DE2604447A1

DE2604447A1 - Elektrischer generator oder motor

Info

Publication number: DE2604447A1
Application number: DE19762604447
Authority: DE
Inventors: Richard H Baker
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1975-02-10
Filing date: 1976-02-05
Publication date: 1976-08-26
Also published as: CA1067955A; GB1541871A; US4039909A; FR2300458A1; FR2300458B1

Description

DR -in·. DIPL.-ΙΝβ. M. SC. CIPI fHYi. DA. OIPL.-PHVS. HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTQART

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5. Februar 1976

Massachusetts Institute of Technology

Cambridge, Mass. 02139, USA

Elektrischer Generator oder Motor

Die Erfindung bezieht sich auf eine eine Drehbewegung durchführende elektrische Maschine, nämlich elektrischer Generator oder Elektromotor, insbesondere elektronisch gesteuerter Motor.

Bevor auf die Erfindung im einzelnen genauer eingegangen wird, werden folgende Veröffentlichungen als allgemeiner Stand der Technik angegeben: US-PS 3,748,492, US-PS 3,742,265, US-PS 3,866,060, US-PS 3,867,643, US-Patentanmeldung S.N. 360,501,

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eingereicht am 15. Mai 1973, US-Patentanmeldung S.N.508,293, eingereicht am 23. September 1974, US-Patentanmeldung S.N. 515,284, eingereicht am 16. Oktober 1974, US-Patentanmeldung S.i-j. 515,290, eingereicht am 16. Oktober 1974. Auch die folgende Erfindung reiht sich in die genannten Veröffentlichungen und Anmeldungen ein und bezieht sich insbesondere auf eine elektrische Versorgungsanordnung.

Obwohl die erfindungsgemas.se Konzeption einen grösseren Benutzungsraum beim Betrieb von eine Drehbewegung durchführenden, elektrischen Maschinen findet, ist sie hier in wesentlichenauf elektrische Antriebe für elektrische Kraftfahrzeuge oder sonstige Elektromobile mit variabler Geschwindigkeit gerichtet und auch die nachfolgende Beschreibung bezieht sich speziell auf eine solche Anwendungsmöglichkeit. Es versteht sich aber, dass für den Fachmann die nachfolgenden Erläuterungen lediglich als Hinweis für die universelle Benutzung der Erfindung in Verbindung mit Elektromaschinen aller Art zu verstehen sind. Lei der Verwendung erfindungsgemässer Systeme in Elektromobilen kann, wie weiter unten noch erläutert, die beschriebene, eine Drehbewegung durchführende elektrische Maschine sowohl als Motor arbeiten und daher Antriebsfunktionen ausführen, die Maschine kann aber auch als Generator eingesetzt werden. Gerade dieser letztere Gesichtspunkt ist von wesentlicher Bedeutung, nicht nur auf dem engeren Fachgebiet, auf das sich die Beschreibung der Erfindung bezieht. Funktion und Aktionsradius von Kraftfahrzeugen, die elektrisch angetrieben sind, also von sogenannten Elektromobilen,, ist aufgrund der mitzuführenden Batterien begrenzt. Es ist bekannt, dass die Energiedichte von Batterien für einen zufriedenstellenden Aktionsradius nicht ausreichend ist und dass die Leistungsdichte auch

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für ein einwandfreies Arbeiten nicht als angemessen angesehen werden kann. Daher ist es wesentlich: (1) das Verhältnis des Batteriegewichts zu dem Gesamtgewicht des Fahrzeugs zu optimieren, (2) die Batterieenergie so wirkungsvoll wie möglich zu nutzen und (3) soviel wie möglich von der kinetischen Energie des Fahrzeugs wieder rückzugewinnen, und zwar durch regeneratives Bremsen, bei dem die Antriebseinheit als Generator arbeitet.

Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug muss ein Antriebssystem haben, welches sowohl veränderbare Geschwindigkeiten als auch hohe Drehmomente erzeugen kann. Insbesondere ist zum Anfahren, beispielsweise an einer Steigung und allgemein zum Befahren von Steigungen ein hohes Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit erforderlich. Auch sind etwa zum Überholen kurze Zeiträume mit hohem Drehmoment bei hoher Geschwindigkeit erwünscht.

Der Gleichstrommotor ist seit langem das Arbeitspferd auf dem Gebiet der elektrischen Antriebe. Gerade sein hohes Anfahrdrehmoment und seine relativ einfache Kontrolle und Steuerung machen den Gleichstrommotor für Antriebszwecke bei variablen Geschwindigkeiten durchaus geeignet. Unglücklicherweise sind diese Vorteile von mehreren Nachteilen begleitet, von denen die grössten darin zu sehen sind, dass der Gleichstrommotor pro Ausgangseinheitsleistung relativ grosse Abmessungen aufweist und ausserdem eine ständige Wartung des Kommutators oder Kollektors erforderlich ist.

Der Kollektor begrenzt überhaupt allgemein die Verwendung von Gleichstrommaschinen. Diese Maschinen müssen daher bei Ge-

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schwindigkeiten betrieben v/erden, die eine Begrenzung aus den mechanischen Spannungen erfahren, die sich auf die sich drehende Kollektorstruktur auswirken. Dieser .über den Umfang segmentierte Kollektoraufbau ist für liochgeschwindigkeitsanwendungen bei grossen Motoren wenig geeignet. Auch dort, wo die Gewichtsfrage von erster Bedeutung ist, ist die Fähigkeit zur Erzielung einer gegebenen Ausgangsleistung bei hohen Drehzahlen der Ausgangswelle erwünscht.

übliche Wechselstrommaschinen sind bei Anwendungszwecken, die ein grosses Anfahrdrehmoment und eine v/irksame Geschwindigkeitskontrolle erfordern, nur wenig geeignet. So sind zv/ar schon Synchronmaschinen verwendet worden, die Steuer- und Regeleinheiten für die wechselstromgespeisten Maschinen sind jedoch kompliziert und nicht sehr wirkungsvoll; es handelt sich dabei hauptsächlich um sogenannte Zyklokonverter begrenzten Arbeitsbereiches. Es sind auch Induktionsmaschinen verwendet v/orden, wobei von einer Widerstandsregelung im Rotor Gebrauch gemacht wurde; dieses Verfahren ist jedoch ineffizient und führt auch nur zu einem maximalen Anlassdrehmoment, welches lediglich dreimal so gross ist wie das bei voller Drehzahl erreichte Drehmoment.

Die Leistung, die erforderlich ist, um ein 1360 kg wiegendes

2 Kraftfahrzeug mit einer Anfangsbeschleunigung von 3 m/sec zu beschleunigen (die typische Beschleunigung beispielsweise eines Volkswagens) liegt bei etwa 20 kW. Diese gleiche Leistung bei wesentlich geringerem Drehmoment ist erforderlich, um eine Fahrgeschwindigkeit von etwa 88 km/h aufrechtzuerhalten. (Siehe die Veröffentlichung von Beachley, N.H. und A.A. Frank, "Electric and Electric-hybrid Cars - Evaluation and

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Comparison", S.A.E. Special Publication SP-379, Seite 28). Verwendet man einen üblichen Induktionsmotor mit einer auf Rotorwiderstandsregelung basierenden Geschwindigkeitskontrolle, dann beläuft sich das maximal erzielbare Drehmoment im Stillstand auf nur das dreifache Drehmoment unter voller Belastung. Es ist daher in diesem Falle erforderlich zur Erzielung des gewünschten Anfahrdrehmoments,den riotor in seinen Daten wesentlich grosser auszulegen, als dies mit Bezug auf die volle Belastung bzw. den normalen Marschzustand erforderlich wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eine Drehbeweguni, durchführende elektrische Maschine bzw. genauer gesagt ein elektronisches Steuerungssystem für einen elektrischen Generator oder einen Elektromotor zu schaffen, welches in der Lage ist, diesen Elektromotor mit variabler Geschwindigkeit zu betreiben, im gegebenen Falle für das gewünschte hohe Drehmoment zu sorgen und dennoch mit relativ geringen Abmessungen im Motor selbst auszukommen.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von der eingangs genannten Maschine und besteht erfindungsgemäss darin, dass eine mehrphasige Statorwicklung, eine mehrphasige Rotorwicklung sowie erste und zweite mehrphasige, jeweils mit Statorwicklung oder Rotorwicklung verbundene Versorgungsspannungsquellen mit variabler Spannung und variabler Frequenz vorgesehen sind und dass zur Steuerung geeigneter Spannungsund Frequenzausgänge beider Versorgungsspannungsquellen sowie einer entsprechenden elektrischen Phasenbeziehung eine Hauptregelschaltung vorgesehen ist.

