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Verfahren und Einrichtung zur Änderung der Charakteristik von Kaskaden.
Bei Wechsel-oder Drehstromanlagen werden neuerdings für elektromotorische Antriebe, besonders für grössere Leistungen, Kaskaden verwendet, die aus einem Induktionsvordermotor und einer Kommutatorhintermaschine bestehen. Es ist bekannt, solche Kaskaden dadurch in der Drehzahl zu regeln, dass eine in den Schlupfstromkreis durch die Kommutatormaschine eingeführte Spannung den
Schlupf des Vordermotors erhöht oder erniedrigt. Bei solchen Antrieben stört häufig die Eigeneharakteristik des Maschinensatzes. Liegt z. B. Nebenschlusscharakteristik vor, so ist eine solche Charakteristik ungünstig, wenn vorhandene Schwungmassen zur Abgabe von Energie herangezogen und Stösse von dem Maschinensatz ferngehalten werden sollen.
Man hat hiefür Kompoundierungseinrichtungen vorgesehlagen, die mit Hilfe eines Kompoundierungstransformators im Schlupfstromkreis eine zusätzliche drehzahlregelnde Spannung erzeugen. Solche Einrichtungen sind jedoch an sich schon kompliziert und wirken nicht beim Durchgang durch den Synchronismus. Hiefür sind weitere komplizierte Maschinen und Schaltapparate erforderlich, welche in ihrer Gesamtheit derart umfangreich werden, dass die schliesslich erzielbaren Möglichkeiten einer Kompoundierung den Anschaffungspreis nicht mehr aufwiegen.
Unsere Erfindung betrifft ein neues Verfahren und Einrichtung zur Kompoundierung von Kaskaden, die den Vorzug der Einfachheit, Justierbarkeit und des geringen Energieverlustes haben. Die Einrichtungen für dieses Verfahren können auch in vorhandene Anlagen nachträglich eingebaut werden.
Erfindungsgemäss erhält die Kaskade eine besondere (Drehstrom-oder Wechselstrom) erregermaschine, deren Feld von einer von der Drehzahl des Hauptmotors abhängigen Spannung beeinflusst wird.
Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 1. Nach Fig. 1 ist der Asynchronmotor 4 mit der Kommutatormaschine 5 mechanisch gekuppelt. Diese wird über Schleifringe von der Drehstromerregermaschine 6 erregt, die durch den Synchronmotor 7 angetrieben wird. Die Maschine 6 wird mit Gleichstrom erregt.
Die Kupplung zwischen den Maschinen 6 und 7 ist verstellbar und wird so eingestellt, dass im Kommutator der Maschine 5 eine Spannung entsteht, die in Phase mit der Rotorspannung des Hauptmotors ist. Nunmehr kann durch Änderung der Erregung der Maschine 6 in bekannter Weise die Drehzahl des Asynchronmotors 4 geregelt werden.
Nach der Erfindung wird nun die Gleichstromerregung der Maschine 6 nicht allein von einer Gleichstromquelle 8 gespeist, sondern in Reihe zu dieser die Spannung einer Gleichstromdynamo 9, die mit dem Asynchronmotor 4 mechanisch gekuppelt ist, geschaltet. Die Maschine 9 wird so erregt, dass ihre Spannung der Spannung des Netzes 8 entgegenwirkt. Bei bestimmter Drehzahl der Hauptmaschine heben sich die beiden Spannungen auf und die Gleichstromerregerwicklung der Maschine 6 ist in diesem Falle stromlos.
Bei Änderung der Drehzahl der Hauptmaschine dagegen wird die Maschine 6 je nachdem, ob die Drehzahl fällt oder steigt, in einem oder anderm Sinne erregt, so dass die Hauptmaschine 4 über die Hintermaschine 5 zusätzlich zu der Rotorsehlupfspannung eine ebenfalls von der Drehzahl abhängige Zusatzspannung im Rotorkreise erhält. Durch Änderung der Erregung der Dynamo 9 mit Hilfe des Reglers 10 und durch Änderung des Vorschaltwiderstandes 1/kann sowohl die Leerlaufdrehzahl als auch der Drehzahlabfall bei Belastung beliebig eingestellt werden. Ein besonderer Vorteil gegenüber
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des Vorsehaltwiderstandes n erreicht werden kann, dass die Hauptmaschine in gewissen Grenzen konstante Leistung aufnimmt oder als Generator abgibt.
