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Kaskade, bestehend aus Indnktionsvordermaschine und läuferseitig erregter, kompen- sierter Konilmtatorliintermaschine.
Anordnungen, die aus einer Induktionsvordermaschine in Kaskade mit einer läufererregten, kompensierten Kommutatorhintermasehine bestehen, lassen sich bekanntlich in ihrer Drehzahl regeln und ermöglichen auch die Erzeugung und Regelung von Blindleistung. Zum Zwecke der Regelung wird die Kommutatorhintermaschine, z. B. über einen Transformator mit regelbarem Übersetzungsverhältnis oder über einen Synchronumformer, aus dem Netz erregt. Diese Schaltungen gestatten zwar teils eine feinstufige, teils selbsttätige Regelung, haben aber doch manche Nachteile, wie aus folgendem hervorgeht :
Mit Rücksicht auf die Kommutierung darf die Erregerspannung eine gewisse Grenze nicht überschreiten.
Infolgedessen treten bei der Erregung über einen Transformator an den Schleifringen der Kommutatorhintermaschine verhältnismässig hohe Stromstärken auf, so dass man Regelapparate erhält, die sich für eine feinstufige Regelung wenig eignen. Bei grossen Generatoren und Blindleistungsmaschinen ist auch die selbsttätige Regelung mangels geeigneter Regelapparate schwierig durchzuführen. Hiefür fällt auch besonders der Umstand ins Gewicht, dass der Regelvorgang rasch ablaufen muss. Eine Regelung mit einem Synchronerregerumformer veranlasst anderseits bei Netzen, in denen Antriebsmaschinen mit Eigenschwingungen, wie Kolbenmaschinen, Gasmaschinen u. dgl. vorhanden sind, Pendelungen.
Bei anderen bekannten Anordnungen, bei denen die Kaskade generatorisch arbeitet, d. h. mechanisch angetrieben wird, ist die Takthaltung nur dann möglich, wenn eine vom Netz unabhängige Erregerquelle richtiger Periodenzahl besteht. Dies erfordert also eine besondere, vom Netz unabhängige Kraftmaschine, die den Erregergenerator antreibt.
Die geschilderten Schwierigkeiten werden nun gemäss der Erfindung dadurch überwunden, dass die Kommutatorhintermaschine von einer, ständerseitig mit Netzfrequenz gespeisten, kompensierten Kommutatormaschine erregt wird. Diese Erregermaschine liefert Erregerstrom von Netzfrequenz für die Kommutatorhintermaschine. Hiebei erhält man, unter Ausschaltung von Synchronmaschinen, einen Erregerkreis, der eine feinstufige und selbsttätige Regelung leicht ermöglicht.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bedeutet 1 die Induktionsvordermaschine, 2 die kompensierte läufererregte Kommutatorhintermaschine, 3 die kompensierte, im Ständer mittels einer Erregerwicklung 4 mit Netzfrequenz erregte Kommutatorerregermaschine gemäss der Erfindung, 5 einen Antriebsmotor für die Erregermaschine und 6 einen regelbaren Transformator, der ebenso wie die Vordermaschine 1 an das Netz 7 angeschlossen ist. Der Transformator 6 kann als Stufen-oder Drehtransformator ausgebildet sein. Die Verwendung eines asynchronen Antriebsmotors 5 für den Erregerumformer ist deshalb möglich, weil an den Kommutatorbürsten der Erregermaschine stets eine Frequenz auftritt, die unabhängig von der Antriebsdrehzahl ist und nur durch die Frequenz der Erregerwicklung 4 gegeben ist.
Aus dieser Anordnung ergibt sich bei schwankender Drehzahl von 3 stets Netzfrequenz an den Schleifringen der Maschine 2 ; hieraus erkennt man auch leicht die Möglichkeit einer Anordnung nach Fig. 2.
Zum Unterschiede von Fig. 1 ist die Kommutatorerregermaschine 3 hier mit der Vordermaschine mechanisch gekuppelt, sie bedarf also keines besonderen Antriebsmotors.
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Derartige Kaskaden können auch generatorisch wirken, wenn sie einen im Vergleich zu ihrer Leerlaufdrehzahl übersynchronen Antrieb erhalten. Zur Veranschaulichung ist deshalb in Fig. 2 eine Antriebskraftmasehine 8 eingezeichnet, von der die Maschinengruppe angetrieben wird. Der Antrieb kann jedoch auch elektromotorisch erfolgen, so dass die Anordnung z. B. als Umformer wirkt und zur Kupplung zweier Netze verwendet werden kann. Die Aufreehterhaltung einer stabilen Spannung und Frequenz in einem Wechselstromnetz ist durch eine solche Anordnung ohne weiteres möglich. Beim Anfahren kommt der Generator durch Selbsterregung auf die richtige Spannung, wenn man die Bürsten der Hintermaschine 2 oder der Erregermaschine 3 oder beider Maschinen verstellt.