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Allgemein betrifft die Erfindung daher eine elektrische Maschine, bei der sowohl der Ankerbereich als auch der Feldbereich (Stator) der Maschine von einer mehrphasigen elektrischen Energiequelle mit veränderbarer Spannung und veränderbarer Frequenz beaufschlagt v/erden kann, wobei das System auch so ausgelegt werden kann, dass lediglich eines dieser Maschinenelemente erregt wird, so dass sich ein Arbeiten als Generator ergibt.

Die Erfindung umfasst entsprechend einem Ausführungsbeispiel somit·einen elektronischen Motor mit veränderbarer Geschwindigkeit,der gewickelte mehrphasige Anker- und Feldwicklungen auf v/eint, wobei jede dieser Wicklungen von einer mehrphasigen Versorgungsspannungsguelle erregt wird, deren Spannung und Frequenz in gesteuerter und sorgsam abgestimmter Weise variabel ausgebildet sind. Es sind Vorkehrungen getroffen, um die Erregung der Anker- und Feldwicklungen in der Weise zu steuern und zu kontrollieren, dass die Drehmomentausgangsleistung für sämtliche Belastungsfälle und Geschwindigkeiten optimiert ist. Darüber hinaus kann dann, wie schon erwähnt, das System auch als Generator arbeiten, daher kann sich zu und von der Maschine sowohl ein elektrischer als auch ein i.iechanischer Energiefluss ergeben, wobei dessen !!enge sorgfältig gesteuert werden kann. Schliesslich kann eine Variante einer solchen Maschine rein als Generator arbeiten und so programmiert sein, dass die elektrische Ausgangsleistung der Maschine unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit ihres Rotors oder Ankers eingestellt ist. In ähnlicher V/eise kann auch die Ausgangsleistung innerhalb sinnvoller Grenzen allgemein einer Steuerung unterworfen v/erden. Für bestimmte Anwendungszwecke kann eine Wicklung mit konstanter Frequenz und Spannung erregt v/erden, während der

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anderen Wicklung eine Speisespannung veränderbarer Frequenz und Amplitude zugeführt wird.

Im speziellen führt das zur Erfindung gehörende Steuer- und Regelsystem für eine elektrische Maschine insgesamt zu einem System, welches eine doppelt erregte,Rotorwicklungen aufweisende synchronisiez'te Induktionsmaschine umfasst (wound rotor synchronous-induction machine), so dass sich ein Antriebssystem ergibt, welches in der Lage ist, die Nachteile und Begrenzungen auszuschalten, die sowohl den Gleichstromantriebssystemen als auch den in üblicher Weise gesteuerten Wechselstromsysteraen zugrundeliegen. Der erfindungsgemässe "elektronische" Motor ist in der Lage, sehr hohe Anfahrdrehmomente zu erzeugen, er kann aber auch hohe Drehmomente bei hohen oder niedrigen Geschwindigkeitsbereichen im normalen Fahrbetrieb erzeugen, so dass es insgesamt möglich ist, das Gewicht einer solchen Antriebseinheit, verglichen mit üblichen Gleichstrom - oder Wechselstrommaschinen vergleichbaren Leistung, wesentlich zu reduzieren.

Ein weiteres ernsthaftes Problem, welches sich in der Zwischenzeit bei dem Betrieb von elektrischen Kraftfahrzeugen, sowohl im Wechselstrom- als auch im Gleichstrombetrieb ergeben hat, liegt darin, dass Regelschaltungen für beide Systeme pulsierend arbeiten bzw. in ihrer Steuerung Pulsformate aufv/eisen. Eine Impulsmodulation ist jedoch deshalb unerwünscht, weil dann, v/enn pro Zeiteinheit aus einer chemischen Batterie eine gegebene Ladungsmenge in Form eines Impulses abgezogen wird,

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die Systenverluste (I R-Verluste) grosser sind, verglichen mit den Verlusten, die sich ergeben würden, v/enn die Energienmenge mit konstanter Rate abgezogen werden würde.

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Die Erfindung ist daher in der Lage,anstelle einer Pulsbreitenmodulation, die ineffizient ist und eine unzulässige Erwärmung der Batterie und eine kürzere Batterielebensdauer bewirkt, die Leistungsentnahme unter gesteuerten Bedingungen für den Motor in der Weise zu gestalten, dass sich ein stetiger Stromfluss aus der Batterie ergibt, daher die Batterie sozusagen in einem eingeschv/ungenem Zustand betrieben wird. Dieses Betriebsverfahren hält das Verhältnis von Spitzen- zu durchschnittlicher Stromentnahme für die Batterien gering und ergibt eine bessere Impedanzanpassung zwischen den Batterien und dem Motor über dem gesamten Geschwindigkeitsbereich. Daher ist das System vorliegender Erfindung auch in der Lage, die von der Batterie verfügbare Leistungsdichte beträchtlich zu erhöhen, so dass sich ein höheres Anfahrdrehmoment und eine verfügbare Energiedichte für einen grösseren Aktionsradius ergibt.

Das erfindungsgemässe Steuer- und Regelsystem zum bevorzugten Betrieb eines Elektromotors verwendet zwei getrennte Inverter, die auch als sogenannte"3-v-f-"Inverter bezeichnet werden können. Eine dieser Inverterschaltungen erregt die Statorwicklung und eine erregt die Rotorwicklung einer solchen synchronisierten Induktionsmaschine. Das gesamte Regelsystem ermöglicht es einer synchronisierten Induktionsmaschine (synchronous-induction machine) wie eine Gleichstrommaschine, jedoch ohne Kommutator, ein hohes Drehmoment zu entwickeln. Das Regelsystem macht es möglich, einen sychronisierten Induktionsmotor in wirksamer Weise vom Stillstand bis zu MaximaI-geschwindigkeit zu verwenden, und darüber hinaus diesen Motor auch noch als Generator beim Bremsen zu betreiben.

Die Erfindung ist im übrigen, neben ihrer Haupteignung für

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den Betrieb von Kraftfahrzeugen auf Strassen, zur Anwendung bei motorgetriebenen Booten, Hebezeugen, Fahrstühlen und dergleichen geeignet.

Besonders vorteilhaft ist es, dass die Erfindung einen elektronischen Motor schafft, der in allgemeiner Anwendung mit variabler Geschwindigkeit betrieben werden kann; die Maschine ist dabei bevorzugt mehrphasig ausgebildet, so dass sowohl der Anker als auch die Feld- oder Statorwicklung über mehrphasige Wicklungseinheiten verfügen, die von mehrphasigen Versorgungsspannungsquellen unabhängig zueinander erregt v/erden, so dass sich auch eine unabhängige Kontrolle und Steuerung der jeweils entwickelten Magnetfelder ergibt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren ivn einzelnen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 in Form einer schematischen Schaltung und teilweise als Blockschaltbild eine Maschine mit einer gewickelten mehrphasigen Ankerwicklung und einer gewiekelten mehrphasigen Feldwicklung, die jeweils unabhängig voneinander von mehrphasigen Versorgungsspannungsquellen, die im folgenden als sogenannte 3-v-f-Quellen bezeichnet v/erden und die in der Lage sind, eine variable Spannung bei variabler Frequenz abzugeben, erregt v/erden,

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Fig. 2 zeigt diagrammässig verschiedene Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten für eine solche Elektromaschine,

Fig. 3 zeigt in schematischer Schaltungsdarstellung und teilv/eise in Form von !Blockschaltbildern detaillierter ein Ausführungsbeispiel eines der Darstellung der Fig. 1 entsprechenden Steuerungssystems,

Fig. 4A zeigt in schematischer Schaltungsdarstellung und teilweise als Blockschaltbild das System der Fig. 3, wobei die Schalter in grösseren Einzelheiten dargestellt sind, die anderen Schaltungselemente jedoch zur Vereinfachung und Übersichtlichkeit weggelassen worden sind,

Fig. 4A zeigt in detaillierter Schaltungsdarstellung ein Einzelausführungsbeispiel eines Schaltersder für die Durchführung der Schaltvorgänge der weiter vorn schon beschriebenen Versorgungsschaltungen der faschine verwendet werden kann,

Fig. 5 zeigt in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in schematischer Darstellung eine Schaltung, die anstelle der Schaltung der Fig. 3 verwendet werden kann,

Fig. 6 zeigt ebenfalls in schematischer Schaltungsdarstellung ein /lusführungsbeispiel einer Versorgungsspannungsschaltung, die dazu verwendet v/erden kann, die Amplitude der den Stator - und

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Rotorwicklungen zugeführten Wellenformen zu verändern,

Fig. 7A zeigt in Form einer Tabelle die Magnetfelder von Stator und Rotor, die Frequenzen und die Drehrichtung für verschiedene Goschwindigkeitseinstellungen der in Fig. 1 gezeigten Maschine und

Fig. 7JJ zeigt in Form einer graphischen Darstellung den Kurvenverlauf entsprechender Stator- und Rotorspannungen bei verschiedenen Geschwindigkeiten einer elektrischen, sich drehenden Maschine, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist.