Die Maschine 9 kann weiterhin noch eine Zusatzerregung erhalten, die von irgendeiner Betriebsgrösse, z. B. dem Erregerstrom der Maschine 5 abhängig gemacht wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist in Fig. 2 gegeben. In Übereinstimmung mit Fig. 1 findet sich hier wieder der Asynchronmotor 4, die Kommutatormaschine 5, die Drehstrom- erregermaschine 6, der sie antreibende Synchronmotor 7 und die das Feld beeinflussende Hilfsmaschine 9.
Diese Anordnung wird nun so eingestellt, dass die von der Drehstromerregermaschine 6 auf die Schleifringe der Kommutatormaschine 5 gelieferte Spannung entweder in der gleichen Richtung wirkt wie die Rotorspannung des Hauptmotors oder umgekehrt, u. zw. je nachdem, ob die Anordnung über-oder
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die gegeneinander geschaltet werden. 9 sitzt auf der Welle des Asynchronmotors 4 und 12 auf der Welle des Synehronmotors 7. Für den Fall, dass die Synchrondrehzahl der Asynchronmaschine gleich der des Synchronmotor 7 ist, werden die Maschinen 12 und 9 einander gleich. Die wirksame Erregung für die Erregermasehine 6 ist also als Resultante der beiden Spannungen der Maschinen 9 und 12 gegeben.
Die Vorteile einer solchen Anordnung gehen aus den Diagrammen 3-7 ohne weiteres hervor. Zunächst ist es klar, dass man durch Wahl der Spannungen der Maschinen 12 und 9 und der magnetischen und elektrischen Verhältnisse der Maschine 6 dem Proportionalitätsfaktor der neu eingeführten Spannung einen bestimmten Wert geben kann. Die Regelwiderstände in den Erregermase. hinen 9 und 12 dienen dazu, zunächst die einzelnen Spannungen in ihrem Absolutbetrage und hiedurch den Proportionalitätsfaktor zu verändern.
Im Diagramm 3 ist zunächst der Fall behandelt, dass die Schlupfspannung des Rotors 4 und die Hilfsspannung einander entgegengesetzt gerichtet sind und der Proportionalitätsfaktor der Hilfsspannung kleiner als der der Schlupfspannung ist. a ist die Rotorspannung, b die Hilfsspannung, c die resultierende Spannung. Als Abszisse sind die Drehzahlen bzw. Sehlüpfungen aufgetragen. Vernaeh- lässigt man den Induktionswiderstand des Rotorstromkreises, so ist der Rotorstrom und damit das vom Hauptmotor abgegebene Moment proportional der resultierenden Spannung c.
Ist nun zur Aufbringung eines bestimmten Momentes oder des hiefür erforderlichen Stromes eine resultierende Spannung im Rotor von der Grösse u erforderlich, so wird bei normalem Betrieb der Motor bis zur Drehzahl n1 abfallen, bei der die Rotorspannung den erforderlichen Wert u erreicht hat. Bei der Anordnung nach der Erfindung aber, bei der die resultierende Spannung c auftritt, wird der Wert u erst bei n2 erreicht, der Motor muss also weiter abfallen, um das gleiche Moment abgeben zu können. Für den Fall. dass die Maschine 5 als Hintermotor ebenfalls ein Moment abgibt, wird die für ein bestimmtes Moment notwendige Spannung
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ab.
In Fig. 4 ist der Fall gezeigt, dass die Maschine 9 stärker als die Maschine 12 erregt ist, so dass die Drehzahl, bei der die Maschine 9 die gleiche Spannung erzeugt wie die Maschine 12, von der synchronen abweicht. Man erkennt, dass die Hilfsspannung b schon bei untersynchroner Drehzahl n4 zu Null wird und ferner, dass die Leerlauf drehzahl Kg, bei der die resultierende Spannung c zu Null werden muss, sich im übersynchronen Bereich befindet. Die Neigung der Graden a und b kann durch Änderung der Erregung der beiden Gleichstrommaschinen 9 und 12 geändert und damit jeder gewünschte Schlupf bei Belastung erreicht werden.
Umgekehrt kann bei Schwächung der Erregung der Maschine 9 der Punkt n, in den übersynchronen und der Punks nain den untersynehronen Bereich verlegt werden.
