß die Sekundärspannung aus entsprechend zusammengesetzten Primärflüssen erzeugt wird und bei Verwendung von Mehrphasenstrom ohne Zuhilfeao nähme zusätzlicher Einrichtung die gewünschte Kurvenform annimmt. Seine Wirkungsweise ist grundsätzlich folgende:

Abb. ι zeigt den Frequenzwandler¹ in seiner einfachsten Ausführungsform, die gleichzeitig zur Erläuterung seiner grundsätzlichen Arbeitsweise dient. Ein magnetisch leitendes Gestell α trägt zwei an eine gemeinsame Wechselstromquelle in entgegengesetztem Sinne angeschlossene Wicklungen b und c und eine Sekundärwicklung d. Über dem Gestell α befindet sich ein magnetisch leitendes Jochschlußstück e. Steht das Jochschlußstück e in der gezeichneten Stellung, so wird die Sekundärwicklung d von dem durch Wicklung b erzeugten magnetischen Fluß, vermindert um den Streubetrag, durchsetzt, und zwar in wechselnder · Richtung, während der in Wicklung c jeweils in 'entgegengesetzter Richtung erzeugte Fluß sich anderweitig: schließt.

Dreht man aber beim Nulldurchgang einer Flußhalbwelle das Jochschlußstück so um den Mittelpol, daß es während der folgenden Halbwelle über dem Mittelpol und c liegt, so wird in diesem Falle die vorherige Flußrichtung im Mittelpol beibehalten. Ist nun noch die Windungszahl c von b verschieden groß, so sind auch die magnetischen Flüsse während der beiden Halbwellen im Mittelpol gleichgerichtet, aber verschieden groß.

Wendet man dieses Prinzip sinngemäß auf primären Mehrphasenstrom an, so kann man auf diese Weise die einzelnen Flußhalbwellen des primären Netzes zu einer sinusförmigen Flußsummenwelle gewünschter Länge zusammensetzen. Setzt man die Primärwellenlänge X₁ = -j und die Sekundärwellenlänge

X₂ = -γ, so muß die Länge der Sekundärwelle, gemessen an der Primär welle, X₂ =X₁ -4 wer-

den. Man hat also dafür zu sorgen, daß die Abszissenachse in Abb. 4 nur in Abständen

von —== — ·■=§■ von der Sekundärhalbwelle 1 2 &

geschnitten wird. Zu diesem Zweck werden zunächst die auf der ersten Länge — (Reihe II

ο bis i8o° Abb. 4)· mit dem größeren Teil ihrer Fläche in Richtung der negativen Ordinatenachse liegenden Primärhalbwellen des

Flusses nach der positiven Seite geklappt, die positiven Halbwellen des Flusses der

zweiten Länge -^ nach der negativen Rich-

tung und so abwechslungsweise weiter. In Abb. 4 sind die Halbwellen, welche umgeklappt werden, in ihrer ursprünglichen Lage punktiert und in ihrer Lage nach dem Umklappen ausgezogen. Durch Addition der ausgezogenen Halbwellen erhält man die stark ausgezogene Summenwelle des magnetischen Flusses gewünschter Länge, die aber z. B. in Abb. 4 keine volle Sinusform aufweist.

Die Form wird bedeutend günstiger, wenn man den einzelnen Primärhalbwellen verschiedene Amplituden zuordnet, wie Abb. 5 zeigt. Hier sind bei einer Frequenzübersetzung 1/3 die - Amplitudenwerte A, wenn man das Maximum der Sekundärwelle _ A₂ = 1 setzt, folgendermaßen gewählt:

A _Rl — 0.25 A_Rl — 0,50 A_R, —0,25

^s₁=O₁Og As₁- 0,47 As₃- 0,39

.Ar₁= o,39 A_Tl— 0,47 Aj..~ 0,09

Für die Übersetzung 1/2 könnte man die Werte wie folgt nehmen: Ar₁ — 0,35 A_Ri — o,35 Ar₃ = 0,35 Ar₁ — 0,35 1^=0,13 A_Sl =0,48 As,— 0,13 ^=0,48

"I⁷V₁-= 0,48 Ar₁= 0,13 A_T:,= 0,48 "Z^₁= 0,13.

Das Minuszeichen über dem Amplitudenwert bedeutet, daß diese Halbwellen zugleich in ihrer Richtung geändert, also umgeklappt sind. Nach Ablauf der aufgeführten Halbwellen beginnt der Rhythmus von neuem.