In der nachfolgenden Erläuterung wird zunächst eine kurze Gesamtbeschreibung der erfiridungsgemiissen Vorrichtung vorgenommen, um ihre Arbeitsteile und ihre einzelnen Bestandteile in zunächst allgemeiner Weise anzugeben und zu identifizieren; dieser kurzen Erläuterung folgt dann eine Diskussion der zugrundeliegenden theoretischen Zusammenhänge. Schliesslich wird dann der die notwendigen Zurbeitsfunktionen durchführende Mechanismus im Detail genauer erläutert. Das zu beschreibende System kann als reiner Motor zur Durchführung von Antriebsfunktionen, als .Motor und Generator und als reiner Generator betrieben v/erden.

Bei der in Fig. 1 gezeigten und mit dem Bezugszeichen 101 versehenen Vorrichtung handelt es sich um einen elektronischen riotor, der wie weiter unten noch erläutert wird, ebenfalls als Generator arbeiten kann. Zunächst wird jedoch auf die Motor-

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funktion genauer eingegangen. Der elektronische Motor 101 weist einen Motorbereich 110 auf, der einen Stator 111 und einen Rotor 112 umfasst; darüber hinaus ist ein Steuer- oder Reglerteil 113 vorgesehen, der eine Dreiphasen-Statorquelle 102 (die auch als erste Poly- oder Mehrphasenquelle bezeichnet werden kann),eine Dreiphasen-Rotorquelle 104 (die auch als zv/eite Mehrphasenquelle bezeichnet werden kann) und einen Dreiphasen-Chopper oder Zerhacker 103 umfasst, der zwischen den beiden Versorgungsquellen angeordnet ist; schliesslich ist noch ein Hauptregler 105 (master controller) vorgesehen. Bei den Versorgungsquellen 102 und 104 handelt es sich um Spannungsquellen veränderbarer Spannung und veränderbarer Frequenz (3-v-f) , die ähnlich der ausgebildet sein können, wie sie in der schon erwähnten Anmeldung 515,290 oder in der begleitenden Anmeldung beschrieben sind, die den Titel "Electric Power Supply" trägt. Der Stator 111 verfügt über eine Statorwicklung 114, die die einzelnen Phasenwicklungen W , W und W umfasst, so dass die drei Phasen einer dreiphasigen Wicklung dargestellt sind; die Rotorwicklung 115 umfasst die dreiphasigen Wicklungen W _r W und W _. Die Rotorwicklungen sind über elektrische Verbindungen mit der

VersorgungsQuelle 10.4 in den Zeichnungen als 3-v-f / tiber Schleifringe oder über sonstige geeignete Anordnungen 116A,116B und 116C verbunden. Die Bezeichnung 3-v-f bedeutet eine dreiphasige Versorgungsspannung, die sowohl ihrer Spannungsamplitude (v) nach als auch ihrer Frequenz^nach einer Steuerung unterworfen werden kann. Der Betrieb des elektronischen Motors erfolgt unter der Führung der Ilauptregelung 105, die in der Weise arbeitet, dass die Spannungs- und die Frequenzausgänge der Mehrphasen-Versorgungsquellen 3-v-f 102 und 104 sowie die elektrischen Zeitphasenbeziehungen zwischen den Ausgängen dieser beiden Mehr-

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phasen-Versorgungsquellen in geeigneter Weise geändert werden. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen - später wird hierauf noch genauer eingegangen - dass die relativen magnetischen Drehfelder des Rc(hj und des Stators beide dazu veranlasst v/erden können, sich in der gleichen Richtung oder in entgegengesetzten Richtungen zu drehen· oder dass man eines dieser Felder stationär im Raum anordnet; diese Massnahmen können zu jedem beliebigen Zeitpunkt getroffen werden; die Frequenz bestimmt die relativen Drehgeschwindigkeiten zwischen den beiden, die relative Richtung wird durch die Abfolge (sequencing) festgelegt. Darüber hinaus ist auch noch die relative Position der magnetischen Achsen der beiden Magnetfelder zu jedem gegebenen Zeitpunkt ein wesentlicher Faktor bei der Errichtung einer ein Drehmoment darstellenden Ausgangsleistung des elektronischen Motors 101. Daher ist das erzeugte Drehmoment eine Funktion der Erregung, d.h. der Amplitude und der Zeitphase des in den Stator- und Rotorwicklungen fliessenden Stromes; dies wird von den Stator- und Rotor-Versorgungsleistungsquellen kontrolliert, die ihrerseits dann wieder von der Hauptregelung 105 kontrolliert und geregelt sind.

Es folgen nunmehr einige allgemeine Betrachtungen mit Bezug auf einen Dreiphasen-Motor, bei dem sowohl die Stator- oder Ankerwicklung 114 als auch die Rotor- oder Feldwicklung 115 von Wellenformen veränderlicher Spannung und veränderlicher Frequenz erregt werden zur Erzielung synchroner Induktions-Motoreigenschaften, die in einzigartiger Weise geeignet sind, den Anforderungen veränderbarer Geschwindigkeiten zu entsprechen. Es folgt eine kurze Diskussion einer synchronisierten Induktionsmaschine; bei der besprochenen Maschine handelt es

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sich um eine solche, bei der die mechanischen Achsen von Rotor und Stator konzentrisch zueinander angeordnet sind und bei der Rotor das innere Element eines ineinander verschachtelten Aufbaus bildet.

Sämtliche Elektromotoren arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip, d.h. nach der Tendenz zweier Magneten, sich zueinander auszurichten. Im allgemeinen verfügen daher Elektromotoren über Wicklungen, von denen eine Wicklung frei angeordnet ist und die Möglichkeit hat, sich mit Bezug auf die andere Wicklung zu drehen. Eine elektromechanische Energieumwandlung tritt in einem magnetischem Feldkonverter immer dann auf, wenn die gespeicherte magnetische Energie sich mit der mechanischen Position ändert. Tritt bei einer Änderung der mechanischen Position keine Änderung in der magnetischen Feldkonfiguration auf, dann muss sich eine Änderung in der relativen Position der stromführenden Spulen ergeben, die jede Wicklung bilden. Es ist daher möglich, elektromechanische Energiekonverter aufzubauen mit einer oder mehreren stromführenden Spulen, die jeweils von einer oder mehr unabhängigen Versorgungsquellen erregt werden. Es wird dann ein Drehmoment erzeugt als Folge der Neigung der beiden Elektromagnete, sich aufeinander auszurichten, und zwar in der gleichen Weise, wie Permanentmagnete eine solche Tendenz zur Ausrichtung aufweisen.

Bei einer Dreiphasen-Drehmaschine, also beispielsweise bei einem Dreiphasen-Elektromotor sind die Wicklungen der einzelnen Phasen zueinander um 120 elektrische Grad im Raum um den Luftspaltumfang getrennt. Wird jede Phase von einem Wechselstrom erregt, dann ändern sich die entsprechenden Wellen der magneto-

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motorischen Kraftkomponenten (component MMF waves) sinusförmig über der Zeit. Jede Komponente kann als oszillierender Raumvektor ausgedrückt werden, der entlang der magnetischen Achse verläuft, die sich ergebende MMK (magneto-motorische Kraft) ist die Summe der Komponenten sämtlicher drei Phasen.

Vom Gesichtspunkt des magnetischen Feldes erzeugen die Ströme in den Wicklungen in dem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor einen magnetischen Fluss, wobei der Flussweg durch das Eisen von Stator und Rotor vervollständigt wird. Uas Drehmoment , welches sich aus den Bemühungen der magnetischen Achsen der beiden Felder ergibt, sich aufeinander auszurichten, ist proportional zu dem Produkt der Amplituden der magnetomotorischen Kräfte (MMK von Stator und Rotor) und ist darüber hinaus proportional zum Winkel, der zwischen ihren magnetischen Achsen liegt.