Zwei Sonderfälle zeigen die Diagramme 5 und 6, bei denen die resultierende Spannung c der Ab- szissenachse parallel wird. In Diagramm 5 liegt n4 im untersynchronen, in Diagramm 6im Übersynchronpn Bereich. Im ersten Falle ist die vom Hauptmotor aufgenommene Leistung und das von ihm abgegebene Moment bei allen Drehzahlen konstant. Wenn die Maschine 5 nur eine Erregerleistung von den Schleifringen erhält, so ist auch die gesamte an der Welle abgegebene Leistung konstant, das Moment verläuft abhängig von der Drehzahl nach einer Hyperbel und man erhält eine Anordnung mit reiner Reihenschluss- charakteristik. Im Falle der Fig. 6 wird der Hauptmotor eine wieder bei jeder Drehzahl konstante Leistung ins Netz abgeben.
Diese Eigenschaft kann zur Stillegung von grossen Schwungrädern benutzt werden, wobei die aufgespeicherte Energie dann wenigstens zum Teil zurückgegeben wird.
In Fig. 2 zeigen die Hilfsdynamo 9 und 1. 2 Fremderregungen. Dies ist jedoch nicht notwendig ; man kann jede der Regeldynamos auch mit Selbsterregung oder mit gemischter Erregung, z. B. mit Kompounderregung ausstatten. Diagramm 7 zeigt den Fall, dass die Maschine 9 Selbsterregung hat und nur vom Synchronismus aus gepuffert wird. a ist die Rotorspannung, b die Hilfsspannung, die infolge der Selbsterregung der Maschine 9 eine gekrümmte Charakteristik erhält, c ist die resultierende Spannung. Man sieht, dass diese zuerst ziemlich steil verläuft, sodann aber durch die Wirkung der Hilfsspannung abgeflacht wird. Dies ist vorteilhaft bei Antrieben, die starken und plötzlichen Belastungsschwanlungen unterworfen sind, z. B. bei Walzenstrassen.
Hier kann zunächst bei geringer Belastung, um den Antrieb voll ausnutzen zu können, ein geringer Drehzahlabfall erwünscht sein. Erst wenn die Belastung über ein gewisses Mass steigt, wird man zur plötzlichen Entladung der Schwungmassen eine flachere Form der Charakteristik anwenden und dieser Forderung trägt die Kurve nach Diagramm 7 Rechnung.
Um die Regelung auch den schwersten Bedingungen eines stossweise erfolgenden Betriebes anzupassen, kann man sogar eine Unstetigkeit der Clarairteristik dadurch erzielen, dass man dem Feld der
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Erregermaschine bei einer bestimmten Belastung, in Abhängigkeit von den Betriebszuständen des Netzes oder des Antriebes, einen erhöhten Erregerstrom aufdrückt, indem man z. B. durch einen Eilregler oder durch Stromrelais, die Widerstände im Erregerstromkreis kurzschliesst, also die Erregerspannung der Gleichstrommaschine 9 (nach Fig. 1) plötzlich verstärkt.
Ein Ausführungsbeispiel für diesen letzten Fall zeigt Fig. 8. In dieser Figur bedeutet 13 den Hauptmotor und 16 die mit ihm gekuppelte Hilfsdynamo, deren Spannung dem Feld der nicht gezeichneten Erregermaschine zugeführt wird. Die Anordnung des Satzes kann z. B. nach Art der Fig. 1 vervollständig werden. Die Einrichtung nach der Erfindung besteht in einem Regler 14, der von einem Stromtransformator in den Zuleitungen des Hauptmotors beeinflusst wird und den Widerstand 15 im Erregerfeld der Dynamo 16 bei Überschreitung eines gewissen Betrages ändert. Abgesehen von dieser Beein-
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des Satzes bestimmt. Durch eine solche Anordnung kann eine Regelung unter weitgehendster Berück- sichtigung auch der schwierigsten Verhältnisse von Pufferantrieben erfolgen.
Die Erfindung gestattet auch Anwendung auf ständererregte Drehstromhintermaschinen beliebiger Art sowie auf Gleichstromregelsätze, ganz gleich, ob die Regelsätze mit mechanisch oder elektrisch gekuppelter Hintermaschine versehen sind.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Änderung der Charakteristik einer Kaskade, bestehend aus Induktionsvorder- maschine und Kommutatorhintermaschine, die von einer besonderen Erregermasehine erregt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld der Erregermaschine von einer von der Drehzahl des Hauptmotors abhängigen Spannung beeinflusst wird.