Die Möglichkeit der Änderung der FlußampKtuden ergibt sich aus folgender Überlegung. In der Gleichung E · sin ω t = c · ζ · Φ_ιηαχ bedeutet: E = Spannung, ω = Winkelgeschwindigkeit, Z = Zeit, c = Konstante, ζ =. Windungszahl und Φ — Kraftlinienzahl. Sie gilt auch in der Form:

ζ

E · sincoi = c—· · mtl>_max, m

d. h. man erhält den w-fachen Fluß, wenn man die Windungszahl auf — herabsetzt bei

sonst gleichbleibenden Verhältnissen. Praktisch ergibt sich damit die Notwendigkeit, für jede Primärhalbwelle einen Kern mit geeigneter Windungszahl (proportional den ι ^

Wert -j-) vorzusehen. Im Schaltbild Abb. 7 und

^Λ J

dem Polbild Abb. 2 ist dies sowie der Schaltsinn der einzelnen Wicklungen angedeutet. Eventuell noch vorhandene Ausbuchtungen der Kurvenform kann man durch Regelung der Streuung an der betreffenden Stelle beseitigen. Mit der dann rein sinusförmigen Flußwelle wird in der Wicklung d eine sinusförmige Spannungswelle, wie gewünscht, erzeugt.

Die Anzahl der Polkerne auf der Primärseite, richtet sich ganz nach dem Übersetzungsverhältnis und der Phasenzahl. Ent-

,· sprechend der Phasenzahl. ergibt sich bei Drehstrorii ein ßarmiges Jochschlußstück, dessen Arme T₁, /₂ und /_a um 120° gegeneinander versetzt sind. Diese mit der Primärfrequenz synchron rotierenden Arme übertragen in jedem Augenblick die Flüsse der Primärkerne, über denen sie gerade stehen, nach dem Mittelpol (Sekundärpol), der dann den Summenfluß führt. Dieses Jochsystem, kurz Rotor genannt, wird so eingestellt, daß die Mittellinie durch J₁ in Abb. 3 beim Wellenwert i?_± = o° über o° der Abb. 2 steht. Der Rotor wird sich dann nach Ablauf einer Sekundärhalbwelle auf 540⁰ oder ¹Z₃ Kreisumfang gedreht haben, genau an Stelle von J₁ wird J₃ stehen, worauf der Vorgang sich von neuem abspielt. Abb. 6 gibt einen vertikalen Schnitt etwa im Augenblick α= 30°. Der einzig sichtbare Arm J₁ überträgt hier die Primärhaibwelle R₁ (und T₃, was auf dem Bild aber nicht sichtbar ist,) auf den Sekundärpol. Der Arm/₂ würde in diesem Augenblick über S₁ stehen und /₃ über der Lücke zwischen S₃ und 7\.-Magnetischer Kurzschluiß. zwischen T₃ über J₁ nach R₁ kann nicht entstellen, da der Arm J₁, wie auch /₂ und T₃, in der Mitte gespaltet ist.

Nun liegen aber gleichzeitig· auch die Wicklungen der übrigen Pplkerne R₂, R₃, S₂ usw. an der Netzspannung, ohne daß ihr magneti- no scher Kreis nach dem Sekundärpol geschlossen ist. Damit die Stromaufnahme in den Wicklungen dieser Pole nicht zu groß wird, schließen die am Rotor angeordneten TeUeAT₁, N₂ und AT₃ (vgl. Abb. 3) · den magnetischen Kreis dieser Pole über den keine Wicklung aufweisenden Nebenschlußkern·AT. In Abb. 6 schließt A^ä gerade Sg nach AT.

■ Vorstehendes Ausführungsbeispiel bezog sich auf Frequenzerniedrigung 1/3 vom Dreh- iao s|rom in Einphasenstrom. Wird eine solche von·· 1/2 bei unveränderter Phasenzahl gefor-

dert, so werden in diesem¹ Falle zur Erzielung der aus 2 Sekundärhalbwellen sich zusammensetzenden Gesamtsekundärftußwelle 12 Außenpole benötigt und müssen die Primärhalbwellen S₁, T₁, R₂, R₃, T₄ umgeklappt, d. h. die Wicklungen der betreffenden Außenpole in umgekehrtem Sinne angeschlossen werden. Ganz allgemein gilt für beliebige andere Frequenzverhältnisse und Phasenzahlen die Re-

to gel, daß diejenigen den einzelnen Außenpolen zugeordneten Primärhalbwellen umgeklappt werden müssen, welche in ihrer ursprünglichien Lage überwiegend der Bildung des angestrebten Sekundärflusses entgegenwirken würden.

Man kann die geschilderte Frequenzumformung auch umkehren und der Wicklung des Mittelpoles Einphasenwechselspannung von

bestimmter Frequenz zuführen und an den Wicklungen der Außenpole erhöhte Frequenz abnehmen. Dann wird die Flußwelle des Mittelpoles in mehrere Wellen in den Außenpolen aufgespaltet, und bei geeigneten Windungszahlen und entsprechender Regulierung der Streuung kann dort sinusförmige Mehrphasenspannung der gewünschten Frequenz entnommen werden.