Eine Einphasen-Synchronmaschine verfügt über eine Einphasenwicklung, üblicherweise auf dem Stator und über eine Gleichstromfeldwicklung (oder über ein permanentes Magnetfeld) , üblicherweise auf dem Rotor. Wenn die Einphasen-Synchronmaschine gegen eine Belastung arbeitet, dann induziert der Statorstrom eine Wechselspannung in dem Feldkreis. Die Wechselwirkung zwischen dem Stator und dem Rotor führt zu einer unendlichen Folge geradzahliger Harmonischer auf dem Stator und zu einer .unendlichen Folge ungeradzahliger Harmonischer auf dem Rotor. Als Folge dieser Umstände ist die Analyse einer Linpliasen-Gynchronmaschinc unter Lastbedingungen ungewöhnlich kompliziert und daher wird üblicherweise eine äquivalente Zweiphasen-Maschine mit ausgeglichenen Belastungen auf den beiden Phasen zur Analyse von Auslegungen und Aufbau verwendet. Der Grund hierfür liegt darin, dass im

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eingeschwungenen Zustand und bei ausgeglichenen Belastungen (balanced loads) die Stator-Rotorwechselwirkung beseitigt ist und ein dem eingeschwungenen Zustand äquivalenter Schaltkreis zusammen mit dem Drehmoment für den eingeschwungenen Zustand leicht bestimmt werden kann.

Bei dem Entwurf und der Aufbaugestaltung von eine Drehbewegung durchführenden, elektromechanischen Energiekonvertern ist die Analyse eines Zweiphasen-Systems am wichtigsten. Dies ist darauf zurückzuführen, v/eil, unabhängig von der Anzahl der Phasen, die ein Energiekonverter auf seinem Rotor und auf seinem Stator haben kann, die Bewegungsgleichungen grundsätzlich auf ein äquivalentes Zweiphasen-System auf dem Rotor und dem Stator für Betrachtungen bezüglich der Drehmomenterzeugung reduziert v/erden können.

Eine Zweiphasen-Synchronmaschine mit homogenem oder glattem Luftspalt kann eine einzige Gleichstrorawicklung für die Felderzeugung auf dem Rotor und eine Zweiphasen-Wicklung auf dem Stator haben. Das Drehmoment für eine solche zweipolige Maschine kann dann wie folgt bestimmt v/erden:

^{T =}

Hierbei sind

L die Stator-Rotor-Wechselinduktion oder Gegeninduktivität

I = der Statorstrom beim eingeschwungenen Zustand

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I = der Rotorstrom im eingeschwungenen Zustand und

θ = der Winkel zwischen den Magnetachsen der
Rotor- und Statorfeider.

Eine Maschine, die für elektrische Antriebe mit variabler
Geschwindigkeit interessanter ist, ist eine synchronisierte Induktionsmaschine oder ein doppelt gespeister Induktionsmotor, bei dem die Erregung mit unterschiedlichen Frequenzen sowohl der Statorwicklung als auch der Rotorwicklung zugeführt wird. Um ein Ausgangsdrehmoment bei einer Frequenz
to _m ^zu erzeugen, müssen die Stator-und Rotorv/icklungen mit Frequenzen erregt werden, die eine Summe oder eine Differenz bilden, die gleich ist η mal der mechanischen Geschwindigkeit, wobei η die Anzahl der Polpaare ist:

ω +ω = ηω
s - r m (2)

Hierbei ist <*> die Winkelgeschwindigkeit des Statormagnetfeldes,w die Winkelgeschwindigkeit des Rotormagnetfeldes und ω die Winkelgeschwindigkeit des Rotors, d.h. die mechanische Frequenz.

Definiert man das Verhältnis ω /co = s, dann kann gezeigt werden (siehe D.C.White und H.H.Woodson, Electromechanical Energy Conversion, John Wiley & Sons, Inc., New York, N.Y., 1959, Kapitel 3) dass das Drehmoment T in Begriffen der Statorluftspaltleistung wie folgt ausgedrückt werden kann:

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⁼ VT" ¹Vs ^C0SSs - ¹S ¹V (3)

und in Begri ffen der Rotorluftspaltleistung als

^{T =} fir^{1 [}Vr ^C0SÖr - ¹I V·

Im Gingeschvmngenen Zustand bedingt die Erhaltung der Kräfte, dass:

die dem Stator erzeugte elektrische

und Rotor züge- _ mechanische und mechani-

führte Gesamt- ~ Leistung sehe

leistung Verluste

Vernachlässigt man die mechanische Reibung und die Wicklungsverluste, dann kann die Gleichung (5) wie folgt geschrieben werden:

Vs ^C0S ₈ ⁺ V_r ^C0S r - ^T

Verwendet man die Gleichungen (3), (4) und (7), dann kann gezeigt werden, dass

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Statorleistung = T — = V I COSG - IR (3)

η sssss

mechanische

Leistung = Τω =* (1-s) [V I COSG - I²R ] (9)

^x SS S SS

Rotorleistung = T ^ü)r = s [V I COSG - I²R 1 (10)

■■- ■ ■ ss s ss

Diese obigen Ausdrücke sind deshalb interessant, v/eil sie zeigen, dass das Drehmoment einer synchronisierten Induktionsmaschine gleich ist dem Drehmoment einer Fluidumskupplung, bei der das Drehmoment mal der scheinbaren mechanischen Geschwindigkeit gleich ist der Luftspaltleistung, wie sie an einem System gesehen werden kann, welcher; sich mit dieser Geschwindigkeit bewegt. Von einem anderen Gesichtspunkt ergibt· sich

mechanische Leistung _ StatorIeistung __ Rotorieistung ^ω mechanisch °Stator ^ω Rotor

Die Gleichung (11) zeigt, dass die mechanische Leistung sowohl von der Statorerregung als auch von der Rotorerregung mit Bezug auf die Frequenz dieser beiden Erregungen abgeleitet ist. Diese Erkenntnis, wie sie in den nächstfolgenden Ausführungen dargelegt ist, macht einige neue und interessante Regelungsmöglichkeiten für Antriebssysteme mit variabler Geschwindigkeit möglich.

Wird der Rotor eines Dreiphasen-Standardinduktionsmotors ersetzt durch einen erregten Dreiphasen-Schleifringanker, dann

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^{Λ 41 573 m} ocn/ lh

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erhält man eine synchronisierte Dreiphasen-Induktionsmaschine. Werden darüber hinaus sowohl Statorwicklung als auch Rotorwicklung unabhängig zueinander von Spannungsquellen (3-v-f) mit variabler Spannung und variabler Frequenz, wie schon erörtert, erregt, dann kann die Plaschine als ein ein hohes Drehmoment erzeugender Motor verwendet werden, der mit hohem Wirkungsgrad über einen Geschwindigkeitsbereich betrieben werden kann, der vom Stillstand bis zur Höchstgeschwindigkeit reicht. Darüber hinaus kann der synchronisierte Induktionsmotor dann, wenn er von solchen (3-v-f) Quellen erregt wird, die Leistung aufnehmen können, als Generator arbeiten, beispielsweise bei der energiemässigen Umsetzung von Bremsleistung. Einige Aspekte solcher Regelungs- und Steuerurigsrnöglichkeiten lassen sich der diagrammässigen Darstellung der Fig. 2 entnehmen.

Die GeschwindigkeitO) der Ausgangswelle 20 nach Fig. 1 ist gleich der algebraischen Summe der Statorerregungsfrequenz und der Rotorerregungsfrequenz. Wie in Fig. 2 gezeigt, gibt es drei Kombinationen von Erregungen, die es dem Motor ermöglichen, in seinem Ruhezustand zu verbleiben: die Möglichkeit A, bei der sowohl die Felder des Stators als auch des Rotors stationär sind; die Möglichkeit B, bei der die Felder von Stator und Rotor sich mit gleicher Geschwindigkeit in Uhrzeigerrichtung bewegen und die Möglichkeit C, bei der beide Felder mit der gleichen Geschwindigkeit im Gegenuhrzeigersinn drehen. Wie bei der Möglichkeit B angegeben, kann man die Hälfte der vollen Geschwindigkeit in einer Vorwärtsrichtung dann erhalten, wenn man das Rotorfeld im Ruhezustand hält und das Statorfeld sich mit voller Geschwindigkeit im Uhrzeigersinn drehen lässt. Alternativ kann man bei der Möglichkeit C

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eine halbe Vorwärtsgeschwindigkeit dadurch erhalten, dass man das Statorfeld stationär hält und das Rotorfeld im Gegenuhrzeigersinn dreht. Die.umgekehrte Richtung erhält man, indem man den Drehsinn der Vorwärtsrichtung reversiert.