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Procedure and device for changing the characteristics of cascades.
In AC or three-phase systems, cascades that consist of an induction front motor and a commutator rear machine have recently been used for electromotive drives, especially for greater powers. It is known to regulate the speed of such cascades by a voltage introduced into the slip circuit by the commutator machine
Front engine slip increased or decreased. With such drives, the inherent characteristics of the machine set often interfere. Is z. B. before shunt characteristic, such a characteristic is unfavorable when existing centrifugal masses are used to deliver energy and shocks are to be kept away from the machine set.
Compounding devices have been proposed for this purpose which, with the aid of a compounding transformer, generate an additional speed-regulating voltage in the slip circuit. However, such devices are intrinsically complicated and do not work when going through synchronism. For this, more complicated machines and switching devices are required, which in their totality become so extensive that the possibilities of compounding that can ultimately be achieved no longer outweigh the purchase price.
Our invention relates to a new method and device for compounding cascades which have the advantage of simplicity, adjustability and low energy loss. The facilities for this process can also be retrofitted into existing systems.
According to the invention, the cascade receives a special (three-phase or alternating current) exciter machine, the field of which is influenced by a voltage that is dependent on the speed of the main motor.
An exemplary embodiment is shown in FIG. 1. According to FIG. 1, the asynchronous motor 4 is mechanically coupled to the commutator machine 5. This is excited via slip rings from the three-phase exciter 6, which is driven by the synchronous motor 7. The machine 6 is excited with direct current.
The coupling between machines 6 and 7 is adjustable and is set so that a voltage is created in the commutator of machine 5 that is in phase with the rotor voltage of the main motor. The speed of the asynchronous motor 4 can now be regulated in a known manner by changing the excitation of the machine 6.
According to the invention, the direct current excitation of the machine 6 is not fed solely by a direct current source 8, but rather the voltage of a direct current dynamo 9, which is mechanically coupled to the asynchronous motor 4, is connected in series with it. The machine 9 is excited in such a way that its voltage counteracts the voltage of the network 8. At a certain speed of the main machine, the two voltages cancel each other and the DC exciter winding of the machine 6 is de-energized in this case.
When the speed of the main machine changes, however, the machine 6 is excited in one sense or the other, depending on whether the speed drops or increases, so that the main machine 4 via the rear machine 5, in addition to the rotor slip voltage, also has an additional voltage in the rotor circuit that is also dependent on the speed receives. By changing the excitation of the dynamo 9 with the aid of the controller 10 and by changing the series resistor 1 /, both the idle speed and the speed drop under load can be set as desired. A particular advantage over
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of the provision resistance n can be achieved that the main engine consumes constant power within certain limits or delivers it as a generator.
The machine 9 can still receive additional excitation that is of any operating size, e.g. B. the excitation current of the machine 5 is made dependent.
Another exemplary embodiment for the invention is given in FIG. In accordance with FIG. 1, the asynchronous motor 4, the commutator machine 5, the three-phase exciter machine 6, the synchronous motor 7 driving them and the auxiliary machine 9 influencing the field are again found here.
This arrangement is now set so that the voltage supplied by the three-phase exciter 6 to the slip rings of the commutator machine 5 either acts in the same direction as the rotor voltage of the main motor or vice versa, u. between depending on whether the arrangement is over or
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which are switched against each other. 9 sits on the shaft of the asynchronous motor 4 and 12 on the shaft of the synchronous motor 7. In the event that the synchronous speed of the asynchronous machine is the same as that of the synchronous motor 7, the machines 12 and 9 are equal to each other. The effective excitation for the excitation machine 6 is therefore given as the resultant of the two voltages of the machines 9 and 12.
The advantages of such an arrangement are readily apparent from Diagrams 3-7. First of all, it is clear that by choosing the voltages of the machines 12 and 9 and the magnetic and electrical conditions of the machine 6, the proportionality factor of the newly introduced voltage can be given a certain value. The control resistances in the excitation ground. Hinen 9 and 12 are used to initially change the absolute value of the individual stresses and thereby the proportionality factor.