Im Betrieb werden die Bürsten der Maschine in die Kompensationsstellung zurückgebracht und die richtige Spannung und Frequenz von selbst aufrecht erhalten, während die Regelung der Blindleistung mit Hilfe von Regelapparaten 6 erfolgt.
Mit Hilfe von bekannten Regelanordnungen, wie Kompoundtransformator, Eilregler u. dgl. kann in Abhängigkeit von den durch das Netz oder durch den Antrieb gegebenen Verhältnissen eine selbsttätige Regelung irgendwelcher Art vorgenommen werden. Der selbsttätige Betrieb von Regelsatzumformern, von Walzenstrassenantrieben, von Netzkupplungen u. dgl. ist hiedurch ohne weiteres möglich.
Je nach Phasenlage und Grösse der erregenden Spannung der Maschine 3 ist eine Regelung der Anordnung sowohl hinsichtlich der Drehzahl (bei motorischem Antrieb) als auch hinsichtlich der Erregung
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auch betriebsmässig herzustellen, kann man die Maschine 2 über eine verstellbare Kupplung 13 mit der Hauptmaschine verbinden oder auch 2 mit drehbarem Ständer ausführen. Die Anordnungen können durch Gegenerregung auch zur Blindleistungsaufnahme veranlasst werden, was zur Aufhebung der Kapazität von Hochspannungsleitungen mitunter erwünscht ist. Die im Erregerkreis der Maschine 3 vorhandenen Regelapparate erhalten nur geringe Abmessungen und lassen sich leicht für selbsttätige Regelung durchbilden.
Nach Fig. 3 z. B. wird die Erregung in zwei Erregerkreisen selbsttätig geregelt, u. zw. dient die Wicklung 4 zur Grobregelung, die Wicklung 9 zur feinstufigen Regelung. Die Erregerwicklung 4 liegt über einen Kompoundtransfonnator 11 am Netz ; im zweiten Erregerkreis erfolgt eine selbsttätige Feinregulierung der Wicklung 9 in Abhängigkeit von der Netzspannung (Transformator 12) über den Regler 10. Mannigfaltige Abänderungen der Regelanordnungen lassen sich denken ; so braucht z. B. der eine Erregerkreis keine Regelapparate zu enthalten, während nur im zweiten geregelt wird.
Im Falle der Fig. 3 können die Abmessungen der Regelwicklungen 4 und 9 nach dem Diagramm der Fig. 4 bestimmt werden. In Fig. 4 bedeutet m die Magnetisierungskurve des Generators. Die Erregerwicklung 4 erzeugt im Generator eine Leerlaufspannung vom Betrage a. Reicht die Wirkung der Erregerwicklung 4 zur Konstanthaltung der Netzspannung nicht aus, so werden die Spannungsregler der Wicklung 9 auf eine Verstärkung der Erregung ansprechen. Steigt die Spannung bei Entlastung des Generators unzulässig an, so werden die Regelapparate die Erregerwicklung 9 in entgegengesetztem Sinne beein- flussen, also eine Gegenerregung veranlassen. Die Erregerwicklung 9 wird daher für einen Betrag b zu bemessen sein und durch eine Umkehreinrichtung einen Regelbereich von ebb ermöglichen.
Es ist hiebei ohne weiteres klar, dass der verhältnismässig kleine Betrag c die Anwendung von selbsttätig wirkenden Spannungsschnellreglern mit feinstufige Regelung ohne weiteres gestattet.
Die Anordnung nach Fig. 3 lässt sich auch konstruktiv leicht verwirklichen, weil ständererregte kompensierte Erregermaschinen bekanntlich mit ausgeprägten Polen versehen werden (s. Fig. 5). Es bereitet nun keine Schwierigkeit, die beiden Erregerwicklungen 4 und 9 in der in Fig. 5. angedeuteten Weise unterzubringen, während die Kompensationswicklung über die Bohrnngsoberfläehe des Poles gleichmässig verteilt wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Kaskade, bestehend aus Induktionsvordermaschine und läuferseitig erregter, kompensieríer Kommutatorhintermaschine, dadurch gekennzeichnet, dass letztere durch eine ständerseitig mit Netzfrequenz erregte, kompensierte Kommutatorerregermaschine erregt wird.
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Cascade, consisting of an induction front machine and a compensated concurrent machine excited on the rotor side.
Arrangements that consist of an induction front machine in cascade with a rotor-excited, compensated commutator rear machine can, as is known, be regulated in terms of their speed and also enable the generation and regulation of reactive power. For the purpose of regulation, the commutator back machine, z. B. via a transformer with adjustable gear ratio or via a synchronous converter, excited from the network. Although these circuits allow fine-grained, partly automatic control, they have some disadvantages, as can be seen from the following:
With regard to commutation, the excitation voltage must not exceed a certain limit.
As a result, when energized via a transformer, relatively high currents occur on the slip rings of the commutator rear machine, so that control devices are obtained that are not very suitable for fine-grained control. In the case of large generators and reactive power machines, automatic control is also difficult to carry out due to the lack of suitable control equipment. The fact that the control process has to run quickly is of particular importance here. A control with a synchronous exciter causes on the other hand in networks in which drive machines with natural vibrations, such as piston engines, gas engines and the like. Like. Are present, oscillations.