Das hier beschriebene Syshem zieht aus dem wesentlichen- Umstand Nutzen, dass die Menge an elektrischer Leistung, die von der Stator- und der Rotorwicklung als mechanische Leistung an der Ausgangswelle (Tq ) umgewandelt wird, proportional zu den erregenden Frequenzen ist. Bei voller Geschwindigkeit wird beispielsweise 50% der Ausgangsleistung von den Statorwicklungen und 50% von den Rotorwicklungen abgeleitet. Bei halber Geschwindigkeit kann die gesamte /oisgangsleistung entweder von der Statorv/ickluny (Möglichkeit B) oder von der Rotorwicklung wie unter Möglichkeit C gezeigt, abgeleitet werden. Falls jedoch gewünscht, kann die Ausgangsleistung bei halber Geschwindigkeit noch immer gleich aufgeteilt werden, indem man die Stator- und Rotorfeider mit der halben Geschwindigkeit ihrer Maximalgeschwindigkeit, jedoch im entgegengesetzten Sinn drehen lässt, wie dies bei Möglichkeit A gezeigt ist.

Die Darstellung der Fig. 3 zeigt ein besonderes Ausführungsbeispiel für den Regel- oder Steuerbereich 113 zur Erregung des Schleifringmotors 110. Wie weiter oben schon erwähnt, handelt es sich bei der Maschine 110 um einen Dreiphasenmotor. In Fig. 3 sind die Stator- und Rotorversorgungsquellen und 104 in ihrer detaillierten Darstellung eingegeben; sie umfassen identische Phasenversorgungsquellen 102Λ, 102B und 102C ( auch primäre Phasenversorgungsquellen genannt) und 104A, 104B und 104C (auch sekundäre Phasenversorgungsquellen genannt).

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Eine Untersuchung der Darstellung der Fig. 3 zeigt, dass die Elemente, die die primärphasigen Versorgungsquellen 1O2B und 1O2C bilden, wie entsprechende Elemente in der priraärphasigen Versorgungsquelle 1Ο2Λ bezeichnet oder markiert sind mit der Ausnahme einer entsprechenden A'nderung bezüglich der Verwendung des Buchstaben Λ in den Buchstaben B oder C, je nach Notwendigkeit; daher wird bei der folgenden Besprechung im wesentlichen auch nur Bezug genommen auf die primärphasige Versorgungsquelle 1Ο2Λ. Ähnliche Bemerkungen treffen auf die Versorgungsquellen für die Rotorphase oder auf die sekundärphasigen Versorgungsquellen 1Ο4Λ ... zu. Der dreiphasige Zerhacker oder Chopper 103 besteht ebenfalls aus drei identischen Einheiten, die in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 1Ο3Λ, 1O3B und 1O3C bezeichnet sind. Eine Erläuterung des Zerhackers 103A ... ist etwas kompliziert, da einige dieser Elemente, die zur Durchführung der Zerhackerfunktion zusammenwirken, sich zur Durchführung zusammenwirkender Funktionen mit zugeordneten Stator- und Rotorversorgungsquellen überlappen. Es v/ird aber angenommen, dass hieraus keine zu grossen Schwierigkeiten resultieren.

Bei der Ausgangswellenspannung der Statorphasen-Versorgungsquelle 102Λ handelt es sich um eine Rechteckwelle 80, dessen Amplitude E ist und dessen Impulsbreite durch geeignete Signale von der Hauptregelschaltung 105 modifiziert v/erden kann; diese Rechteckv/ellenspannung kann mit ähnlichen Rechteckwellen von den Phasenversorgungsquellen 102B und 102C kombiniert werden zur Erzeugung einer dreiphasigen Eingangsspannung für den Motorteil 110. -Bei der Ausgangswellenspanhung der Rotorphasen-Versorgungsquelle 104Λ handelt es sich um eine Stufenwelle oder um eine Treppenstufenspannung 81;

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die Höhe und die Breite der Spannungsstufen, die die Wellenform 81 bilden, können so bemessen werden, dass sich eine angemessene Wellenform mit Bezug auf die Wellenform 80 ergibt; beispielsweise um den Gehalt an Harmonischen innerhalb sinnvoller Grenzen aufrechtzuerhalten. Wiederum wird die Wellenform 81 mit gleichen Wellenformen von den Phasenversorgungsquellen 104B und 104C kombiniert.

Die primärphasige Versorgungsquelle 102Λ verfügt über einen Eingangs- und einen Ausgangsanschluss; diese Anschlüsse sind jeweils mit X und Y ohne eine weitere Bezeichnung gekennzeichnet; genauere Kennzeichnungen brauchen auch nicht vorgenommen werden und würden nur zu Verwechslungen führen, da, wie schon in der US-Patentanmeldung S.U. 515,290 erläutert, die jeweilige Rolle dieser Anschlüsse kontinuierlich Veränderungen unterworfen ist. Die einstufige Versorgungsquelle 102A umfasst primäre Gleichstromzuführungs- oder -erzeugungsanordnungen B , die in Fig. 3 als Batterie mit einer veränderbaren Spannung (eine Erläuterung folgt später) angegeben sind; des weiteren ist ein erster bilateraler Schalter S₁ .. _ΟΛ und

I — I bA

ein zweiter bilateraler Schalter S_{n Λ} „,, vorgesehen. Der erste

Z.~ I οΛ

bilaterale Schalter S._. und der zweite bilaterale Schalter S_{0 1} sind so geschaltet und arbeiten in der Weise, dass die Batterie B zwischen die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse (beispielsweise X und Y) der primären Stufe 102A geschaltet v/erden kann, derart', dass Eingang und Ausgang der primären Stufe oder der primärphasigen Versorgungsquelle auf gleichem Potential sind oder dass der Ausgang sich mit Bezug auf den Eingang auf positivem Potential befindet oder dass der Ausgang sich mit Bezug auf den Eingangsanschluss auf negativem Potential befindet (in diesem letzten Fall ändern sich die Rollenverteilungen der Anschlüsse, genauer gesagt der Eingang wird

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der Ausgang und umgekehrt); auf diese Weise wird die Wellenspannung 80, dessen Spannung (Amplitude) und/oder Frequenz verändert werden kann, erzeugt.

Der Zerhacker 103A umfasst einen Transformator T , der über eine Primärwicklung T .. mit Mittelanzapfung verfügt, die mit der einen Seite der Batterie B der primären Stufe oder der primärphasigen Versorgungsspannungsquelle 102Λ verbunden ist und einen Zerhackerschalter S , der mit dem anderen Anschluss der Batterie B und Endanschlüssen P und Q der Primärwicklung T₁ des Transformators verbunden ist, um so in die Transformator-Primärwicklung eine Reihe elektrischer Impulse einführen zu können, v/ie dies genauer in der schon erwähnten Anmeldung "Electric Power Supply" beschrieben ist. Die Sekundärwicklung des Transformators umfasst zwei Wicklungsbereiche T^₁ und ^TA2-2' ^die 3^eweils eine Einzelstufe einer zweistufigen Kette, nämlich die Stufen 1Λ und 2A speisen, die die sekundärphasige Versorgungsspännung 104Λ bilden. Die Stufen 1A und 2A, die in Kaskade hintereinander geschaltet sind, empfangen den transformierten Impulsausgang des Transformators Τ_Λ und wirken in der Weise zusammen, dass die pro Schwingung zwölfstufige Wellenspannung 81 gebildet wird, die, wie nun erläutert wird, mit der Phasenv/icklung W des Rotors verbunden ist.

Die Stufen 1A und 2Λ umfassen Gleichrichterelemente RE,,. und RE ₂, die jeweils aus vier Dioden bestehen und wie dargestellt so geschaltet sind, dass eine Vollweggleichrichtung der Ausgänge der sekundären Wicklungsteile ^_A2--\ ^{und T}a2-2 ^{deS Trans}~ formators vorgenommen wird. Sekundäre Gleichstromerzeugungsoder Zuführungsanordnungen in jeder Stufe sind als Kapazitäten C₁ und C₂ in jeder Stufe 1A und 2A dargestellt.

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Die jeweiligen Stufen 1Λ und 2A umfassen darüber hinaus erste bilaterale Schalter S_1-1RA und S₁₂₁^ und zweite bilaterale Schalter S_3-1 _RA und S₂__2RA, die in der Weise miteinander zusammenwirken, dass die Kapazitäten oder Kondensatoren C.., und Cj_b zwischen dem Eingang und dem Ausgang der jeweiligen Stufe so verbunden sind, dass, wie weiter vorn schon einmal erläutert, Eingänge und Ausgänge der jeweiligen sekundären Stufe sich auf gleichem Potential befinden oder dass der Ausgang positiv mit Bezug auf den Eingang oder der Ausgang negativ mit Bezug auf den Eingang ist. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass verständlicherv/eise die primärphasigen Versorgungsquellen 1O2A .ι... und die sekundärphasigen Versorgungsquellen 1O4A ... N-Stufen umfassen können, die in geeigneter Weise miteinander verbunden sind, um eine gewünschte Ausgangsspannung-Wellenform zu erzeugen.