Diagram 3 initially deals with the case that the slip voltage of the rotor 4 and the auxiliary voltage are directed in opposite directions and the proportionality factor of the auxiliary voltage is smaller than that of the slip voltage. a is the rotor voltage, b the auxiliary voltage, c the resulting voltage. The rotational speeds and / or visual dents are plotted as the abscissa. If the induction resistance of the rotor circuit is negated, the rotor current and thus the torque delivered by the main motor is proportional to the resulting voltage c.
If a resulting voltage of the size u is required in the rotor to generate a certain torque or the current required for this, then during normal operation the motor will drop to the speed n1 at which the rotor voltage has reached the required value u. In the arrangement according to the invention, however, in which the resulting voltage c occurs, the value u is only reached at n2, so the motor must drop further in order to be able to output the same torque. In the case. that the machine 5, as a rear motor, also delivers a torque, the voltage required for a specific torque becomes
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from.
4 shows the case in which the machine 9 is excited more strongly than the machine 12, so that the speed at which the machine 9 generates the same voltage as the machine 12 deviates from the synchronous speed. It can be seen that the auxiliary voltage b already becomes zero at undersynchronous speed n4 and further that the idling speed Kg, at which the resulting voltage c must become zero, is in the oversynchronous range. The inclination of the degrees a and b can be changed by changing the excitation of the two DC machines 9 and 12 and thus any desired slip can be achieved under load.
Conversely, if the excitation of the machine 9 is weakened, point n can be moved to the oversynchronous area and the punks to the sub-synchronous area.
Diagrams 5 and 6 show two special cases in which the resulting stress c is parallel to the abscissa axis. In diagram 5, n4 is in the subsynchronous, in diagram 6 in the oversynchronous range. In the first case, the power consumed by the main engine and the torque it delivers is constant at all speeds. If the machine 5 only receives an excitation power from the slip rings, then the entire power output at the shaft is constant, the torque runs depending on the speed after a hyperbola and an arrangement with a pure series characteristic is obtained. In the case of FIG. 6, the main motor will output power into the network which is constant again at every speed.
This property can be used to shut down large flywheels, in which case the stored energy is then at least partially returned.
In Fig. 2, the auxiliary dynamo 9 and 1. 2 show external excitations. However, this is not necessary; each of the control dynamos can also be used with self-excitation or with mixed excitation, e.g. B. equip with compound excitation. Diagram 7 shows the case in which the machine 9 has self-excitation and is only buffered from synchronism. a is the rotor voltage, b the auxiliary voltage which, as a result of the self-excitation of the machine 9, has a curved characteristic, c is the resulting voltage. You can see that this is quite steep at first, but is then flattened by the effect of the auxiliary voltage. This is advantageous for drives that are subjected to strong and sudden load fluctuations, e.g. B. at roller lines.
At first, when the load is low, in order to be able to fully utilize the drive, a slight drop in speed may be desirable. Only when the load rises above a certain level will a flatter form of the characteristic be used for the sudden discharge of the centrifugal masses, and the curve according to Diagram 7 takes this requirement into account.
In order to adapt the regulation to even the most difficult conditions of intermittent operation, one can even achieve a discontinuity in the Clarairteristics by adding to the field of
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Exciter machine at a certain load, depending on the operating conditions of the network or the drive, presses an increased excitation current by z. B. by a rapid regulator or by current relay, the resistors in the excitation circuit short-circuited, so the excitation voltage of the DC machine 9 (according to Fig. 1) suddenly amplified.
An exemplary embodiment for this last case is shown in FIG. 8. In this figure, 13 denotes the main motor and 16 denotes the auxiliary dynamo coupled to it, the voltage of which is fed to the field of the exciter (not shown). The arrangement of the sentence can e.g. B. be completed in the manner of FIG. The device according to the invention consists of a controller 14, which is influenced by a current transformer in the supply lines of the main motor and changes the resistance 15 in the excitation field of the dynamo 16 when a certain amount is exceeded. Apart from this impairment
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of the sentence determined. With such an arrangement, regulation can be carried out taking into account the most difficult conditions of buffer drives.
The invention also allows application to stator-excited three-phase rear machines of any type and to direct current control sets, regardless of whether the control sets are provided with mechanically or electrically coupled rear machines.
PATENT CLAIMS:
1. Method for changing the characteristics of a cascade, consisting of induction front machine and commutator rear machine, which is excited by a special excitation machine, characterized in that the field of the excitation machine is influenced by a voltage dependent on the speed of the main motor.