In other known arrangements in which the cascade works as a generator, i. H. is mechanically driven, the timing is only possible if there is an excitation source independent of the mains with the correct number of periods. This therefore requires a special power machine that is independent of the mains and drives the exciter generator.
The difficulties outlined are now overcome according to the invention in that the commutator rear machine is excited by a compensated commutator machine fed with mains frequency on the stator side. This excitation machine supplies excitation current at mains frequency for the commutator rear machine. In doing so, by switching off synchronous machines, an excitation circuit is obtained that easily enables fine-grained and automatic control.
In the exemplary embodiment in FIG. 1, 1 denotes the induction front machine, 2 the compensated rotor-excited commutator rear machine, 3 the compensated commutator exciter machine according to the invention, excited in the stator by means of an exciter winding 4 at mains frequency, 5 a drive motor for the exciter machine and 6 a controllable transformer which, as well as the front machine 1 is connected to the network 7. The transformer 6 can be designed as a step or rotary transformer. The use of an asynchronous drive motor 5 for the exciter converter is possible because the commutator brushes of the exciter machine always have a frequency that is independent of the drive speed and is only given by the frequency of the exciter winding 4.
With a fluctuating speed of 3, this arrangement always results in the mains frequency at the slip rings of machine 2; from this one can easily see the possibility of an arrangement according to FIG. 2.
In contrast to FIG. 1, the commutator exciter 3 is here mechanically coupled to the front machine, so it does not require a special drive motor.
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Such cascades can also act as a generator if they receive an oversynchronous drive compared to their idling speed. To illustrate this, FIG. 2 shows a driving force machine 8 by which the machine group is driven. However, the drive can also be done by an electric motor, so that the arrangement z. B. acts as a converter and can be used to couple two networks. The maintenance of a stable voltage and frequency in an alternating current network is easily possible with such an arrangement. When starting up, the generator comes to the correct voltage through self-excitation if the brushes of the rear machine 2 or the exciter machine 3 or both machines are adjusted.
During operation, the brushes of the machine are returned to the compensation position and the correct voltage and frequency are automatically maintained, while the reactive power is regulated with the aid of regulating devices 6.
With the help of known control arrangements, such as compound transformer, rapid regulator u. Like. Depending on the conditions given by the network or by the drive, an automatic control of any kind can be made. The automatic operation of control set converters, roller line drives, network couplings and the like. Like. Is hereby easily possible.
Depending on the phase position and the magnitude of the exciting voltage of the machine 3, the arrangement can be regulated both with regard to the speed (with motor drive) and with regard to the excitation
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Also to be produced operationally, the machine 2 can be connected to the main machine via an adjustable coupling 13 or else 2 can be designed with a rotatable stand. The arrangements can also be caused to consume reactive power by counter-excitation, which is sometimes desirable for eliminating the capacity of high-voltage lines. The regulating apparatuses present in the excitation circuit of the machine 3 have only small dimensions and can easily be designed for automatic regulation.
According to Fig. 3 z. B. the excitation is automatically regulated in two excitation circuits, u. between the winding 4 is used for coarse control, the winding 9 for fine control. The excitation winding 4 is connected to the network via a compound transformer 11; In the second excitation circuit, the winding 9 is automatically fine-tuned as a function of the mains voltage (transformer 12) via the regulator 10. Various modifications of the regulating arrangements can be imagined; so z. B. one excitation circuit does not contain any control apparatus, while only the second is regulated.
In the case of FIG. 3, the dimensions of the control windings 4 and 9 can be determined according to the diagram of FIG. In Fig. 4, m denotes the magnetization curve of the generator. The excitation winding 4 generates an open circuit voltage of the amount a in the generator. If the action of the excitation winding 4 is insufficient to keep the mains voltage constant, the voltage regulators of the winding 9 will respond to an amplification of the excitation. If the voltage increases in an impermissible manner when the generator is unloaded, the control apparatuses will influence the excitation winding 9 in the opposite direction, that is, they will cause counter-excitation. The excitation winding 9 will therefore have to be dimensioned for an amount b and enable a control range of ebb by means of a reversing device.
It is immediately clear that the relatively small amount c allows the use of automatically acting high-speed voltage regulators with fine-level regulation.
The arrangement according to FIG. 3 can also be easily implemented structurally because, as is known, stator-excited compensated exciter machines are provided with pronounced poles (see FIG. 5). There is now no difficulty in accommodating the two excitation windings 4 and 9 in the manner indicated in FIG. 5, while the compensation winding is evenly distributed over the bore surface of the pole.
PATENT CLAIMS:
1. Cascade, consisting of an induction front machine and a compensating commutator rear machine excited on the rotor side, characterized in that the latter is excited by a compensated commutator exciter machine that is excited at mains frequency on the stator side.