Um die gewünschten Änderungen in den Ausgangssnannungswellenformen 80 und 81 zu erzielen, können eine Anzahl unterschiedlicher Schaltungselemente verwendet werden. Die Breite der Impulse, die die Wellenspannung 80 bilden und deren Frequenz kann beispielsweise dadurch geändert v/erden, dass man die Schaltfolgezeit der Schalter S₁ ..,. und S_n .. „ modifiziert; die Spannung E, kann ebenfalls, wie weiter unten noch erläutert, modifiziert v/erden. In ähnlicher Weise ist die Breite der Impulse, die die Stufen der Wellenspannung 81 ausmachen, und deren Frequenz bestimmt durch die zeitliche Abfolge, die für den Schalter S_1-1 usw. verwendet wird. Der Zerhacker wird manchmal gattermässig ein- und ausgeschaltet, um den Leistungsfluss von der primären Quelle zur sekundären Quelle zu unterbrechen. Die Amplitude der Spannung 81 kann nach oben oder unten modifiziert v/erden, indem Änderungen im Ausgangssignal der variablen Gleichspannungsquelle B^ vorgenommen

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v/erden oder indem man, wie v/eiter unten noch erläutert wird, die se]

macht.

die sekundären Gleichspannungsquellen C₁ und C₇ variabel

Es ist offensichtlich schon aufgrund der bisherigen Erläuterungen, dass die zeitliche Abfolge und die zeitliche Abstimmung der verschiedenen Schaltfunktionen von wesentlicher Bedeutung für eine einwandfreie Arbeitsweise des beschriebenen Systems ist; diese zeitliche Abstimmung (timing) dient u.a. dazu, das zeitliche Verhältnis und den zeitlichen Verlauf der den Stator- und Rotorwicklungen zugeführten Spannungen zu steuern, ausserdem für die Bestimmung des zwischen den beiden vorhandenen Zeitphasenwinkels, wie v/eiter oben schon erwähnt. Für dieses "timing" sorgt der Hauptregler, und zwar mit Hilfe geeigneter Trigger-oder Auslöseschaltungen, die Teil der Regelschaltung sein können oder zu dieser getrennt ausgebildet sein können. Das Triggern kann dabei mit Hilfe von Flip-Flop-Schaltungen oder sonstigen bekannten Schaltungselementen durchgeführt werden.

Die tatsächlichen Regel- oder Steuerfunktionen können dann von einem Kleinprozessregler (microprocessor) vorgenommen v/erden, der, wie dies für den Fachmann bekannt ist, über einen Taktgenerator, Flip-Flop-Stufen, Gatter und sonstige zugeordnete Schaltungselemente verfügt, die zur Durchführung üblicher Standarddatenverarbeitungsfunktionen so miteinander verschaltet sind, dass die gewünschten Zwecke erreicht werden; hierbei kann es sich insbesondere um die Signalerzeugung, die Signalbildung, die Erzeugung von Zeitabfolgen, die Codeselektion und dergleichen handeln. In diesem Zusammenhang wird

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allgemein für das Verständnis und die Erläuterung von grundlegenden logischen Schaltungen, auch im Text, beispielsweise verwiesen auf die Veröffentlichungen "Analog-to-Digital/ Digital-to-Analog Conversion Techniques", (David F.Hoeschele, Jr., John Wiley & Sons, Inc.,1968); "Digital Computer Fundamentals" (Thomas C.Bartel, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1960) und vieler Artikel in bekannten Zeitschriften, beispielsweise in der Zeitschrift "Electronics" vom 8.November 1973. Regelfunktionen können durch Benutzung von Standard-Kleinprozessreglereinheiten erhalten werden, die sich in sogenannter "Chip-Form" von vielen Herstellern beziehen lassen.

Genauer gesagt umfasst, wie in Fig. 4A gezeigt, der Kauptregler 105 Trigger-Schaltungen T ... für die Rotorschalter und Trigger-Schaltungen T für die Statorschalter sowie einen Regler 105A, der den Betrieb der Trigger-Schaltungen steuert. Der Regler 105A ist ein digitaler Prozessregler, der Eingangsinformationen vom Motor über seine Geschwindigkeit annimmt, beispielsweise aber auch Informationen über die Stellung eines Bremspedals oder eines "Gaspedals" eines Fahrzeugs; diese Informationen werden verarbeitet und bilden Regelsignale, die den einzelnen Trigger-Schaltungen T ... und T_c. .,. zugeführt werden. Die Trigger-Schaltungen dienen dazu, den leitenden Zustand der ersten und zweiten bilateralen Schalter in den (3-v-f)-Stufen einzustellen. Auf diese Weise wird die Frequenz der Rotor- und Statorerregungen gesteuert; auf diese Weise wird zur Kontrolle des Drehmoments, beispielsweise während einer Beschleunigung oder währens eines regenerativen Bremsvorgangs u.a. die Zeitphase zwischen den Rotor- und Statorfeldern reguliert und gesteuert. Der Regler 105A steuert auch geeignete Trigger-Schaltungen zur Einstellung des

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leitenden, also durchgeschalteten Zustands verschiedener Schalter in Fig. 6, um sowohl für Rotor und Stator eine geeignete Stufenspannung, wie weiter unten noch besprochen wird, einzustellen.

Im folgenden wird nunmehr die Schaltung der Fig. 4B zur Umschaltung genauer erläutert. Fig. 4B zeigt eine Schaltung zur Durchführung der Konimutation oder Umschaltung (d.h. des Schaltvorgangs) von Thyristoren, die die Schaltvorgänge der Schalter S₁ _Λ . . . , S_{1 1r>7}. . . . , S__A .... sowie der Schalter

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der Fig. 6 durchführen können. In Fig. 4B ist lediglich eine Phase, nämlich die Phase Λ des Systems der Fig. 3 gezeigt. Die Funktion des ersten bilateralen Schalters S₁₁ in Fig. 3 wird von Thyristoren SCR * , SCR „ und von Dioden D_Aq1 und ^DAS° ^^{n Kora}frination durchgeführt, wie dies in grosseren Einzelheiten in der erwähnten US-Patentanmeldung 360,501 beschrieben ist; in ähnlicher Weise führen Thyristoren SCR,„₃, SCR ₄ und Dioden D₃ und D_AS4 die Funktion des zweiten bilateralen Schalters S._₂ aus. Die Funktion des Schalters S„_„ wird von den Thyristoren 5CR,-,.,- und SCR „,- und den Dioden D ₃_₂ ^unc* ^da.p4-2 durchgeführt. °i^e sonstigen Schalter und xveiteren in den einzelnen Schaltstufen der Fig. 4B vorhandenen Elemente sind in Fig. 3 angegeben und gekennzeichnet. Die tatsächliche Umschaltung (Kommutation) wird durchgeführt von einer Umschaltspannung 82, die einen positiven Impuls 82A und einen negativen Impuls 82B, wie im folgenden erläutert wird, umfasst.

Um einen eingeschalteten Thyristor, d.h. einen sich in seinem leitenden Zustand befindlichen Transistor auszuschalten, muss der durch ihn fliessende Strom auf Null abgesenkt werden (oder dieser Strom muss durch ihn in Gegenrichtung fliessen),

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und zwar für einen Zeitraum, der ausreichend lang ist, damit der Thyristor nichtleitend wird. Die Thyristoren in Fig. 4B können in den Sperrzustand umgeschaltet v/erden, indem man, jejnachdem welche Thyristoren nichtleitend werden sollen, den positiven Impuls 82Λ oder den negativen Impuls 82B einführt. Die bipolare Umschaltspanrmng 82 wird an der Sekundärwicklung eines Transformators T erzeugt, dessen Primärwicklung pulsierend durch Wechselwirkung der Thyristoren SCR^₇... und SCR„,-, die einen elektrischen Strom von einer

Batterie B zur Primärwicklung schalten, mit diesem Strom beaufschlagt wird. Das dargestellte System erlaubt die Umschaltung (Kommutierung) sämtlicher Thyristoren in der primären Stufe, nämlich der Thyristoren SCR . ...SCR .; eine ähnliche Anordnung kann für die Thyristoren in dem Rotorschaltkreis sowie für die anderen Schalter in dem System verwendet werden. Als Umschaltkondensator wird ein Kondensator

C verwendet,
x.

Die sowohl dem Rotor als auch dem Stator zugeführte Spannung kann dadurch gewonnen v/erden, dass man, wie in der Schaltung 104A der Fig.5 gezeigt, Batterien verwendet; bei den Batterien kann es sich um Batteriepackungen mit einer einzigen Spannung oder um, v/ie in Fig. 6 gezeigt, Systeme mit variabler Spannung handeln, siehe auch die Anmeldung S.W. 515,290.

Auch die Schaltung der Fig. 6 zeigt wiederum eine Phase eines Dreiphasen-Systems entsprechend der Fig. 3; hierbei sei angenommen, dass es sich wiederum um die Α-Phase handelt. In Fig. 6 ist die Batterie B der Fig. 3 mit variabler Spannung so dargestellt, dass sie eine Vielzahl von Batterien B^ ...B^ umfasst, die mit Hilfe der Schalter S_SA1 S_gA3 unter der

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Steuerung des Hauptreglers 105 von einer Paralleldarstellung in eine Seriendarstellunj umgeschaltet werden können. Die Kapazitäten C_1Λ und C_2A, bei denen es sich ebenfalls um variable Spannungselemente handelt, bestehen jeweils aus den Kapazitäten oder Kondensatoren C₁,.., ... C₁₇.. und C_n^₁ ... C_OT1/,.

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Die notwendigen Umschalter, die erforderlich sind, um die jeweiligen gewünschten Parallel- und Serienschaltungen für die verschiedenen Spannungen zu erhalten, werden durchgeführt von Schaltern S₁ ......S-. ₁ mit Bezug auf die Stufe 1A und S ..__... S _._ mit Bezug auf die Stufe 2Λ, in der gleichen Weise, wie dies ebenfalls schon in der Anmeldung S.N.515,290 beschrieben ist. Der in Tig. 6 mit dem Bezugszeichen T ' bezeichnete Transformator verfügt über eine Primärwicklung und acht Sekundärwicklungen. Die Verwendung von Kondensatoren in den Stufen 1A und 2Λ der Fig. 6 ermöglicht eine Reduzierung der Grössenabmsssungcn und eine höhere Flexibilität des Systems, wie es bei der früheren Anmeldung nicht erreicht werden konnte.

Der beschriebene und einer elektronischen Regelung unterworfene Motor (oder Generator) verfügt über mehrere beträchtliche Vorteile, insbesondere bei solchen Anwendungsfällen, wo variable Geschwindigkeiten und variable Drehmomente erforderlich sind. So ergibt sich zunächst trotz kleiner Maschine ein grosses Anlassdrehmoment, wobei das Drehmoment in einer synchronisierten Induktionsmaschine von zwei Wicklungssätzen abgeleitet ist, so dass dementsprechend wie bei einem Motor, und nicht wie bei einem Induktionsmotor, das Drehmoment ansteigt, wenn der Strom durch eine Wicklung ansteigt, selbst dann, wenn die magnetischen Pfade der Maschine gesättigt sind. Wird das Ausgangsdrehmoment gleichermassen oder zu beiden

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Teilen von den Stator- und Rotorwicklungen abgeleitet, dann braucht der Strom in jeder Wicklung nur halb so gross zu sein, verglichen mit dem Strom, der erforderlich ist, wenn das Drehmoment von einer einzigen Wicklung abgeleitet wird; dem-

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entsprechend beträgt der gesamte I R-Verlust in einer doppelt erregten Maschine mit ausgeglichener Eingangsspeisung (balanced input) nur 50% des Verlustes für eine einzige Erregung. Dies ist insbesonde.re für eine bewegliche Verwendung von Bedeutung, da es auf diese Weise möglich ist, eine synchronisierte Induktionsmaschine mit geringerer Kühlung, geringerem Strombedarf, geringerem Gewicht usw. zu betreiben. Diese erwähnten Vorteile sind insbesondere wesentlich für die Bedürfnisse eines Antriebsmotors, der bei geringer Geschwindigkeit ein hohes Drehmoment erfordert. Bei geringer Geschwindigkeit sind die■Reibungsverluste und Luftspaltverluste oder sonstige Abstandsverluste (windage) vernachlässigbar; daher ergibt

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eine 50%-ige Verringerung der I R-Verluste (d.h. der auf die Entwicklung Joulescher Wärme zurückführenden Verluste durch Widerstände in den Stromkreisen) eine 50%-ige Verringerung der Gesamtverluste. Dies bedeutet einen 50%-igen Anstieg im Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit für die gleiche thermische Inanspruchnahme oder den gleichen Temperaturanstieg oder, es kann alternativ für die Erzeugung des gleichen Drehmoments eine kleinere Maschine verwendet v/erden. Es ist möglich, die Stator- und Rotorerregungen (d.h. die Achsen der magnetischen Felder nahe einer Verschiebung um 90 elektrische Grad) phasenmässig zu beeinflussen, so dass ein synchronisierter Induktionsmotor (synchronous-induction motor) über seinen gesamten Geschwindigkeitsbereich mit minimalem Strom pro Einheitsdrehmoment arbeiten kann (dies ist äquivalent zur Einstellung der Federspannung, die in dem mechanischen Analogon

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einer Synchronmaschine den Rotor mit dem Stator koppelt, siehe W.Ii.Erickson and N. II. Bryant, Electrical Engineering Theory and Practice, John Wiley & Sons, Inc., 1952, 2. Edition, Kapitel 16). Ein Motor mit diesen erwähnten Eigenschaften arbeitet synchron (d.h. mit Schlupf Null). Dementsprechend ergibt sich eine präzise Geschv/indigkeits- und Drehmomentkontrolle. Dies bedeutet, dass eine Vielzahl von Maschinen genauestens koordiniert v/erden können.

Aufgrund dieser Erläuterungen lässt sich feststellen, dass die beschriebene zur Durchführung einer Drehbewegung geeignete elektrische Maschine auch Vorteile in Situationen aufweist, die sich zu den oben erwähnten Gegebenheiten unterscheiden. So kann beispielsweise eine Wicklung der in Fig. 1 gezeigten Schleifringrotormaschine 101 (wound rotor machine) von einer dreiphasigen Spannungsquelle mit variabler Frequenz und variabler Spannung versorgt v/erden, und zwar kann entweder die Stator- oder die Rotorwicklung in dieser Weise erregt werden. Es sei angenommen, dass die Rotorwicklung 1115 so erregt wird und dass der Rotor zu einer Drehbewegung dadurch veranlasst wird, dass man ihm über seine Welle 20 eine mechanische Drehenergie zuführt. Nun kann man aus der Statorwicklung 114 eine Spannung ableiten, deren Frequenz unabhängig von der Rotorgeschwindigkeit gemacht v/erden kann; dies trifft innerhalb gewisser Grenzen auch für die Ausgangsspannung zu. Sowohl die Spannung als auch die Frequenz der Maschine kann von der Hauptregelung 105 auf der Basis geeigneter Rückführsignale vom Maschinenausgang oder von einem angetriebenen Belastungskreis oder dergleichen kontrolliert und geregelt werden. Auch ist es möglich, die Maschine 101 in einer Weise zu betreiben, bei der beispielsweise die Statorfrequenz auf eine gegebene

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Grosse fixiert ist und die veränderbaren Geschwindigkeitseigenschaften dann dadurch hereingebracht v/erden, dass man die Rotorfrequenz verändert.

Bei der bisherigen Betrachtung hat es sich in üblicher Weise um eine eine Drehbewegung durchführende elektrische Maschine gehandelt, bei der der Rotor koaxial zu und innerhalb des Statorpaketes angeordnet ist; die erläuterten Konzeptionen können aber auch bei sogenannten Scheiben- oder Flachspulensystem oder -anordnungen ("pancake" -designs), bei linearen Motoren oder sonstigen Rotor-Ankerkonfigurationen verwendet werden. Daher bezeichnen in der angegebenen Erläuterung die Begriffe G₀ und G_n jeweils gemeinsame Stator- und gemeinsame

ο Κ

Rotorverbindungen.

Es versteht sich darüber hinaus, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern in üblicher Weise äquivalente Lösungen innerhalb des erfindungsgemässen Rahmens zulässt.

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Claims

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Patentansprüche:

(λ\ Eine Drehbewegung durchführende elektrische faschine, nämlich elektrischer Generator oder Elektromotor, insbesondere elektronisch gesteuerter Motor, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrphasige Statorwicklung (114)_r eine mehrphasige Rotorwicklung (115) sov/ie erste und zweite mehrphasige, jeweils mit Statorwicklung oder Rotorwicklung verbundene VersorgungsSpannungsquellen (102,104) mit variabler Spannung und variabler Frequenz vorgesehen sind und dass zur Steuerung geeigneter Spannungs- und Frequenzausgänge beider Versorgungsspannungsquellen (102,1404) sowie einer entsprechenden elektrischen Phasenbeziehung eine Hauptregelschaltüng (105) vorgesehen ist.

2. riaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sätze (114,115) mehrphasiger, magnetisch miteinander gekoppelter und eine Relativbewegung zueinander ausführender Wicklungen (W_gA, W_>SB, ^W _SC' ^wra' ^Wrb'^WRC* sov/ie eine erste (102) und eine zweite mehrphasige Spannungsversorgungsquelle (104) zur Erregung der beiden mehrphasigen Wick lungs sy steine vorgesehen sind und dass zur Veränderung von Spannung und Frequenz der ersten und der zweiten mehrphasigen Spannungsversorgungsquelle sowie zur Steuerung der Phasenverschiebung der Ausgangsspannung der zweiten (104) Versorgungsspannungsquelle zur ersten Versorgungsspannungsquelle Schaltungsanordnungen (103,105) vorgesehen sind.

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.3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorv/icklungen (W ,W ,V7 ) auf einem

Ο/χ OD ÖL

Stator (111) und die mehrphasigen Rotorwicklungen (W ,VJ ,W) auf einem Uotor (112) angeordnet sind und dass zur Verbindung der Rotorwicklungen Schleifringe (116A,116B,116C) vorgesehen sind.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Phase der ersten mehrphasigen Versorguhgsspannungsquelle (102) über eine primäre Stufe (102Λ, 102B, 102C) verfügt, die einen Eingangsund einen Ausgangsanschluss (X,Y), eine primäre Gleichstromversorgungsauelle (B^, D₁₁, B₀) einen ersten bila-

~ /\ L·) lateralen oder doppelseitigen Schalter (S_1-15,) und einen zweiten doppelwirkenden oder bilateralen Schalter (S-, ) aufweist und dass erster und zweiter bilateraler Schalter jeder Stufe so betätigbar sind, dass die primäre Gleichstromversorgungsquelle (B-) zwischen Eingang und /ausgang in der Weise schaltbar ist, dass Eingang und Ausgang (X, Y) gleichen Potential auf v/eisen oder dass der Ausgang (Y) positiv mit Bezug auf den Eingang (X) bzw. umgekehrt ist, zur Erzeugung einer geeignet gestuften Steuerspannung.

5. Maschine nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Elemente in jeder Phase, einen Transformator (T_A) mit einer mittelangezapften Primärwicklung (T ..), wobei die Anzapfung mit einem Anschluss der primären Gleichspannungsquelle (Ii ) der primären Stufe (102Λ) verbunden ist, einen mit dem anderen Anschluss der primären Versorgungsspannung (B ) verbundenen Umschalter, der zwi;-

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. 3fr.

sehen den Endanschlüssen (P,Q) dor Transformator-Primärwicklung (T J zur Erzeugung einer primären Serie elektrischer Impulse hin- und herschaltet, mit der Sekundärwicklung (^T _A2-i^ ^des Transformators (T ) verbundene Gleichrichterschaltungen (RE )_reine die gleichgerichtete Spannung von der Transformator-Sekundärwicklung aufnehmende, sekundäre Gleichstromversorgungsquelle (C..), wobei Gleichrichterschaltung (RE ) und sekundäre Gleichstromversorgungsquelle (C-,) einen Teil einer sekundären Stufe (1O4A) mit Eingang und Ausgang bilden und erste und zweite bilatera-Ie Schalter (S_1-1^ S₂_1RA' ^S1-2RA' ^S2-2RA^} ' ^wobei die bilateralen Schalter der sekundären Stufe (104A) in der Weise aufeinander abgestimmt gesteuert sind, dass die sekundäre Gleichspannungsversorgungsquelle (C₁-, C₂-) so zwischen Eingang und /vusgang dieser Stufe schaltbar ist, dass entweder beide auf gleichem Potential oder der Ausgang positiver mit Bezug auf den Eingang oder umgekehrt ist.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

zwei sekundäre Wicklungen (^τ _Λ2_ι' ^Τλ2-?^ ^{des Transfor}~ mators (T ) vorgesehen sind und dass zwei in Kaskade geschaltete sekundäre Stufen (1A,2A) vorgesehen sind.

7. Haschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerschaltungen (105) vorgesehen sind zur Kontrolle des Schaltzustands des ersten bilateralen Schalters

<^S1-1SA' ^S1-1RA' ^S1-2RA^{} Und deS ZWeiten} bilateralen Schalters (S_2-1gA, S₂__1RA, S₂__2RA) sowohl der primären (102A) als auch der sekundären Schaltstufe (1A,2A) und

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des Umschalters C hopper S^₇J der Transformator-Primärv/icklung (T_Al) ., wobei die Steuer- oder Regelschaltung (105) rait Bezug auf den Chopper- oder Zerhacker schalter (S_CA) zur Kontrolle der Zerhackerfrequenz arbeitet.

8. Maschine nach einen oder mehreren der Ansprüche .1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der ersten und zv/eiten bilateralen Schalter der primären Stufe (1O2A, 102B, 1O2C) und der ersten und zweiten bilateralen Schalter der sekundären Stufe (1O4A, 1O4B,1O4C) jeweils Trigger-Schaltungen (T^, T₅₁₃, T₅₀; Τ^,Τ^,Τ^,) vorgesehen sind und dass sämtliche Trigger-Schaltungen gesteuert sind von einem Ilauptregler (Datenverarbeitungs·· system, Prozessregler 105A) zur unabhängigen Kontrolle und Steuerung von Frequenz und Phase der jeder Phase der mehrphasigen Stator- und Rotorwicklungen zugeführten elektrischen Potentiale.

9. faschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Gleichstromversorgungsquelle (B ,E ,B) und die sekundären Gleichstromversorgungsquellen (^ci_A'^Ciß'^Cic'^C2A'^C2B'^C2C^ ^Un~ abhängig zueinander veränderbar sind.

10. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

9, insbesondere elektronisch geregelter Motor, dadurch gekennzeichnet, dass durch unabhängige Speisung sowohl nach variabler Spannungshöhe als auch veränderbarer Frequenz von mehrphasiger Statorfeldwicklung und mehrphasiger Ankerfeldwicklung und durch Überwachung des

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Maschinenverhaltens die mehrphasigen Versorgungsspannungsquellen für Stator- und Rotorspeisung derart steuerbar sind, dass sowohl der elektrische als auch der mechanische Energiefluss der Maschine bestimmbar ist.

11. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betrieb als Generator dem Rotor mechanische Drehenergie zuführbar ist und dass mit mindestens einer Wicklung der Maschine eine eine variable Versorgungsspannung und eine veränderbare Frequenz erzeugende mehrphasige Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, dass der mehrphasigen Versorgungsspannungsquelle eine sowohl ihre Ausgangsspannung als auch ihre Ausgangsfrequenz auf der Basis einer zeitlichen Programmabfolge kontrollierende Steuerschaltung zugeordnet ist, derart, dass die Maschine als Generator durch Induktion in der nicht mit der Versorgungsspannungsquelle verbundenen Wicklung elektrische Energie von vorgegebener Frequenz und Spannungshöhe erzeugt und dass mit dem Eingang der Steuerschaltung eine Rückführanordnung verbunden ist, derart, dass eine Steuerung der Maschinenausgangsspannung und/oder -frequenz in vorgegebener Weise erfolgt.

12. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, dass jede Phase der mehrphasigen Versorgungsspannungsquelle über eine Vielzahl von in Kaskade geschalteten Einzelstufen verfügt, wobei jede Einzelstufe eine Spannungsquelle mit variabler Spannung und erste und zweite bilaterale Schalter aufweist.

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5. Februar 1976 - V -

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13. Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelschaltung vorgesehen ist, die auf eine mit einer Wicklung des Motors verbundenen mehrphasigen Versorgungsspannungsquelle veränderbarer Spannung und veränderbarer Frequenz derart einwirkt, dass die Winkelgeschwindigkeit des Motors durch Steuerung der Frequenz der mehrphasigen Versorgungsspannungsquelle veränderbar ist.

14. Als Elektromotor arbeitende Maschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,

. dass die Regelschaltung (1O5A) den Zeitphasenwinkel zwischen den beiden, den Motorwicklungen zugeführten Spannungen bestimmt.

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