Bei Aufspaltung des Flusses des Mittelpoles wird der Fluß über den Rotor jeweils den Sekundärpolen zugeführt, die den Rotorarmen gerade gegenüberstehen. Dies sind

z. B. bei der Übersetzung -^r- ~ (in Graden

¹⁰ /3

der Erzeugerwelle von i6²/_s — vgl. Abb. 4 und 5) im Bereich von

ο ~ 6o° Pol A₁ 60 -τ-120° Pol Ίϊ,

von-• 20 -=- 40⁰ Pol S₁ von 20 -ι- 8o° Pol T₁ von 40 -j- ioo° Pol S₂ von 80 -f-140⁰ Pol T₂

120 -m8o° Pol R₃ von 100-M60⁰ P0IS3 von 140 ^200° PolT₃.

Mit Rücksicht" auf den entgegengesetzten Schaltsinn der Pole R₂, S₁ und S₃, T₁ und T₃ ergibt sich eine Verschiebung um 60 ° der erzeugenden bzw. 60 ° · —£57- = i8o° der er-¹^ /3

/3

zeugten Welle und damit von selbst ein 3phasiges Wellensystem, in dem die Phase S der Phase R und die Phase T der Phase S um 40 ° 50

bzw.

•40=120° nacheilt.

Daß auch die Spannungen der einzelnen Schenkelwicklungein in ihrem Maximum annähernd gleich werden, geht aus folgendem hervor. Da c und / für alle Pole gleich sind, werden die Spannungen der einzelnen Pole schon unter sich gleich, wenn die Produkte Φ · ζ gleich werden. Der primär erzeugte Fluß Φ verteilt sich nun über die Rotorarme auf die Außenpole proportional den magnetischen Leitfähigkeiten. Der in einem Sekundärpol auftretende Fluß,z.B. 0₂R_lt wird seinen maximalen Wert erreichen, wenn die Leitfähigkeit nach diesem Pol am größten, also wenn der Rotorarm dem Pole R₁ gerade gegenübersteht, d.h. bei ci)ii = 3O°. Für j??₂ bei coit = 9°°> fü^f ^3 bei cüii=i5o°, für S₁ bei CO₁ i= io°, für S_s bei Cu₁ t = 70° usw. Die Windungszahlen ζ der einzelnen Schenkel sind früherem gemäß proportional

-τ- zu wählen. Unter Zugrundelegung der

früher für die Amplituden der Flüsse angegegebenen Werte werden die Maßzahlen für die Spannungen:

e_R,

0^5

0,09

0,39

· Φ · sin co J = Φ · sin 90° =

■"■Rl

2 Φ

Φ-sin ω, ί = Φ·3Ϊη30° = 2 Φ

¹ r, ηέ

0,25

■ Φ-sin ΐο° = 1,94 Φ • Φ· sin50⁰ — 2Φusw.

es., =

= Φ · sin 30⁰ = 2 Φ

• Φ · sin 70⁰ = 2 Φ

0,25

0,47

Hiernach sind sämtliche Maßzahlen Φ · ζ für die Sekundärspannungen annähernd proportional demselben Wert 2 Φ, sind also alle unter sich gleich. Dies ist auch ganz natürlich, da grundsätzlich nach der bekannten Gleichung

E · sin cot = c · ,,αν

steigender Fluß durch schwindende Windungszahl ausgeglichen wird. .

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Umformung von Wechselstrom einer Frequenz in solchen anderer Frequenz, gekennzeichnet durch einen magnetisch leitenden Kern mit einem Mittelschenkel, dessen Wicklung an den Stromkreis der einen Frequenz angeschlossen ist, durch zwei oder mehr konzentrisch dazu angeordnete, je eine Wick-

   lung der anderen Frequenz tragende Außenschenkel und durch ein im Augenblick des Flußhöchstwertes den Mittelschenkel mit ausgewählten Außenschenkeln verbindendes, synchron mit der Frequenz der Außenpolwicklungen umlaufendes magnetisches Jochschlußstück, wobei der Schaltsinn der Wicklungen auf den Außenschenkeln so gewählt ist, daß in sämtlichen während ein und derselben niederfrequenten Flußhalbwielle vom Jochschlußstück überstrichenen Schenkeln gleiche magnetische Elußrichtung entsteht.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch ι für Umwandlung von Mehrphasenstrom^ höherer Frequenz in Einphasenstrom niederer Frequenz oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Außenpole eine an je eine Phase des Mehrphasensystems angeschlossene Wicklung trägt und daß die Zahl der Jochschlußstücke gleich ist dem Produkt aus Phasenzahl und Polpaarzahl des Mehrphasensystems.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine solche Abstufung der Windungszahlen der einzelnen aufeinanderfolgenden Außenpole, daß die Zusammensetzung der Einzelflüsse zu dem Gesamtflüß eine Sekundärhalbwelle der gewünschten Kurvenform ergibt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen