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Verfahren und Einrichtung zur willkürlichen Leistungsübertragung zwischen zwei nicht starr miteinander verbundenen Wechselstromnetzen mittels zweier gekuppelter
Synchronmaschinen.
Es ist bekannt, dass man bei Synchron-Synchron-Umformern die übertragene Leistung dadurch regeln kann, dass man den Vektor der Maschinen-EMK in einer der beiden gekuppelten Synchronmaschinen gegenüber dem Vektor der Netzspannung um einen gewissen Winkel verdreht. Diese Verdrehung kann beispielsweise durch Verdrehung des Stators der Synchronmaschine geschehen oder durch Einfügung einer EMK. zwischen Netz und Synchronmaschine, welche gegenüber der Netzspannung in der Phase verschoben ist oder durch Verdrehung des Feldes der Synchronmaschine gegenüber der Erregerwicklung, letzteres beispielsweise dadurch, dass der Rotor eine zwei-oder mehrphasige Erregerwicklung erhält,
so dass durch Schwächung des Stromes in der einen und Verstärken des Stromes in der anderen Phase der Erregerwicklung eine Verdrehung des resultierenden Feldes entsteht. Die angegebenen Mittel sind jedoch nur dann anwendbar, wenn die Spannungsvektoren der beiden Netze, die durch den Synchron-Synchron-Umformer verbunden sind, eine feste gegenseitige Lage haben, d. h. wenn die Netze entweder unmittelbar zusammenhängen oder noch durch andere Umformergruppen miteinander starr verbunden sind. Ist dies nicht der Fall, so kann durch die oben erwähnten Mittel nur vorübergehend eine Änderung der durch die Umformergruppe übertragenen Leistung bewirkt werden, weil infolge dieser Leistungsänderung die Netzspannungsvektoren sich so lange gegeneinander verschieben, bis der ursprüngliche Zustand wieder hergestellt ist.
Erfindungsgemäss kann in solchen Fällen eine beliebige Leistung dauernd übertragen werden, wenn eine der beiden miteinander gekuppelten Synchronmaschinen eine zwei-oder mehrphasige von einer Gleichstromquelle gespeiste Erregerwicklung trägt und wenn die Stromstärke in den verschiedenen Phasen dieser Erregerwicklung durch eine besondere Regelvorrichtung so geregelt wird, dass die Durchflutung bei im wesentlichen gleichbleibender Stärke die Richtung ihrer Achse gegenüber der Erregerwicklung ständig ändert.
Die folgende Betrachtung möge die Wirkungsweise dieser Anordnung näher erläutern : Denkt man sich zunächst das Erregerfeld der Synchronmaschine gegenüber der Erregerwicklung feststehend, also beispielsweise nur eine der Erregerwicklungsphasen mit Strom gespeist, so müssen die beiden gekuppelten Netze genau synchron laufen, d. h. ihre Frequenzen müssen sich ebenso verhalten wie die Polzahlen der beiden miteinander gekuppelten Synchronmaschinen.
Bei ungleicher Belastung der Netze ist dies im allgemeinen nur möglich, wenn durch die Umformergruppe aus dem einen in das andere Netz eine bestimmte Leistung übertragen wird. Diese Leistung kann unter Umständen die Leistungsfähigkeit der Umformergruppe weit übersteigen. Soll nun die übertragene Leistung auf einen beliebigen anderen Wert eingestellt werden, einen Wert, der nun jedenfalls innerhalb der Leistungsfähigkeit der Umformergruppe liegen soll, so werden diese geänderten Leistungsverhältnisse wegen der Eigenschaften der Kraftmaschinenregler mit einer Änderung der Frequenzen der beiden Netze verbunden sein.
Die Netze werden also nicht mehr synchron laufen und ihre Kupplung mittels zweier Synchronmaschinen ist nur möglich, wenn der EMK-Vektor der einen Maschine nicht mit der Umdrehungszahl der Gruppe, sondern mit einer entsprechend der Differenz der Netz-
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frequenzen davon abweichenden Drehzahl umläuft. Diese Abweichung der Umdrehungszahl des E1HK- Vektors von der Umdrehungszahl der Umformergruppe wird aber eben durch die Drehung des Erregerfeldes gegenüber der Erregerwicklung der einen Synchronmaschine erreicht. Unter Synchronmaschinen sind hier alle Maschinen zu verstehen, deren Drehzahl durch die Frequenzen der Netze, an die sie angeschlossen sind, bestimmt, also unabhängig von der Belastung ist. Solche Maschinen sind z. B. auch die bekannten doppelt gespeisten Induktionsmaschinen.
Die Erfindung bezieht sich also auch auf Umformer, die aus einer solchen doppelt gespeisten Induktionsmaschine und einer Synchronmaschine bestehen.
Die konstruktive Ausführung der Vorrichtung, welche die Erregerstromstärke in den verschiedenen Phasen der Erregerwicklung regelt, ist auf verschiedene Arten möglich. Man kann z. B. die verschiedenen Phasen der Erregerwicklung an mehrere voneinander unabhängige Spannungsteiler oder Vorschaltwider-
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selbe sein.
Ein Ausführungsbeispiel hiefür zeigt die Fig. 1. In dieser Figur bedeuten und a2 die beiden miteinander gekuppelten Synchronmaschinen, b1 und b2 die beiden Wechselstromnetze, die durch die Umformergruppe miteinander verbunden sind, ssi und C2 die beiden Phasen der zweiphasig angenommenen Erregerwicklung, d, und d2 die beiden Spannungsteiler, die aus derselben Gleiehstromquelle, der Erregermaschine e, gespeist werden./i, yt und/s, ys sind die beiden Kontaktpaare, durch deren Bewegung die Stromstärke in und C2 verändert wird.
Die beiden Kontakte, die zu einer Phase der Erregerwicklung gehören, können gleichzeitig gegenläufig bewegt werden, es kann aber auch einer derselben in der Mitte des Spannungsteilers feststehen und nur der andere bewegt werden.
Es ist auch möglich, die verschiedenen Phasen der Erregerwicklung an einen gemeinsamen Spannungsteiler oder Vorschaltwiderstand anzuschliessen. Die Fig. 2 zeigt ein Beispiel hiefür. Die Buchstaben haben dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1. An Stelle des Spannungsteilers sind hier Vorschaltwiderstände d angenommen, an welche die Kontaktbahnen für alle Kontakte/i, ,/s, angeschlossen sind.
In den bisherigen Beispielen müssen die Kontakte eine hin und hergehende Bewegung-von einem Ende der Kontaktbahn bis an das andere Ende und zurück-ausführen. Dies bedingt für jeden einzelnen Kontakt eine besondere Kontaktbahn. In Fig. 2 z. B. ist anzunehmen, dass jede der beiden gezeichneten Kontaktbahnen die Breite zweier Bürsten hat, so dass die Bürsten aneinander vorbei bewegt werden können. Dieser Nachteil kann vermieden werden, indem erfindungsgemäss die Stufen des Spannungsteilers oder der Vorschaltwiderstände an eine kreisförmige Kontaktbahn angeschlossen werden.
Ein Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 3. Die Buchstaben haben hier dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1 und 2. Der Widerstand ist hier wieder als Spannungsteiler gekennzeichnet ; es ist aber natürlich auch hier möglich, die Verbindung zwischen je zwei oder drei benachbarten Kontakten, die von den Anschlussstellen der Erregermaschine e gleich weit entfernt sind, wegzulassen und dadurch aus dem Span-
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Anordnung alle in der gleichen Richtung im Kreislauf bewegt werden.
Eine besonders vorteilhafte Anordnung erhält man, wenn gleichen Verstellungen der Kontakte längs des Umfangs der Kontaktbahn auch gleich grosse Drehungen des resultierenden Feldes entsprechen. so dass man die Kontakte mit gleichförmiger Geschwindigkeit an der kreisförmigen Kontaktbahn entlang bewegen kann und dadurch auch eine gleichförmige Drehgesehwindigkeit des resultierenden Feldes gegen- über der Erregerwicklung erhält. Dies kann durch entsprechende Bemessung des Widerstandes der einzelnen Stufen erreicht werden. Bei der Anordnung nach Fig. 3 z.
B., jedoch mit Vorschaltwiderständen statt des Spannungsteilers, wird (r + ro)cosa = Const. sein müssen, wenn ru des Widerstand einer der Erregerwicklungen Ci oder C2 einschliesslich der Zuleitungen bedeutet und r den Widerstand zwischen dem Anschlusspunkt der Erregermaschine e und einem um den Winkel u. längs der Kontaktbahn davon entfernten Punkt.
In den bisherigen Ausführungsbeispielen war angenommen, dass die Spannungsteiler oder Vorsehaltwiderstände mit der Stromquelle fest verbunden sind, mit den zu speisenden Erregerwicklungen dagegen über verstellbare Kontakte. Falls die Widerstände als Spannungsteiler ausgebildet sind, ist auch die umgekehrte Anordnung möglich, d. h. die Spannungsteiler können auch mit den zu speisenden Erregerwicklungen fest verbunden sein, mit der Stromquelle dagegen über verstellbare Kontakte. Man erreicht dadurch unter Umständen eine Verminderung der Zahl der beweglichen Kontakte, da für den Anschluss der Stromquelle nur zwei Kontakte erforderlich sind, für den Anschluss der Erregerwicklung dagegen, je nach der Phasenzahl derselben, eine grössere Anzahl Kontakte.
Auch schwankt der von der Erregermaschine zugeführte Strom in viel weniger weiten Grenzen, als der Strom der in die Erregerwicklungen fliesst ; jedenfalls hat der erstere Strom stets die gleiche Richtung. Das Überschalten von einem Kontakt auf den anderen wird also erleichtert, wenn die beweglichen Kontakte den Strom der Erregermaschine führen.
Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Ci und C2 sind wieder die beiden Phasen der Erregerwicklung, d die Kontaktbahn mit den Widerständen, nur durch einen Kreis angedeutet, e die Erregermaschine, und h2 die beweglichen Kontakte, durch welche die Erregermaschine mit den Spannungsteiler-Widerständen verbunden ist.
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Bei der Anordnung nach Fig. 4 muss der Strom in jeder Stufe des Widerstandes beim Vorübergang eines der beweglichen Kontakte seine Richtung ändern, ähnlich wie in einer Ankerspule einer kommutierpnden Maschine. Auch bei den anderen bisher betrachteten Anordnungen treten jedenfalls Änderungen der Stromstärke in den einzelnen Stufen des Widerstandes auf. Man kann aber im vorliegenden Fall, im Gegensatz zur kommutierenden Maschine, die Kommutierungsspannung, so weit sie von der Selbstinduktion der Widerstandsstufe herrührt, sehr klein halten, indem man erfindungsgemäss jede einzelne Stufe des Widerstandes bifilar wickelt.
Im Falle der Anordnung mit kreisförmiger Kontaktbahn nach Fig. 3 oder 4 können die beweglichen Kontakte zu einer mechanischen Einheit verbunden und durch einen Hilfsmotor bewegt werden. Auch bei nicht kreisförmiger Kontaktbahn kann ein Hilfsmotor beispielsweise mit Kurbelübertragung verwendet werden.
Da die Geschwindigkeit, mit der die Kontakte bewegt werden müssen, nach den oben gegebenen Erläuterungen im wesentlichen von der zu übertragenden Leistung abhängig ist, so kann die Drehzahl
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Feldes bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit desselben die scheinbare (wattlose) Leistung der Umformergruppe beeinflusst werden. Eine Änderung der Grösse des Feldes ist aber durch eine Änderung der Spannung der Erregermaschine e möglich, und diese Änderung kann erfindungsgemäss ebenfalls durch eine selbsttätige Reguliervorrichtung, beispielsweise einen Schnel1regler bekannter Bauart, in Abhängigkeit von der wattlosen Leistung der Umformergruppe erfolgen.
Bei grossen Umformergruppen kann die Ausführung der Reguliervorrichtung, besonders der erforderlichen Kontakte und Kontaktbahnen, wegen der grossen zu schaltenden Ströme und Spannungen Schwierigkeiten machen. Diese Schwierigkeiten können erfindungsgemäss dadurch beseitigt werden, dass die verschiedenen Phasen der Erregerwicklung der Synchronmaschine aus besonderen Erregermaschinen gespeist werden und dass die Regelung der Drehgeschwindigkeit des resultierenden Feldes im Erregerstromkreis dieser Erregermaschinen erfolgt.
Die Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel hiefür. Es bedeuten wieder ar und a2 die beiden miteinander gekuppelten Synchronmaschinen, bl und b2 die beiden Wechselstromnetze, die durch die Umformergruppe miteinander verbunden sind, Ci und C2 die beiden Phasen der zweiphasig angenommenen Erregerwicklung. Diese beiden Wicklungsphasen werden hier aus zwei besonderen Erregermaschinen el und e2 gespeist, deren Erregerwicklungen il und i2 durch die Regelvorrichtung < < , bestehend aus Kontaktbahn und Spannungsteiler-oder Vorschaltwiderständen, mittels der beweglichen Kontakte/i,/z nnd ssi, geregelt werden. k ist die gemeinsame Stromquelle für die beiden Erregerwicklungen und i2.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur willkürlichen Leistungsübertragung zwischen zwei nicht starr miteinander verbundenen Wechselstromnetzen mittels zweier gekuppelter Synchronmaschinen, von denen mindestens
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in den verschiedenen Phasen der Erregerwicklung durch eine Reguliervorrichtung so geregelt wird, dass die Durchflutung bei im wesentlichen gleichbleibender Stärke die Richtung ihrer Achse gegenüber der Erregerwicklung ständig ändert.
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Method and device for arbitrary power transmission between two non-rigidly interconnected alternating current networks by means of two coupled
Synchronous machines.
It is known that with synchronous-synchronous converters the transmitted power can be regulated by turning the vector of the machine EMF in one of the two coupled synchronous machines by a certain angle with respect to the vector of the mains voltage. This rotation can take place, for example, by rotating the stator of the synchronous machine or by inserting an EMF. between the network and the synchronous machine, which is shifted in phase with respect to the mains voltage or by rotating the field of the synchronous machine with respect to the excitation winding, the latter, for example, by the rotor having a two-phase or polyphase excitation winding,
so that by weakening the current in one phase and increasing the current in the other phase of the excitation winding, the resulting field is twisted. However, the specified means can only be used if the voltage vectors of the two networks connected by the synchronous-synchronous converter have a fixed mutual position, i.e. H. if the networks are either directly connected or rigidly connected to one another by other converter groups. If this is not the case, the above-mentioned means can only temporarily change the power transmitted by the converter group, because as a result of this change in power, the mains voltage vectors shift against each other until the original state is restored.
According to the invention, any power can be continuously transmitted in such cases if one of the two synchronous machines coupled to one another carries a two-phase or multi-phase excitation winding fed by a direct current source and if the current intensity in the various phases of this excitation winding is regulated by a special control device so that the The direction of its axis with respect to the excitation winding changes constantly with the flow rate being essentially constant.
The following consideration should explain the mode of operation of this arrangement in more detail: If one initially thinks that the excitation field of the synchronous machine is fixed in relation to the excitation winding, i.e. only one of the excitation winding phases is supplied with current, then the two coupled networks must run exactly synchronously, i.e. H. their frequencies must behave in the same way as the number of poles of the two synchronous machines coupled to one another.
In the case of unequal loads on the networks, this is generally only possible if the converter group transfers a certain amount of power from one network to the other. Under certain circumstances, this performance can far exceed the performance of the converter group. If the transmitted power is now to be set to any other value, a value that should now be within the capacity of the converter group, these changed power ratios will be associated with a change in the frequencies of the two networks because of the properties of the engine controller.
The networks will no longer run synchronously and their coupling by means of two synchronous machines is only possible if the EMF vector of one machine is not with the number of revolutions of the group, but with a corresponding to the difference in the network
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frequencies deviating from it rotates. However, this deviation of the number of revolutions of the E1HK vector from the number of revolutions of the converter group is achieved precisely by the rotation of the excitation field in relation to the excitation winding of one synchronous machine. Synchronous machines are to be understood here as all machines whose speed is determined by the frequencies of the networks to which they are connected, i.e. independent of the load. Such machines are e.g. B. also the well-known double-fed induction machines.
The invention therefore also relates to converters which consist of such a double-fed induction machine and a synchronous machine.
The construction of the device, which regulates the excitation current in the various phases of the excitation winding, is possible in various ways. You can z. B. the different phases of the field winding to several independent voltage dividers or ballast resistors
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be the same.
An exemplary embodiment for this is shown in FIG. 1. In this figure, and a2 denote the two synchronous machines coupled to one another, b1 and b2 denote the two alternating current networks that are connected to one another by the converter group, ssi and C2 denote the two phases of the exciter winding assumed to be two-phase, d, and d2 the two voltage dividers, which are fed from the same DC power source, the exciter e. / i, yt and / s, ys are the two contact pairs, the movement of which changes the current in and C2.
The two contacts that belong to one phase of the excitation winding can be moved in opposite directions at the same time, but one of them can also be fixed in the center of the voltage divider and only the other can be moved.
It is also possible to connect the various phases of the field winding to a common voltage divider or series resistor. Fig. 2 shows an example of this. The letters have the same meaning as in FIG. 1. Instead of the voltage divider, ballast resistors d are assumed here, to which the contact paths for all contacts / i,, / s, are connected.
In the previous examples, the contacts have to perform a back and forth movement — from one end of the contact path to the other end and back. This requires a special contact path for each individual contact. In Fig. 2 z. B. it can be assumed that each of the two contact paths shown has the width of two brushes, so that the brushes can be moved past each other. This disadvantage can be avoided by connecting the stages of the voltage divider or the series resistors to a circular contact path according to the invention.
An exemplary embodiment is shown in FIG. 3. The letters here have the same meaning as in FIGS. 1 and 2. The resistor is again identified as a voltage divider; However, it is of course also possible here to omit the connection between two or three adjacent contacts that are equidistant from the connection points of the exciter e, and thereby remove the
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Arrangement can all be moved in the same direction in the circuit.
A particularly advantageous arrangement is obtained if the same adjustments of the contacts along the circumference of the contact path also correspond to rotations of the resulting field of the same size. so that the contacts can be moved at a uniform speed along the circular contact path and thereby also a uniform speed of rotation of the resulting field with respect to the excitation winding is obtained. This can be achieved by appropriately dimensioning the resistance of the individual stages. In the arrangement of FIG. 3, for.
B., but with series resistors instead of the voltage divider, (r + ro) cosa = Const. must be, if ru means the resistance of one of the excitation windings Ci or C2 including the leads and r the resistance between the connection point of the excitation machine e and a by the angle u. along the contact path away therefrom.
In the previous exemplary embodiments, it was assumed that the voltage dividers or bias resistors are permanently connected to the power source, but to the excitation windings to be fed via adjustable contacts. If the resistors are designed as voltage dividers, the reverse arrangement is also possible; H. the voltage dividers can also be permanently connected to the excitation windings to be fed, but to the power source via adjustable contacts. In this way, under certain circumstances, a reduction in the number of movable contacts is achieved, since only two contacts are required for connecting the power source, whereas a larger number of contacts are required for connecting the excitation winding, depending on the number of phases thereof.
The current supplied by the exciter also fluctuates within much less wide limits than the current that flows into the exciter windings; in any case, the first current always has the same direction. Switching from one contact to the other is made easier if the moving contacts carry the current of the exciter.
4 shows an embodiment. Ci and C2 are again the two phases of the excitation winding, d the contact path with the resistors, only indicated by a circle, e the exciter, and h2 the movable contacts through which the exciter is connected to the voltage divider resistors.
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In the arrangement according to FIG. 4, the current has to change its direction in each step of the resistance as one of the movable contacts passes, similar to that in an armature coil of a commutating machine. In the other arrangements considered so far, too, changes in the current intensity occur in the individual resistance levels. In the present case, however, in contrast to the commutating machine, the commutation voltage, insofar as it originates from the self-induction of the resistance stage, can be kept very small by winding each individual stage of the resistance bifilar according to the invention.
In the case of the arrangement with a circular contact track according to FIG. 3 or 4, the movable contacts can be connected to form a mechanical unit and moved by an auxiliary motor. An auxiliary motor with a crank transmission, for example, can also be used with a non-circular contact path.
Since the speed at which the contacts must be moved, according to the explanations given above, is essentially dependent on the power to be transmitted, the speed can
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Field at constant speed of rotation of the same, the apparent (wattless) power of the converter group can be influenced. A change in the size of the field is possible by changing the voltage of the exciter e, and this change can also be made according to the invention by an automatic regulating device, for example a high-speed regulator of known type, depending on the wattless power of the converter group.
In the case of large groups of converters, the implementation of the regulating device, especially the necessary contacts and contact paths, can cause difficulties because of the large currents and voltages to be switched. According to the invention, these difficulties can be eliminated in that the various phases of the excitation winding of the synchronous machine are fed from special excitation machines and that the rotational speed of the resulting field is regulated in the excitation circuit of these excitation machines.
Fig. 5 shows an embodiment for this. Again, ar and a2 denote the two synchronous machines coupled to one another, bl and b2 denote the two alternating current networks that are connected to one another by the converter group, Ci and C2 denote the two phases of the two-phase excitation winding. These two winding phases are fed here from two special excitation machines el and e2, the excitation windings il and i2 of which are controlled by the control device, consisting of a contact path and voltage divider or series resistors, by means of the movable contacts / i, / z and ssi. k is the common power source for the two excitation windings and i2.
PATENT CLAIMS:
1. Method for arbitrary power transmission between two non-rigidly interconnected alternating current networks by means of two coupled synchronous machines, of which at least
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is regulated in the different phases of the excitation winding by a regulating device so that the flow constantly changes the direction of its axis with respect to the excitation winding with essentially constant strength.